浅析阀门拉伸处理和表面强化处理

史新锋++余洁清

摘要：阀体材料拉伸是根据热处理后来选择，若被加工的选择阀体的材料，无论采用何种不锈钢或铸钢，在没有任何采用合适的热表面处理情况下，一般都很难解决阀体硬度拉伤问题。

关键词：阀门；拉伸处理；表面强化

一、前言

从阀门凸、凹材料入手解决工件的拉伤问题，可以采用硬质合金，一般情况下，由这种材料制作的凸、凹抗拉伤性能很高，存在的问题是材料成本高，不易加工，对于较大型的阀门，由于烧制大型硬质合金块较困难，即使烧制成功，加工过程也有可能出现开裂，成材率低，有些几乎难以成形。此外硬质合金性脆，搬运、安装使用过程中都要极其小心，稍有不慎就有可能出现崩块或开裂而报废。另外由于硬质合金的组织结构是由硬质的碳化钨颗粒和软的粘结相钻所组成，硬质碳化钨颗粒的耐磨抗咬合性能很高，而钴相由于硬度很低，耐磨性较差，使用过程中钴相会优先磨损，使凸、凹表面形成凹凸不平，如此生产出来的工件表面也会出现拉痕，此时需对阀门凸、凹表面进行研磨抛光后方可进行再生产。对于奥氏体不锈钢工件，由于其面心立方结构也容易与钴相形成咬合而使工件的表面出现拉伤。

采用合适的铜基合金也可解决工件的拉伤问题，但铜基合金一般硬度较低，易出现磨损超差，在大批量生产的情况下，这种材料的性价比较低。对于较大型的阀门，如汽车覆盖件的成形阀门，大量采用了合金铸铁，铸铁只能减轻工件的拉伤，无法消除拉伤问题，要彻底解决拉伤问题需辅以渗氮，镀硬铬等表面处理。但如此制作的阀门往往寿命较短，在使用一段时间后，如出现拉伤，又需修并重新进行表面处理。

在阀门材料方面，也有采用陶瓷制作阀门凸、凹并成功解决工件拉伤问题的报道。由于其性脆，成本高，不可能大批量推广应用。对于生产批量很小而形状简单的大型钢材拉伸类阀门，也有采用橡胶等高分子类材料制作阀门凸、凹的报道，此类阀门不会拉伤工件表面，但实际应用很少。钢材拉伸阀门常见的拉伤和磨损以及断裂是目前常见的问题，选材方面也是一直困扰的原因，大型的钢材拉伸阀门除了要求钢材的材质有保证外，尺寸的极限也不得不特殊定制或者锻打，由此也对材质的保证产生非常大的风险，由世界上最大的特殊阀体公司瑞典SSAB阀体集团开发的Toolox新型工阀门钢，是一种具有高韧性、高耐磨性、基本没有内应力的一种预硬的新型工具钢.而且具有非常高的纯净度，晶粒度非常细小，S、P含量极少，析出的碳化物含量少，而且非常均匀. 关键在于几乎不变形的特殊性解决了尺寸稳定性问题和极高的抛光效果也大大减少生产过程的粘着磨损，再则达2米的宽度也解决了阀门选材的尺寸限制。

二、解决钢材拉伸拉伤问题的一些方法

解决阀门及工件成形过程中的拉伤问题应依照减小粘着磨损的基本原则，通过改变接触副的性质作为出发点。以下就构成此对接触副的3方，即被成形工件的原材料方面、工件与阀门之间、阀门方面分别予以分析。

1.被成形工件的原材料方面

通过对原材料进行表面处理，如对原材料进行磷化、喷塑或其他表面处理，使被成形材料表面形成一层非金属层，可以大大减轻或消除工件的拉伤，这种方法往往成本较高，并需要添加另外的生产设备和增加生产工序，尽管这种方法有时有些效果，实际生产中应用却很少。

2.工件与阀门之间

在阀门与成形材料之间加一层PVC之类的薄膜，有时也可以解决工件的拉伤问题。对于生产线通过机构可以达到连续供给薄膜，而对于周期生产的冲压设备，每生产一件工件需加一张薄膜，影响生产效率，此方法一般成本也很高，还会生产大量废料，对于小批量的大型工件的生产采用此种方法是可取的。

3.阀门方面

通过改变阀门凸、凹材料或对阀门凸、凹进行表面处理或者选用合适的阀门材料，使被钢材拉伸材料与凸、凹这样接触性质发生改变。实践证明，这是解决拉伤问题经济而有效的方法，也是目前广泛采用的方法。

规范的热处理工艺也是目前存在的问题，对于钢材拉伸阀门的结构、阀门钢的力学性能要求等方面需要热处理的配合，特别是大型、复杂的钢材拉伸件，尺寸大对热处理工件的炉内摆放使受热均匀、合理的工艺有较高的要求，尺寸变形和开裂常而发生，较高的硬度对后续的加工也增加难度和周期延长，从而成本提升，瑞典 SSAB阀体集团预硬的TOOLOX拓达钢无需热处理避免了热处理方面的问题，也减少阀门周期，综合成本方面得到降低。

综上所述，解决工件及阀门凸、凹表面拉伤问题的方法很多，对于具体的个案，应根据工件和载荷大小、生产批量、被加工材料的种类等情况选择应用的方法。在所有解决拉伤问题的方法中，以采用瑞典TOOLOX拓达钢为阀门材料和对阀门凸、凹表面进行化学气相沉积、TD覆层处理为最好，其中又以 TOOLOX拓达钢性价比最高。

三、阀门表面强化处理多方面选择

选择一.离子渗氮，为了提高具的抗蚀性、耐磨性、抗热疲劳和防粘附性能，可采用离子渗氮。离子渗氮的突出优点是显著地缩短了渗氮时间，可通过不同气体组份调节控制渗层组织，降低了渗氮层的表面脆性，变形小，渗层硬度分布曲线较平稳，不易产生剥落和热疲劳。可渗的基体材料比气体渗氮广，无毒，不会爆炸，生产安全，但对形状复杂具，难以获得均匀的加热和均匀的渗层，且渗层较浅，过渡层较陡，温度测定及温度均匀性仍有待于解决。

离子渗氮温度以450～520℃为宜，经处理6～9h后，渗氮层深约0.2～0.3mm。温度过低，渗层太薄；温度过高，则表层易出现疏松层，降低抗粘能力。离子渗氮其渗层厚度以0.2～0.3mm为宜。磨损后的离子渗氮具，经修复和再次离子渗氮后，可投入使用，从而可大大地提高具的总使用寿命。

选择二.氮碳共渗，氮碳共渗工艺温度较低（560～570℃），变形量小，经处理的具钢表面硬度高达900～1000HV，耐磨性好，耐蚀性强，有较高的高温硬度，可用于压铸、冷镦、冷挤、热挤、高速锻及塑料，分别可提高使用寿命1～9倍。但气体氮碳共渗后常发生变形，膨胀量占化合物厚度的25%左右，不宜用于精密具。处理前必经去退火和消除残余。在一些成形负荷很小的场合，有时通过添加润滑油或加EP添加剂的润滑油就可以解决工件的拉伤问题。

例如：Cr12MoV钢制钢板弹簧孔冲孔凹，经气体氮碳共渗和盐浴渗钒处理后，可使具寿命提高3倍。又如：60Si2钢制冷镦螺钉冲头，采用预先渗氮、短时碳氮共渗、直接淬油、低温淬火及较高温度回火处理工艺，可改善心部韧性，提高冷镦冲头寿命2倍以上。碳氮共渗工艺如图1所示。

选择三.碳氮硼三元共渗，三元共渗可在渗氮炉中进行，渗剂为含硼有机渗剂和氨，阀门融化其比例为1∶7，共渗温度为600℃，共渗时间4h，共渗层化合物层厚3～4μm，扩散层深度0.23mm，表面硬度为HV011050。经共渗处理后具的寿命显著提高。

表面强化处理方法很多，主要有渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、氮碳共渗、渗金属等。采用不同的表面强化处理工艺，可使具使用寿命提高几倍甚至于几十倍，近几年又出现了一些表面强化工艺，本文着重四个方面介绍，供同行参考。