淺析閥門拉伸處理和表面強化處理

史新鋒++余潔清

摘要：閥體材料拉伸是根據(jù)熱處理后來選擇，若被加工的選擇閥體的材料，無論采用何種不銹鋼或鑄鋼，在沒有任何采用合適的熱表面處理情況下，一般都很難解決閥體硬度拉傷問題。

關(guān)鍵詞：閥門；拉伸處理；表面強化

一、前言

從閥門凸、凹材料入手解決工件的拉傷問題，可以采用硬質(zhì)合金，一般情況下，由這種材料制作的凸、凹抗拉傷性能很高，存在的問題是材料成本高，不易加工，對于較大型的閥門，由于燒制大型硬質(zhì)合金塊較困難，即使燒制成功，加工過程也有可能出現(xiàn)開裂，成材率低，有些幾乎難以成形。此外硬質(zhì)合金性脆，搬運、安裝使用過程中都要極其小心，稍有不慎就有可能出現(xiàn)崩塊或開裂而報廢。另外由于硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)是由硬質(zhì)的碳化鎢顆粒和軟的粘結(jié)相鉆所組成，硬質(zhì)碳化鎢顆粒的耐磨抗咬合性能很高，而鈷相由于硬度很低，耐磨性較差，使用過程中鈷相會優(yōu)先磨損，使凸、凹表面形成凹凸不平，如此生產(chǎn)出來的工件表面也會出現(xiàn)拉痕，此時需對閥門凸、凹表面進行研磨拋光后方可進行再生產(chǎn)。對于奧氏體不銹鋼工件，由于其面心立方結(jié)構(gòu)也容易與鈷相形成咬合而使工件的表面出現(xiàn)拉傷。

采用合適的銅基合金也可解決工件的拉傷問題，但銅基合金一般硬度較低，易出現(xiàn)磨損超差，在大批量生產(chǎn)的情況下，這種材料的性價比較低。對于較大型的閥門，如汽車覆蓋件的成形閥門，大量采用了合金鑄鐵，鑄鐵只能減輕工件的拉傷，無法消除拉傷問題，要徹底解決拉傷問題需輔以滲氮，鍍硬鉻等表面處理。但如此制作的閥門往往壽命較短，在使用一段時間后，如出現(xiàn)拉傷，又需修并重新進行表面處理。

在閥門材料方面，也有采用陶瓷制作閥門凸、凹并成功解決工件拉傷問題的報道。由于其性脆，成本高，不可能大批量推廣應(yīng)用。對于生產(chǎn)批量很小而形狀簡單的大型鋼材拉伸類閥門，也有采用橡膠等高分子類材料制作閥門凸、凹的報道，此類閥門不會拉傷工件表面，但實際應(yīng)用很少。鋼材拉伸閥門常見的拉傷和磨損以及斷裂是目前常見的問題，選材方面也是一直困擾的原因，大型的鋼材拉伸閥門除了要求鋼材的材質(zhì)有保證外，尺寸的極限也不得不特殊定制或者鍛打，由此也對材質(zhì)的保證產(chǎn)生非常大的風險，由世界上最大的特殊閥體公司瑞典SSAB閥體集團開發(fā)的Toolox新型工閥門鋼，是一種具有高韌性、高耐磨性、基本沒有內(nèi)應(yīng)力的一種預(yù)硬的新型工具鋼.而且具有非常高的純凈度，晶粒度非常細小，S、P含量極少，析出的碳化物含量少，而且非常均勻. 關(guān)鍵在于幾乎不變形的特殊性解決了尺寸穩(wěn)定性問題和極高的拋光效果也大大減少生產(chǎn)過程的粘著磨損，再則達2米的寬度也解決了閥門選材的尺寸限制。

二、解決鋼材拉伸拉傷問題的一些方法

解決閥門及工件成形過程中的拉傷問題應(yīng)依照減小粘著磨損的基本原則，通過改變接觸副的性質(zhì)作為出發(fā)點。以下就構(gòu)成此對接觸副的3方，即被成形工件的原材料方面、工件與閥門之間、閥門方面分別予以分析。

1.被成形工件的原材料方面

通過對原材料進行表面處理，如對原材料進行磷化、噴塑或其他表面處理，使被成形材料表面形成一層非金屬層，可以大大減輕或消除工件的拉傷，這種方法往往成本較高，并需要添加另外的生產(chǎn)設(shè)備和增加生產(chǎn)工序，盡管這種方法有時有些效果，實際生產(chǎn)中應(yīng)用卻很少。

2.工件與閥門之間

在閥門與成形材料之間加一層PVC之類的薄膜，有時也可以解決工件的拉傷問題。對于生產(chǎn)線通過機構(gòu)可以達到連續(xù)供給薄膜，而對于周期生產(chǎn)的沖壓設(shè)備，每生產(chǎn)一件工件需加一張薄膜，影響生產(chǎn)效率，此方法一般成本也很高，還會生產(chǎn)大量廢料，對于小批量的大型工件的生產(chǎn)采用此種方法是可取的。

3.閥門方面

通過改變閥門凸、凹材料或?qū)﹂y門凸、凹進行表面處理或者選用合適的閥門材料，使被鋼材拉伸材料與凸、凹這樣接觸性質(zhì)發(fā)生改變。實踐證明，這是解決拉傷問題經(jīng)濟而有效的方法，也是目前廣泛采用的方法。

規(guī)范的熱處理工藝也是目前存在的問題，對于鋼材拉伸閥門的結(jié)構(gòu)、閥門鋼的力學性能要求等方面需要熱處理的配合，特別是大型、復(fù)雜的鋼材拉伸件，尺寸大對熱處理工件的爐內(nèi)擺放使受熱均勻、合理的工藝有較高的要求，尺寸變形和開裂常而發(fā)生，較高的硬度對后續(xù)的加工也增加難度和周期延長，從而成本提升，瑞典 SSAB閥體集團預(yù)硬的TOOLOX拓達鋼無需熱處理避免了熱處理方面的問題，也減少閥門周期，綜合成本方面得到降低。

綜上所述，解決工件及閥門凸、凹表面拉傷問題的方法很多，對于具體的個案，應(yīng)根據(jù)工件和載荷大小、生產(chǎn)批量、被加工材料的種類等情況選擇應(yīng)用的方法。在所有解決拉傷問題的方法中，以采用瑞典TOOLOX拓達鋼為閥門材料和對閥門凸、凹表面進行化學氣相沉積、TD覆層處理為最好，其中又以 TOOLOX拓達鋼性價比最高。

三、閥門表面強化處理多方面選擇

選擇一.離子滲氮，為了提高具的抗蝕性、耐磨性、抗熱疲勞和防粘附性能，可采用離子滲氮。離子滲氮的突出優(yōu)點是顯著地縮短了滲氮時間，可通過不同氣體組份調(diào)節(jié)控制滲層組織，降低了滲氮層的表面脆性，變形小，滲層硬度分布曲線較平穩(wěn)，不易產(chǎn)生剝落和熱疲勞?？蓾B的基體材料比氣體滲氮廣，無毒，不會爆炸，生產(chǎn)安全，但對形狀復(fù)雜具，難以獲得均勻的加熱和均勻的滲層，且滲層較淺，過渡層較陡，溫度測定及溫度均勻性仍有待于解決。

離子滲氮溫度以450～520℃為宜，經(jīng)處理6～9h后，滲氮層深約0.2～0.3mm。溫度過低，滲層太??；溫度過高，則表層易出現(xiàn)疏松層，降低抗粘能力。離子滲氮其滲層厚度以0.2～0.3mm為宜。磨損后的離子滲氮具，經(jīng)修復(fù)和再次離子滲氮后，可投入使用，從而可大大地提高具的總使用壽命。

選擇二.氮碳共滲，氮碳共滲工藝溫度較低（560～570℃），變形量小，經(jīng)處理的具鋼表面硬度高達900～1000HV，耐磨性好，耐蝕性強，有較高的高溫硬度，可用于壓鑄、冷鐓、冷擠、熱擠、高速鍛及塑料，分別可提高使用壽命1～9倍。但氣體氮碳共滲后常發(fā)生變形，膨脹量占化合物厚度的25%左右，不宜用于精密具。處理前必經(jīng)去退火和消除殘余。在一些成形負荷很小的場合，有時通過添加潤滑油或加EP添加劑的潤滑油就可以解決工件的拉傷問題。

例如：Cr12MoV鋼制鋼板彈簧孔沖孔凹，經(jīng)氣體氮碳共滲和鹽浴滲釩處理后，可使具壽命提高3倍。又如：60Si2鋼制冷鐓螺釘沖頭，采用預(yù)先滲氮、短時碳氮共滲、直接淬油、低溫淬火及較高溫度回火處理工藝，可改善心部韌性，提高冷鐓沖頭壽命2倍以上。碳氮共滲工藝如圖1所示。

選擇三.碳氮硼三元共滲，三元共滲可在滲氮爐中進行，滲劑為含硼有機滲劑和氨，閥門融化其比例為1∶7，共滲溫度為600℃，共滲時間4h，共滲層化合物層厚3～4μm，擴散層深度0.23mm，表面硬度為HV011050。經(jīng)共滲處理后具的壽命顯著提高。

表面強化處理方法很多，主要有滲碳、滲氮、滲硫、滲硼、氮碳共滲、滲金屬等。采用不同的表面強化處理工藝，可使具使用壽命提高幾倍甚至于幾十倍，近幾年又出現(xiàn)了一些表面強化工藝，本文著重四個方面介紹，供同行參考。