金属密封球阀硬化工艺概述
日期：2021/05/11
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1 概述
在火力发电厂、石油化工系统、煤化工领域的高粘性流体、带粉尘及固体颗粒状的混合流体、强腐蚀的流体等介质中，球阀需要选用金属硬密封球阀，所以选用合适的金属硬密封球阀阀球和阀座的硬化工艺重要。
2 金属硬密封球阀阀球和阀座的硬化方式
目前金属硬密封球阀球体表面常用的硬化工艺主要有以下几种：
（1）球体表面堆焊（或喷焊）硬质合金，硬度可达40HRC以上，球体表面堆焊硬质合金工艺复杂，生产效率低，且大面积堆焊易使零件产生变形，目前对球体表面硬化的工艺使用较少。
（2）球体表面镀硬铬，硬度可达60～65HRC，厚度0.07～0.10mm，镀铬层硬度高、耐磨、耐蚀并能长期保持表面光亮，工艺相对简单，成本较低。但硬铬镀层的硬度在温度升高时会因其内应力的释放而迅速，其工作温度不能高于427℃。另外镀铬层结合力低，镀层易发生脱落。
（3）球体表面采用等离子氮化，表面硬度可达60～65HRC，氮化层厚度0.20～0.40mm，等离子氮化处理硬化工艺由于耐腐蚀性较差，不能在化工强腐蚀等领域使用。
（4）球体表面超音速喷涂（HVOF）工艺，硬度高可达70～75HRC，集合强度高，厚度0.3～0.4mm，超音速喷涂是球体表面硬化主要工艺手段。在火力发电厂、石油化工系统、煤化工领域的高粘性流体；带粉尘及固体颗粒状的混合流体、强腐蚀的流体介质中大部分使用该硬化工艺。
超音速喷涂工艺是氧燃料燃烧产生高速气流加速粉末粒子撞击工件表面，形成致密表面涂层的一种工艺方法。在撞击过程中，由于粒子的速度较快（500～750m/s）且粒子温度较低（-3000℃），因此撞击工件表面后，可以获得高结合强度、低空隙率、低氧化物含量的涂层。HVOF的特点是合金粉末粒子速度超过音速，是音速的2～3倍，气流速度是音速的4倍。
HVOF是一种新的加，喷涂厚度0.3～0.4mm，涂层与工件之间是机械结合，结合强度高（77MPa），涂层孔隙率低（＜1%）。该工艺对工件加热温度低（＜93℃），工件不变形，可进行冷喷涂。喷涂时，粉末粒子速度高（1370m/s），无热影响区，工件的成分和组织无变化，涂层硬度高，可进行机加工。
喷焊是一种金属材料表面热喷涂处理工艺。它是通过热源将粉末（金属粉末、合金粉末、陶瓷粉末均可）加热到熔融或达到高塑性状态后，依靠气流将其喷射，沉积到预先处理过的工件表面上，形成一层与工件表面（基材）结合牢固的涂（焊）层。
喷焊和堆焊硬化工艺中硬质合金与基体均具有熔融过程，硬质合金与基体集合处有热融区，为达到喷焊或堆焊硬质合金层性能，避免加工后焊接热融区为金属接触面，建议喷焊或堆焊硬质合金厚度需要大于3mm以上。
3 硬密封球阀阀球和阀座接触面的硬度配合
金属滑动接触面需具有一定的硬度差，否则容易发生咬死现象。在实际运用中，一般阀球和阀座的硬度差在5～10HRC，该硬度差使球阀能具有较好使用。由于球体加工复杂，加工成本高，为保护球体不易受到损坏和磨损，一般选择球体的硬度高于阀座表面的硬度。
阀球和阀座接触表面硬度配合使用比较广泛的有两种硬度配合：①阀球表面硬度55HRC，阀座表面45HRC，阀球表面可采用超音速喷涂Stellite20合金，阀座表面可采用堆焊Stellite12合金，该硬度配合是金属密封球阀使用广范的硬度配合，能满足金属硬密封球阀常规磨损要求；②阀球表面硬度68HRC，阀座表面58HRC，阀球表面可采用超音速喷涂碳化钨，阀座表面可采用超音速喷涂Stellite20合金，该硬度配合广泛使用与煤化工领域，具有较高的耐磨性和使用。
在国外有使用阀球和阀座表面硬度相同的配合，阀球和阀座表面均采用超音速喷涂碳化钨工艺，表面硬度均大于72HRC，即使在超高硬度情况下，阀球和阀座接触表面也不易发生咬死，但目前国内阀球制作表面硬度大于72HRC的阀球、阀座没有成熟的研磨工艺，很难保证阀球和阀座的配合，使用较少。
4 硬密封球阀阀球和阀座硬化注意问题
金属硬密封球阀阀球和阀座材料一般都选择不锈钢或耐腐蚀材料，否则硬质合金与阀座（或阀球）结合层容易被介质腐蚀，发生硬质合金层脱落，影响球阀寿命。
另外针对不同的阀座（或阀球）材料应选择合适的硬化工艺，在煤化工领域中双相不锈钢材料被广泛使用，双相不锈钢材料具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。
双相不锈钢材料是一种既具有铁素体又具有奥氏体组织结构的钢种，铁素体和奥氏体组织结构各占约50%，且二相组织是独立存在的，其性能特点是兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特性。在铁素体不锈钢特性中，当温度在400～500℃范围内，长时间保温会产生强烈的脆化，这种现象一般称为475℃脆化；温度超过400～500℃时，双相不锈钢性能会被破坏。
双相不锈钢材料若采用喷焊或堆焊硬质合金工艺方法，该工艺硬质合金和基体发生融溶过程（温度一般均大于900℃），会破坏双相不锈钢材料的金相组织，故双相不锈钢材料不适合用喷焊（或堆焊）硬质合金的硬化工艺。双相不锈钢材料表面硬化工艺适合使用超音速喷涂工艺，硬化工艺必须保证不能对双相不锈钢材料基体金相组织产生破坏。
5 结语
金属硬密封球阀的阀球和阀座采用合理的硬化工艺，可提高直接决定金属硬密封阀门的使用和使用性能，合理的硬化工艺能制造成本。随着新技术的不断出现，必定会有更多的硬化处理工艺，金属硬密封阀门的硬化工艺和硬度配合是个复杂的问题，因此在对硬密封阀门设计、材料选择、硬化工艺和硬度配合，应给予的重视。
在火力发电厂、石油化工系统、煤化工领域的高粘性流体、带粉尘及固体颗粒状的混合流体、强腐蚀的流体等介质中，球阀需要选用金属硬密封球阀，所以选用合适的金属硬密封球阀阀球和阀座的硬化工艺重要。
2 金属硬密封球阀阀球和阀座的硬化方式
目前金属硬密封球阀球体表面常用的硬化工艺主要有以下几种：
（1）球体表面堆焊（或喷焊）硬质合金，硬度可达40HRC以上，球体表面堆焊硬质合金工艺复杂，生产效率低，且大面积堆焊易使零件产生变形，目前对球体表面硬化的工艺使用较少。
（2）球体表面镀硬铬，硬度可达60～65HRC，厚度0.07～0.10mm，镀铬层硬度高、耐磨、耐蚀并能长期保持表面光亮，工艺相对简单，成本较低。但硬铬镀层的硬度在温度升高时会因其内应力的释放而迅速，其工作温度不能高于427℃。另外镀铬层结合力低，镀层易发生脱落。
（3）球体表面采用等离子氮化，表面硬度可达60～65HRC，氮化层厚度0.20～0.40mm，等离子氮化处理硬化工艺由于耐腐蚀性较差，不能在化工强腐蚀等领域使用。
（4）球体表面超音速喷涂（HVOF）工艺，硬度高可达70～75HRC，集合强度高，厚度0.3～0.4mm，超音速喷涂是球体表面硬化主要工艺手段。在火力发电厂、石油化工系统、煤化工领域的高粘性流体；带粉尘及固体颗粒状的混合流体、强腐蚀的流体介质中大部分使用该硬化工艺。
超音速喷涂工艺是氧燃料燃烧产生高速气流加速粉末粒子撞击工件表面，形成致密表面涂层的一种工艺方法。在撞击过程中，由于粒子的速度较快（500～750m/s）且粒子温度较低（-3000℃），因此撞击工件表面后，可以获得高结合强度、低空隙率、低氧化物含量的涂层。HVOF的特点是合金粉末粒子速度超过音速，是音速的2～3倍，气流速度是音速的4倍。
HVOF是一种新的加，喷涂厚度0.3～0.4mm，涂层与工件之间是机械结合，结合强度高（77MPa），涂层孔隙率低（＜1%）。该工艺对工件加热温度低（＜93℃），工件不变形，可进行冷喷涂。喷涂时，粉末粒子速度高（1370m/s），无热影响区，工件的成分和组织无变化，涂层硬度高，可进行机加工。
喷焊是一种金属材料表面热喷涂处理工艺。它是通过热源将粉末（金属粉末、合金粉末、陶瓷粉末均可）加热到熔融或达到高塑性状态后，依靠气流将其喷射，沉积到预先处理过的工件表面上，形成一层与工件表面（基材）结合牢固的涂（焊）层。
喷焊和堆焊硬化工艺中硬质合金与基体均具有熔融过程，硬质合金与基体集合处有热融区，为达到喷焊或堆焊硬质合金层性能，避免加工后焊接热融区为金属接触面，建议喷焊或堆焊硬质合金厚度需要大于3mm以上。
3 硬密封球阀阀球和阀座接触面的硬度配合
金属滑动接触面需具有一定的硬度差，否则容易发生咬死现象。在实际运用中，一般阀球和阀座的硬度差在5～10HRC，该硬度差使球阀能具有较好使用。由于球体加工复杂，加工成本高，为保护球体不易受到损坏和磨损，一般选择球体的硬度高于阀座表面的硬度。
阀球和阀座接触表面硬度配合使用比较广泛的有两种硬度配合：①阀球表面硬度55HRC，阀座表面45HRC，阀球表面可采用超音速喷涂Stellite20合金，阀座表面可采用堆焊Stellite12合金，该硬度配合是金属密封球阀使用广范的硬度配合，能满足金属硬密封球阀常规磨损要求；②阀球表面硬度68HRC，阀座表面58HRC，阀球表面可采用超音速喷涂碳化钨，阀座表面可采用超音速喷涂Stellite20合金，该硬度配合广泛使用与煤化工领域，具有较高的耐磨性和使用。
在国外有使用阀球和阀座表面硬度相同的配合，阀球和阀座表面均采用超音速喷涂碳化钨工艺，表面硬度均大于72HRC，即使在超高硬度情况下，阀球和阀座接触表面也不易发生咬死，但目前国内阀球制作表面硬度大于72HRC的阀球、阀座没有成熟的研磨工艺，很难保证阀球和阀座的配合，使用较少。
4 硬密封球阀阀球和阀座硬化注意问题
金属硬密封球阀阀球和阀座材料一般都选择不锈钢或耐腐蚀材料，否则硬质合金与阀座（或阀球）结合层容易被介质腐蚀，发生硬质合金层脱落，影响球阀寿命。
另外针对不同的阀座（或阀球）材料应选择合适的硬化工艺，在煤化工领域中双相不锈钢材料被广泛使用，双相不锈钢材料具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。
双相不锈钢材料是一种既具有铁素体又具有奥氏体组织结构的钢种，铁素体和奥氏体组织结构各占约50%，且二相组织是独立存在的，其性能特点是兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特性。在铁素体不锈钢特性中，当温度在400～500℃范围内，长时间保温会产生强烈的脆化，这种现象一般称为475℃脆化；温度超过400～500℃时，双相不锈钢性能会被破坏。
双相不锈钢材料若采用喷焊或堆焊硬质合金工艺方法，该工艺硬质合金和基体发生融溶过程（温度一般均大于900℃），会破坏双相不锈钢材料的金相组织，故双相不锈钢材料不适合用喷焊（或堆焊）硬质合金的硬化工艺。双相不锈钢材料表面硬化工艺适合使用超音速喷涂工艺，硬化工艺必须保证不能对双相不锈钢材料基体金相组织产生破坏。
5 结语
金属硬密封球阀的阀球和阀座采用合理的硬化工艺，可提高直接决定金属硬密封阀门的使用和使用性能，合理的硬化工艺能制造成本。随着新技术的不断出现，必定会有更多的硬化处理工艺，金属硬密封阀门的硬化工艺和硬度配合是个复杂的问题，因此在对硬密封阀门设计、材料选择、硬化工艺和硬度配合，应给予的重视。
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