專利名稱：柱塞泵泵頭內壁強化工藝方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種柱塞泵泵頭體的強化工藝方法，屬于改善柱塞泵部件機械性能的方法。
目前，系列高壓往復式柱塞泵在油田開發(fā)注水中得到廣泛應用，但對泵頭體采用何種強化工藝方法直接影響泵頭的服役壽命，泵頭失效的主要原因是疲勞破壞，為了提高泵頭的服役壽命最常用的方法是對泵頭進行自增強處理，也稱自緊或超應變處理，主要方法是液壓自增強和爆轟自增強，液壓自增強是指將制備的高壓液流注入泵頭內腔，使泵頭內壁出現彈性至塑性變形，泵頭內腔減壓后，由于彈性恢復使得泵頭內腔產生殘余壓應力，此壓應力與工作應力的合成應力是泵頭的承載應力，應力脈動值顯著減少，因而可大大提高泵頭的服役壽命，此方法有三項技術關鍵，一是高壓液體的制備包括高壓泵，增壓器及管路系統(tǒng)，根據泵頭材料彈塑性變形的要求，其內壓將達到1000MPa左右，因而對這一系統(tǒng)的要求很高，其二是泵頭的密封，泵頭幾何形狀復雜，開孔較多，然而，所有開孔在處理時，必須嚴密封堵，不得有絲毫滲漏，實施起來是很復雜的，其三是應力測試，由于泵頭內腔各處壁厚不均，幾何形狀不同，因而在同一內壓下泵頭內腔發(fā)生的彈塑性變形和產生的殘余應力的大小不同；理論上講100％超應變可能獲得最佳的壽命，實際上采用液壓自增強是很難實現100％超應變。爆轟自增強是指將特制的柔性膩子炸藥貼到泵頭待自增強的部位上，使用炸藥引爆所產生的沖擊波，越過保護層直接作用于該部位，在微秒級時間內完成預定的彈塑性變形，在爆轟的條件下確定和控制超應變，情況非常復雜，雖然在試驗室臺架試驗和工業(yè)試驗中已有成效，但對鋼在高能量、高應變速率下的力學行為至今了解不多，機理研究和理論計算困難，工藝參數只能靠試驗取得。
液壓自增強和爆轟自增強兩種方法，都需要建造專門的實驗室或工作室，由于這些方法屬于高壓和火工作業(yè)，工藝要求很高，且兩種方法在工程方面有不確定因素，成批生產加工難度較大，存在不能改善腐蝕疲勞(應力腐蝕)和氣室效應的不足，此外，自增強后的內腔配合面必須進行精細加工，這樣會使得泵頭內腔表面殘余壓應力下降。
本發(fā)明的目的在于提出一種減少泵頭強化處理中的不確定性因素，方便力學參數檢測，提高泵頭耐疲勞腐蝕的強度，克服氣室效應，提高泵頭內腔表面的殘余壓應力，從而延長泵頭的使用壽命的柱塞泵泵頭內壁強化的工藝方法。
本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現的對合金鋼材料制成的泵頭依次采用薄殼硬化自增強處理和應力噴丸強化處理。
采用薄殼硬化自增強處理工藝為滲碳處理，而后直接淬火和回火，使泵頭產生完整的馬氏體薄殼，應力噴丸強化處理是利用高速運動的彈丸流對泵頭內腔表面沖擊，使得已經過薄殼硬化處理而具有一定壓應力場的泵頭內腔表面產生塑性循環(huán)應變層。
采用薄殼硬化處理后的泵頭控制滲碳層深度在1.7至2.1mm，碳化物級別K≤5，泵頭內壁硬度達HRc55至64，馬氏體級別M≤5，內腔表面殘余壓應力達-100MPa至-250MPa。
應力噴丸強化處理是強力噴丸，彈丸采用鑄鋼彈丸，采用內孔噴丸裝置，內孔噴嘴在泵頭內腔中作垂直往復運動，在泵頭模擬件中利用弧度高試片隨時確定噴丸強度。應力噴丸強化處理后泵頭內腔表面殘余壓應力達-500MPa至-1250MPa。
本發(fā)明的優(yōu)點在于減少泵頭強化處理中的不確定性因素，方便力學參數檢測，提高泵頭耐疲勞腐蝕的強度，克服氣室效應，提高泵頭內腔表面的殘余壓應力，從而延長泵頭的使用壽命。


圖1.泵頭體熱處理工藝曲線；圖2.根據弧度高曲線(f-t曲線)確定噴丸強度的示意圖。
下面結合附圖對泵頭內壁強化工藝方法進行詳細說明對于用CrMo合金鋼材料制造的泵頭體，本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現的對CrMo合金鋼材料制成的泵頭依次采用薄殼硬化自增強處理和應力噴丸強化處理，采用薄殼硬化自增強處理工藝為滲碳處理，而后直接淬火和回火，使泵頭產生完整的馬氏體薄殼。應力噴丸強化處理是利用高速運動的彈丸流對泵頭內腔表面沖擊，使得已經過薄殼硬化處理而具有一定壓應力場的泵頭內腔表面表面產生塑性循環(huán)應變層。采用薄殼硬化處理后的泵頭控制滲碳層深度在1.7至2.1mm，碳化物級別K≤5，泵頭內壁硬度達HRc55至64，馬氏體級別M≤5，內腔表面殘余壓應力達-100MPa至-250MPa，應力噴丸強化處理是強力噴丸，彈丸采用鑄鋼彈丸，采用內孔噴丸裝置，內孔噴嘴在泵頭內腔中作垂直往復運動，在泵頭模擬件中利用弧度高試片隨時確定噴丸強度。應力噴丸強化處理后泵頭內腔表面殘余壓應力達-500MPa至-1250MPa。
首先進行薄殼硬化自增強處理，泵頭體在100℃的水溶液中清洗5分鐘，按常規(guī)泵頭熱處理要求的防滲要求進行防滲，而后烘干，按照圖1曲線所示，先進行預熱，450℃時保持3小時；此后轉入可控氣箱式爐中進行吸碳和淬火，爐溫應保持在920±5℃，吸碳1小時10分鐘時，從爐墻管子內放入定碳片一片，經20-25分鐘，取出送化驗室分析，碳量在0.9％-1.2％為符合工藝要求，不合格時應及時進行處理，此間保持9-9.5小時，控制碳勢為1.4％，再經2小時控制碳勢為1.3％，過程中每小時充入甲醇10升、氮氣8立方米；此后1小時降溫至860℃±5℃，保持30分鐘，出爐后放入溫度≤80℃的循環(huán)油中，油冷25-30分鐘；此后，在10℃水溶液中清洗泵頭5分鐘，將泵頭裝入可控回火爐中，保持180-200℃溫度6小時，回火后空冷出爐。此時的泵頭內腔表面已形成完整的馬氏體薄殼，最大的殘余壓應力值達-250MPa，薄殼硬化自增強處理中控制滲碳層深度在1.7-2.1mm，碳化物級別K≤5，處理后泵頭內壁硬度達HRc55-64，馬氏體級別M≤5。
對經過薄殼硬化自增強處理的泵頭內腔進行應力噴丸強化處理首先選擇適宜的弧高度試片(參照GSBA69001)，弧高度試片是用來綜合度量噴丸強化工藝參數的一種專用的量規(guī)，其系采用70號彈簧鋼制成，共有三種尺寸，符號分別為N、A、C，弧高度試片在彈丸的沖擊下表面層將發(fā)生塑性流變，導致試片向噴丸呈球面狀彎曲。取一平面作為基準面切入變形球面內，則由該基準面至球面最高點之距離定義為弧高度。假定噴丸強化參數即彈丸材料、彈丸尺寸、彈丸硬度、彈丸速度、彈丸流量、噴射角度、噴嘴數目及噴嘴至泵頭內腔表面的距離等不變，則同一類試片，在接受不同時間的噴丸時，可獲得一組弧高值隨噴丸時間(或噴丸次數)變化數據，由這些數據可繪制出如圖2的弧高度曲線。在任何一組噴丸強化參數下的弧高度曲線上均存在一個準飽和點，超過該飽和點，弧高度值隨噴丸時間的增加而緩慢增高，根據這一現象，在噴丸強化過程中可作如下定義在一倍于飽和點的噴丸時間下，弧高值的增量不超過飽和點處弧高值的10％，則飽和點處的弧高值定義為該組工藝參數的噴丸強度。一組噴丸強化工藝參數下只有一個噴丸強度。噴丸強度的容差只有正容差，容差范圍為0-30％，但最小正容差不低于0.08mm。為達到泵頭內壁的不同噴丸部位，噴丸強度的要求，需要通過泵頭的模擬件調整噴丸強化工藝的參數，泵頭模擬件是由42CrMo鋼制成，模擬件熱處理后內壁硬度達HRc55-58，模擬件的內孔直徑與泵頭被噴孔的直徑相同，模擬件的內壁能固定A型弧高度試片。
噴丸采用鑄鋼彈丸(參照GB6484)，彈丸硬度為HRc45-52或HRc55-62，彈丸外形呈現尖銳棱角、長針狀或丸中砂眼、氣孔的彈丸或彈丸尺寸超出規(guī)定的均為不合格，表面光滑的球形或橢球形彈丸滿足尺寸規(guī)定的均為合格彈丸，彈丸尺寸應滿足在1.4mm篩網(參照GB6004)上完全通過，在1.18mm篩網上最多存在2％，在0.850mm的篩網上至少存在90％，在0.710mm的篩網上至少存在98％，彈丸直徑最好在1.18mm-0.85mm之間。進行噴丸的泵頭內表面噴灣區(qū)的銳角導圓半徑的范圍為1.0-1.6mm。A型試片噴丸的強度范圍應處于0.3-0.39mm。
噴丸操作如下將弧高度試片固定在模擬件內，再把模擬件置入噴丸室內，采用內孔噴丸裝置，即用內孔噴嘴對模擬件內腔的試片進行噴丸，控制內噴嘴的運動線速度在25-30mm/分鐘，經過1-3次往復運動，即可達到要求的噴丸強度，若噴丸強度仍達不到強度范圍的下限如0.3mmA，則可加大噴丸機的空氣壓力，直到滿足相應的強度要求。模擬件內的試片經弧高度測具測量調整噴丸強化參數。通常滿足噴丸強化的工藝其它參數為噴嘴數量1個，噴射角度90°，噴嘴轉速9-10圈/分鐘，噴嘴在泵頭體內均速運動的線速度為25-30mm/分鐘，噴嘴至待噴表面的距離為30-40mm，噴丸時間約30分鐘，噴丸機的空氣壓縮機的壓力為0.4-0.6MPa。生成過程中按一定的時間間隔進行噴丸檢驗，一般每強化5個泵頭，用模擬件及試片檢驗一次噴丸強度，也可隨時檢測，若發(fā)現檢測出的噴丸強度高于規(guī)定要求，則前若干泵頭是不合格品，若低于噴丸強度要求，則應采用噴丸強度范圍的下限值，進行補噴，達到噴丸強度要求的泵頭體需進行清除粉塵和彈丸，或用砂紙打磨被噴表面，其老層深度不超過0.01mm，經噴丸后的泵頭熱處理時，其加熱溫度低于200℃。泵頭內表面的殘余壓應力達到-500MPa至-1250MPa；金相觀察泵頭的基體顯微組織為回火馬氏體及少量的殘留奧氏體，噴丸后滲碳層內基本無網狀碳化物和內氧化，表層白亮是噴丸產生的劇烈形變組織，克服了氣室效應。
權利要求
1.一種柱塞泵泵頭內壁強化工藝方法，是對合金鋼材料制成的泵頭進行自增強處理，其特征在于依次采用薄殼硬化自增強處理和應力噴丸強化處理。
2.根據權利要求1所述的一種柱塞泵泵頭內壁強化工藝方法，其特征在于采用薄殼硬化自增強處理工藝為滲碳處理，而后直接淬火和回火，使泵頭產生完整的馬氏體薄殼。
3.根據權利要求1所述的一種柱塞泵泵頭內壁強化工藝方法，其特征在于應力噴丸強化處理是利用高速運動的彈丸流對泵頭內腔表面沖擊，使得已經過薄殼硬化處理而具有一定壓應力場的泵頭內腔表面產生塑性循環(huán)應變層。
4.根據權利要求1、2所述的一種柱塞泵泵頭內壁強化工藝方法，其特征在于采用薄殼硬化處理后的泵頭控制滲碳層深度在1.7至2.1mm，碳化物級別K≤5，泵頭內壁硬度達HRc55至64，馬氏體級別M≤5，內腔表面殘余壓應力達-100MPa至-250MPa。
5.根據權利要求1、3所述的一種柱塞泵泵頭內壁強化工藝方法，其特征在于應力噴丸強化處理是強力噴丸，彈丸采用鑄鋼彈丸，采用內孔噴丸裝置，內孔噴嘴在泵頭內腔中作垂直往復運動，在泵頭模擬件中利用弧度高試片隨時確定噴丸強度。
6.根據權利要求1、3所述的一種柱塞泵泵頭內壁強化工藝方法，其特征在于應力噴丸強化處理后泵頭內腔表面殘余壓應力達-500MPa至-1250MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種柱塞泵泵頭體的強化工藝方法，是對合金鋼材料制成的泵頭依次采用滲碳處理，而后直接淬火和回火，使泵頭產生完整的馬氏體薄殼的薄殼硬化自增強處理和利用高速運動的彈丸流對泵頭內腔表面沖擊，使得已經過薄殼硬化處理而具有一定壓應力場的泵頭內腔表面產生塑性循環(huán)應變層的應力噴丸強化處理，優(yōu)點是減少泵頭強化處理中的不確定性因素，方便力學參數檢測，提高泵頭耐疲勞腐蝕的強度，克服氣室效應，提高泵頭內腔表面的殘余壓應力，從而延長泵頭的使用壽命。
文檔編號C23C8/22GK1151446SQ9610950
公開日1997年6月11日 申請日期1996年8月21日 優(yōu)先權日1996年8月21日
發(fā)明者吳振雅 申請人:大港石油管理局總機械廠