钢基复合铜合金在阀门技术上的研究与应用

钢基复合铜合金技术在阀门上的研究与应用刘明强刘芳戴旺全（广州唯科得复合金属科技有限公司）摘要：阀门中的阀杆螺母、阀门调整螺钉、电动执行器蜗轮等构件采用钢基复合铜合金后，能提高阀杆螺母、阀门调整螺钉、电动执行器蜗轮等构件的综合机械性能，提高高中压阀门的安全性，节约贵重金属，降低成本。关键词：钢基复合铜合金分子链相互渗透离心铸造高中压阀杆螺母阀门调整螺钉电动执行器蜗轮核电蜗轮用铜合金提高安全性节约资源降低成本1、引言：由于铜金属既是一种不可再生的资源，又是一种不可替代资源，随着全球的经济发展，它的需求量随之增大，因而铜的价格近几年来一直是直线上升，在2006年甚至达到了8万元人民币每吨，铜又是一种战略资源，我国一多半的铜资源靠进口，怎样节约铜资源已成为我们共同关心的问题。目前阀门行业所使用的阀杆螺母均为单一减磨金属材料制作而成。常用材料为铸造铜合金。在阀门结构中，阀杆螺母一般置于阀盖与阀杆以梯形螺纹构成一对摩擦副。承受流动压力及保证阀门的开启，关闭与密封等功能。其工作条件决定了应具有足够的强度，良好的工艺性能，减磨性能和温压比，即工作温度升高时，应保证需用工作压力降低较小。但单一减磨金属材料的阀杆螺母很难满足上述要求。如铸造铜合金减磨性良好，但其温压性、综合机械强度均较钢件差得多，尤其是铸造缺陷，往往造成强度下降，安全系数降低，质量难以有可靠保证，特别当阀门温度升高时，其抗拉强度将明显下降，并引发安全事故。在中高压阀杆螺母的制造中，为了保证其产品质量只好以电解铜来进行配比冶炼铜合金，造成贵重金属使用量增大，使产品成本大幅度提高。本文介绍的就是钢基复合铜合金双金属阀杆螺母、阀门调整螺钉、电动执行器、蜗轮等双金属复合产品是用于阀门行业替代单一铜合金的专利产品。2、设计原理：先用优质碳素钢或耐高温钢加工成钢基外套或螺母体工件，经过防氧化处理后，涂上复合剂，再将熔融的铜合金浇铸在钢基外套或螺体内，在一定高温下，经过一段时间就形成了钢分子与铜分子相互渗透的作用，形成了新的合金层，有金相组织放大图测得三组试样，第一组其新的合金层最窄处33.34µm，最宽处79.52µm，第二组最窄处36.55µm，最宽处86.32µm，第三组最窄处40.12µm，最宽处82.78µm。由这层新合金层将两种金属牢牢连接在一起，其结合强度已超过单一金属所具有的抗拉强度，已通过了API591-2003《炼油阀门的质量验收》标准的检验（见检验报告）。3、制造方法：该钢基复合铜合金双金属阀杆螺母，是先用优质碳素钢加工成钢外套或螺母体工件，经过防氧化处理后，再将熔融的铜合金浇铸在钢基外套或螺体内，形成双金属相互渗透后，再采用离心复合的方法，使熔融的铜合金在离心力的作用下与钢基复合，离心法改变了以往制造阀杆螺母时所用的金属模浇铸法或砂型浇铸法，可使铜合金没有气孔、砂眼、疏松等铸造缺陷，又使低强度的铜合金提高其密实度。大大提高了铜合金的抗拉强度、耐磨性等综合机械性能，如ZCuZn38Mn2Pb2抗拉强度（N/mm²）S245、J343；硬度：砂型铸造HB70、金属模铸造HB80；我们对这种铜合金采用离心铸造，按如下公式：n=299√f/γR选择合适的转速。式中f——离心力γ——合金比重R——铸件内半径经离心铸造后的ZCuZn38Mn2Pb2的抗拉强度（N/mm²）大于500，硬度大于HB105，因而可达到ZCuAl9Fe4的机械性能。阀杆螺母外层有钢套保护，提高了铜合金的强度等机械性能，使产品更安全可靠。如图：最近我公司自主研发生产的核电用铜合金其力学性能优于铝青铜9-4及各种铜合金，具有硬度高、耐磨性及减磨性能好等优点，抗拉强度大于635Mpa，布氏硬度大于HB160。我公司为天津津伯仪表有限公司用此种铜合金生产的蜗轮，用于核电站核岛内冷却水滤芯提拉装置，工作在高温、高辐射环境，在不更换润滑油的情况下可连续工作40年免维护。已代替了进口产品。4、钢基齿复合铜合金双金属阀杆螺母：该钢基齿复合铜合金双金属阀杆螺母，采用了钢基螺纹齿的两边工作面和齿根部上的复合铜合金层。将优质碳素钢或耐高温钢的高强度等综合机械性能与铜合金良好的减磨性能结合在一起，通过上述复合的方法，钢铜分子链相互渗透，构成双金属复合材料。钢基齿复合铜双金属阀杆螺母有以下优点：一般铜合金强度不高，又不耐高温，但许多工业生产中又不能不用，因此造成了安全隐患。因铜构件强度不高，发生构件断裂，造成很多工业事故，如用于油田或化工行业中阀门的阀杆螺母。阀杆螺母是开启阀门的关键构件，一般用铜合金制造，一旦油田或化工厂失火，铜合金在600ºC左右的高温就会失效，这样就会造成严重的事故。但本公司可先将螺母做成钢齿的（耐热钢或高强度钢）在钢齿上复合一层铜合金，一旦阀门失火，当铜合金熔化后，钢齿的螺纹同样能将阀门关闭，避免了事故的发生。据资料统计，仅美国一年因铜构件失效发生的事故，就造成上千亿美元损失。本公司生产的钢基复合铜合金双金属构件是安全性极高的高性能产品，为核电、石油、化工、航天航海等要求绝对安全的行业提供了最可靠保障，再不用担心发生因纯铜合金构件高温或断裂失效所发生的事故了。如图：钢基复合铜双金属阀杆螺母还有以下优点：如天津圣恺阀门有限公司所生产的一种阀门是耐高温的，当温度传达到阀杆螺母上约为200ºC左右时，因大多数的阀杆螺母是全铜合金的，而全铜合金的阀杆螺母受热膨胀，很容易将阀杆“抱死”（注：材料的线膨胀系数α×10ˉ6（1/ºC）铜合金的线膨胀系数在20-300ºC时α≈20.9，钢的线膨胀系数在20-300ºC时为12.1-13.5，铜合金比钢在受热时线膨胀系数大近一倍）。这是一个很难解决的问题，只有靠增大阀杆和阀杆螺母的配合间隙来解决。但这样降低了阀门的配合精度。当我们给他们提供了钢基复合铜合金的阀杆螺母后，经过高温试验没有发现“抱死”现象，这是因为铜合金的膨胀量是与铜合金的体积成正比的，体积愈大，膨胀量愈大，反之就愈小。钢基复合铜合金阀杆螺母的用铜量仅为原铜合金产品的1/5以下，其膨胀量也缩小了4/5以上，所以就不容易发生“抱死”现象了。现已批量供货。5、调整螺钉：北京航天化工研究所有一种安全阀用的调整螺钉，它的前端是一个球形工作面，要求硬度为HRC35~40，是靠外径的螺纹来进行调整的。用单一的2Cr13不锈钢材料，螺钉在往复运动中会与螺母发生粘连，如螺纹用铜合金，其余用2Cr13的不锈钢材料，就要做成铜和钢镶嵌的形式，这种形式一是浪费铜材料，二是连接不可靠。如图：此技术问题一直没有得到解决。我们就用钢基复合铜合金的技术，如图：在调整螺钉的螺纹部分复合一层铜合金，而调整螺钉的母材还是用2cr13的不锈钢材料。我们提供了样品，让北京航天化工研究所试验，效果很好，现已批量供货。6、结束语：钢基复合铜合金技术在阀门上的应用有以下特点：①使用钢基复合铜合金技术改变了以往制造阀杆螺母、调整螺钉、电动执行器蜗轮等构件在制造时所用的金属模铸造法或砂型铸造法等传统铸造法所出现的气孔、砂眼、疏松等铸造缺陷。大大提高了铜合金的抗拉强度和耐磨性等综合机械性能。阀杆螺母外层有钢套保护，更能提高铜合金的机械强度等性能，使产品更安全可靠。②使用钢基复合铜合金技术可在阀门失火后高温下关闭阀门。本公司可先将阀杆螺母做成钢齿的（耐热钢或高强度钢）在钢齿上复合一层铜合金，一旦阀门失火，当铜合金熔化后，钢齿的螺纹同样能将阀门关闭，避免了事故的发生。③使用钢基复合铜合金技术可在阀门高温下防止阀杆和阀杆螺母“抱死”。因大多数的阀杆螺母是全铜合金产品，而全铜合金的阀杆螺母受热膨胀，很容易将阀杆“抱死”。这是一个很难解决的问题，只有靠增大阀杆和阀杆螺母的配合间隙来解决。这样就降低了阀门的配合精度。当使用钢基复合铜合金技术后，经过高温试验没有发现“抱死”现象，这是因为铜合金的膨胀量与铜合金的体积成正比，体积愈大，膨胀愈大，反之愈小。钢基复合铜合金阀杆螺母的用铜量仅为原铜合金产品的1/5以下，其膨胀量也缩小了4/5以上，所以就不容易发生“抱死”现象了。综合所述，钢基复合铜合金技术在阀门上的应用不但能节约贵重稀有金属资源，降低产品成本，而且还能提高产品的综合机械性能，解决单一铜合金构件所不能解决的关键技术问题，使产品更有效地扩大其使用空间及使用范围，并延长了产品的使用寿命，使产品在使用过程中的综合安全性得到了提高。因此，用钢基复合铜合金双金属产品取代各种纯铜合金制品有着广阔的发展空间和深远的现实意义。参考文献：[1]《铸造手册》中国机械工程学会铸造分会编机械工业出版社。[2]《机械零件设计手册》东北工学院《机械零件设计手册》编写组编冶金工业出版社。[3]《实用阀门设计手册》陆培文等编机械工业出版社。