[发明专利]柱塞泵泵头内壁强化工艺方法

说明书

本发明涉及一种柱塞泵泵头体的强化工艺方法，属于改善柱塞泵部件机械性能的方法。

目前，系列高压往复式柱塞泵在油田开发注水中得到广泛应用，但对泵头体采用何种强化工艺方法直接影响泵头的服役寿命，泵头失效的主要原因是疲劳破坏，为了提高泵头的服役寿命最常用的方法是对泵头进行自增强处理，也称自紧或超应变处理，主要方法是液压自增强和爆轰自增强，液压自增强是指将制备的高压液流注入泵头内腔，使泵头内壁出现弹性至塑性变形，泵头内腔减压后，由于弹性恢复使得泵头内腔产生残余压应力，此压应力与工作应力的合成应力是泵头的承载应力，应力脉动值显著减少，因而可大大提高泵头的服役寿命，此方法有三项技术关键，一是高压液体的制备包括高压泵，增压器及管路系统，根据泵头材料弹塑性变形的要求，其内压将达到1000MPa左右，因而对这一系统的要求很高，其二是泵头的密封，泵头几何形状复杂，开孔较多，然而，所有开孔在处理时，必须严密封堵，不得有丝毫渗漏，实施起来是很复杂的，其三是应力测试，由于泵头内腔各处壁厚不均，几何形状不同，因而在同一内压下泵头内腔发生的弹塑性变形和产生的残余应力的大小不同；理论上讲100％超应变可能获得最佳的寿命，实际上采用液压自增强是很难实现100％超应变。爆轰自增强是指将特制的柔性腻子炸药贴到泵头待自增强的部位上，使用炸药引爆所产生的冲击波，越过保护层直接作用于该部位，在微秒级时间内完成预定的弹塑性变形，在爆轰的条件下确定和控制超应变，情况非常复杂，虽然在试验室台架试验和工业试验中已有成效，但对钢在高能量、高应变速率下的力学行为至今了解不多，机理研究和理论计算困难，工艺参数只能靠试验取得。

液压自增强和爆轰自增强两种方法，都需要建造专门的实验室或工作室，由于这些方法属于高压和火工作业，工艺要求很高，且两种方法在工程方面有不确定因素，成批生产加工难度较大，存在不能改善腐蚀疲劳(应力腐蚀)和气室效应的不足，此外，自增强后的内腔配合面必须进行精细加工，这样会使得泵头内腔表面残余压应力下降。

本发明的目的在于提出一种减少泵头强化处理中的不确定性因素，方便力学参数检测，提高泵头耐疲劳腐蚀的强度，克服气室效应，提高泵头内腔表面的残余压应力，从而延长泵头的使用寿命的柱塞泵泵头内壁强化的工艺方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：对合金钢材料制成的泵头依次采用薄壳硬化自增强处理和应力喷丸强化处理。

采用薄壳硬化自增强处理工艺为渗碳处理，而后直接淬火和回火，使泵头产生完整的马氏体薄壳，应力喷丸强化处理是利用高速运动的弹丸流对泵头内腔表面冲击，使得已经过薄壳硬化处理而具有一定压应力场的泵头内腔表面产生塑性循环应变层。

采用薄壳硬化处理后的泵头控制渗碳层深度在1.7至2.1mm，碳化物级别K≤5，泵头内壁硬度达HRc55至64，马氏体级别M≤5，内腔表面残余压应力达-100MPa至-250MPa。

应力喷丸强化处理是强力喷丸，弹丸采用铸钢弹丸，采用内孔喷丸装置，内孔喷嘴在泵头内腔中作垂直往复运动，在泵头模拟件中利用弧度高试片随时确定喷丸强度。应力喷丸强化处理后泵头内腔表面残余压应力达-500MPa至-1250MPa。

本发明的优点在于：减少泵头强化处理中的不确定性因素，方便力学参数检测，提高泵头耐疲劳腐蚀的强度，克服气室效应，提高泵头内腔表面的残余压应力，从而延长泵头的使用寿命。

图1.泵头体热处理工艺曲线；

图2.根据弧度高曲线(f-t曲线)确定喷丸强度的示意图。

下面结合附图对泵头内壁强化工艺方法进行详细说明：

对于用CrMo合金钢材料制造的泵头体，本发明的目的是通过如下技术方案实现的：对CrMo合金钢材料制成的泵头依次采用薄壳硬化自增强处理和应力喷丸强化处理，采用薄壳硬化自增强处理工艺为渗碳处理，而后直接淬火和回火，使泵头产生完整的马氏体薄壳。应力喷丸强化处理是利用高速运动的弹丸流对泵头内腔表面冲击，使得已经过薄壳硬化处理而具有一定压应力场的泵头内腔表面表面产生塑性循环应变层。采用薄壳硬化处理后的泵头控制渗碳层深度在1.7至2.1mm，碳化物级别K≤5，泵头内壁硬度达HRc55至64，马氏体级别M≤5，内腔表面残余压应力达-100MPa至-250MPa，应力喷丸强化处理是强力喷丸，弹丸采用铸钢弹丸，采用内孔喷丸装置，内孔喷嘴在泵头内腔中作垂直往复运动，在泵头模拟件中利用弧度高试片随时确定喷丸强度。应力喷丸强化处理后泵头内腔表面残余压应力达-500MPa至-1250MPa。