Proces kovanja ima značajan utjecaj na snagu i brtvljenje ventila optimizacijom unutarnje strukture metala, povećanjem gustoće materijala i kontrolom točnosti obrade. Slijedi konkretna analiza:
I. Utjecaj na čvrstoću ventila
Pročišćavanje zrna i poboljšanje mehaničkih svojstava
Dinamička rekristalizacija: tijekom procesa kovanja, metali se podvrgavaju plastičnoj deformaciji na visokim temperaturama, a originalna gruba zrna se lome i ponovno-kristaliziraju u fina zrna s jednakom osi. Na primjer, nakon kovanja, veličina zrna ventila od ugljičnog čelika može se rafinirati s ASTM stupnja 6 na stupanj 8-10, vlačna čvrstoća može se povećati za 15% do 20%, a granica razvlačenja može se povećati za 10% do 15%.
Ojačanje dislokacije: dislokacije nastale deformacijom isprepliću se jedna s drugom, tvoreći stijenku dislokacije koja sprječava kretanje dislokacije, čime se povećava tvrdoća materijala. Na primjer, tvrdoća ventila od nehrđajućeg čelika može se povećati za 2-3HRC nakon kovanja, a njihova otpornost na trošenje je značajno poboljšana.
Optimizacija gustoće i uklanjanje nedostataka
Poroznost i zatvaranje poroznosti: tro-smjerno tlačno naprezanje tijekom kovanja sabija unutarnje nedostatke kao što su poroznost i poroznost u metalu, povećavajući njegovu gustoću. Na primjer, poroznost lijevanih ventila može doseći 3% do 5%, dok nakon kovanja pada ispod 0,5%, a otpornost na zamor se povećava za 30% do 50%.
Fragmentacija inkluzija i ravnomjerna distribucija: Kovanjem se izdužuju ili lome ne-metalne inkluzije (kao što su sulfidi i oksidi) duž smjera deformacije, smanjujući izvore koncentracije naprezanja. Na primjer, veličina inkluzija u kovanim ventilima može se kontrolirati na manje od ili jednako 10 μm, a prag inicijacije pukotina može se povećati više od dva puta.
Kontrola zaostalog naprezanja
Razuman dizajn omjera kovanja: Kontrolom omjera kovanja (omjer deformacije i izvorne površine poprečnog-presjeka), raspodjela zaostalog naprezanja može se optimizirati. Na primjer, kada je omjer kovanja 3:1, zaostalo tlačno naprezanje na površini ventila može doseći -50 mpa, učinkovito potiskujući širenje zamornih pukotina.
Naknadna sinergija toplinske obrade: Žarenje za ublažavanje naprezanja provodi se nakon kovanja (kao što je držanje na 550 stupnjeva 2 sata), što može eliminirati više od 80% zaostalog naprezanja i spriječiti pucanje uslijed korozije na naprezanje.
II. Utjecaj na brtvljenje ventila
Poboljšanje točnosti obrade
Aerodinamično oblikovanje površine: Kovanjem se metalna vlakna kontinuirano raspoređuju duž konture, tvoreći aerodinamičnu površinu i smanjujući hrapavost brtvene površine. Na primjer, hrapavost brtvene površine kovanih sjedišta ventila može doseći Ra0,4 μm, što je 8 puta niže nego kod odljevaka (Ra3,2 μm), a stopa curenja smanjena je za više od 90%.
Povećana dimenzionalna stabilnost: Dimenzionalna stopa promjene kovanih ventila nakon toplinske obrade manja je od ili jednaka 0,1%, dok kod odljevaka može doseći 0,5%-1%, osiguravajući preciznu kontrolu pristajanja zazora brtvenog para (kao što je ±0,05 mm).
Ujednačenost materijala je poboljšana
Homogenizacija kemijskog sastava: kovanje potiče difuziju otopljenih elemenata i eliminira segregaciju lijevanja. Na primjer, odstupanje distribucije Cr i Mo elemenata u ventilima od kovane legure na bazi nikla-manje je ili jednako 1%, dok u odljevcima može doseći 5%-10%, značajno povećavajući otpornost na koroziju i brtvljenje.
Konzistencija fazne strukture: Kovanje osigurava jednoliku distribuciju faznih struktura kao što su austenit i ferit, sprječavajući deformaciju brtvene površine uzrokovanu lokalnom faznom transformacijom. Na primjer, kovani dvostruki ventili od nehrđajućeg čelika imaju stabilne performanse brtvljenja unutar temperaturnog raspona od -50 stupnjeva do 300 stupnjeva, dok odljevci mogu curiti zbog fazne transformacije.
Optimizacija kompatibilnosti brtvene strukture
Kontrola prednaprezanja: kovani ventili mogu osigurati ravnomjernu raspodjelu prednaprezanja brtvljenja preciznim kontroliranjem položaja i dubine rupa za vijke. Na primjer, pogreška pozicione točnosti otvora za vijke u kovanim prirubničkim ventilima je manja od ili jednaka 0,1 mm, što je pet puta više od one kod odljevaka (manje ili jednako 0,5 mm), a pouzdanost brtvljenja je poboljšana.
Kompenzacija elastične deformacije: kovani materijali imaju visok modul elastičnosti (kao što je ugljični čelik do 200GPa), a deformacija površine za brtvljenje je mala kada tlak fluktuira, održavajući stabilan kontaktni tlak za brtvljenje. Na primjer, deformacija brtvene površine kovanog zapornog ventila pri tlaku od 10 MPa nije veća od 0,02 mm, dok kod lijevanog dijela može doseći 0,1 mm.
III. Slučajevi korelacije između procesnih parametara i performansi
Kontrola temperature kovanja
Visoko{0}}temperaturno kovanje (1200-1250 stupnjeva ): Pogodno je za čelične ventile s niskim sadržajem ugljika i može dobiti potpuno rekristaliziranu strukturu, s povećanom čvrstoćom, ali smanjenom plastičnošću. Naknadni normalizacijski tretman je potreban za vraćanje žilavosti.
Srednje{0}}temperaturno kovanje (950-1100 stupnjeva): Prikladno za ventile od nehrđajućeg čelika, izbjegava grubo zrno dok zadržava neke efekte ojačanja deformacije, a tvrdoća brtvene površine može doseći HRC28-32.
Optimizacija omjera kovanja
Mali omjer kovanja (2:1): Pogodan je za ventile jednostavnog -oblika (kao što su tijela zasuna), uz nisku cijenu, ali ograničeno poboljšanje čvrstoće.
Visoki omjer kovanja (5:1): Prikladno za visoko{2}}tlačne ventile (kao što su diskovi zapornog ventila), s povećanom čvrstoćom za više od 30%, ali konačnu temperaturu kovanja potrebno je kontrolirati kako bi se spriječilo pucanje.
Sinergija toplinske obrade
Kaljenje + kaljenje: Nakon kovanja, kaljenje na 950 stupnjeva i kaljenje na 650 stupnjeva može učiniti da tvrdoća tijela ventila dosegne HRC35-40, a tvrdoća brtvene površine HRC50-55, uzimajući u obzir čvrstoću i otpornost na habanje.
Obrada otopinom: ventili od legure na bazi kovanog nikla- koji se podvrgavaju obradi otopinom na 1080 stupnjeva mogu eliminirati σ fazu i povećati otpornost na koroziju i učinkovitost brtvljenja dva puta.
Iv. Prijedlozi za primjenu u industriji
Visok{0}}tlačni ventili: poželjan je postupak kovanja, kao što su standardni kovani zasuni API 6A, koji mogu izdržati tlak veći od 70 MPa i imaju stupanj brtvljenja ANSI klase 600.
Nisko{0}}temperaturni ventili: kovani + duboki kriogeni tretman (kao što je kaljenje u tekućem dušiku na -196 stupnjeva) usvojen je za sprječavanje krhkog loma na niskim temperaturama, a performanse brtvljenja ostaju stabilne unutar raspona od -196 stupnjeva do 816 stupnjeva.
Korozivni srednji ventili: Kovani ventili od legure Hastelloy (kao što je C-276), u kombinaciji s površinskim nitriranjem, povećavaju otpornost na koroziju brtvene površine za 10 puta, prikladno za radne uvjete s koncentriranom sumpornom kiselinom, klorovodičnom kiselinom itd.
