バルブ表面処理

1. 導入

バルブは、オイルの流体処理システムのリンクピンとして機能します & ガス, 発電, 水処理と食品加工.

しかし, 厳しい動作条件 - 腐食性化学物質, 高温, 研磨粒子と周期的応力 - 未処理のバルブ表面をゆっくり分解します.

適切な表面処理を適用します, エンジニアは、耐食性を超えることができます 90 %, 摩耗寿命を3〜5倍に延長します, 数百万のオン/オフサイクルの信頼できるシーリングを維持します.

この記事では、ファンダメンタルズから最先端のトレンドまでのバルブ表面工学を探ります, バルブメーカーとエンドユーザーのためのデータバックされた洞察と積極的なガイダンスを使用して.

2. バルブの表面処理の基礎

バルブ表面処理コンポーネントの最も外側のミクロンを操作する, バルク基板から分岐するプロパティの作成.

一方、バルブ本体は上記の引張強度を誇っている可能性があります 400 MPa, 保護されていない表面は、までの速度で腐食します 0.2 海水のMM/年.

適切な仕上げを適用すると、その動的なフリップがあります, 腐食率を下に減らします 0.005 MM/年.

主要なパフォーマンス基準には含まれます:

• 耐食性: ソルトスプレーテストで測定 (ASTM B117), コーティングされていない鋼が故障する可能性があります 24 時間, 一方、高品質のニッケルリンコーティングは耐えられます 1 000 時間.
• 耐摩耗性: Pin -on -Disk摩耗テストを介して定量化されました, タングステンカーバイドHVOFのようなコーティングは、上記の硬度を提供します 1 200 HV, 鋼基板を上回る (250 HV) ほぼ5倍.
• 表面硬度: マイクロハルト測定 (ASTM E384) 熱ニトリングを確認すると、表面の硬度が600〜1になります 000 HV.
• 摩擦とシーリング: 低摩擦係数 (m < 0.2) PTFEベースのポリマーコーティングでは、バルブがバブル密閉を達成するのに役立ちます, 特にボールと蝶のバルブで.

治療の資格を得る, エンジニアは、一連のテスト（サルトスプレー）に依存しています, マイクロハード, 接着力 (クロスハッチ), 気孔率 (電気化学的インピーダンス) - そのコーティングを実質世界のストレスに耐えることを検証する.

3. 主要な表面処理技術

表面処理技術は、腐食と戦う保護層または機能的層を形成することにより、バルブの性能を向上させる, 着る, および環境の劣化.

各手法には独自の強みがあります, 理想的なユースケース, および材料の互換性.

3.1 電気化学プロセス

電気化学表面処理は、腐食抵抗を改善するためにバルブ産業で広く使用されています, パフォーマンスを着用します, および表面の均一性.

これらのプロセスは、電気または化学エネルギーを使用して、バルブ表面に材料を堆積または変換します.

それらの精度と適応性により、大規模な工業用バルブと小さい両方に適しています, 高精度部品.

3.1.1 電気めっき

電気めっき は、堆積する金属イオンを含む電解質を通って電流を通過することにより、金属層がバルブ成分に堆積するプロセスです。.

この手法は、耐食性の改善に特に効果的です, 表面の硬度, そして美学.

一般的な電気めっき材料:

• ニッケル (で): 腐食と耐摩耗性を高めます; 一般的に化学物質で使用されます, 油 & ガス, および海洋バルブ.
• クロム (Cr): ハードを提供します, スムーズ, と装飾仕上げ; バルブの茎と座席表面に最適です.
• 亜鉛 (亜鉛): 犠牲的な腐食保護を提供します; 低圧によく使用されます, 大気アプリケーション.

利点:

• 制御された厚さ (通常、5〜50 µm)
• 鋼への良好な接着, 真鍮, およびアルミニウム基質
• 費用対効果とスケーラブル

制限事項:

• 治療後が必要になる場合があります (例えば, ベーキング) 水素の脆化を緩和するため
• 視線のラインプロセス; 複雑なジオメトリは、不均一な堆積に苦しむ可能性があります

3.1.2 エレクトロスメッキ

電気めっきとは異なります, Electroless Platingは、外部の電流に依存していません.

その代わり, 制御された化学反応を使用して、ジオメトリに関係なく、すべての露出した表面に均一なコーティングを堆積します.

この方法は、内部バルブの通路にとって特に価値があります, スレッド, と盲目の空洞.

一般的なコーティングシステム:

• ニッケル - リン (ni – p): 均一な厚さと優れた腐食抵抗を提供します. 高リンバージョン (>10% P) 酸や海水などの攻撃的なメディアに抵抗します.
• ニッケル - ボロン (IN-B): 優れた硬度を提供します (>900 HV) そして耐摩耗性.
• 銅およびコバルト合金: ニッチな化学的適合性と潤滑アプリケーションに使用されます.

利点:

• 非常に均一なコーティング (典型的な厚さ: 10–50 µm)
• 電気接点は必要ありません
• 複合体に適しています, 高精度バルブコンポーネント

制限事項:

• 電気めっきと比較した堆積速度が遅い
• より複雑な化学とバスメンテナンス

3.1.3 変換コーティング

変換コーティングは、バルブ表面を化学的に変更して、保護酸化物またはリン酸層を形成します.

これらはしばしばスタンドアロン治療またはさらなるコーティングのためのプライマーとして使用されます (例えば, 塗料またはパウダーコーティング).

メインタイプ:

• 不動態化 (ステンレス鋼用): 遊離鉄を除去し、酸化クロム層を濃縮することにより耐食性を高めます.
• リン酸塩: 塗料の接着を改善し、軽度の腐食抵抗を提供する結晶リン酸層を生成します.
• 陽極酸化処理 (主にアルミバルブ用): 電気化学的に厚いものを形成します, 腐食に抵抗し、美学のために染色できる安定した酸化物層.

利点:

• 塗料/コーティングの接着を改善します
• 寸法を大幅に変更することなく、腐食抵抗を強化します
• 環境的に適応可能 (一部のプロセスはROHS準拠です)

制限事項:

• 薄膜 (通常 <5 μm) トップコートなしでは、過酷な環境で十分な保護を提供しない場合があります
• すべての金属には適していません (例えば, 炭素鋼への限定的な影響)

3.2 熱スプレーと物理的堆積

サーマルスプレーと物理的堆積方法は、堅牢性を生み出します, 耐摩耗性, 機械的または化学的に結合する材料による腐食防止コーティングバルブの表面へ.

これらの高エネルギー技術は、より厚くなります, 電気化学プロセスよりも密度の高いフィルム, 厳しいサービス条件に最適にします.

3.2.1 炎, hvof, およびプラズマスプレー

初め, 炎, 高速オキシ燃料 (hvof), すべてのプロジェクト溶融または半モルテン粒子を高速でバルブ基板に噴霧するプラズマ.

結果として, 粒子は平らになり、結合します, 連続を形成します, しっかりと接着したコーティング 500 μm 厚い.

• 炎の散布

• • 材料: アルミニウム, 亜鉛, および単純な合金
  • 典型的な厚さ: 100–300 µm
  • 利点: 低い機器コスト, 汎用バルブの良好な腐食保護
  • 制限事項: 低い結合強度 (15–25 MPa) そして多孔性が高い (〜5％) hvofより

• HVOFスプレー

• • 材料: タングステンカーバイト - コバルト (WC -CO), 炭化クロム, ニッケル合金
  • 典型的な厚さ: 100–500 µm
  • 利点: 高い結合強度 (まで 70 MPa), 低気孔率 (<1%), そして硬度を超えています 1 200 HV
  • 使用事例: スラリーまたは砂質のあるメディアで侵食に耐えるトリムは、摩耗量を減らします 85% 裸の鋼と比較して

• プラズマスプレー

• • 材料: セラミック酸化物 (Al₂O₃, Zro₂), 金属セラミックブレンド
  • 典型的な厚さ: 150–500 µm
  • 利点: 例外的な熱安定性 (稼働温度まで 1 000 ℃) 化学的不活性性
  • 制限事項: より高い資本コストと専門的な安全対策の必要性

3.2.2 PVDおよびCVD (物理的および化学的蒸気堆積)

対照的に, PVDおよびCVDデポジットウルトラシン, 真空チャンバーの高性能フィルム.

これらの原子ごとのプロセスでは、コーティングがまさに発生します 1–5 µm 厚い, しかし、彼らは傑出した硬さをもたらします, 耐食性, そして正確な制御.

• 物理的な蒸気堆積 (PVD)

• • コーティング: 窒化チタン (錫), 窒化クロム (CrN), ダイヤモンドのような炭素 (DLC)
  • 硬度: > 2 000 HV
  • 接着力: > 50 MPa (スクラッチテスト)
  • 利点: 最小限の寸法変化, 非常に低い摩擦 (m < 0.1), 重要なバルブシートと茎の優れた耐摩耗性

• 化学蒸気堆積 (CVD)

• • コーティング: 炭化シリコン, 炭化ホウ素, 窒化ケイ素
  • 利点: 複雑な幾何学のコンフォーマルカバレッジ, 高化学的不活性, および温度抵抗 1 200 ℃
  • 考慮事項: 正確な温度制御が必要です (400–1 100 ℃) より長いサイクル時間

要約すれば, バルブが研磨剤で動作する場合、熱スプレー技術は優れています, 侵食, または高温環境, 厚く届く, 耐久性のある障壁.

その間, PVDとCVDは、超薄いニッチアプリケーションを提供します, ハードネスコーティングと緊密な許容範囲は重要であることが証明されます。.

3.3 ポリマーおよび複合コーティング

ポリマーおよび複合コーティングは汎用性があります, 腐食性のバルブの耐久性のある保護, 化学薬品, および屋外環境.

有機樹脂と補強充填剤または無機粒子を組み合わせることにより, これらのコーティングのバランス腐食抵抗, 機械的強度, 品質を完了します.

3.3.1 エポキシ, ポリウレタン, およびフルオロポリマーシステム

エポキシ, ポリウレタン, フルオロポリマーコーティングはそれぞれ独自の利点を提供します:

• エポキシコーティング
  エポキシ樹脂は密集しています, 架橋映画 (50–150 µm) それは化学攻撃と湿気の侵入に抵抗します.
  あ 75 µMエポキシ層に耐えることができます 1 000 塩スプレーチャンバーでの時間 (ASTM B117) 白い錆が現れる前.
  さらに, エポキシは鋼基板に見事に接着します, それらを、水バルブと一般産業サービスの理想的なプライマーまたはスタンドアロン仕上げを作る.
• ポリウレタンコーティング
  ポリウレタン仕上げは、60〜120 µmの厚さで柔軟性と耐摩耗性を実現します.
  それらは、UV分解にエポキシよりも著しく優れています, 後で光沢と色を保持します 2 000 QUV曝露の時間.
  結果として, デザイナーは、美学と耐久性の両方が重要な屋外バルブと建築用途向けのウレタンを選択します.
• フルオロポリマーコーティング (PTFE, fep, PVDF)
  フルオロポリマーは実質的にすべての化学物質に抵抗し、-50°Cで動作します 150 ℃.
  典型的な 25 µM PTFEコーティングは、以下の静的摩擦係数を切断します 0.05, ボールと蝶のバルブでバブルタイトシャットオフを可能にします.
  さらに, 彼らの焦げ付き防止の表面は、衛生または化学処理プラントでの清掃をファウリングし、簡素化します.

3.3.2 パウダーコーティングとハイブリッドオーガニック無機フィルム

パウダーとハイブリッドコーティングは、アプリケーションの容易さと堅牢な性能を組み合わせています:

• サーモセット パウダーコーティング
  静電的に塗布し、150〜200°Cで硬化します, パウダーコーティングは、激しい色のオプションで腐食保護を結婚する60〜150 µmフィルムを形成します.
  最近の進歩は、塩スプレー抵抗を超えています 1 000 時間, 衝撃強度とともに 50 J, 市のバルブ機関と屋外エンクロージャーに最適です.

  

• ハイブリッドオーガニック無機フィルム
  シリカまたはセラミックナノ粒子をポリマーマトリックスに統合します, ハイブリッドフィルムはより高い硬度を達成します (まで 600 HV) 優れた耐薬品性.
  これらのコーティングは、純粋なポリマー層と厚い熱スプレーの間の隙間を橋渡しします,
  最小限の寸法変化で30〜100 µmの保護を提供する - タイト耐性バルブトリムと精密アセンブリに最適.

組み合わせて, ポリマーおよび複合コーティングは費用対​​効果が高い, 環境に優しいソリューション.

彼らは厚い場所で優れています, 均一な障壁と色分けされた仕上げにより、パフォーマンスとユーザーの安全性が向上します.

3.4 熱化学表面硬化

熱化学的処理は、高温でのバルブ基板に合金要素を拡散させる, 離散コーティングを追加せずに硬化した表面層を作成する.

これらの方法は耐摩耗性を高めます, 疲労寿命, および負荷を負担する容量 - ステムなどのコンポーネントのために重要, 席, および作動メカニズム.

3.4.1 窒化処理

窒化処理 窒素をスチールに導入します 500–580°C, 表面内で深さまで硬い窒化物を形成します 0.1–0.6 mm.

このプロセスは、表面の硬度を高めます 600–1 000 HV, 摩擦を減らします, 疲労強度を20〜30％改善します. 一般的なバリアントには含まれます:

• ガス窒化 アンモニアガスを使用します; それは均一なケースの深さを生成し、複雑なジオメトリに適しています.
• プラズマニトリッド 低圧アンモニア雰囲気で電気放電を使用します, ケースの深さと最小限の歪みを正確に制御します.
• 塩の窒化 速いサイクル時間と一貫した結果を提供しますが、溶融塩媒体の慎重な取り扱いが必要です.

亜透過性バルブステムはまで展示します 5×長い摩耗寿命 未処理の鋼と比較した周期的な作動下.

3.4.2 浸炭, 裸, および炭酸化

これらの治療は炭素を拡散します, ボロン, または両方を鋼にして硬く形成します, 耐摩耗性の層:

• 浸炭 で行われます 900–950°C, 深さに炭素を注入します 0.5–1.5 mm. 焼入れ後, 表面の硬度が到達します 550–650 HV, 高負荷アプリケーションに最適です.
• 裸 (ボロカル酸化) ボロンを紹介します (オプションでカーボン) で 700–900°C, ウルトラハードを生産します (まで 1 400 HV) の鉄の鉄層 10–30 µm 厚さ.
  ボリットのバルブコンポーネントは研磨摩耗に抵抗し、非常によく胆嚢に抵抗します.
• 炭酸化 炭素と窒素拡散を組み合わせます 800–880°C, の表面硬さを達成します 650–800 HV ケースの深さで 0.2–0.8 mm.
  このハイブリッドアプローチは、靭性と耐摩耗性のバランスを取ります.

研磨型または高圧バ​​ルブトリムで, 強調されたシールと浸炭スピンドルは、サービス間隔を延長することができます 3–4× 未処理の部品に対して.

4. 特別な環境でのバルブ表面処理

多くの場合、バルブは摩耗を促進する極端な条件下で動作します, 腐食, と失敗.

各サービス環境に合わせて表面処理を調整すると、脆弱なコンポーネントを耐久性のあるものに変換します, 高性能資産.

下に, 4つの要求の厳しいシナリオという調査を検討します。Marine/Offshoreです, 高温/高圧, 研磨/スラリー, 衛生/食品グレード - パフォーマンスデータに裏付けられた最適な仕上げをお勧めします.

海洋およびオフショアアプリケーション

塩水浸漬と空中塩化物は、バルブの冶金に厳しく挑戦します.

耐熱性炭素鋼は、までの速度で腐食します 0.15 MM/年 海水で, 一方、a 25 µMエレクトロレスニッケルリン レイヤーはそれを減らすことができます 0.005 MM/年.

これらの要求を満たすため:

• 無電解ニッケル (ni – p, ≥12 % P): 複雑なジオメトリの均一なカバレッジを提供します, 塩スプレーテストでピットティングに抵抗します 2 000 時間 (ASTM B117), の表面硬度を維持します 550–650 HV.
• デュプレックスステンレスライニング: 薄い塗布 (20–30 µm) デュプレックスステンレスグレード上のNi – Pコート (例えば, 2205) ガルバニックとバリアの保護を組み合わせます.
• フルオロポリマーオーバーコート: あ 25 µMPTFE Topcoatシール微小極性, さらに腐食速度を下げ、バイオフーリングを防止します.

高温および高圧サービス

スチーム, ホットオイル, そして、超臨界流体はバルブ材料をそれらの熱制限に押します. で 400 ℃, むき出しの鋼は、周期的な荷重の下で産卵する酸化物のスケーリングを形成します. その代わり:

• サーマルスプレーセラミックコーティング (al₂o₃ -13 % プラズマスプレーによるtio₂): までの継続的な曝露に耐えます 1 000 ℃, 酸化速度を減らします 70 %, 熱疲労に抵抗します.
• CVD炭化シリコン (SiC): コンフォーマルを提供します, 2–5 µmの障壁を超えて圧力を維持します 1 000 バー そしてまでの気温 1 200 ℃ 劣化なし.
• 窒化処理: ガスまたはプラズマ窒化 520 ℃ aを生成します 0.4 mm 硬化したケース (800 HV) ストレスの上昇を許容し、バルブの茎のクリープを最小限に抑える.

研磨剤とスラリーメディア

石炭火力植物, 採掘作業, 廃水処理は、金属表面を速度で侵食する粒子状の流れにバルブを曝露します 5 mg/cm²/hour.

効果的な防御には含まれます:

• HVOF Tungsten Carbide -Cobalt (WC -CO) スプレー: 厚さ200〜400 µmのコーティングを生産します 1 %.
  ASTM G76スラリーテスト, これらの層は、侵食量を減らします 85 % 未処理の鋼と比較して.
• 裸: ハードを形成します (1 200–1 400 HV) 20〜30 µmの鉄ホウ化層, キャビテーションと粒子状の衝突に並外れた抵抗を提供します.
• ポリウレタンライナー: 低温スラリー用, 5–8 mmゴムポリマーライニングは衝撃と摩耗を吸収します, サービスの寿命を延ばします 2–3×.

食べ物, 医薬品, および衛生環境

衛生プロセスは、細菌の接着に抵抗する表面を必要とします, 頻繁な洗浄に耐えます, そして、汚染物質の脱落を避けてください.

重要な要件には、表面の粗さが含まれます ラ < 0.5 μm およびFDA承認材料:

• エレクトロポール済みステンレス鋼 (304/316L): RAを達成します < 0.4 μm, 隙間を排除し、CIP/SIPルーチンを促進します.
• PTFE/ライナーコーティング: 薄い (10–20 µm) フルオロポリマーコートは、焦げ付き防止特性を提供します, 化学的不活性, および温度抵抗 150 ℃.
• クロムを含まない不動態化: 一酸化酸またはクエン酸を使用して、六バレントクロムなしで酸化クロム表面を濃縮します, 規制のコンプライアンスを確保する (欧州連合 2015/863).

5. バルブ表面処理効果の比較

適切なバルブ表面仕上げを選択するには、機械的性能のバランスをとることが含まれます, 耐薬品性, 環境暴露, そしてコスト.

異なる表面工学方法は、明確な利点を提供します,

そしてそれらの有効性は、いくつかの重要な基準で比較できます: 耐食性, 耐摩耗性, 温度耐性, 表面の硬度, コーティングの厚さ, そして 費用対効果.

6. 選択基準 & バルブ表面処理に関するライフサイクルの考慮事項

適切なバルブ表面処理を選択することは、直接影響を与える重要なエンジニアリング決定です パフォーマンス, 信頼性, 総所有コスト.

初期コーティングコストのみに焦点を当てる代わりに, 十分な情報に基づいたアプローチが考慮されます 材料の適合性, 運用環境, 長期メンテナンス, 規制遵守と.

材料の互換性とガルバニック腐食リスク

バルブボディ, 茎, 席, トリムは通常、炭素鋼などの材料で作られています, ステンレス鋼, ブロンズ, または高性能合金.

表面処理は、避けるために基板と互換性がなければなりません:

• 接着障害 熱膨張の不一致のため
• ガルバニック腐食, 特に海水または異なる金属アセンブリで
• 水素抱負, 一部の電気化学コーティングのリスク (例えば, 電気めっき高強度鋼)

運用環境とパフォーマンスの需要

環境が異なると、さまざまなストレス条件が課されます:

• 腐食性環境 (例えば, 海洋, 化学プラント): エレクトロレスニッケルリンまたはフルオロポリマーコーティングを好む
• 高温用途 (例えば, 蒸気ライン): セラミックサーマルスプレーまたは窒化した表面が必要です
• 研磨流 (例えば, スラリーバルブ): HVOFコーティングまたは給与の恩恵を受ける

ライフサイクルコスト対. 資本支出

一部の表面処理 (例えば, HVOFまたは二重コーティング) 事前に高価です, 彼らはできます サービスの寿命を劇的に延長します, ダウンタイムの削減, 労働, スペアパーツコスト.

意思決定者は評価する必要があります:

• 失敗間の平均時間 (mtbf) 改善
• メンテナンス頻度の低下
• スペアパーツの可用性とリードタイム

メンテナンスと修理の考慮事項

特定の表面仕上げが可能になります in-situの修理, 他の人は完全なコンポーネントの交換が必要です. 例えば:

• エポキシコーティングは、再調整または着陸することができます
• HVOFまたはセラミックコーティングは、特殊な機器を使用した完全な再申請が必要になる場合があります
• 薄いPVDコーティングは、検査または改修が難しい場合があります

規制および環境コンプライアンス

ますます厳しい規制では、製造業者が考慮する必要があります:

• RohsとReach Compliance (例えば, 六価クロムの制限, 鉛)
• VOC排出 ポリマーコーティングで
• 生態毒性とリサイクル性 コーティング材料の

7. 結論と将来の見通し

バルブ表面処理は、もはや単純な「塗装ジョブ」を表すものではありません。その代わり, それらは、特定の環境向けに設計された戦略的層を形成します, バランスコスト, パフォーマンス, とコンプライアンス.

前進します, 自己回復と自己報告のより賢いコーティングを期待してください, 重金属を排除する緑の化学物質, 完全に自動化された生産ラインを確実に保証します, 再現可能な仕上げ.

これらの進歩に遅れないようにすることによって, エンジニアは、信頼性を提供するバルブシステムを設計できます, 効率, そして、最も厳しい条件での長寿.

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カスタムバルブの典型的なリードタイムは何ですか?

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見積もりまたは技術的な相談をリクエストするにはどうすればよいですか?

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