El proceso de forjado tiene un impacto significativo en la resistencia y el rendimiento de sellado de las válvulas al optimizar la estructura interna de los metales, mejorar la densidad del material y controlar la precisión del procesamiento. El siguiente es el análisis específico:
I. Impacto en la resistencia de la válvula
Refinamiento de grano y mejora de propiedades mecánicas.
Recristalización dinámica: durante el proceso de forja, los metales sufren deformación plástica a altas temperaturas y los granos gruesos originales se rompen y se recristalizan en granos finos equiaxiales. Por ejemplo, después de la forja, el tamaño de grano de las válvulas de acero al carbono se puede refinar desde el grado 6 de ASTM hasta el grado 8-10, la resistencia a la tracción se puede aumentar entre un 15% y un 20% y el límite elástico se puede aumentar entre un 10% y un 15%.
Fortalecimiento de la dislocación: las dislocaciones generadas por la deformación se enredan entre sí, formando una pared de dislocación que dificulta el movimiento de la dislocación, mejorando así la dureza del material. Por ejemplo, la dureza de las válvulas de acero inoxidable puede aumentar entre 2 y 3 HRC después de forjarlas y su resistencia al desgaste aumenta significativamente.
Optimización de la densidad y eliminación de defectos.
Porosidad y cierre de porosidad: la tensión de compresión tri-direccional durante la forja compacta los defectos internos como la porosidad y la porosidad del metal, aumentando su densidad. Por ejemplo, la porosidad de las válvulas fundidas-puede alcanzar entre el 3% y el 5%, mientras que cae por debajo del 0,5% después de la forja, y la resistencia a la fatiga aumenta entre un 30% y un 50%.
Fragmentación de inclusiones y distribución uniforme: la forja alarga o rompe las inclusiones no-metálicas (como sulfuros y óxidos) a lo largo de la dirección de deformación, lo que reduce las fuentes de concentración de tensiones. Por ejemplo, el tamaño de las inclusiones en válvulas forjadas se puede controlar a menos de 10 μm o igual, y el umbral de iniciación de grietas se puede aumentar en más del doble.
Control del estrés residual
Diseño de relación de forjado razonable: al controlar la relación de forjado (la relación entre la deformación y el área de la sección transversal original), se puede optimizar la distribución de la tensión residual. Por ejemplo, cuando la relación de forjado es 3:1, la tensión de compresión residual en la superficie de la válvula puede alcanzar -50 mpa, suprimiendo eficazmente la propagación de grietas por fatiga.
Sinergia del tratamiento térmico posterior: el recocido para aliviar la tensión se lleva a cabo después de la forja (como mantener a 550 grados durante 2 horas), lo que puede eliminar más del 80% de la tensión residual y prevenir el agrietamiento por corrosión bajo tensión.
II. Impacto en el rendimiento de sellado de las válvulas
Mejora de la precisión del procesamiento.
Formación de superficie aerodinámica: la forja hace que las fibras metálicas se distribuyan continuamente a lo largo del contorno, formando una superficie aerodinámica y reduciendo la rugosidad de la superficie de sellado. Por ejemplo, la rugosidad de la superficie de sellado de los asientos de válvula forjados puede alcanzar Ra0,4μm, que es 8 veces menor que la de las piezas fundidas (Ra3,2μm), y la tasa de fuga se reduce en más del 90%.
Estabilidad dimensional mejorada: la tasa de cambio dimensional de las válvulas forjadas después del tratamiento térmico es inferior o igual al 0,1%, mientras que la de las piezas fundidas puede alcanzar el 0,5%-1%, lo que garantiza un control preciso de la holgura de ajuste del par de sellado (como ±0,05 mm).
Se ha mejorado la uniformidad del material.
Homogeneización de la composición química: la forja promueve la difusión de elementos solutos y elimina la segregación de la fundición. Por ejemplo, la desviación de la distribución de los elementos Cr y Mo en válvulas de aleación forjada a base de níquel-es inferior o igual al 1%, mientras que en las piezas fundidas puede alcanzar entre el 5% y el 10%, lo que mejora significativamente la resistencia a la corrosión y el rendimiento del sellado.
Consistencia de la estructura de fase: la forja garantiza una distribución uniforme de las estructuras de fase como austenita y ferrita, evitando la deformación de la superficie de sellado causada por la transformación de fase local. Por ejemplo, las válvulas de acero inoxidable dúplex forjado tienen un rendimiento de sellado estable dentro del rango de temperatura de -50 grados a 300 grados, mientras que las piezas fundidas pueden tener fugas debido a la transformación de fase.
Optimización de la compatibilidad de la estructura de sellado.
Control de precarga: las válvulas forjadas pueden garantizar una distribución uniforme de la precarga de sellado al controlar con precisión la posición y la profundidad de los orificios de los pernos. Por ejemplo, el error de precisión posicional de los orificios de los pernos en las válvulas de brida forjada es menor o igual a 0,1 mm, que es cinco veces mayor que el de las piezas fundidas (menor o igual a 0,5 mm), y se mejora la confiabilidad del sellado.
Compensación de deformación elástica: los materiales forjados tienen un módulo elástico alto (como el acero al carbono hasta 200 GPa) y la deformación de la superficie de sellado es pequeña cuando la presión fluctúa, lo que mantiene una presión de contacto de sellado estable. Por ejemplo, la deformación de la superficie de sellado de una válvula de cierre forjada a una presión de 10 MPa no supera los 0,02 mm, mientras que la de una pieza fundida puede alcanzar los 0,1 mm.
III. Casos de correlación entre parámetros de proceso y desempeño
Control de temperatura de forja
Forjado a alta-temperatura (1200-1250 grados): es adecuado para válvulas de acero con bajo contenido de carbono y puede obtener una estructura completamente recristalizada, con mayor resistencia pero plasticidad reducida. Es necesario un tratamiento de normalización posterior para restaurar la dureza.
Forjado a temperatura media- (950-1100 grados): adecuado para válvulas de acero inoxidable, evita el engrosamiento del grano y al mismo tiempo conserva algunos efectos de fortalecimiento de la deformación, y la dureza de la superficie de sellado puede alcanzar HRC28-32.
Optimización de la relación de forjado
Relación de forjado pequeña (2:1): es adecuada para válvulas de forma-simple (como cuerpos de válvulas de compuerta), con bajo costo pero mejora de resistencia limitada.
Alta relación de forjado (5:1): adecuada para válvulas de alta-presión (como discos de válvulas de cierre), con una resistencia aumentada en más del 30 %, pero la temperatura final de forjado debe controlarse para evitar grietas.
Sinergia de tratamiento térmico
Temple + revenido: Después del forjado, el temple a 950 grados y el revenido a 650 grados pueden hacer que la dureza del cuerpo de la válvula alcance HRC35-40 y la dureza de la superficie de sellado alcance HRC50-55, teniendo en cuenta tanto la fuerza como la resistencia al desgaste.
Tratamiento con solución: las válvulas de aleación forjada a base de níquel-que se someten a un tratamiento con solución a 1080 grados pueden eliminar la fase σ y mejorar dos veces la resistencia a la corrosión y el rendimiento del sellado.
IV. Sugerencias para aplicaciones industriales
Válvulas de alta-presión: se prefiere el proceso de forjado, como las válvulas de compuerta forjadas estándar API 6A, que pueden soportar una presión de más de 70 MPa y tienen un grado de sellado de ANSI Clase 600.
Válvulas-de baja temperatura: se adopta un tratamiento criogénico forjado + profundo (como enfriamiento en nitrógeno líquido a -196 grados) para evitar fracturas frágiles a bajas temperaturas, y el rendimiento del sellado permanece estable dentro del rango de -196 grados a 816 grados.
Válvulas para medios corrosivos: las válvulas de aleación forjada de Hastelloy (como C-276), combinadas con un tratamiento de nitruración superficial, mejoran 10 veces la resistencia a la corrosión de la superficie de sellado, adecuadas para condiciones de trabajo con ácido sulfúrico concentrado, ácido clorhídrico, etc.
