Postopek kovanja pomembno vpliva na trdnost in tesnjenje ventilov z optimizacijo notranje strukture kovin, izboljšanjem gostote materiala in nadzorom natančnosti obdelave. Sledi posebna analiza:
I. Vpliv na trdnost ventila
Rafiniranje zrn in izboljšanje mehanskih lastnosti
Dinamična rekristalizacija: med postopkom kovanja se kovine plastično deformirajo pri visokih temperaturah, prvotna groba zrna pa se zlomijo in ponovno-kristalizirajo v fina enakoosna zrna. Na primer, po kovanju je mogoče velikost zrn ventilov iz ogljikovega jekla izboljšati z ASTM razreda 6 na razred 8-10, natezno trdnost je mogoče povečati za 15 % do 20 %, mejo tečenja pa je mogoče povečati za 10 % do 15 %.
Ojačitev dislokacij: dislokacije, ki nastanejo zaradi deformacije, se zapletajo med seboj in tvorijo dislokacijsko steno, ki ovira gibanje dislokacij, s čimer se poveča trdota materiala. Na primer, trdota ventilov iz nerjavečega jekla se lahko po kovanju poveča za 2-3HRC, njihova odpornost proti obrabi pa se znatno poveča.
Optimizacija gostote in odprava napak
Poroznost in zaprtje poroznosti: tri{0}}smerna tlačna napetost med kovanjem stisne notranje napake, kot sta poroznost in poroznost v kovini, ter poveča njeno gostoto. Na primer, poroznost ulitih ventilov lahko doseže 3 % do 5 %, medtem ko po kovanju pade pod 0,5 %, odpornost proti utrujenosti pa se poveča za 30 % do 50 %.
Razdrobljenost vključkov in enakomerna porazdelitev: kovanje podaljša ali zlomi nekovinske vključke (kot so sulfidi in oksidi) vzdolž smeri deformacije, kar zmanjša vire koncentracije napetosti. Na primer, velikost vključkov v kovanih ventilih je mogoče nadzorovati na manj kot ali enako 10 μm, prag nastanka razpok pa je mogoče povečati za več kot dvakrat.
Kontrola preostale napetosti
Razumna zasnova razmerja kovanja: Z nadzorovanjem razmerja kovanja (razmerje med deformacijo in prvotno površino prečnega-prereza) je mogoče optimizirati porazdelitev preostale napetosti. Na primer, ko je razmerje kovanja 3:1, lahko preostala tlačna napetost na površini ventila doseže -50 mpa, kar učinkovito zavira širjenje razpok zaradi utrujenosti.
Naknadna sinergija toplotne obdelave: Žarjenje za zmanjšanje napetosti se izvede po kovanju (kot je držanje pri 550 stopinjah 2 uri), kar lahko odpravi več kot 80 % preostale napetosti in prepreči razpoke zaradi napetostne korozije.
II. Vpliv na tesnjenje ventilov
Izboljšanje natančnosti obdelave
Poenostavljena tvorba površine: Kovanje povzroči neprekinjeno porazdelitev kovinskih vlaken vzdolž konture, ki tvori poenostavljeno površino in zmanjša hrapavost tesnilne površine. Na primer, hrapavost tesnilne površine kovanih sedežev ventilov lahko doseže Ra0,4 μm, kar je 8-krat manj kot pri ulitkih (Ra3,2 μm), stopnja puščanja pa se zmanjša za več kot 90 %.
Izboljšana dimenzijska stabilnost: Stopnja dimenzijske spremembe kovanih ventilov po toplotni obdelavi je manjša ali enaka 0,1 %, medtem ko lahko stopnja dimenzijskih sprememb pri ulitkih doseže 0,5 %-1 %, kar zagotavlja natančen nadzor prileganja tesnilnega para (kot je ±0,05 mm).
Enotnost materiala je izboljšana
Homogenizacija kemične sestave: kovanje pospešuje difuzijo raztopljenih elementov in odpravlja segregacijo ulitkov. Na primer, odstopanje porazdelitve elementov Cr in Mo v kovanih ventilih iz zlitine na osnovi niklja je manjše ali enako 1 %, medtem ko lahko v ulitkih doseže 5 %–10 %, kar znatno poveča odpornost proti koroziji in tesnjenje.
Konsistentnost fazne strukture: Kovanje zagotavlja enakomerno porazdelitev faznih struktur, kot sta avstenit in ferit, ter preprečuje deformacijo tesnilne površine, ki jo povzroči lokalna fazna transformacija. Na primer, kovani dupleks ventili iz nerjavečega jekla imajo stabilno tesnjenje v temperaturnem območju od -50 stopinj do 300 stopinj, medtem ko lahko ulitki puščajo zaradi fazne transformacije.
Optimizacija združljivosti tesnilne strukture
Nadzor prednapetosti: kovani ventili lahko zagotovijo enakomerno porazdelitev tesnilne prednapetosti z natančnim nadzorom položaja in globine lukenj za vijake. Na primer, napaka položajne natančnosti lukenj za vijake v kovanih ventilih s prirobnico je manjša ali enaka 0,1 mm, kar je petkrat več kot pri ulitkih (manjša ali enaka 0,5 mm), zanesljivost tesnjenja pa je povečana.
Kompenzacija elastične deformacije: kovani materiali imajo visok modul elastičnosti (kot je ogljikovo jeklo do 200GPa), deformacija tesnilne površine pa je majhna, ko tlak niha, kar ohranja stabilen tesnilni kontaktni tlak. Na primer, deformacija tesnilne površine kovanega zapornega ventila pri tlaku 10 MPa ni večja od 0,02 mm, medtem ko lahko deformacija ulitega dela doseže 0,1 mm.
III. Primeri korelacije med procesnimi parametri in zmogljivostjo
Nadzor temperature kovanja
Visoko{0}}temperaturno kovanje (1200-1250 stopinj): Primerno je za nizkoogljične jeklene ventile in lahko pridobi popolnoma rekristalizirano strukturo s povečano trdnostjo, vendar zmanjšano plastičnostjo. Za obnovitev žilavosti je potrebno naknadno normalizirajoče zdravljenje.
Srednje{0}}temperaturno kovanje (950–1100 stopinj): Primerno za ventile iz nerjavečega jekla, preprečuje zgostitev zrn, medtem ko ohranja nekatere učinke krepitve deformacije, trdota tesnilne površine pa lahko doseže HRC28–32.
Optimizacija razmerja kovanja
Majhno razmerje kovanja (2:1): Primerno je za ventile preprostih-oblik (kot so telesa vratnih ventilov), z nizkimi stroški, vendar omejenim izboljšanjem trdnosti.
Visoko razmerje kovanja (5:1): Primerno za visoko{2}}tlačne ventile (kot so koluti zapornih ventilov), s povečano trdnostjo za več kot 30 %, vendar je treba končno temperaturo kovanja nadzorovati, da preprečite razpoke.
Sinergija toplotne obdelave
Kaljenje + popuščanje: po kovanju, kaljenju pri 950 stopinjah in popuščanju pri 650 stopinjah lahko trdota telesa ventila doseže HRC35-40 in trdota tesnilne površine HRC50-55, ob upoštevanju trdnosti in odpornosti proti obrabi.
Obdelava z raztopino: kovani ventili iz zlitine na osnovi niklja, ki so obdelani z raztopino pri 1080 stopinjah, lahko odstranijo fazo σ in povečajo odpornost proti koroziji in učinkovitost tesnjenja za dvakrat.
Iv. Predlogi za uporabo v industriji
Visokotlačni-ventili: zaželen je postopek kovanja, kot so standardni kovani zaporni ventili API 6A, ki lahko prenesejo tlak nad 70 MPa in imajo stopnjo tesnjenja ANSI razreda 600.
Nizko{0}}temperaturni ventili: kovana + globoka kriogena obdelava (kot je kaljenje v tekočem dušiku pri -196 stopinjah) je sprejeta za preprečevanje krhkega loma pri nizkih temperaturah, učinkovitost tesnjenja pa ostane stabilna v območju od -196 stopinj do 816 stopinj.
Korozivni srednji ventili: kovani ventili iz zlitine Hastelloy (kot je C-276), v kombinaciji z obdelavo površinskega nitriranja, povečajo odpornost proti koroziji tesnilne površine za 10-krat, primerni za delovne pogoje s koncentrirano žveplovo kislino, klorovodikovo kislino itd.
