弹簧全启式安全阀阀瓣密封面的激光淬火

群萋 安 生 内 肉 掰 纣 荔 噼 1 9 9 2年 第 a期 阀 门 l 3 l 3一l 弹簧全启式安全阀阀瓣密封面的激光淬火 衙 武 汉 锅 炉 厂 阀 门 分 厂 黄 夭 滔 谭 j 匕 成 I 一 1 概述 高功 率连续波 C Oz 激光器 的研 究和发 展 使工程材料的激光表面改性引人瞩 目 这种袭 面 改性 新工艺的 重要领 域之一就是激 光相变硬 化或 淬火 通常 钢被 淬火有两个 条件 加热 温度 必 须在材料的 At 相变 点以上 必须在 A t 点以 上并 以大于 临界冷却速度的速度冷却 激 光淬 火 也应 遵从 上述 条件 其物理 过程是 利用高能 密度 激光束 短时 间辍 照到材料表 面 使 其 表面 加热 到 A 相变点 以上 通 过向基体 材料 的热传 导 自行冷却淬火 形成淬硬的 马氏体组织 因而 激光淬火有以下突出特点 激 光淬火投在金 属层 表面加热 向基 体 的热 传导产生的热量不足以使工件发生明显 的 热变 形 适 用于精密零件的淬火 可对形状复杂的工件进行淬火 激 光淬火在 大气 中进 行 不 象 电子 束表 面淬 火那样需要真 空室 也不象渗 碳淬火 那样 需要渗碳炉 激 光淬 火无需 水或 油等 冷却介 质 无 空 气污 染 激光 淬火层 的硬 度较 高频淬火高 能精 确地控 制硬化深度和面积 激 光 淬火 过 程 中不 需要 复杂 的辅 助 工 装 容 易实现 自动控制 处 理效 率高 高能密 度的激光束作 用在 金属表 面 相 当 于相应 功率热 源的作用 在加热过 程 中形 成一 定的温度梯度 因此相变的产生决定于热源 即 激光 的作用 材料 的物理性 质和周围介质 对 于 实际应用而言 激光加热 过程中的温度梯度 硬化层深度与 激光功率 P 扫描速 度 v 光斑大 小 r 材 料比热 C 材料 密度 p及温度传导 系数 u 等有关 用恒定热物 理系数和材料表面的激 光辐射 的吸 收系数 与 适 合于 无表 面辐 照 的有 限 条件 解 使 用非光源的热传导性 齐次 方程 对于离表 面 距离 比热扩散 医短一 些 点来 说 温度分 布可 由下式表述 T h t 1 l Cr D Y 式 中T h t 温度分布 q 材料表面对激光的吸收率 h 离表 面距离 t 作用时间 另外 淬硬层深 也可用下式来表示 h 一 n a c r o T o 2 式 中T n 相变温度 利 用式 2 可估 算或 预测淬硬 层深 度 激 光淬 火技 术发展到 今 天 已从实验室 的 研究阶段 不断地走 向生产 成功 的实例有 汽 车 发动机缸套 体 内壁的激 光淬 火 凸轮轴和 曲 轴 的激 光淬火 纺锭 的激 光淬 火 精密丝杆和导 轨 的激 光淬火等 然而 激光淬火技术用于电站 阀 门密封面 的强化还未 见报道 本 文在这方 面 进行 了一些尝试 2 试验材料和方 法 A 1 8 Y P s 0 V弹簧 全启 式安全阀用 于 7 5 吨 高压锅炉上 其阀瓣使用温度为 5 4 0 C 工作 压 力为 l 0 MP a 阀瓣形 状如图 l所示 其材质 为 3 C r 1 3钢 制造工 序为 锻造一 调质 一机 加 工 阀瓣调质后使用时的硬度仅有 H V 3 8 8 4 3 0 降 低了 其密 封面的耐 磨性 和密封性 能 使 用寿命不超过 3个月 如果采用 整体 淬火 加低 温 回火的工艺 虽然提高了密封性能和耐磨性 但 降低了其韧性 根容易在密封面附近的薄壁 处 图 开裂 本研究采用调质的 3 C r 1 3阀瓣 维普资讯 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 进 行 试 验 阀 门 圈 2 激 光处理 示意 图 i 澉光器2 光 束3 铜境 避镜5工件 通 常 帮 铁 表面 对 波 长 为 1 0 6 u rn 的 C O 激 光能量的反射 率达 9 0 以上 必须对工件表 面进 行黑化处理 提 高其对激光的吸收率 本试 9 e 2年 第 3捌 验 采用进 口 美国产 黑漆 喷涂在密封 面上 利 用 焦距 为 2 7 7 mm的 G a A s 镜 片将激 光束聚焦到 所 需的 光斑大小 辐照到密封面上 利 用 N 保 护镜片 试验巾利用金相显微镜观察组织 和 J 用 显微硬度计测量硬度 3 试验内容和结果 根 据 阀 门 密 封 面 的 宽 度 将 光 斑 聚 焦 成 3 ram直径的 圆形光 斑 稍大于 密封 面宽度 改 变激光功率和扫描速度进行 试验 通常 激 光淬 火 的扫描速度大 于 J 5 ram s 本试验 中为了减 小 密封面 的变形 减少加工量 采用 了较大的扫描 速 度 3 0 mm s 进 行 处 理 当 激 光 功 率 大 于 1 5 0 W 时 淬火表面 出现 丁熔化 现象 破坏了 密 封 面 增 加 丁 加 工 量 当 激 光 功 率 小 于 3 5 0 W 时 淬硬 层极浅 淬 硬效 果不显著 若激 光功 率 选择 4 0 0 W 可获理想的淬硬层 i t P一4 0 0 W V 3 0 mm s r 一3 ram 参数下 强 H 淬硬层进行分析 结 果 蛳下 密封 面表层约 O 3 ram 内发生 了马 氏体 楣变 其组织形态为 马氏体 碳化物 少 量残 余奥 氏体 相变 区的显微硬度值为 HV5 3 0 6 0 0 热影 响区极窄 对基体 组织 和韧性 无 不 良影响 激 光淬火处理的安全 阀阀瓣在有关 电厂运 行 了一年 多的时 间 使 用效果极好 激光淬火 处理的安全阀的效率极高 平均每半分钟一 个 成本低 适 合于大批量生产 预计会产 生显著的 社会 效益和经济效益 上接 1 8页 换 为动压 那么静压 就能 够低于液体 在孔 口处 温度 下 的 饱 和 压 力 形成 气蚀破坏 的第三 个条件 是气泡 破裂 如果静压超过饱和值 则气 泡破裂 如果发生在 金属 表 面上 则第 四 个及最后一十 条件得到 满 足 该阀门就遇到 了问题 一 种解 决办法 是 多级 降压 图 1 9 2 对 于 所 有的降 压级 必须 给与注意 最 后 级 易出问 题 一些阔类 如截 止阀有高 的压 力损 失 不大 可 能发生气蚀 控 制 阀采 用多级降 压及特 殊 阀瓣 阀座 或 箱套的方法 费用 很高 如能将气蚀 或气 泡破裂