用于蒸汽环境的阀门及其表面处理方法技术

本发明专利技术提供了一种在蒸汽环境中使用的阀门的表面处理方法，所述阀门包括：第一腔室(10)，第二腔室(20)和阀杆(22)，其中第二腔室(20)中设有用于锁定阀杆(22)的锁定部件(23)和用于容纳锁定部件(23)的孔腔(25)，锁定部件(23)可在孔腔(25)中运动至两个位置，在第一位置与阀杆(22)接合，实现锁定阀杆(22)；在第二位置距离阀杆(22)一定间隙，实现松开阀杆(22)，所述方法包括：对阀杆(22)和锁定部件(23)的表面依次进行碳氮化处理和铬化处理。采用本发明专利技术的表面处理方法获得的阀门能够显著改善耐腐蚀性和耐磨性，从而避免由于生锈等问题导致的故障，而且能够节约成本。

【技术实现步骤摘要】
用于蒸汽环境的阀门及其表面处理方法
本专利技术属于阀门的表面处理领域，特别涉及阀门的耐腐蚀耐磨表面层的形成。
技术介绍
用于蒸汽环境的阀门的防锈是其设计和使用中的重要问题。当将阀门中的组件暴露至高的工作温度水蒸汽且甚至腐蚀性环境时，其可能变得严重生锈。一方面，组件生锈将因其所导致的表面缺陷而影响工作寿命。更严重地，生锈也可影响组件的正常移动，从而导致阀门甚至其所在系统出现故障。一个典型实例为蒸汽涡轮机速关阀系统中的移动组件。为了避免汽轮机系统的过速旋转或其它非正常操作，作为关键性的安全保护组件，速关阀将速关以将蒸汽流快速闭合至涡轮机内，从而避免蒸汽涡轮机系统的毁坏性损伤或甚至人员受伤。对于速关阀或节流阀，要达到成功的阀速关，必须保证锁定部件的平滑旋转和阀杆的自由移动。但是，如果发生蒸汽密封的故障，那么锁定部件或相邻组件将被暴露至高温水蒸汽与氧的混合物，且会在非常短的时间周期内严重生锈。考虑到在锁定部件与孔腔间仅有小至0.01mm的细小空间，组件生锈很可能会阻碍锁定部件的正常旋转，并因此造成速关阀的故障。已报道过由于速关阀故障的蒸汽涡轮机的损伤所带来的严重意外事故。现有技术中，抗腐蚀能力可以通过高浓度铬(例如不锈钢)来改善。然而，高浓度铬会导致较高的材料成本，因此并不具有成本效率。而且，高铬化温度会导致组件的变形。同时保持所要的延展性、耐腐蚀性和耐磨性，需要开发针对锁定部件和相邻组件两者的先进的表面处理。但在高温水蒸汽与氧的混合物下的长时间移动性仍具挑战性，且也涉及组件成本的增加。另外，对于阀腔壳体中邻近锁定部件的孔腔(具有与锁定部件匹配的凹陷表面的组件)，通常由铸铁(例如HT-200)制成，其复杂形状和对于0.01mm的细小空间的高度需求使其更难进行包括陶瓷涂层的热喷雾、电镀、PTFE涂敷等的表面处理。并且温度超过250℃的工作条件也使得PTFE不适用于此项应用。
技术实现思路
为了避免由于生锈导致的金属部件故障，本专利技术提供了一种用于在蒸汽环境中使用的阀门的表面处理方法，所述阀门包括：第一腔室10，内设有阀盘11和蒸汽通道12；第二腔室20，和阀杆22，包括：第一端221，位于第二腔室20内；和第二端222，位于第一腔室10内，与阀盘11连接，并可驱动阀盘11开启或关闭蒸汽通道12；其中第二腔室20中设有用于锁定阀杆22的锁定部件23和用于容纳锁定部件23的孔腔25，锁定部件23可在孔腔25中运动至两个位置，在第一位置与阀杆22接合，实现锁定阀杆22；在第二位置距离阀杆22一定间隙，实现松开阀杆22，所述方法包括：对阀杆22和锁定部件23的表面依次进行碳氮化处理和铬化处理。碳氮化处理后再进行铬化处理能够得到与富Cr钢差不多的耐腐蚀性和耐磨性，但是不需要采用昂贵的富Cr钢材料替换，从而大大降低了该组件的成本。此外，通过碳氮化预处理之后再进行铬化处理，可以使铬化能够达到足够的处理深度(例如100至300微米)。再进一步地，碳氮化预处理之后，可以在较低温度下进行铬化处理，例如高于等于500℃至低于800℃，优选500至750℃，而没有碳氮化预处理的情况下，要得到较深的铬化深度，需要至少800℃。降低的处理温度能够进一步避免高温处理可能导致的金属部件的变形。在一个优选的实施方式中，所述铬化处理温度为550-700℃。降低的处理温度不但能够避免可能的组件的变形，还能够进一步降低成本。在一个优选的实施方式中，在所述铬化处理之后进一步进行氮化处理。在铬化处理之后的氮化处理能够进一步改善涂层的硬度、稳定性、耐腐蚀性和耐磨性，并且由于氮化层下面直接接触的是铬化层，而不会产生由于氮化处理期间形成的晶界通道导致的氧化和生锈。在一个优选的实施方式中，阀杆22外进一步设有衬套29，锁定部件23通过锁定衬套29实现对阀杆22的锁定，并且进一步对所述衬套的表面依次进行碳氮化处理和铬化处理，更优选进一步氮化处理。具体而言，衬套29与阀杆22相互固定，可以在衬套29上形成与锁定部件23配合的沟槽，以使得锁定部件能够锁定阀杆，从而避免了在阀杆上直接形成沟槽而降低其机械强度的影响。而在没有衬套的情况下，需要在阀杆上产生与锁定部件23配合的沟槽，以形成锁定部件对阀杆的锁定。在一个优选的实施方式中，所述方法进一步包括：对孔腔25与锁定部件23配合的内表面，通过化学镀形成Ni-P合金涂层。在一个优选的实施方式中，第二腔室20与阀杆22配合的内表面也经过化学镀形成Ni-P合金涂层。对于具有凹陷表面的组件或复杂形状的组件，例如孔腔25、弹簧282、壳体21内表面和齿轮30等，上述铬化处理可能难以实施。而对于阀门的防锈来说，由于互相配合的组件(例如锁定部件23和孔腔25)之间间隙很小(小至0.01mm)，所以任何一方生锈都有可能造成阀门的故障。因此，在本专利技术的一个优选方案中，对孔腔25与锁定部件23配合的内表面采用了化学镀进行Ni-P合金涂层来对其进行表面处理，以使其与锁定部件23的接触面上避免生锈。Ni-P合金涂层能够改善孔腔内表面和壳体内表面等组件的耐腐蚀性和耐磨性。并且，本专利技术所采用的化学镀工艺能够制备出具有均匀的质量和均匀的厚度的涂层，即使是具有复杂结构的组件(如孔腔内表面、第二腔室与阀杆配合的表面、齿轮等)，其表面的涂层厚度和质量仍然可以非常均匀。研究表明，在干燥和润滑的条件下，化学镀的Ni-P合金涂层能够达到硬铬的耐磨性。并且Ni-P合金涂层足以对抗水蒸汽环境带来的腐蚀，从而为上述表面带来足够的耐腐蚀性。在一个优选的实施方式中，在形成所述Ni-P合金涂层的化学镀的镀液中添加固体润滑剂颗粒。固体润滑剂能够进一步提高金属部件的耐腐蚀性和耐磨性。出于对使用环境即高温水蒸汽工作条件的考虑，本专利技术优选的固体润滑剂为CaF2或氟化石墨。相对于常规的MoS2润滑剂，在水蒸汽导致的湿环境下，CaF2或氟化石墨具有更小的摩擦系数。在一个优选的实施方式中，所述固体润滑剂颗粒(例如CaF2)的粒径小于8微米，含量为基于Ni-P合金涂层重量的3～6wt％。固体润滑剂的作用在于在合金涂层中形成自润滑复合镀层，粒径如果过大，可能会使自润滑复合镀层的摩擦系数较大。小于8微米的润滑剂颗粒得到的自润滑复合镀层具有更低的摩擦系数。另外，固体润滑剂的量如果过大，可能会影响Ni-P合金涂层的稳定性，而如果过小，则可能起不到润滑层的技术效果。在本专利技术中，优选固体润滑剂颗粒含量为基于Ni-P合金涂层重量的3～6wt％，以得到更加稳定、耐磨性能更好的Ni-P合金涂层。在一个优选的实施方式中，所述阀门为速关阀。速关阀的工作环境处于高温水蒸汽中，正是由于这种工作环境，导致其易于生锈。而速关阀的生锈对于整个系统来说，会导致严重的安全问题，因此，本专利技术的方法特别适用于速关阀系统。本专利技术还提供了一种在蒸汽环境中使用的阀门，包括：其中，所述化学镀的镀液中进一步包含固体润滑剂，优选CaF2或氟化石墨。此类固体润滑剂加入后能够形成自润滑复合镀层，其具有镀层温度适应范围宽，耐负荷性能较高，润滑性能稳定等优点，能够应用在高真空、有机溶剂、蒸汽、强碱、酸性介质中。并且，相对于常规的MoS2润滑剂，在水蒸汽导致的湿环境下，CaF2或氟化石墨具有更小的摩擦系数。在一个进一步优选的实施方式中，所述固体润滑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在蒸汽环境中使用的阀门的表面处理方法，所述阀门包括：第一腔室(10)，内设有阀盘(11)和蒸汽通道(12)；第二腔室(20)，和阀杆(22)，包括：第一端(221)，位于第二腔室(20)内；和第二端(222)，位于第一腔室(10)内，与阀盘(11)连接，并可驱动阀盘(11)开启或关闭蒸汽通道(12)；其中第二腔室(20)中设有用于锁定阀杆(22)的锁定部件(23)和用于容纳锁定部件(23)的孔腔(25)，锁定部件(23)可在孔腔(25)中运动至两个位置，在第一位置与阀杆(22)接合，实现锁定阀杆(22)；在第二位置距离阀杆(22)一定间隙，实现松开阀杆(22)，所述方法包括：对阀杆(22)和锁定部件(23)的表面依次进行碳氮化处理和铬化处理。

【技术特征摘要】
1.一种在蒸汽环境中使用的阀门的表面处理方法，所述阀门包括：第一腔室(10)，内设有阀盘(11)和蒸汽通道(12)；第二腔室(20)，和阀杆(22)，包括：第一端(221)，位于第二腔室(20)内；和第二端(222)，位于第一腔室(10)内，与阀盘(11)连接，并可驱动阀盘(11)开启或关闭蒸汽通道(12)；其中第二腔室(20)中设有用于锁定阀杆(22)的锁定部件(23)和用于容纳锁定部件(23)的孔腔(25)，锁定部件(23)可在孔腔(25)中运动至两个位置，在第一位置与阀杆(22)接合，实现锁定阀杆(22)；在第二位置距离阀杆(22)一定间隙，实现松开阀杆(22)，所述方法包括：对阀杆(22)和锁定部件(23)的表面依次进行碳氮化处理和铬化处理，并且，对孔腔(25)与锁定部件(23)配合的内表面通过化学镀形成Ni-P合金涂层。2.如权利要求1所述的表面处理方法，其中所述铬化处理之后进一步进行氮化处理。3.如权利要求1所述的表面处理方法，其中所述阀杆(22)外还设有衬套(29)，锁定部件(23)通过锁定衬套(29)实现对阀杆(22)的锁定，所述方法进一步包括对衬套(29)的表面依次进行碳氮化处理和铬化处理。4.如权利要求1所述的表面处理方法，其中所述铬化处理温度范围为大于等于500℃至低于800℃。5.如权利要求1所述的表面处理方法，进一步包括对第二腔室(20)与阀杆(22)配合的内表面通过化学镀形成Ni-P合金涂层。6.如权利要求1所述的表面处理方法，其中在所述化学镀的镀液中添加固体润滑剂颗粒。7.如权利要求6所述的表面处理方法，其中所述固体润滑剂颗粒的粒径小于8微米，含量为基于Ni-P合金涂层重量的3-6wt％。8.如权利要求6或7所述的表面处理方法，其中所述固体润滑剂为CaF2或氟化石墨。9.一种在蒸汽环境中使用的阀门...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长鹏，段瑞春，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE