一种具有高耐磨密封表面的球阀球体及其制备方法

一种具有高耐磨密封表面的球阀球体及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有高耐磨密封表面的球阀球体及其制备方法，主要技术方案为：在球体表面通过硼、矾、稀土的共渗形成一层具有高硬度和较强的抗擦伤、抗磨损、抗冲刷能力并具有足够厚度、与基体为冶金结合的强化层，强化层下侧基体经提高硬度的热处理而具有高硬度、能够对表面强化层提供可靠支撑，强化层制备时采取相应方法使渗硼、热处理后球体基本无变形。本发明的优点：球体表面具有更高的硬度、更强的抗擦伤抗磨损和抗冲刷能力，结合强度高不容易产生剥落，基体具有高硬度可以保证强化层能可靠工作，能够在高温工况中使用，能够使产品结构得到简化、制造成本降低，便于加工制造，能够使阀门具有较高的使用可靠性和更长的使用寿命。
【专利说明】一种具有高耐磨密封表面的球阀球体及其制备方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种阀门零件，具体涉及一种硬密封球阀的球体表面结构及其形成方法。

【背景技术】
[0002]球阀是应用非常广泛的一类阀门，具有启闭速度快、阀门开启后流阻和压损小、密封面在开启状态不会受到流动介质的冲刷、密封面关闭时有自净能力等优点。在一些特殊工况，如高温工况以及介质中富含硬质颗粒时，采用以球体表面镀硬铬或化学镀镍和以工程塑料加工的阀座所组成的常规球阀产品往往完全不能满足工况使用要求，在这类运行条件较为苛刻的工况系统中，一般会选用金属硬密封球阀。随着硬密封球阀设计、制造水平的不断提高，金属硬密封球阀已成为近年来技术发展最快的阀种之一，产品的配套需求量越来越多、应用也越来越广泛，如在大容量火力发电机组中，金属硬密封球阀在主蒸汽、再热蒸汽疏水，对空排汽，给水、减温水隔断，炉水排污，蒸汽超压安全泄放等方面都有较为广泛的应用；除了在高温工况方面的应用外，硬密封球阀产品在高磨损工况，如在排渣和除尘、高炉排灰、煤粉输送等方面，在煤化工、多晶硅、有机硅等行业也有较多应用。在一些高磨损、强冲刷和强腐蚀的极端工况，往往还会选择和使用以具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性的结构陶瓷来制作球体、阀座和进出口通道的陶瓷球阀。阀门密封面的高硬度要求，既是出于保证阀门密封副本身抗磨损、抗擦伤性能的需要，也是保证密封面具备充分的抵抗介质中具有较高硬度的固相物质对密封面的磨损、冲刷破坏能力的需要，因此，用于介质中富含硬质微粒工况的硬密封阀门，为了保证产品的使用性能和使用寿命，其密封面的硬度应显著高于介质中硬质微粒的硬度。
[0003]早期的硬密封球阀球体以堆焊或喷涂Stillite硬质合金来制作球体密封表面，由于合金层硬度偏低抗擦伤能力不能满足要求、堆焊或喷涂的工艺难度大、施焊后和使用过程中易产生裂纹，已不再被应用。现行的金属硬密封球阀产品的球体表面均采用超音速火焰喷涂工艺(HVOF)在球体表面形成碳化钨金属陶瓷涂层(部分产品根据使用温度的要求选择喷涂碳化铬涂层)；碳化钨涂层磨削、研磨后厚度为0.2?0.3mm ;涂层硬度(HV1200，国内产品的碳化钨涂层的实际硬度在HV750?850 (HRC62?66)左右。
[0004]密封面喷涂碳化钨涂层的硬密封球阀在实际使用中，较多地存在如下的问题:
[0005]碳化钨涂层剥落。涂层剥落有以下几个方面的原因:1、由于超音速喷涂的碳化钨涂层与基体材料之间为机械结合而非冶金结合，因而涂层与基体的结合力会受到制约，在局部有较大工作应力时易产生剥落现象；2、由于基体材料的硬度一般较低(当基体材料采用高硬度材料并经淬硬形成高硬度表面时，也会使喷涂层与基体的结合力下降)，附着在较软基体上的硬质涂层在与阀座密封面接触的受压面边界处，会产生较高的剪切应力和弯曲应力，从而使脆性的碳化钨涂层在相应部位产生裂纹进而导致涂层剥落；3、喷涂所产生的热应力及由于基体和涂层的线胀系数的差异而使涂层在高温工况产生的热应力以及因阀门频繁或周期性启闭使涂层产生的接触疲劳应力，会使涂层在工作时的承载能力显著下降而导致涂层剥落；4、喷涂前的处理以及喷涂操作存在问题导致局部或整体的涂层结合力下降。超音速火焰喷涂工艺对喷涂材料的选择和要求、对工件的表面清洁和预处理要求较高，喷涂操作中需要控制的操作参数较多、工艺难度大，因而很容易导致涂层的质量不稳定。
[0006]密封面受高速流动的介质中的硬质颗粒冲刷和磨损而使密封表面状况恶化，使阀门失去密封能力，严重时局部冲刷破坏严重也会导致碳化钨涂层脱落。
[0007]涂层硬度偏低。在密封副存在相对滑动的金属密封阀门中，硬密封球阀是密封面摩擦状况相对最严苛的阀门，阀门启闭全程密封面均会承受较高的接触比压(楔式闸阀的密封面则只在关闭末段才承受较高的接触比压)；同时，硬密封球阀也不能依靠外加操作力来增加密封比压。因此，硬密封球阀对阀门密封面需有更高的要求，其中最为重要的要求之一是对密封面的抗擦伤要求。国内产品的碳化钨涂层实际硬度HV750?850，在苛刻工况使用时往往难以完全满足抗擦伤要求和阀门的使用寿命要求。
[0008]近年来，由于陶瓷材料所具有的高硬度和高耐磨特性，陶瓷球阀作为一种以陶瓷材料制作密封件的特殊的硬密封球阀已在一些高磨损高冲刷工况得到了一定的应用。陶瓷球阀的球体、阀座等零件采用氧化锆相变增韧陶瓷制作；氧化锆增韧陶瓷的硬度在HV1200 (HRA87)左右，具有高于碳化钨喷涂层的抗磨损、抗冲刷性能。陶瓷阀门所存在的缺点是:1、陶瓷材料的抗拉韧性差、脆性较大，因而使用可靠性不及金属密封阀门；2、陶瓷零件无法进行切削加工，只能通过模具烧结成型并通过磨削和研磨而达到使用要求，工艺难度大，生产成本高、效率低，生产周期长；3、陶瓷零件上需要镶嵌金属辅助构件、或增加机械固定结构对陶瓷零件进行安装，使阀门结构趋于复杂，增加了产品的制造成本同时也降低了阀门的可靠性；4、陶瓷零件不能承受较大的热冲击，因而陶瓷球阀难以在高温工况应用。
[0009]金属材料的表面扩散渗硼改性强化是一种有着超过100年发展历史的传统工艺，多年来随着渗硼工艺的不断发展和改进，产生了多种渗硼方法，包括固体渗硼、膏剂渗硼、盐浴渗硼、电解渗硼、离子渗硼、微波渗硼等渗硼工艺。采用不同的金属材料进行渗硼，可以使金属表面获得HV1400?2200的超高硬度，远高于超音速火焰喷涂碳化钨涂层的硬度，也显著高于氧化锆陶瓷的硬度，具有极佳的抗擦伤、抗磨损能力；选择一定的渗硼工艺和基体材料时渗层厚度最大可以达到0.40_，达到与超音速喷涂碳化钨涂层相当的强化层厚度；渗硼层是在基体材料的基础上形成，与基体材料之间为冶金结合而非如超音速喷涂层的机械结合；零件经扩散渗工序后，可以在保护气氛中进行淬火热处理以提高基体的硬度和强度；渗硼层高温热硬性好，在800°C以下均能保持很高的硬度；具有较好的高温抗氧化性和优异的抗蚀性，工件表面渗硼后能够达到与奥氏体不锈钢相当的抗蚀性。近年来在渗硼工艺方面又产生了一些新的工艺方法如稀土共渗、多元共渗等来改善渗硼的工艺特性和提升渗层性能，如降低渗层脆性、进一步提高渗层的耐磨性、增加渗速和渗层厚度等。渗硼工艺在大大提升金属表面性能的同时，生产成本也较低，设备的配置和操作要求也不高。
[0010]由于渗硼处理要达到足够的渗层厚度需要在加热温度800?1000°C的高温下进行，会引起零件的变形，目前在国内外机械制造行业，金属表面扩散渗硼还主要是应用在工模具的表面强化方面，而在精密机械零件制造方面的应用则鲜有报道。渗硼处理后零件的变形成为这一工艺进一步在其它机械零件的制造尤其是在精密零件的制造方面应用的最主要的制约因素；金属硬密封球阀的球体因为其制造精度尤其是圆度精度的要求很高，要在其表面实施渗硼或多元渗硼强化，需要在制造工艺方面解决扩散渗后的变形问题，达到球体的高精度要求，才能使这一“点铁成金”的技术在硬密封球阀球体的表面强化方面获得具有很高实用价值的应用和取得对其它现有技术如超音速喷涂碳化钨密封面和整体陶瓷密封面的显著的技术优势。


【发明内容】

[0011]为了克服硬密封球阀现有技术所在的诸多不足之处，本发明提出了一种具有更高的表面硬度、具有更强的抗擦伤抗磨损以及抗冲刷能力，结合强度高、不容易产生强化层剥落，基体具有高硬度以保证表面强化层能可靠工作，强化层制备后不会形成残余应力，能够在高温工况中使用，能够使产品结构得到简化、制造成本降低，便于加工制造，能够使阀门具有较高的使用可靠性和更长的使用寿命的硬密封球阀的具有高耐磨密封表面的球阀球体及其制备方法。
[0012]针对要解决的技术问题，本发明所提出的技术方案其基本思路和实质内容是:选择了一种能够在抗擦伤耐磨损抗冲刷性能方面更优于现有产品密封表面的硬面技术方案且能克服其诸多缺陷的表面强化工艺-扩散渗硼(包括硼钒共渗或其它包含渗硼的多元共渗技术)；而对于扩散渗后的变形问题，采取在渗前不加工球体上的通流孔和传动槽、工件以各向同性的完整、实芯的球体状态进行高温扩散渗，则渗后基本不会产生变形；而渗后的保护气氛的淬火回火处理或固溶时效处理，淬火和时效提高了基体硬度、能够解决现有技术采用喷涂工艺存在的因基体硬度低所带来的问题，回火一方面是淬火热处理必经的一道工序、用以调节淬后硬度，另一方面可以消除工件的内应力、避免因加工通流孔和传动槽后内应力分布状态改变和应力释放而产生变形，时效也兼有减小应力的作用，这样在球体热处理或加工通流孔和传动槽后球体仍然基本不会产生变形或仅有微量变形。扩散渗和热处理后球体表面进行的研磨、抛光加工，其目的一方面是改善表面粗糙度使之达到要求，另一方面也是为了修正此前的扩散渗、热处理阶段可能产生的微量变形，使球面圆度达到要求。
[0013]本发明的目的通过如下技术方案实现:
[0014]—种具有高耐磨密封表面的球阀球体，所述的球体为硬密封球阀的旋转关闭件，与位于其两侧的金属阀座组成密封偶件以实现阀门的启闭和密封，其主要技术关键为:在所述球体的球面表面有一层具有高耐磨性能的强化层，所述的强化层中富集有经扩散渗形成的金属硼化物，强化层下侧基体为经淬火热处理或固溶和时效热处理而具有高硬度的基体材料，强化层与基体材料之间为冶金结合。
[0015]作为上述方案的一种进一步的方案，所述的强化层中同时还分布有经扩散渗形成的碳化钒微粒。
[0016]本发明所述的具有高耐磨密封表面的球阀球体，其制备方法中包括以下步骤:
[0017]前加工步骤:进行球体的球面加工，球体通流孔和传动槽不加工；
[0018]扩散渗步骤:进行球体表面的渗硼或硼钒共渗处理；
[0019]基体热处理步骤:进行旨在提高基体硬度的淬火+回火处理或固溶+时效处理；
[0020]后加工步骤:进行球体通流孔和传动槽的加工；
[0021]研磨抛光步骤:进行旨在改善球面圆度和表面粗糙度的研磨抛光加工。
[0022]作为本发明所述的球体制备方法的一种进一步的方案，在球体的球面加工步骤前，还包括有锻造和退火加工工序。
[0023]作为本发明所述的球体制备方法的一种进一步的方案，在球体的球面加工步骤中，还包含有对在通流孔孔口与球面相交位置处的小圆角的加工。
[0024]作为本发明所述的球体制备方法的一种进一步的方案，在球体的球面加工步骤中，还包含有对所加工的球面进行粗研加工。
[0025]作为本发明所述的球体制备方法的一种进一步的方案，在扩散渗步骤中，在渗剂中添加稀土进行稀土共渗。
[0026]作为本发明所述的球体制备方法的一种优选，在基体热处理步骤中，将工件在充分脱氧后的中性盐浴炉中进行加热。
[0027]作为本发明所述的球体制备方法的一种优选，在基体热处理步骤中，采用真空高压气淬工艺对工件进行热处理。
[0028]作为本发明所述的球体制备方法的一种进一步的方案，在扩散渗步骤和基体热处理步骤中，工件在渗后直接转入淬火或固溶阶段，升温或降温至淬火或固溶温度进行处理。
[0029]与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是:球体表面强化层具有更高的表面硬度和满足需要的强化层厚度，并因此而具备更强的抗擦伤、抗磨损以及抗冲刷能力?’强化层与基体为冶金结合，结合强度高、不容易产生强化层剥落；基体可通过热处理而达到高硬度，以保证表面强化层能可靠工作；强化层制备后不会形成残余应力，并具有较好的高温热硬性，能够在高温工况中使用；能够使产品结构得到简化，制造成本降低，同时便于加工制造；能够使阀门具有较高的使用可靠性和更长的使用寿命。

【专利附图】

【附图说明】
[0030]图1是本发明所述的硬密封球阀球体的示意图。
[0031]图中，1、球体；2、球面；3、小圆角；4、通流孔；5、传动槽。

【具体实施方式】
[0032]下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的阐述。
[0033]实施例1
[0034]本实施例所述的硬密封球阀球体，基体材料采用40Cr，球体直径Φ 47mm，通流孔直径Φ24πιπι，见图1。在该球体上通过渗硼工艺在球面上形成一层富集有Fe2B、FeB的强化层，强化层是在基体材料的基础上经高温扩散渗而形成因而与基体材料之间为冶金结合；同时，渗硼后对40Cr基体进行淬火热处理，使其具有较高的基体硬度。
[0035]制备过程如下:
[0036]准备:40Cr按Φ 50 X 51mm下料；另备三块相同材料的试块，尺寸20 X 20 X 10_，同炉进行渗硼以及基体热处理，一块用于检测渗层硬度和厚度及基体材料热处理硬度，另两块分别作为动、静试块进行擦伤试验以测试和比较渗层耐磨性。此外，预先准备两块相同尺寸的HVOF喷涂碳化钨样块作为对比件。
[0037]前加工:车加工球面，通流孔及传动槽不加工，将通流孔孔口与球面相交位置处的小圆角也加工出；磨削和粗研球面。加工后表面粗糙度Ra ( 0.2 μ m，球面跳动彡0.015mm。通流孔孔口处的小圆角的作用是使球体在启闭转动时阀座密封面不会受到伤害，因此将小圆角与球面一道加工出、在渗硼时小圆角处与球面一起形成连贯的渗硼层，才能使阀座密封面在启闭时得到有效的保护；因为球体在渗硼后硬度很高、球面只进行微小加工量的精研、抛光加工，因此渗硼前在球面车削后需进行磨削和粗研以使球面的尺寸、圆度精度、粗糙度达到相应要求。
[0038]硼-稀土共渗:工艺流程为:除油-水洗_酸洗_水洗-中和-水洗-吹干_装挂-盐浴渗硼-冷却-清洗吹干。渗剂成分:硼砂、碳化硼、铝粉、氟化钠、氟硼酸钾、稀土、增渗剂。扩散渗温度:950°C，时间:8h。渗硼时稀土的加入，能够增加渗层渗入深度，改善渗层组织结构，降低渗硼层的脆性，提高渗硼层硬度、增加与基体的结合力和显著增加渗硼层的耐磨性。
[0039]基体淬火+回火处理:采用真空高压气淬炉对工件进行热处理；冷却气体:高纯氩气，气淬压力:lObar。淬火、回火工艺规范:淬火-真空加热850°C，气冷；回火-真空加热300°C，气冷。渗硼后对基体进行淬火加硬处理是较常见的渗硼处理工艺流程；渗硼后淬火处理时，只要控制好加热温度不超过1080°C以避免硼化物层过烧和脱硼、在中性保护气氛中加热，就能够使渗层的质量、厚度、硬度以及磨损抗力完全不受影响。
[0040]采用真空高压气淬炉进行球体的淬火回火处理，除了真空高压气淬工艺具有工件无氧化脱碳、表面光洁、热处理全程及工件冷却速度可进行自动控制、节能及成本低廉、安全环保等诸多优点外，真空高压气淬的一个突出的优势是与其它类型的热处理设备相比能够显著减小工件的热处理变形，这一点对于硬密封球阀球体的热处理加工来说，无疑是极为有利的。
[0041]后加工:进行球体通流孔和传动槽的加工；
[0042]研磨抛光:分别用不同粒度的人造金刚石研磨料对球面进行研磨和抛光加工，使球面圆度和表面粗糙度达到要求。
[0043]渗硼层硬度和厚度:经试块检测，渗硼层硬度HV1400?1550，厚度0.28?0.31mm。渗层硬度远高于国内现行产品HVOF喷涂碳化钨涂层的硬度HV750?850，也显著高于氧化锆增韧陶瓷的硬度HV1200 ;渗层厚度与碳化钨涂层的厚度基本相当。因此，本发明的球体密封表面强化层在耐冲刷能力方面有着显著的优势。
[0044]40Cr基体硬度:经试块检测，基体淬火回火硬度HRC49?52。
[0045]抗擦伤能力试验:经测试，在SOMPa压紧比压下，渗硼试块开始出现肉眼可见擦痕的次数为850次左右，碳化钨涂层试块开始出现肉眼可见擦痕的次数为250次左右；渗硼试块开始出现擦伤深度大于0.02_深的擦伤的次数为51500次左右，碳化钨涂层试块开始出现擦伤深度大于0.02mm深的擦伤的次数为12500次左右。两者相比较，渗硼强化层的擦伤寿命是碳化钨涂层的4倍多。耐磨性的改善主要是由于强化层硬度的提高而带来的有益效果O
[0046]上述制备过程中所涉及到的两种热加工工艺手段-硼-稀土共渗和真空高压气淬均为现有成熟技术并在不断发展中，有利于保证本发明能够得到可靠实施并在今后能够得到进一步的发展。
[0047]本实施例表明，通过适当的扩散渗硼工艺所形成的上述球体表面强化层，与现有技术的密封表面相比，具有更高的表面硬度并具有满足需要的强化层厚度，因而具有更强的抗擦伤、抗磨损以及抗冲刷能力；强化层因为与基体为冶金结合因而结合强度高，不容易产生强化层剥落现象；基体材料通过淬火处理达到了显著高于材料未经处理时的高硬度，对表面强化层形成可靠的支撑，能够解决现行产品所存在的基体硬度偏低使喷涂层受压面边界处产生过高的应力而容易导致喷涂层产生裂纹和剥落的现象，保证表面强化层可靠工作；强化层的高硬度和抗剥落的高可靠性能够显著延长阀门的使用寿命。强化层形成过程中，因为经过回火处理，因而基本不存在残余应力。与陶瓷球阀相比，除了关键零件的表面硬度和耐磨性得到提高、低韧性高脆性的缺陷得到大大改善、产品制造周期缩短效率提高成本降低外，球体传动槽处不需要镶嵌金属衬套，也使产品结构得到了简化，便于加工制造。
[0048]作为主要应用于模具表面强化处理的渗硼技术，在模具制造方面的应用与在本发明中创新应用为硬密封球阀密封表面的强化处理手段，在应用要求和强化层特性方面都有着很大的区别:模具的表面强化层需要在承受强冲击和较大的疲劳应力的工作条件下达到较高的可靠性和工作寿命，强化层除了要具有较高的硬度和耐磨性外，也要有合适的厚度，过厚则工作时易产生剥落破坏，通常要求不大于0.10?0.15mm，实际应用时以0.04?0.1Omm居多。硬密封球阀的球体密封表面使用时产生破坏的一个主要原因是，阀门工作时强化层在与阀座密封面接触的受压面边界处会产生较高的剪切应力和弯曲应力，当工作应力过大时会使脆性的表面强化层产生裂纹进而导致涂层剥落；要降低上述的接触受压面边界处的工作应力，途径有三个:增加阀座密封面的宽度(减小了接触比压)、增加强化层下的基体材料的硬度(减小了强化层受压向下的微变形)、增加强化层的厚度(降低了强化层边界处的工作应力)，增加阀座密封面宽度是硬密封球阀通常的做法，但密封面太宽则不利于阀门获得更好的密封性，因而同时也应增加强化层的厚度和基体的硬度，使阀门密封表面在严苛工况下具有较高的使用可靠性；本发明选择渗硼技术作为球体密封表面的强化处理手段，除了因为渗硼层具有高硬度、高耐磨性的优势外，渗硼层在采取合适的渗硼工艺和措施后能够达到较大的渗层厚度(最厚可达0.3?0.4_)以及渗硼后能够进行增加基体硬度的热处理也是主要的一个方面；在保证球体表面具有较大的渗层厚度的前提下，采取合适的方式(如稀土共渗等等)来保证渗层的结合强度、韧性和耐磨性达到相应要求。
[0049]实施例2
[0050]本实施例所述硬密封球阀球体的基体材料为3Cr2W8V，球体直径为Φ 88mm，通流孔直径Φ50πιπι。本实施例需要在该球体上通过高温扩散渗的渗硼-钒-稀土的多元共渗工艺，在球体表层形成一层富集有金属硼化物以及碳化钒等硬质相微粒、与基体材料之间为冶金结合的强化层；扩散渗后对3Cr2W8V基体进行淬火热处理使其具有较高的基体硬度。
[0051]制备过程如下:
[0052]准备:3Cr2W8V下料后，锻造为球形毛坯，锻后进行退火处理。下料后经锻造再进行加工，可以减少材料消耗和加工成本；退火处理一方面是为了降低硬度、改善切削加工性能，另一方面也是为了消除组织缺陷和残余内应力、细化晶粒，为后续的热处理做组织准备。除工件下料外，另准备一块相同材料的试块、尺寸20X20X 10mm，同炉进行多元共渗及基体淬火处理，用于检测渗层硬度、厚度以及基体材料的热处理硬度。
[0053]前加工:车加工球面及通流孔孔口与球面相交位置处的小圆角，通流孔及传动槽不加工；磨削和粗研球面。加工后表面粗糙度Ra ( 0.2 μ m，球面跳动彡0.015_。
[0054]硼-钒-稀土盐浴共渗:渗剂成分为:硼砂、氧化钒、碳化硼、铝粉、氟化钠、氟硼酸钾、稀土、增渗剂。扩散渗温度:950°C，时间:9h。
[0055]基体淬火+回火处理:在扩散渗后，工件由高温状态直接转入淬火阶段，升温至淬火温度进行淬火处理。热处理采用盐浴炉进行处理，工件的淬火和回火均在充分脱氧后的中性盐浴中进行。淬火、回火工艺规范:淬火_1075°C油冷；回火_570°C二次回火。渗后工件由高温状态直接转入淬火阶段，减少了工件由高温到低温、再由低温到高温的过程，更有利于控制工件的变形；将工件在中性盐浴炉中进行热处理，是为了避免对已完成的渗硼层带来影响。
[0056]后加工:完成球体通流孔和传动槽的加工；
[0057]研磨抛光:对球体表面进行研磨和抛光加工使球面圆度和表面粗糙度达到要求。
[0058]硼-钒渗层硬度和厚度:经试块检测，渗层硬度HV1550?1800，厚度0.18?0.21mm。渗层硬度远高于国内现行产品HVOF喷涂碳化钨涂层的硬度HV750?850也显著高于氧化锆增韧陶瓷的硬度HV1200 ;渗层厚度与碳化钨涂层的厚度较为接近，由于基体达到了足够的高硬度、能够对表面强化层提供很有效的支撑，因此强化层在使用时能够保证具有充分的可靠性。
[0059]3Cr2W8V基体硬度:经试块检测，基体淬火回火硬度HRC45?48。
[0060]本实施例中，球体表面强化采用了硼-钒共渗并添加稀土，硼-钒共渗能够同时发挥渗硼渗深大和渗钒硬度高的优势，使强化层在保持较大渗层厚度的同时，具有比单渗硼更高的硬度和更好的耐磨性，因而也比现有技术的密封表面具有更强的抗擦伤、抗磨损以及抗冲刷能力。同时，硼-钒共渗层具有很好的高温热硬性，能够使阀门在高温工况中可靠使用并达到较长的使用寿命。
[0061]实施例3
[0062]本实施例所述的硬密封球阀其阀门压力等级为300Lb，球体的基体材料为17-4PH，球体直径为Φ 100mm、通流孔直径Φ 59mm，需要在该球体上进行渗硼-1凡-稀土的多元共渗工艺以形成具有较好的耐磨性的密封表面强化层。
[0063]制备过程如下所述:
[0064]准备:17-4PH下料后锻造为球形毛坯，锻后带温进炉进行退火处理。同时，另准备一块相同材料、尺寸20X20X10mm的试块同炉进行多元共渗及基体热处理，用于检测渗层硬度、厚度以及基体材料的热处理硬度。
[0065]前加工:车加工球面及通流孔孔口与球面相交位置处的小圆角，通流孔及传动槽不加工；磨削和粗研球面。加工后表面粗糙度Ra ( 0.2 μ m，球面跳动彡0.015_。
[0066]硼-钒-稀土盐浴共渗:渗剂成分为:硼砂、氧化钒、碳化硼、铝粉、氟化钠、氟硼酸钾、稀土、增渗剂。扩散渗温度:950°C，时间:9h。
[0067]基体固溶+时效处理:在扩散渗后工件由高温状态直接转入固溶处理阶段，升温至固溶温度进行固溶处理。热处理采用盐浴炉进行处理，工件的处理和时效均在充分脱氧后的中性盐浴中进行。固溶、时效工艺规范:固溶_1040°C快冷；时效_480°C空冷。
[0068]后加工:完成球体通流孔和传动槽的加工；
[0069]研磨抛光:对球体表面进行研磨和抛光加工使球面圆度和表面粗糙度达到要求。
[0070]硼-钒渗层硬度和厚度:经试块检测，渗层硬度HV1500?1650，厚度0.16?0.19mm。由于阀门的压力等级较低因而密封面的密封比压也相对不高，且基体具有较高的硬度、能够对表面强化层提供有效的支撑，因此强化层在使用时能够保证具有充分的可靠性。
[0071]17-4PH基体硬度:经试块检测，基体固溶、时效处理后的硬度为HRC39?42。
[0072]本实施例中，球体表面通过硼-钒-稀土共渗获得了比现有技术的密封表面具有更强的抗擦伤、抗磨损能力的表面强化层；同时，渗硼层具有很好的耐蚀性，能够使阀门在腐蚀性工况中可靠使用并达到较长的使用寿命。
[0073]本说明书未作详细描述的内容属于相应【技术领域】的专业技术人员所公知的现有技术。
[0074]以上结合实施例对本发明的技术方案作了具体说明，但这些实施例和说明不能被理解为限制了本发明的范围。本【技术领域】的技术人员应该知晓，本发明不受上述实施例的限制，其保护范围由所附的权利要求书所界定，任何在不超出本发明权利要求书所界定的范围内的各种改动、变型所形成的技术方案，都没有偏离本发明的精神和技术实质，仍然会属于本发明的权利要求范围之内。
【权利要求】
1.一种具有高耐磨密封表面的球阀球体，所述的球体为硬密封球阀的旋转关闭件，与位于其两侧的金属阀座组成密封偶件以实现阀门的启闭和密封，其特征在于:在所述球体的球面表面有一层具有高耐磨性能的强化层，所述的强化层中富集有经扩散渗形成的金属硼化物，强化层下侧基体为经淬火热处理或固溶和时效热处理而具有高硬度的基体材料，强化层与基体材料之间为冶金结合。
2.根据权利要求1所述的具有高耐磨密封表面的球阀球体，其特征在于:所述的强化层中同时还分布有经扩散渗形成的碳化钒微粒。
3.—种如权利要求1或2所述的具有高耐磨密封表面的球阀球体的制备方法，其特征在于:制备方法其中包括以下步骤: 前加工步骤:进行球体的球面加工，球体通流孔和传动槽不加工； 扩散渗步骤:进行球体表面的渗硼或硼钒共渗处理； 基体热处理步骤:进行旨在提高基体硬度的淬火+回火处理或固溶+时效处理； 后加工步骤:进行球体通流孔和传动槽的加工； 研磨抛光步骤:进行旨在改善球面圆度和表面粗糙度的研磨抛光加工。
4.如权利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球阀球体的制备方法，其特征在于:在球体的球面加工步骤前，还包括有锻造和退火加工工序。
5.如权利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球阀球体的制备方法，其特征在于:在球体的球面加工步骤中，还包含有对在通流孔孔口与球面相交位置处的小圆角的加工。
6.如权利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球阀球体的制备方法，其特征在于:在球体的球面加工步骤中，还包含有对所加工的球面进行粗研加工。
7.如权利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球阀球体的制备方法，其特征在于:在扩散渗步骤中，在渗剂中添加稀土进行稀土共渗。
8.如权利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球阀球体的制备方法，其特征在于:在基体热处理步骤中，将工件在充分脱氧后的中性盐浴炉中进行加热。
9.如权利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球阀球体的制备方法，其特征在于:在基体热处理步骤中，采用真空高压气淬工艺对工件进行热处理。
10.如权利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球阀球体的制备方法，其特征在于:在扩散渗步骤和基体热处理步骤中，工件在渗后直接转入淬火或固溶阶段，升温或降温至淬火或固溶温度进行处理。
【文档编号】C23F17/00GK104455538SQ201410755837
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】章华 申请人:章华