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第三章 阀门钢水的冶炼
阀门铸钢件钢水的质量对于铸件质量有着决定性的影响，因此，必须严格控制炼钢过程，保证钢水质量。
炼钢的目的和要求是：①熔化固体炉料。②使钢水中的元素达到规定的成分。③除去有害元素S、P，将它们降到限量以下。④清除钢水中的气体和非金属夹杂物，保证钢水纯净。⑤将钢水过热至一定温度，保证浇注需要。
冶炼主要有感应电炉、电弧炉和真空精炼炉等方法，同时还有氧化法和不氧化法冶炼工艺的区别。下边重点介绍阀门行业常用的感应电炉和电弧炉炼钢的基本知识。
（一）感应电炉炼钢：（感应电炉见下图）
感应电炉熔炼金属的原理是用交流电感应的方法在炉料中产生涡流，利用涡流产生的热量来加热和熔化炉料。感应电炉炼钢的优点是生产效率高，生产机动性强。目前我国阀门行业采用的快速感应电炉，它的功率大、提温快、温度容易掌握、熔化时间短，炼一炉钢仅需要一个多小时，因此生产效率高。
感应电炉的缺点是配料时只能吃精料，因感应电炉炼钢不能调整化学成分，只能补加烧损元素，因此它的炼钢过程实际上只是一个溶化过程。与电弧炉炼钢相比感应电炉炼钢没有氧化期，其排渣、排气和脱C、P、S的功能不强，钢水的质量主要是靠配料掌握，因此铸件的内在质量难以严格保证。
过去有些厂用感应电炉炼钢时，为了提高钢水的质量，在钢水熔化初期，进行吹氧以便增加氧化期。但是吹氧会严重损坏炉墙，在炼钢过程中又无法及时修补，因此这种工艺没有得到广泛应用。
（二）电弧炉炼钢：（电弧炉见下图）
电弧炉炼钢时，熔化炉料和过热钢水的热量是由电弧产生的。电弧炉依据炉衬耐火材料的不同分为酸性炉和碱性炉。酸性炉造酸性渣，不能脱硫、磷，要求含硫、磷低的炉料。碱性炉造碱性渣，可以脱除硫、磷，对炉料要求不高，应用比较广泛。
炼钢是一个复杂的化学和物理变化过程，可以归结为四个主要反应：
⑴ 氧化反应：钢水熔炼时祛除杂质的方法是使杂质氧化，向钢中吹氧或加入氧化剂（铁矿石），使钢水沸腾，把钢中的气体和碳、硅、磷等氧化物生成的杂质进入炉渣或炉气而被排除，这个阶段称为氧化期。
⑵还原反应：氧化过程完成后，钢中残留有大量的氧化铁，这对于钢水质量是极其有害的，必须除去。祛除的方法是向钢水里加入脱氧剂（还原剂），脱氧剂和钢水中的氧化铁作用，夺取氧化铁中的氧，形成一些新的不溶于钢水的化合物进入炉渣，从而祛除钢水中的氧，这个阶段称为还原期。
⑶去磷、硫反应：磷、硫是钢水中的有害元素，它们将增加钢的热裂和冷裂倾向，在炼钢的过程中一定要注意祛除它们。磷在氧化沸腾期即被氧化并和氧化钙结合生成稳定的化合物而进入炉渣。硫在钢水中是和锰形成化合物存在的，这些硫的化合物能和氧化钙反应，生成稳定的化合物进入钢渣。
⑷造渣反应：通俗的说法，炼钢就是造渣。渣是炼钢过程中加入炉中的造渣材料（熔剂）与炉中杂质和各种氧化物的混合物，炉渣的作用有两个：①保护作用，渣覆盖在钢水表面，使钢水避免与炉气接触，减少钢水被有害气体侵入，也保护钢水中的有用元素不致于被氧化、烧损。②通过炉渣进行的一系列反应，祛除钢水中的杂质。
第四章 阀门的热处理公益
阀门上需要热处理的主要零件是阀体和阀杆，现重点介绍阀体铸件和不锈钢阀杆的热处理。
（一）阀体铸件毛坯的热处理
（1）碳素钢铸件的热处理： 碳素钢铸件为了消除铸造应力、细化金相组织、提高机械性能和改善切削性能，通常采用退火或正火+回火的热处理工艺。①退火：碳素钢铸件材料一般采用WCB，其退火的加热温度为880-920℃，保温时间以铸件壁厚确定，一般保温2～5小时，保温后随炉冷却。
WCB的退火工艺曲线如下图：
②正火+回火：为了改善铸钢件的强度可以采用正火代替退火，即将退火保温后随炉冷却改为出炉空冷。但正火时空冷会产生较大的应力，需要增加一次高温回火。采用正火十回火比单纯退火所获得的组织均匀．晶粒较细．综合机械性能较好。
WCB正火+回火工艺曲线如下图。
（2）奥氏体不锈钢铸件的热处理
奥氏体型不锈钢的耐腐蚀性能、高温机械性能和抗氧化性能都很好，它在超低温下仍能保持良好的低温冲击韧性。
奥氏体不锈钢的主要缺陷是容易产生晶间腐蚀，而克服这一缺陷的方法，除降低钢的含碳量（C≤0.08%）和在钢中添加稳定元素（钛、铌）外，就是增加固溶化处理，以提高耐腐蚀性能。
铸件固溶化处理的加热温度是影响热处理质量的重要因素。各种牌号奥氏体不锈钢的成分虽然不同，但固溶处理的加热温度差异不大，均在1000～1150℃温度范围。加热速度在430～820℃区间加热速度应更快，以避免析出碳化铬相。保温时间取决于铸件壁厚和装炉量，一般保温系数采用每25㎜壁厚保温1小时。出炉后要采取激冷，尤其在通过430～820℃温度范围时，冷却速度要快，一般采用水冷。
ZG1Cr18Ni9铸件固溶化处理工艺曲线见下图。
（二）不锈钢阀杆毛坯的热处理
⑴ Cr13类阀杆毛坯退火处理： Cr13钢属于马氏体型不锈钢，常用的阀杆材料是1Cr13或2rC13，现以2rC13阀杆毛坯的热处理为代表简要介绍如下。
2Cr13阀杆毛坯锻造后要及时进行退火，因为其在锻造后即使采用空冷也会发生硬化，而使机械加工困难。此外，由于锻造应力等因素影响容易使阀杆产生裂纹。因此为了消除应力，降低硬度，防止产生裂纹，改善机械加工性能，并为以后调质处理做好组织准备，在锻造后要进行软化处理。2Crl3锻件软化处理方法在阀门生产中通常采用退火工艺。
退火的加热温度一般采用840~860℃。保温时间主要取决于阀杆毛坯的直径及装炉量。空气炉加热时保温系数一般采用每30毫米直径保温60分钟。保温后炉冷，当炉冷至500℃时，可以出炉空冷。
（2）Cr13类阀杆毛坯调质处理：调质处理是淬火加高温回火，其目的是为了获得良好的综合机械性能和耐腐蚀性能，从而满足使用上的需要。
2Cr13类阀杆毛坯淬火加热最适宜的温度为980～1000℃。若加热温度低于950℃时，则碳化铬（主要为Cr23C6)不能充分溶解，这样既不利于机械性能的改善，又降低了材料的耐腐蚀性能。若加热温度高于1050℃时，则容易使组织过热，淬火后造成马氏体组织粗大，使冲击韧性显著降低，这时即使随后提高回火温度，冲击韧性也不能得到改善。保温时间要充分，使碳化物能充分溶解。保温时间主要取决于阀杆毛坯有效直径及装炉量，保温系数一般可采用每30毫米直径保温90分钟。1Cr13临界冷却温度较低，淬透性极好，所以2Cr13阀杆淬火冷却可采用油冷。淬火后要及时进行回火，一般间隔不得超过48小时，以防止造成2Cr13阀杆开裂。回火温度根据技术要求确定，当2Cr13阀杆硬度要求为HB240-280时，回火温度一般采用600～650℃，回火用油冷却。
（3）沉淀硬化不锈钢阀杆热处理：
在强腐蚀性介质里使用的阀门，阀杆需要采用沉淀硬化不锈钢。在沉淀硬化钢中除加入Cr和Ni外，还有加入Al、Cu、Co、Ti、Mo、Nb等元素的。
常用的材料有17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）和17-7PH（0Cr17Ni7Al）。它们是通过热处理析出微细金属化合物的沉淀物，从而获得高强度和高耐蚀性。
17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）属于马氏体系列沉淀硬化不锈钢，固溶处理后的时温组织为马氏体，经400～650℃时效进行沉淀硬化，以析出富铜的沉淀物达到强化的目的。该钢耐腐蚀性高于13Cr系不锈钢，而且焊接工艺简便、具有良好的综合力学性能。
17-7PH（0Cr17Ni7Al）属于半奥氏体系列沉淀硬化不锈钢，它的含碳量较低，其耐腐蚀性能接近于18-8系列不锈钢。由于采用沉淀硬化的特殊处理，钢具有较高的强度和弹性，钢在奥氏体状态下具有良好的冷加工性能、焊接性能和高温强度。
沉淀硬化不锈钢的热处理比较复杂，根据不同的要求应用了一系列的热处理规范，主要内容包括：
1） 均匀化处理：毛坯加热至1050～1200℃，保温约2个小时，然后空冷。
2） 固溶化处理：毛坯加热至1020～1060℃，保温约2个小时，然后水冷。
3） 奥氏体调节及马氏体转变处理：又称T、R处理，如：TH1050、RH950、CH900等，这一系列的热处理都有其不同的温度控制和操作规范，使奥氏体中的碳化物析出，金相组织转变成马氏体。
4） 时效处理：利用时效处理，使马氏体基体沉淀硬化，产生微细弥散的沉淀相，获得高强度和良好的综合力学性能。
沉淀硬化不锈钢的热处理是要求严格的复杂工序，必须有完善的设备条件，并在专业人员的指导和操作下进行，才能保证热处理质量。
第五章 阀门焊接工艺
在阀门零件的基体上堆焊符合使用要求的材料作为阀门密封面，可以显著提高阀门密封面的硬度、耐磨性和耐擦伤性，从而大大提高阀门的使用寿命，又可节省大量的贵重金属。因此，国内、外阀门制造厂家生产的阀门产品多采用堆焊密封面。
铸铁低压阀门的铜密封面多采用压圈翻边的结构形式，本部分重点介绍几种钢制阀门密封面材料常用的堆焊工艺方法。
（一）Cr13型不锈钢的手工电弧堆焊：Cr13型不锈钢的手工电弧堆焊是在钢制高中压阀门中应用最多、最广的堆焊方法。
Cr13型不锈钢堆焊焊条的化学成分相当于1Cr13、2Cr13，这些焊条常用在使用温度425℃以下；使用压力为1.6～16.0Mpa；基体材料为碳素钢或低合金钢的锻、铸造材料上，作为电站、石油化工用阀门的密封面。阀门中阀体（阀座）和闸板（阀瓣）配对密封副堆焊材料的硬度应稍有差别，一般差值为HRc5。较宽的运动密封面取较高硬度值，较窄的静止密封面取较低硬度值。
阀门行业常用的Cr13型不锈钢堆焊焊条的牌号有：D502、D507、D512、D517、D507Mo、D577、D547、D547MO等，其化学成分、焊接参数和焊后性能都有专门的规范表可以查询，阀门生产厂家可以根据产品的需要和零件的堆焊要求按焊条的规范进行选用。
Cr13型焊条堆焊阀门密封面的基本工艺如下：
（1）焊前工件表面必须进行粗车或喷砂清除氧化皮，堆焊表面不允许有裂纹、气孔、砂眼、疏松等缺陷及油污、铁锈等。
（2）焊条使用前应按焊条的使用说明书进行烘干。在焊接过程中，焊条要存放在专用的保温筒中。如果焊条干燥后长时间放置不用，为避免堆焊层产生气孔，焊条须再次进行烘干。
（3） 用D507MO和D577焊条堆焊前，工件一般不需要预热，当大型零件堆焊2Cr13时，需要焊前予热。
（4）工件的堆焊表面应保持水平位置，整个的堆焊过程不应中断。堆焊层数一般为2～3层，以满足焊层高度、焊层化学成分和密封面的硬度要求。
（5）为防止堆焊密封面产生裂纹，除采取适当的焊前预热措施外，仍须注意焊后保温和缓冷，重要的堆焊零件还需要进行热处理。
（二）钴基硬质合金的手工堆焊：钴基硬质合金电弧堆焊的密封面，具有比Cr13型不锈钢堆焊密封面更好的硬度和耐磨、耐蚀性能。阀门行业常用的钴基硬质合金焊条牌号有：D802、D812、D807、D817等，其化学成分、焊接参数和焊后性能都有专门的规范表可以查询，阀门厂家可以根据零件的堆焊要求按焊条的规范进行选用。
（1）堆焊注意事项：
①焊条使用前应按焊条的使用说明书进行烘干。如果焊条干燥后长时间放置不用，为避免堆焊层产生气孔，焊条须再次进行烘干。②当母材的可焊性不好或工件刚性较大时，可用1Cr18NI9奥氏体不锈钢焊条堆焊过渡层，以改善母材的堆焊工艺性能。 ③为了减小冲淡率，应该尽量采用较细的焊条和较小的电流。 ④焊条的横向摆动幅度不宜过大。⑤堆焊金属高度要求3毫米以上时，须堆焊两层以上。
（2）多层堆焊注意事项:
①须用砂轮或钢丝刷将多道焊缝前层堆焊金属的表面打磨光滑、平整和无焊渣等污物。②注意控制层间温度，层间温度应稍高于所定的预热温度。
（三）钴基硬质合金的钨极手工氩弧堆焊：
钴基硬质合金的手工氢弧堆焊，熔深较浅、合金烧损少、无飞溅、堆焊成型好，由于有氩气保护，焊层质量高，是阀门行业应用较多的堆焊方法。常用的堆焊焊丝有：丝111、丝112、Co106、STL6、STL12等。
钴基硬质合金的手工氩弧堆焊注意事项：
（1）焊前工件需要预热、焊后需要热处理的温度参考上表。
（2）堆焊前须检查高新振荡器的动作情况、保护气（氩气）控制回路动作情况、冷却水流量及焊接电源电压是否正常。
（3）堆焊过程中，弧长应保持不变。
（4）钨极横摆幅度不应大于钨极直径的三倍。
（5）多道堆焊时，焊道两侧边缘应平缓，不可过厚，避免造成多道焊道间熔合不良，形成未焊透，夹渣和气孔等缺陷。
（6）当工件较小时，由于堆焊工件升温快，堆焊表面氧化，造成堆焊困难。此时应降低预热温度或不预热。尤其当母材为奥氏体不锈钢时更应注意。
（7）一般堆焊两层，当堆焊高度要求3毫米以下时，可堆焊一层。
（8）过渡层的堆焊、多层堆焊及堆焊始终端的处理与手工电弧堆焊相同。
（四）合金粉未等离子喷焊：
合金粉末等离子弧堆焊出现于60年代初，近几年来在我国阀门制造行业应用较为广泛，是一项较重要的堆焊新工艺。它除了具有钨极氩弧堆焊的堆焊质量高、冲淡率低等优点外，还有堆焊过程易于实现机械化、堆焊层光滑、平整，厚度可准确控制和生产效率高等特点。
（1） 工作原理：粉末等离子弧堆焊就是把填充金属做成粉状，根据工件堆焊层宽度的要求，将焊粉送入等离子弧中熔敷形成堆焊层。钴基硬质合金等离子弧堆焊一般都是采用转移型弧，即先由非转移弧起弧，当转移弧稳定撤烧时，非转移弧被切断，只留转移弧进行工作，这样可用一个独立电源。
（2）工艺特点
①温度高、传热率高是等离子弧做为堆焊热源主要特点之一，转移型等离子弧最高温度可达3000℃。不但可提高堆焊效率，并且可堆焊难熔的金属材料。②合金材料冲淡率低、熔敷效率高是等离子弧堆焊的又一工艺特点。③等离子弧极为稳定，指向性强，因此，堆焊质量容易保证。
（未完待续）
