Disque de valve papillon par casting d'investissement

1. Introduction

Dans des valves de papillon, Le disque sert de principal élément de contrôle de flux, affectant directement la chute de pression, Intégrité d'étanchéité, et couple d'actionnement.

Par conséquent, La conception et la fabrication du disque déterminent les performances des vannes bien plus que les composants périphériques.

Moulage de précision est devenu la méthode préférée pour produire du complexe, Disques de haute précision qui répondent aux exigences de service strictes.

Dans cet article, Nous explorons chaque étape - de la conception et de la sélection des matériaux au casting, finition, et validation - Professionnel, Perspectives axées sur les données et mettant l'accent sur les meilleures pratiques.

2. Présentation de la casting d'investissement

Moulage de précision, également connu sous le nom de fonte à la cire perdue, est une méthode éprouvée pour créer des composants métalliques complexes.

Le processus commence par un motif de cire, qui est recouvert d'une coque en céramique pour former un moule.

Après la déwax et les tirs à haute température, Le métal fondu est versé dans la cavité, Et la dernière partie est terminée par le souffle et l'usinage du tir.

Par rapport à la coulée de sable ou à l'usinage, La coulée d'investissement offre une géométrie de forme quasi réseau avec des tolérances serrées (± 0,1 mm) et les finitions de surface aussi lisses que ra ≤ 1.6 µm.

Cette précision est vitale pour les disques de soupape de papillon, où même les écarts mineurs peuvent compromettre l'intégrité de l'étanchéité.

Les dimensions du disque typiques varient de 50 mm à 1,500 mm de diamètre, avec des poids s'étendant 0.5 kg à 50 kg, en fonction de l'application.

3. Sélection des matériaux pour disques de soupape de papillon

Choisir le bon alliage pour un cast d'investissement vanne papillon Les demandes de disque exigent l'équilibrage résistance à la corrosion, résistance mécanique, capacité de température, et coût.

Ci-dessous, Nous explorons quatre familles matérielles - chacune avec ses avantages - et mettons en évidence des objectifs de propriété quantitative pour guider les spécifications.

Aciers inoxydables austénitiques (CF8 / CF8M / CF3 / CF3M)

Pourquoi les choisir? Les notes austénitiques offrent une excellente résistance à la corrosion de service général dans l'eau, acides légers, Et vapeur à 200 °C.

Merci à leur cube centré sur le visage (FCC) structure, Ils maintiennent la ténacité à –50 ° C.

Note de transition:

Pour les valves exposées à des chlorures ou à des acides faibles, Mise à niveau de CF8 à CF8M (316) double le nombre équivalent de résistance aux piqûres (Bois) de ~ 18 à ~ 25, prolongeant nettement la durée de vie dans l'eau de mer ou la saumure.

Duplex & Aciers inoxydables super-duplex (par ex., SAF 2205, 2507)

Pourquoi les choisir? Les grades duplex combinent des phases austénite et ferrite pour offrir une plus grande limite d'élasticité (~ 800 MPa) et le chlorure-stress-corrosion-corrosion supérieur (CSC) résistance.

Aperçu des données:

Dans l'eau de mer pleine résistance (3.5 % NaCl), 2205 Les disques résistent aux piqûres 80 °C, versus seulement ~ 60 ° C pour 316L, faire d'eux le go-to pour les valves sous-marines.

Alliages à base de nickel (Inconel 625, Monel 400)

Pourquoi les choisir? Les superalliages à base de nickel résistent aux températures ci-dessus 550 ° C et résister à l'oxydation, sulfuration, et chloration - idéal pour à haute température et gaz aigre candidatures.

Exemple d'application:

Une vanne d'injection de vapeur dans un système de turbine à gaz a spécifié un inconvénient de l'investissement 625 disque,

qui a fonctionné sans fuite à 575 ° C et 40 Bar pour plus 18 mois.

4. Considérations de conception de disques de soupape de papillon

La conception d'un disque de soupape papillon implique un équilibre délicat entre les performances hydrauliques, intégrité structurelle, et coulabilité.

Par conséquent, Les ingénieurs doivent évaluer la géométrie, chargement de pression, dynamique du flux, distribution des matériaux,

et stratégie de déclenchement - chaque facteur contribuant à un fonctionnement fiable sur des millions de cycles.

Profil de disque: Cambré vs. Plat

Avant tout, le profil de disque dicte la résistance au débit et le couple.

UN Bombé ou le disque «taille» - porté sur les deux faces - réduit la séparation de l'écoulement jusqu'à jusqu'à 20% par rapport à un disque plat et abaisse le couple d'actionnement d'environ 25% typique 150 mm, Vannes PN16.

En outre, Cambre crée une force hydrodynamique égocentrique, ce qui améliore la stabilité au milieu du temps et étend la durée de vie du sceau.

Inversement, disques plats rester populaire à basse pression (≤ 10 bar) et applications simples / désactivées, Comme ils simplifient l'outillage et l'usinage.

Épaisseur de paroi & Rigidité structurelle

Passant, épaisseur de paroi détermine à la fois la rigidité et la qualité de la moulage.

Pour les disques coulés d'investissement, une épaisseur nominale de 4–8 mm prend en charge les notes de pression jusqu'à 40 bar Tout en évitant la porosité de rétrécissement.

En outre, rayons de filet de transition de 3–5 mm À la jonction Hub-Disc, empêchez la concentration de stress et favorise une solidification uniforme.

Analyse des éléments finis (FEA) confirme régulièrement que de telles sections dévient moins que 0.2 mm sous un 16 divergence de barre, maintenir ainsi l'intégrité du joint.

Équilibrage de pression & Renforcement

De plus, Les concepteurs incorporent souvent trous d'équilibrage de pression ou rainures de relief dans les plus grands disques de soupape de papillon (≥ 300 mm) pour égaliser les pressions d'entrée et de sortie.

En réduisant la force déséquilibrée nette 60%, Ces fonctionnalités réduisent le dimensionnement de l'actionneur par une classe.

En outre, localisé côtes sur le visage en aval - généralement 4–6 côtes de 5 Épaisseur mm - plus durcit le disque sans gain de poids appréciable.

Hydrodynamique & Réduction du couple

Tout aussi important, contours hydrodynamiques Assurer des transitions de flux lisse.

Dynamique des fluides computationnelle (CFD) Les analyses mettent en évidence que les bords principaux arrondis avec un rayon de courbure de 0.1× diamètre du disque séparation de flux de retard,

Amélioration du coefficient de décharge (CD) de ~ 0,65 à ~ 0,75 à 50% ouverture.

Par conséquent, Le couple d'actionnement tombe en 15–20%, traduire directement par des coûts énergétiques opérationnels inférieurs.

Déclenchement, Placement & Castabilité

Enfin, conception de déclenchement et de colonne montante Adapter la géométrie du disque pour la coulée sans défaut.

Les ingénieurs placent la porte principale du centre à disque, où les piscines métalliques favorisent une solidification directionnelle vers une seule colonne montante périphérique.

Cette disposition garantit l'alimentation dans les dernières zones de solidification, réduisant les défauts de rétrécissement 0.5% de pièces moulées.

En tandem, une épaisseur de coquille de 6 mm et taux de refroidissement contrôlés (≤ 5 ° C / min) Évitez les chocs thermiques et la microfissure.

5. Disque de soupape de papillon par les détails du processus de coulée d'investissement

Casting d'investissement - souvent appelé cire perdue- Transforme un motif de cire de précision dans un disque de soupape de papillon métallique via un moule en céramique.

Parmi divers systèmes de coquille, Silice -sol Les liants sont devenus la norme de l'industrie pour l'intégrité élevée, Castings dimensionnellement précis.

Outillage de cire & Production de motifs

• Dies à haute précision: Les cavités de matrice de CNC produisent des motifs de cire à l'intérieur ±0,05 % de dimensions nominales.
• Assemblage du patron: Les ingénieurs attachent les cartes et les systèmes de déclenchement - conçus pour le flux métallique du moyeu - à chaque motif, les assembler sur des arbres en cire qui contiennent 20 à 50 disques par vers.

Bâtiment de coquille en céramique (Revêtement de résolution de silice):

L'assemblage de cire est plongé dans un Slice Sol Slurry (Une solution colloïdale de silice colloïdale et de particules réfractaires fines) et recouvert de stuc (Zircon ou sable de silice fusionné).

Ce processus est répété 8 à 12 fois, avec chaque couche séchée à 70–100 ° C pour construire une épaisseur de coque de 5 à 7 mm.

Les coquilles de sol de silice offrent une stabilité thermique et une finition de surface supérieures par rapport aux systèmes de verre à eau ou de silicate éthylique.

Déwaxing et tir:

La coquille est chauffée à 850–950 ° C dans un four contrôlé pour faire fondre la cire (déwax) et fripte la coquille en céramique.

Cette étape élimine les hydrocarbures résiduels et renforce la coque pour résister au métal fondu.

La température de tir est soigneusement calibrée pour éviter de se fissurer tout en garantissant que la réfractarité de la coquille correspond à l'alliage coulé (par ex., 1,500–1 600 ° C pour les aciers inoxydables).

Fusion du métal & Pratiques de versement

• Creuset & Four: Utiliser fours à induction à vide (VIM) faire fondre les alliages -, duplex, ou nickel-base - Rainant O₂ < 50 ppm et h₂ < 5 PPM pour les pièces moulées propres.
• Température de versement: Maintenir 1 480–1 520 °C Pour CF8 / CF8M; 1 550–1 600 °C Pour Inconel 625.
• Enveloppement inerte & Pressure Pour: Employer des haubans de l'argon ou de l'azote sur le moule et appliquez une légère pression positive (0.1–0,3 bar) pour conduire le métal en sections minces, réduire la porosité du gaz à < 0.2 %.

Retrait et finition des coquilles:

Après la solidification, La coquille en céramique est retirée par le souffle (en utilisant du grain d'oxyde d'aluminium) pour révéler le disque de forme quasi-réseau.

La finition finale comprend les portes / contremarches de coupe et le polissage pour atteindre la rugosité de surface (Râ) ≤ 1.6 µm,

critique pour minimiser les turbulences de flux dans la valve.

Traitement thermique final

• Recuit de mise en solution: Chauffer les disques à 1 050 °C (CF8 / CF3M) ou 1 100 °C (alliages de nickel) pour 30 min,
  Ensuite, le counch d'eau pour dissoudre les phases séparées et optimiser la résistance à la corrosion.
• Soulagement du stress (Facultatif): UN 650 °C, 1-Hour Hold peut atténuer les contraintes résiduelles des opérations de finition.

Avantages de la silice Sol pour les disques de soupape de papillon

• Finition de surface: Les coquilles de sol de silice produisent des surfaces plus lisses que les méthodes traditionnelles, Réduire le besoin d'usinage post-casting.
  Ceci est vital pour les disques opérant dans des environnements de haute pureté comme les systèmes d'eau pharmaceutique ou potable.
• Précision dimensionnelle: La structure de la coque rigide maintient des tolérances étroites (± 0,1 mm), Assurer la concentricité et la planéité essentielles pour l'alignement du siège disque.
• Stabilité thermique: Réfractarité élevée de Silica Sol (jusqu'à 1 600 ° C) empêche la distorsion de la coquille pendant le coulage, Préserver les fonctionnalités complexes d'équilibrage de pression sur le disque.
• Compatibilité des matériaux: Idéal pour lancer des aciers austénitiques, alliages duplex, et les superalliages à base de nickel, qui sont communs dans les applications de soupape de papillon.

6. Intégrité de surface & Résistance à la corrosion

Finition de surface tel que cassée et polissage post-cas

Même avec des coquilles de silice à haute précision, Les disques as - émergent généralement avec RA 2,5-3,5 µm.

Cependant, Les grains en céramique fins de la coulée d'investissement limitent les pics de surface 10 µm en hauteur. Pour répondre aux normes de l'industrie des soupapes - qui nécessitent souvent Ra ≤ 1.6 µm—Les fabricants s'appliquent:

• Bombardage vibratoire: Les médias en céramique et les abrasifs légers réduisent la PR de 30 à 40% en 2 à 4 heures.
• Polissage de précision: Polissage guidé par CNC avec pâte de diamant (3 µm grain) atteint RA ≤ 0.8 µm sur les faces d'étanchéité, Assurer des performances sans fuite.

Ces étapes éliminent les micro-notchs de surface qui pourraient initier des puits de corrosion ou endommager les sièges élastomères.

Décapage & Cycles de passivation

Pour construire un film passif uniforme et éliminer les inclusions intégrées, Les disques de soupape de papillon subissent:

• Décapage: Immersion dans un 10 % Hno₃ - 2 % HF solution à 50 ° C pendant 20 à 30 min dissout les oxydes de surface et l'échelle.
• Rincer & Neutralisation: Le rinçage ultérieur dans l'eau désionisée et un bain de bicarbonate de sodium neutralise les acides résiduels.
• Passivation: Une deuxième baisse 20 % Hno₃ à 60 ° C pour 30 min favorise la formation d'un 2–5 nm Film cr₂o₃,
  vérifié via ASTM A967 tests de citrate.

Des études analytiques de surface montrent un 30 % augmenter dans le contenu CR au plus à l'extérieur 50 nm,

traduisant en une augmentation potentielle passive du film +50 mv dans les tests potentiodynamiques.

Performance de corrosion dans les médias représentatifs

Environnement	Matériel de disque	Taux de corrosion	Standard de test
Eau de mer (3.5% Nacl à 25 °C)	CF8M / 316	0.05 mm / an	ASTM B117 Salt Spray
Chlorure ferrique (test de piqûres)	CF8M / 316	Pas de piqûres < 24 H	Méthode ASTM G48 A
10% H₂so₄ à température ambiante	CF3M / 316L	0.10 mm / an	Immersion ASTM G31
Steam de surchauffe @ 550 °C	Inconel 625	0.02 mm / an	Test d'oxydation du Ni - alliage

Oxydation à haute température et fissuration de la corrosion stressante

Pour les applications au-dessus de l'ambiance:

• Résistance à l'oxydation: Inconel 625 Disques exposent < 0.02 mm / an de croissance de l'échelle de l'oxyde dans l'air à 550 °C.
• Résistance au SCC: SAF du Duplex - Cast 2205 Les disques ne montrent aucun chlorure de CSC lorsqu'il est testé par ASTM G36 à 80 ° C et 1000 Psi pour 720 H, surperformant 316L par 40 %.

7. Tolérance à la coulée de disque de soupape de papillon

Le maintien de tolérances dimensionnelles étroites sur le disque coulé assure un ajustement approprié, scellage fiable, et usinage post-coulé minimal.

Le casting d'investissement offre des tolérances plus fines que le coulage de sable, Mais les concepteurs doivent toujours spécifier des attentes réalistes pour équilibrer les coûts et les performances.

Vous trouverez ci-dessous typique tolérance Lignes directrices pour les disques de soupape de papillon coulé d'investissement, Basé sur ISO 8062-3 (CT8) et la pratique de l'industrie:

Fonctionnalité	Gamme de taille nominale	Tolérance	Remarques
Diamètre global	Jusqu'à 200 mm	± 0.10 mm	Assure la concentricité avec le corps de la valve; Critique pour les applications complets
	200–400 mm	± 0.15 mm
	> 400 mm	± 0.20 mm
Épaisseur de paroi	3–8 mm	± 10 % de nominal	Les concepteurs maintiennent des sections de 4 à 8 mm pour éviter la porosité rétractable
Diamètre de l'alésage du moyeu	Jusqu'à 50 mm	− 0 / + 0.05 mm	Slip ajusté sur l'arbre; peut nécessiter une alésage à H7 pour les actionneurs de précision
	50–100 mm	− 0 / + 0.10 mm
Cercle de boulon & Trous	Pcd Ø jusqu'à 300 mm	± 0.10 mm	Correspond aux normes de bride de tuyau (par ex., Ansi, DEPUIS)
	PCD Ø > 300 mm	± 0.15 mm
Hors de l'écart	Toute caractéristique circulaire	≤ 0.05 % de diamètre	Assure l'uniformité de compression du sceau
Platitude (Visage de siège)	À travers le visage du disque	≤ 0.05 mm	Critique pour l'arrêt de la valve; Souvent moulues à la dimension finale
Rayons de profil de bord	Filets / chanfreins	± 0.5 mm	Les concepteurs spécifient des rayons de 3 à 5 mm pour équilibrer l'écoulement et la concentration de contrainte

Implications pratiques

1. Engagement de joint: Les tolérances sur les faces de siège et l'emplacement hors de l'écart ont un impact directement sur l'emballage et la compression du joint torique, affectation de l'étanchéité des fuites.
2. Alignement d'actionnement: La précision de l'alimentation du hub assure la rotation du disque concentrique, Réduire le chargement excentrique sur les roulements et les actionneurs.
3. Indemnités d'usinage: Alors que de nombreux disques de soupape de papillon répondent aux tolérances de finition telles que cassées, Les surfaces d'étanchéité critiques reçoivent souvent une mouture légère (0.2–0,5 mm de stock) pour garantir la planéité et la finition de surface.
4. Stratégie d'inspection: Machine à mesurer les coordonnées (MMT) audits de 100 % des disques valider la conformité; Contrôle des processus statistiques (CPS) Frappe les tendances avant de dépasser les limites CT8.

8. CE Services à valeur ajoutée à la valeur

Au-delà de la production du disque coulé d'investissement lui-même, CE regroupe désormais une suite de services à valeur ajoutée qui accélèrent le temps de commercialisation, Réduire la charge de travail interne:

Usinage de précision

• Tournage CNC & Fraisage: Les fournisseurs livrent souvent des disques avec des alésages de moyeu finis, rainures de clavette,
  et motifs de trou de boulon aux tolérances H7 / H8 (± 0,02 mm), Éliminer l'usinage secondaire.
• Équilibrage & Forage: Équilibrage statique ou dynamique aux limites de grade G6.3 (< 2.5 µm Déséquilibre par mm) Pour les disques ≥ 300 diamètre mm, plus saignement facultatif ou forage de trous d'équilibre.

Traitement thermique

• Solution Recuit: Vide ou salle de bain sel recuit à 1 050–1 100 ° C a suivi
  par extinction rapide Restore duplex et des microstructures austénitiques, Assurer une résistance à la corrosion complète.
• Soulagement du stress: Les titulaires sous-critiques à 600–650 ° C pendant 1 à 2 heures réduisent les contraintes résiduelles
  de l'usinage ou du soudage par jusqu'à 60%, Empêcher la distorsion dans l'assemblage final.

Traitements de surfaces

• Polissage & Clapotis: Finations finales à RA ≤ 0.4 µm sur les faces d'étanchéité assurent les performances sans fuite; revirement typique: 1–3 jours par lot de 20 à 50 disques.
• Revêtements & Doublures: Époxy, PTFE, ou les revêtements en céramique ajoutent une résistance chimique dans des milieux agressifs; Le contrôle d'épaisseur à ± 10 µm répond aux spécifications OEM.

Emballage personnalisé & Logistique

• Crate protectrice: Caisses en bois conformes aux iso avec inserts VCI anti-corrosion, capteurs de maîtrise de choc, et les indicateurs d'humidité protéger les disques pendant le transit.
• Expédition accélérée: La consolidation à fleurre à air accélérée ou à «lait» réduit les délais 2–3 semaines De l'ordre à la porte, par rapport à la mer standard de 6 à 8 semaines.

9. Conclusions

Le casting d'investissement fournit un en une seule étape Itinéraire vers des disques de soupape de papillon haute performance, offrir des géométries complexes, tolérances serrées (± 0,1 mm), et finitions de surface supérieures (Ra ≤ 1.6 µm).

En sélectionnant les alliages appropriés - en passant par CF8M à acier inoxydable à Inconel 625 - et en appliquant des contrôles et des inspections de processus rigoureux,

Les fabricants atteignent des disques qui répondent aux cibles mécaniques (traction ≥ 550 MPa; allongement ≥ 25 %), exposer une résistance à la corrosion exceptionnelle,

et maintenir des conditions de service exigeantes à travers le traitement de l'eau, huile & gaz, et les secteurs de la production d'électricité.