閥門再制造表面處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀

韓守鵬 *

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）

0 引言

隨著制造行業(yè)工業(yè)化程度不斷提高，工業(yè)閥門的需求量越來越大，各式各樣的閥門被應(yīng)用在各行各業(yè)中，同時越來越多的閥門因為故障或者損壞被報廢或淘汰。由于之前我國閥門制造行業(yè)技術(shù)能力較弱，很多重大裝置關(guān)鍵的閥門都需要從國外進口，特別是在極端工況下使用的閥門。通過閥門再制造可以較好地解決這些問題，閥門再制造也是應(yīng)對貿(mào)易保護主義的有效措施。閥門再制造是指將廢舊閥門及其零部件進行專業(yè)化修復(fù)的批量化生產(chǎn)過程，同時再制造產(chǎn)品應(yīng)需到與原有產(chǎn)品相同的質(zhì)量和性能。因此，提高再制造閥門水平和能力成為亟待解決的問題。其中，閥門再制造過程的關(guān)鍵就是閥門的表面處理技術(shù)。通過廢舊閥門的再制造，利用有效的表面處理可以提高閥門表面硬度、強度、耐磨性和耐腐蝕性等，延長閥門使用壽命，降低閥門故障概率。

1 傳統(tǒng)表面處理工藝

1.1 電鍍

電鍍是指根據(jù)電解原理在工件表面鍍一層金屬合金的過程，合金金屬薄膜可以提高工件的耐磨性、抗腐蝕性、抗氧化性及抗耐疲勞性等。其中工業(yè)應(yīng)用比較廣泛的是鋅族和鐵族金屬形成的合金。目前，工業(yè)應(yīng)用的鋅鐵合金主要有2種：一種是鐵含量高的合金；另一種是含微量鐵的鋅鐵合金。劉建等[1]研究了銅基材表面進行金、銅、鎳合金的電鍍后，電鍍液中金、銅、鎳含量與鍍層成分的關(guān)系，當(dāng)金、銅、鎳含量達到一定水平時，合金鍍層具有較好的耐磨性和耐腐蝕性。

1.2 磷化

磷化是通過化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)在工件表面形成磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的過程。磷化的目的是給工件基體金屬提供保護，防止工件基體金屬被腐蝕、磨損或氧化等。磷化也可以提高漆膜層的附著力，同時在金屬冷加工工藝中起潤滑作用。易小勇等[2]研究了閥門蝸輪蝸桿通過磷化預(yù)處理后工件表面的固體潤滑膜和基體的結(jié)合情況，通過加入鈦酸鉀晶須可以有效提高工件的耐磨性和表面強度，并且工件表面的摩擦系數(shù)僅為未磷化處理的表面摩擦系數(shù)的50%以下。

1.3 鈍化

鈍化是指利用強氧化劑或電化學(xué)方法對金屬表面進行氧化處理，使金屬表面變?yōu)椴换顫姂B(tài)的過程。鈍化能夠使金屬表面形成的致密的氧化膜，該氧化膜性能穩(wěn)定，并且在空氣中具有一定的自行修復(fù)能力。程亞威等[3]研究了液體火箭發(fā)動機閥門鈍化處理方法，并且通過抗腐蝕篩選試驗分別對表面采用鈍化和光亮兩種處理方法的閥芯進行分析，最終得到通過鈍化處理方法的閥門能滿足使用要求的結(jié)論。孫國才等[4]分析了閥門在酸洗鈍化過程中，由于清洗不徹底而導(dǎo)致閥門螺栓銹蝕的原因，閥門螺栓連接處的縫隙中殘留鈍化膏和酸液是腐蝕的主要影響因素。

1.4 熱處理強化

熱處理是將固態(tài)金屬及合金按照預(yù)定的要求進行加熱、保溫和冷卻，從而改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，獲得相關(guān)性能的工藝。其中，淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體組織，然后配合不同溫度的回火過程，從而大幅提高鋼的剛性、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，滿足各種機械零件和工具的使用要求。表面淬火工藝廣泛應(yīng)用于中碳調(diào)質(zhì)鋼和球墨鑄鐵制的工件，因為中碳調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)過預(yù)處理以后，再進行表面淬火，既可以使工件內(nèi)部具有較好的綜合機械性能，又可使工件表面具有較好的硬度和耐磨性等。例如，閥門中的閥芯常通過熱處理來強化其表面的硬度和耐磨性，熱處理強化具有操作簡單、成本低和效率高等特點；但是，通過熱處理強化后，工件本身會出現(xiàn)變形和開裂等問題，需要對熱處理強化后的工件表面進行無損檢測，確保工件具有良好的完整性。

1.5 表面堆焊

表面堆焊是一種高效率的表面處理工藝，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)零件的制造和修復(fù)過程。傅慧明等[5]介紹了閥門密封面堆焊材料的堆焊工藝及選材原則，對比了國內(nèi)外相關(guān)的閥門密封面的選材標(biāo)準(zhǔn)，并對部分閥門堆焊材料的性能展開了分析研究。劉瑩[6]對比了不同閥門堆焊工藝評定標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)了閥門堆焊工藝評定在試驗要求、接受準(zhǔn)則和覆蓋范圍等方面的不同點。胡高林等[7]對閥門采用熔化極氣體保護焊自動堆焊Co基合金，并對閥門硬密封自動堆焊樣件的化學(xué)成分、顯微組織和表面質(zhì)量進行了分析研究。何芬等[8]研究了核電汽輪機閥門密封面自動堆焊工藝，并在指定的自動堆焊設(shè)備上選用 16Mn代替G20Mo5，并選擇合適的焊接工藝參數(shù)，最終焊接質(zhì)量可滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.6 滲碳

滲碳是指利用某種方法使碳原子滲入到金屬表層的過程，經(jīng)過滲碳處理的金屬表層具有較高的含碳量，然后經(jīng)過淬火和低溫回火，使工件的表層具有好的耐磨性和較高的硬度，而工件的內(nèi)層部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。張顏艷等[9]研究了使用活性屏離子滲碳表面硬化工藝處理后的不銹鋼閥芯，并對閥芯的硬度、耐腐蝕性和滲碳層厚度進行分析，發(fā)現(xiàn)該處理工藝不影響閥芯表面耐腐蝕性，并且有效地提高了閥芯的表面強度。劉偉[10]研究了低溫離子滲碳工藝的應(yīng)用情況，采用低溫離子滲碳工藝對奧氏體不銹鋼閥門零件進行了表面硬化處理，發(fā)現(xiàn)獲得了良好的滲碳硬化效果。

1.7 滲氮

滲氮是在溫度為400～600 ℃左右，在介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。夏勝建等[11]采用輝光等離子低溫滲氮工藝對奧氏體不銹鋼閥門工件進行了研究，對比了滲氮前后工件的表面的粗糙度、位置度公差和硬度，還進行了滲氮后鹽霧試驗，結(jié)果表明：經(jīng)輝光等離子低溫滲氮后的工件表面光潔度和位置度公差略微下降，硬度明顯提升，經(jīng)鹽霧試驗后的工件表面無腐蝕現(xiàn)象，提高了閥門工件在使用中的耐磨性和抗擦傷性，并滿足耐腐蝕工況要求。張敏等[12]采用Nd : YAG脈沖激光在不同比例的氬和氮的混合氣體中對TC4合金閥門進行氮化處理，研究了氮氣濃度等對氮化層組織耐腐蝕性和硬度的影響。

2 新型表面處理技術(shù)

2.1 等離子噴涂

等離子噴涂是指利用等離子體或者等離子射流將一些金屬合金材料或者陶瓷材料加熱到熔化或者部分熔化后，以高速射向工件表面形成附著在工件表面上的涂層的工藝。等離子噴涂技術(shù)具有成本低、生產(chǎn)效率高、涂層質(zhì)量高和涂層材料范圍廣泛等優(yōu)點。徐維普等[13]介紹了等離子噴涂、火焰噴涂、電弧噴涂等主要的熱噴涂技術(shù)，并闡述了3種熱噴涂涂層的特點以及其在閥門產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用情況，對比了3種熱噴涂技術(shù)的原理和工藝。高銘余等[14]介紹了銅和銅合金材料方面的等離子噴涂技術(shù)的進展和研究現(xiàn)狀，對比分析了幾種表面處理技術(shù)的優(yōu)劣。童幸生[15]以旋塞閥為研究對象，把氧化物陶瓷作為噴涂材料，對等離子噴涂設(shè)備、工藝和參數(shù)進行研究，使得涂層同基體有較高的結(jié)合強度。

2.2 等離子熔覆

等離子熔覆是以氬氣轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源，將合金粉末和工件表面一起熔化形成熔池，從而在工件表面形成一層熔覆合金的工藝方法。等離子熔覆也常用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和對表面要求程度較高的零件的再制造。時運等[16]從等離子熔覆工藝對熔覆層質(zhì)量的影響、等離子熔覆合金涂層、等離子熔覆顆粒增強金屬基復(fù)合涂層、等離子熔覆層質(zhì)量調(diào)控方法、等離子熔覆技術(shù)應(yīng)用等方面，對等離子熔覆技術(shù)當(dāng)前的研究動態(tài)進行了介紹。

2.3 激光表面硬化

激光表面處理技術(shù)是將高能量密度的激光束作用在工件表面，使工件表面溶凝而改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，在工件表面形成強化層，從而提高工件的耐蝕性、耐熱性、耐磨性、抗熱疲勞和抗氧化性等。激光表面硬化工藝可以降低工件廢品率，提高工件的使用壽命，且工件表面硬度比傳統(tǒng)火焰淬火后的工件更高。黃亮亮等[17]介紹了激光表面硬化及數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和國內(nèi)外的發(fā)展及應(yīng)用情況，同時對激光表面硬化技術(shù)的強化機理和特點進行了分析，指出了激光表面硬化數(shù)值模擬在現(xiàn)階段存在的問題。王超等[18]對Cr12MoV鋼表面用高功率半導(dǎo)體激光器進行硬化處理，研究了加熱溫度、掃描速度以及搭接率等工藝參數(shù)對Cr12MoV鋼表面硬度以及淬硬層深度的影響。

2.4 激光表面熔覆

激光表面熔覆是指通外部材料添加至基體表面經(jīng)激光輻照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固形成包覆層的工藝方法。激光熔覆工藝具有以下特點：（1）熔覆金屬與工件基層結(jié)合度高；（2）熔覆層致密和細化質(zhì)量高；（3）熔覆層厚度可控；（4）加熱區(qū)域小，對工件本身影響小。林繼興等[19]在閥門材料316不銹鋼表面采用CO2激光器激光熔覆了Co基合金涂層，重點研究了激光功率對微觀組織、耐腐蝕性能及涂層稀釋率的影響。石世宏等[20]在石化閥門密封面奧氏體基體上熔覆Ni基自熔合金，經(jīng)激光熔覆的石化閥門密封面能獲得厚度為3.0 mm的合金層。

3 閥門再制造表面處理技術(shù)前景展望

目前，低碳制造業(yè)快速發(fā)展，研究和發(fā)展閥門再制造表面處理技術(shù)對于實現(xiàn)閥門長期安全使用和閥門再制造生產(chǎn)有重要意義，由于傳統(tǒng)表面處理技術(shù)效率低、能耗高、污染環(huán)境等，將逐漸被新型表面處理技術(shù)取代。隨著綠色制造業(yè)不斷發(fā)展，等離子表面處理技術(shù)、激光表面處理技術(shù)、機械產(chǎn)品再制造和3D打印技術(shù)等綠色制造方式將迎來廣闊的發(fā)展前景。

等離子表面處理技術(shù)的使用成本低，使用方法簡單，并且可以獲得性能優(yōu)良的表面涂層。等離子表面處理技術(shù)在閥門再制造行業(yè)有廣闊的發(fā)展空間，研究和探索更加適用于閥門再制造行業(yè)的等離子表面處理技術(shù)勢必成為熱門方向。

激光表面處理在閥門再制造領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)集中于激光強化加工及表面修復(fù)技術(shù)、激光快速成形工藝技術(shù)、激光功能涂層及材料性能等方向，這些研究可為閥門關(guān)鍵零部件表面激光強化、再制造、激光快速成形等提供必要的材料和工藝支撐。隨著激光表面處理基礎(chǔ)理論研究不斷深入，未來激光表面處理技術(shù)的機理、激光熱處理技術(shù)、納米表面工程技術(shù)等研究不斷創(chuàng)新，激光表面處理技術(shù)將在閥門再制造行業(yè)發(fā)揮更大的作用。