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，由于燒制大型硬質合金塊較困難，即使燒制成功，加工過程也有可能出現開裂，成材率低，有些幾乎難以成形。此外硬質合金性脆，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崩塊或開裂而報廢。另外由于硬質合金的組織結構是由硬質的碳化鎢顆粒和軟的粘結相鉆所組成，硬質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先磨損，使凸、凹表面形成凹凸不平，如此生產出來的工件表面也會出現拉痕，此時需對閥門凸、凹表面進行研磨拋光后方可進行再生產。對于奧氏體不銹鋼工件，由于其面心立方結構也容易與鈷相形成咬合而使工件的表面出現拉傷。

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，易出現磨損超差，在大批量生產的情況下，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用。對于生產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，由此也對材質的保證產生非常大的風險，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、基本沒有內應力的一種預硬的新型工具鋼.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. 關鍵在于幾乎不變形的特殊性解決了尺寸穩定性問題和極高的拋光效果也大大減少生產過程的粘著磨損，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依照減小粘著磨損的基本原則，通過改變接觸副的性質作為出發點。以下就構成此對接觸副的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設備和增加生產工序，盡管這種方法有時有些效果，實際生產中應用卻很少。

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。對于生產線通過機構可以達到連續供給薄膜，而對于周期生產的沖壓設備，每生產一件工件需加一張薄膜，影響生產效率，此方法一般成本也很高，還會生產大量廢料，對于小批量的大型工件的生產采用此種方法是可取的。

3.閥門方面

通過改變閥門凸、凹材料或對閥門凸、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、凹這樣接觸性質發生改變。實踐證明，這是解決拉傷問題經濟而有效的方法，也是目前廣泛采用的方法。

規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構、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、復雜的鋼材拉伸件，尺寸大對熱處理工件的爐內擺放使受熱均勻、合理的工藝有較高的要求，尺寸變形和開裂常而發生，較高的硬度對后續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，應根據工件和載荷大小、生產批量、被加工材料的種類等情況選擇應用的方法。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。離子滲氮的突出優點是顯著地縮短了滲氮時間，可通過不同氣體組份調節控制滲層組織，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，不易產生剝落和熱疲勞。可滲的基體材料比氣體滲氮廣，無毒，不會爆炸，生產安全，但對形狀復雜具，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，經處理6～9h后，滲氮層深約0.2～0.3mm。溫度過低，滲層太薄；溫度過高，則表層易出現疏松層，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，經修復和再次離子滲氮后，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，近幾年又出現了一些表面強化工藝，本文著重四個方面介紹，供同行參考。