Estado da Investigação da Tecnologia de Tratamento de Superfície para Remanufacturação de Válvulas

São introduzidas as tecnologias e processos de tratamento de superfície habitualmente utilizados no processo de refabricação de válvulas e é analisada a situação atual da indústria de refabricação de válvulas. O estado de desenvolvimento da tecnologia de tratamento de superfície por plasma e da tecnologia de tratamento de superfície por laser é resumido, a aplicação do método de tratamento de superfície por plasma e do método de tratamento de superfície por laser na indústria de refabricação de válvulas é destacada e, finalmente, a direção de desenvolvimento futuro das perspectivas da tecnologia de tratamento de superfície de refabricação de válvulas.

0. Introdução

Com a crescente industrialização da indústria transformadora, a procura de válvulas industriais está a aumentar, e vários válvulas são utilizadas em vários sectores. Em contrapartida, cada vez mais válvulas são desmanteladas ou eliminadas devido a falhas ou danos. Devido à fraca capacidade técnica da indústria de fabrico de válvulas da China, muitas das principais válvulas das grandes instalações têm de ser importadas do estrangeiro, especialmente em condições extremas de utilização das válvulas. A refabricação de válvulas pode resolver melhor estes problemas; a refabricação de válvulas é também uma medida eficaz para fazer face ao protecionismo comercial. A reconstrução de válvulas refere-se ao processo de produção em massa de reparação de válvulas usadas e dos seus componentes. Ao mesmo tempo, os produtos remanufacturados devem ter a mesma qualidade e desempenho que o produto original. Por conseguinte, melhorar o nível e a capacidade das válvulas remanufacturadas torna-se um problema urgente. Entre eles, a tecnologia de tratamento da superfície da válvula é a chave para o processo de refabricação da válvula. Através do refabrico de válvulas usadas, um tratamento de superfície eficaz pode melhorar a dureza, a força, a resistência ao desgaste e a resistência à corrosão da superfície da válvula, etc., para prolongar a vida útil da válvula e reduzir a probabilidade de falha da válvula.

1. Processo tradicional de tratamento de superfície

1.1 Galvanoplastia

A galvanoplastia refere-se ao processo de princípio eletrolítico na superfície da peça de trabalho que reveste uma camada de liga metálica, a película de liga metálica pode melhorar a resistência ao desgaste da peça de trabalho, a resistência à corrosão, a resistência à oxidação e a resistência à fadiga. Uma das ligas mais utilizadas na indústria são as formadas por metais do grupo do zinco e do ferro. Existem 2 tipos principais de ligas de zinco-ferro para aplicações industriais: uma é uma liga com elevado teor de ferro e a outra é uma liga de zinco-ferro com vestígios de ferro. Liu Jian et al. estudaram a relação entre o teor de ouro, cobre e níquel na solução de revestimento e a composição da camada de revestimento após o revestimento de ligas de ouro, cobre e níquel na superfície de substratos de cobre quando o teor de ouro, cobre e níquel atinge um determinado nível, a camada de revestimento de liga tem melhor resistência ao desgaste e à corrosão.

1.2 Fosfatação

A fosfatação é o processo de reação química e eletroquímica para formar uma película de conversão química de fosfato na superfície da peça de trabalho. O objetivo da fosfatação é proteger o metal de base da peça de trabalho para evitar a corrosão, o desgaste ou a oxidação do metal de base da peça de trabalho. A fosfatação pode também melhorar a aderência da camada de película de tinta, desempenhando simultaneamente um papel lubrificante no processo de trabalho a frio do metal. Yi Xiaoyong et al. estudaram a engrenagem sem-fim da válvula através do pré-tratamento fosfatado da superfície da película lubrificante sólida da peça de trabalho. A combinação do substrato com um batedor de titanato de potássio pode melhorar a resistência ao desgaste e a resistência da superfície da peça de trabalho. O coeficiente de fricção da superfície da peça de trabalho é inferior a 50% do coeficiente de fricção da superfície sem tratamento de fosfatação.

1.3 Passivação

A passivação consiste em oxidar uma superfície metálica utilizando agentes oxidantes fortes ou métodos electroquímicos para tornar a superfície metálica inativa. A passivação permite a formação de uma película de óxido espessa na superfície metálica que é estável e pode reparar-se no ar. Cheng Yawei et al. estudaram o método de tratamento por passivação das válvulas dos motores de foguetões líquidos, analisaram a bobina da válvula com passivação e métodos de tratamento de superfícies brilhantes através de um teste de rastreio da resistência à corrosão e concluíram finalmente que as válvulas com método de tratamento por passivação podem cumprir os requisitos de utilização. Sun Guocai e outras análises da válvula no processo de passivação por decapagem, devido à limpeza incompleta e à corrosão das causas do parafuso da válvula, o intervalo de ligação do parafuso da válvula na pasta de passivação residual e o ácido são a principal influência dos factores de corrosão.

1.4 Reforço do tratamento térmico

O tratamento térmico é o processo de aquecimento, manutenção e arrefecimento de metais sólidos e ligas de acordo com requisitos pré-determinados para alterar a sua organização interna e obter as propriedades relevantes. Entre eles, o objetivo da têmpera é fazer com que a austenite sub-arrefecida se transforme em martensite ou bainite e, em seguida, com diferentes temperaturas do processo de revenido, melhorar significativamente a rigidez, a dureza, a resistência ao desgaste, a resistência à fadiga e a tenacidade do aço para satisfazer os requisitos de várias peças e ferramentas mecânicas. O processo de têmpera superficial é amplamente utilizado em aço temperado de carbono médio e em peças de ferro dúctil, porque o aço temperado de carbono médio, após o pré-tratamento e depois a têmpera superficial, não só pode fazer com que a peça de trabalho tenha melhores propriedades mecânicas globais, mas também a superfície da peça de trabalho tem uma melhor dureza e resistência ao desgaste, etc. Por exemplo, o carretel da válvula é frequentemente tratado termicamente para reforçar a dureza da superfície e a resistência ao desgaste; reforço do tratamento térmico com operação simples, baixo custo e alta eficiência; no entanto, após o reforço por tratamento térmico, a própria peça de trabalho será deformação e rachaduras e outros problemas, a necessidade de testes não destrutivos da superfície da peça de trabalho após o reforço do tratamento térmico para garantir que a peça de trabalho tenha boa integridade.

1.5 Revestimento de superfícies

A soldadura por sobreposição de superfície é um processo de tratamento de superfície altamente eficiente que tem sido amplamente utilizado no processo de fabrico e reparação de peças em várias indústrias. Fu Huiming et al. introduziram o processo de sobreposição e os princípios de seleção dos materiais de sobreposição da superfície de vedação das válvulas, compararam as normas de seleção da superfície de vedação das válvulas nacionais e estrangeiras e o desempenho de alguns materiais de sobreposição das válvulas lançou uma análise do estudo. Liu Ying comparou as diferentes normas de avaliação do processo de sobreposição de válvulas e encontrou os diferentes pontos de avaliação do processo de sobreposição de válvulas em termos de requisitos de ensaio, critérios de aceitação e cobertura. Hu Gaolin et al. utilizaram a soldadura automática por sobreposição de ligas à base de Co através da soldadura com elétrodo de fusão com proteção gasosa em válvulas. Analisaram a composição química, a microestrutura e a qualidade da superfície das amostras de sobreposição automática de vedação de válvulas duras. Fen estudou o processo de soldadura automática por sobreposição da superfície de vedação de válvulas de turbinas nucleares. No equipamento de soldadura por sobreposição automática especificado, selecionar 16Mn em vez de G20Mo5 e selecionar os parâmetros de processo de soldadura adequados para que a qualidade final da soldadura possa cumprir os requisitos das normas relevantes.

1.6 Carburação

A cementação é o processo de utilização de algum método para fazer com que os átomos de carbono se infiltrem na camada superficial do metal; após a cementação da camada superficial do metal com elevado teor de carbono, e depois temperado e revenido a baixa temperatura, de modo a que a camada superficial da peça de trabalho tenha boa resistência ao desgaste e elevada dureza. Em contrapartida, a parte interna da peça de trabalho ainda mantém a tenacidade e a plasticidade do aço de baixo carbono. Yanyan Zhang et al. estudaram a bobina de aço inoxidável tratada com um processo de endurecimento da superfície de cementação por iões de ecrã ativo e analisaram a dureza, a resistência à corrosão e a espessura da camada de cementação da bobina, tendo verificado que o processo de tratamento não afectava a resistência à corrosão da superfície da bobina e melhorava eficazmente a resistência da superfície da bobina. Liu Wei estudou a aplicação de um processo de cementação iónica a baixa temperatura, a utilização de um processo de cementação iónica a baixa temperatura para peças de válvulas de aço inoxidável austenítico para o tratamento de endurecimento da superfície, e verificou que se obtém um bom efeito de endurecimento por cementação.

1.7 Nitretação

A nitruração é um processo químico de tratamento térmico a uma temperatura de cerca de 400-600 ℃no meio, de modo a que os átomos de azoto penetrem na camada superficial da peça de trabalho. Xia Shengjian et al. estudaram o processo de nitruração por plasma incandescente a baixa temperatura da peça de aço inoxidável austenítico, compararam a rugosidade da superfície, a tolerância de posição e a dureza da peça antes e depois da nitruração, mas também após o teste de nitruração por pulverização de sal, os resultados mostram que o acabamento da superfície e a tolerância de posição da peça de trabalho após a nitretação a baixa temperatura por plasma incandescente diminuíram ligeiramente, a dureza aumentou significativamente, a superfície da peça de trabalho após o teste de névoa salina não houve fenómeno de corrosão Os resultados mostraram que o acabamento da superfície e a tolerância de posição da peça de trabalho da válvula foram ligeiramente reduzidos, a dureza foi significativamente melhorada e a superfície da peça de trabalho não sofreu corrosão após o teste de névoa salina. Zhang Min et al. utilizaram o laser pulsado Nd: YAG para nitretar válvulas de liga TC4 em diferentes proporções de mistura de gás árgon e azoto e estudaram o efeito da concentração de azoto na resistência à corrosão e na dureza do tecido da camada de nitreto.

2. Novas técnicas de tratamento de superfícies

2.1 Pulverização por plasma

A pulverização por plasma refere-se à utilização de plasma ou jato de plasma para aquecer alguns materiais de liga metálica ou materiais cerâmicos para derreter ou derreter parcialmente e, em seguida, disparar a alta velocidade para a superfície da peça de trabalho para formar um revestimento ligado à superfície da peça de trabalho. A tecnologia de pulverização por plasma tem como vantagens o baixo custo, a elevada eficiência de produção, a elevada qualidade do revestimento e uma vasta gama de materiais de revestimento. Xu Weipu et al. introduziram as principais tecnologias de pulverização térmica, como a pulverização por plasma, a pulverização por chama e a pulverização por arco, explicaram as características dos três revestimentos por pulverização térmica e as suas aplicações na indústria das válvulas e compararam os princípios e processos das três tecnologias de pulverização térmica. Gao Mingyu, etc., apresentou o progresso e o estado da investigação da tecnologia de pulverização de plasma em materiais de cobre e ligas de cobre e comparou e analisou as vantagens e desvantagens de várias tecnologias de tratamento de superfícies. O equipamento de pulverização por plasma, o processo e os parâmetros são estudados para que o revestimento tenha uma elevada força de ligação com o substrato.

2.2 Revestimento por plasma

O revestimento por plasma é um processo que utiliza um arco de plasma de transferência de árgon como fonte de calor para fundir o pó de liga e a superfície da peça de trabalho para formar uma poça fundida, formando assim uma camada de liga fundida na superfície da peça de trabalho. O revestimento por plasma também é normalmente utilizado para refabricar peças com estruturas complexas e requisitos de superfície elevados. Shi Yun et al. apresentam os actuais desenvolvimentos da investigação no domínio da tecnologia de revestimento por plasma em termos da influência do processo de revestimento por plasma na qualidade da camada revestida, do revestimento por plasma de ligas, do revestimento por plasma de compósitos à base de metal enriquecidos com partículas, dos métodos de controlo da qualidade da camada revestida por plasma e das aplicações da tecnologia de revestimento por plasma.

2.3 Endurecimento de superfícies por laser

Laser surface treatment technology is to apply a high energy density laser beam to the surface of the workpiece, causing the surface of the workpiece to dissolve and change the microstructure of the material, forming a reinforced layer on the surface of the workpiece, thus improving the corrosion resistance, heat resistance, wear resistance, thermal fatigue resistance, and oxidation resistance of the workpiece. The laser surface hardening process can reduce the workpiece scrap rate, improve the workpiece’s service life, and the workpiece’s surface hardness is higher than that of the workpiece after conventional flame quenching. Liangliang Huang et al. introduced the research status of laser surface hardening and numerical simulation and the development and application at home and abroad, and also analyzed the strengthening mechanism and characteristics of laser surface hardening technology and pointed out the problems of laser surface hardening numerical simulation at the present stage. Wang Chao et al. hardened the surface of Cr12MoV steel with a high-power semiconductor laser. They studied the effects of process parameters such as heating temperature, scanning speed, and lap rate on the surface hardness of Cr12MoV steel and the depth of the hardened layer.

2.4 Fusão de superfícies por laser

O revestimento de superfícies por laser é um processo em que o material externo é adicionado à poça de fusão formada por irradiação laser na superfície do substrato. Os dois são rapidamente solidificados, formando uma camada de revestimento. O processo de revestimento por laser tem as seguintes características

• (1) Elevada ligação entre o metal fundido e a base da peça de trabalho;
• (2) Alta qualidade da camada de revestimento densa e fina;
• (3) Espessura controlável da camada de revestimento;
• (4) Pequena área de aquecimento e baixo impacto na própria peça de trabalho. Lin Jixing et al. utilizaram o CO₂ para revestir a laser um revestimento de liga à base de Co na superfície de um material de válvula em aço inoxidável 316. O seu foco foi o efeito da potência do laser na microestrutura, na resistência à corrosão e na taxa de diluição do revestimento. Shi Shihong, etc., na superfície de vedação de válvulas petroquímicas de matriz austenítica fundindo liga de auto-fusão à base de Ni, a fusão a laser da superfície de vedação de válvulas petroquímicas pode obter uma espessura de camada de liga de 3,0 mm.

3. Perspetiva da tecnologia de tratamento da superfície de refabricação de válvulas

Atualmente, o rápido desenvolvimento da indústria transformadora de baixo teor de carbono, a investigação e o desenvolvimento da tecnologia de tratamento de superfície para a reconstrução de válvulas, com vista a garantir uma utilização segura a longo prazo das válvulas e a produção de válvulas de reconstrução, revestem-se de grande importância, uma vez que a tecnologia tradicional de tratamento de superfície, de baixa eficiência, de elevado consumo de energia, de poluição do ambiente, etc., será gradualmente substituída por uma nova tecnologia de tratamento de superfície. O desenvolvimento contínuo do fabrico ecológico, da tecnologia de tratamento de superfícies por plasma, da tecnologia de tratamento de superfícies por laser, da tecnologia de refabricação de produtos mecânicos e de impressão 3D, bem como de outros métodos de fabrico ecológicos, dará origem a uma ampla perspetiva de desenvolvimento.
A utilização da tecnologia de tratamento de superfície por plasma é de baixo custo, simples de utilizar e permite obter um revestimento de superfície de excelente desempenho. A tecnologia de tratamento de superfície por plasma na indústria de refabricação de válvulas tem um amplo espaço para o desenvolvimento, a investigação e a exploração de uma maior aplicabilidade. A tecnologia de tratamento de superfície por plasma está destinada a tornar-se uma direção popular.
O tratamento de superfícies por laser no domínio da tecnologia de refabricação de válvulas, a investigação e o desenvolvimento centraram-se no processamento reforçado por laser e na tecnologia de reparação de superfícies, na tecnologia de processos de formação rápida por laser, no revestimento funcional por laser e nas propriedades dos materiais, bem como noutras direcções; estes estudos podem fornecer o material necessário e o apoio ao processo para o reforço por laser da superfície dos componentes-chave das válvulas, a refabricação, a formação rápida por laser, etc. tecnologia de tratamento térmicoA tecnologia de tratamento de superfícies a laser, a tecnologia de engenharia de nano-superfícies e outras investigações continuam a inovar e desempenharão um papel mais importante na indústria de refabricação de válvulas.
Autor: Han Shoupeng