CN104942543B

CN104942543B - 上游泵送机械密封的纳米增材制造方法

Info

Publication number: CN104942543B
Application number: CN201510325287.XA
Authority: CN
Inventors: 纪仁杰; 刘永红; 徐臣臣; 郑超; 申泱; 刘增凯; 蔡宝平; 李小朋
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2035-06-15
Also published as: CN104942543A

Abstract

本发明属于机械制造领域，具体地，涉及一种上游泵送机械密封的纳米增材制造方法。该方法步骤如下：1、增材制造支撑环，2、精密磨削支撑环，3、制作掩膜，4、增材制造动密封环，5、精密磨削动密封环，从而制造出上游泵送机械密封环。本发明采用纳米增材制造的方法来制造上游泵送机械密封环，不受密封环槽型结构和材料的限制，能够制造出性能优于密封环基体的动密封环及其端面流体动压槽；采用梯度复合电刷镀纳米陶瓷粉增材制造动密封环，实现了动密封环中陶瓷粉含量的梯度增加，可有效地提高上游泵送机械密封流体动压槽的耐磨性、耐蚀性及其使用寿命，提高了密封效果；密封环的基体采用普通金属材料，降低了密封环的成本，且易于加工。

Description

上游泵送机械密封的纳米增材制造方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，具体地，涉及一种上游泵送机械密封的纳米增材制造方法。

背景技术

上游泵送机械密封是一种流体润滑的非接触式机械密封，可实现密封介质的零泄漏甚至零逸出、彻底消除对环境的污染，具有磨损少、发热小、使用寿命长、运行维护费用低、经济效益明显等优点，特别适用于高温、高压、易汽化、高危险及高污染性等难密封场合，可替代普通的接触式双端面密封，具有广阔的应用前景。密封环上的流体动压密封槽是影响上游泵送机械密封使用性能的关键部件，其槽形结构复杂，且加工精度和表面质量要求高(槽深精度<1μm，槽底面和槽顶面的表面粗糙度Ra<0.1μm，平面度<0.9μm，各槽在密封端面上的位置精度<1μm)，为了提高密封的使用寿命，国内外多采用金属基陶瓷或硬质合金等制作密封环，它们都具有很高的硬度，很强的耐磨性和耐腐蚀性。复杂的端面形貌结构、较高的加工精度要求以及难加工材料的应用给上游泵送机械密封的加工带来了很大的困难，是影响其推广应用的关键因素。

目前国内外常用的上游泵送机械密封加工方法主要有激光加工、电火花加工、化学蚀刻、光化学腐蚀、喷砂法等减材制造方法。

激光加工是一种瞬时局部熔化和气化的热加工，加工上游泵送机械密封时，其加工表面易存在微裂纹、变质层以及热影响区等缺陷，同时易造成动压槽的边缘不齐。

电火花加工是利用工具电极和动压槽之间放电时产生的高温高压作用，将动压槽内待去除的材料蚀刻掉，该方法要求放电间隙内的电介质均一且性能稳定、工具电极端面与密封环端面保持较高的平行度，才能获得均匀放电的效果，否则难以保证各槽的槽深。此外，该方法加工上游泵送机械密封时，要制作与动压槽形状一致的工具电极端面，存在加工效率低、加工成本高、加工表面易产生微裂纹降低材料强度等问题，同时，加工过程中工具电极和动压槽工件的二次放电现象还会使得动压槽边缘不齐，影响其使用性能。

化学蚀刻是利用化学腐蚀液对上游泵送机械密封环进行腐蚀刻槽。光化学腐蚀法是先在被刻槽的工件上涂以感光胶膜，然后将事先准备好的底片放于其上，经曝光，显影，涂保护层，再在蚀刻液中浸蚀，以得到所需的上游泵送机械密封动压槽。化学蚀刻和光化学腐蚀不易加工材质均一性差的金属基陶瓷或硬质合金，且难以加工出高形状精度的槽形。

喷砂法首先要制造喷砂掩膜，掩膜上开孔的图案与动压槽结构相同。当掩膜置于密封件端面上时，端面上动压槽以外的部位被盖住，露出部位的材料被高能喷砂去除，形成一定深度的动压槽。该方法存在的问题是制造精度较低、加工的动压槽边缘不齐、尖角等精细部位的失真严重、截面槽形较差、喷砂面粗糙等，这些都会影响槽线的流体动压效果及密封特性。

此外，采用金属基陶瓷或硬质合金等制作密封环，需增加精密定位和安装机构，使成本大幅增加，且在密封高温介质时，由于密封环和安装基体的热膨胀系数不同，安装结合面处因热变形易出现泄漏。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种上游泵送机械密封的纳米增材制造方法，解决上游泵送机械密封的加工难题，提高上游泵送机械密封的使用寿命、降低其加工成本。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

上游泵送机械密封的纳米增材制造方法，步骤如下：

1、增材制造支撑环，

2、精密磨削支撑环，

3、制作掩膜，

4、增材制造动密封环，

5、精密磨削动密封环。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、采用纳米增材制造的方法来制造上游泵送机械密封环，不受密封环槽型结构和材料的限制，制造过程中易控制增长表面的尺寸、形状和位置精度，能够制造出性能优于密封环基体的动密封环及其端面流体动压槽，克服了传统的减材制造方法存在的难以保证槽底和槽顶面的表面粗糙度、平面度等问题。

2、采用梯度复合电刷镀纳米陶瓷粉增材制造动密封环，实现了动密封环中陶瓷粉含量的梯度增加，既可有效地提高上游泵送机械密封流体动压槽的耐磨性、耐蚀性及其使用寿命，又可避免动密封环与支撑环间因材质突变造成的不良影响，提高了密封效果。

3、上游泵送机械密封环的基体可采用普通金属材料，解决了整个密封环全为高性能材料的成本高问题，降低了密封环的成本，且易于加工基体。

附图说明

图1是上游泵送机械密封的纳米增材制造方法过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，上游泵送机械密封的纳米增材制造方法，步骤如下：

1、增材制造支撑环，具体步骤如下：

(1)、配制镀液：

镀液成分为蒸馏水1000mL、硼酸55-60g、硫酸镍380-400g、氯化镍17-20g、十二烷基硫酸钠0.1-0.2g、活性炭6-8g、双氧水4-6mL。在配制过程中，先在烧杯中依次倒入硼酸和990mL蒸馏水，70-90℃水浴加热并用玻璃棒搅拌使硼酸溶解；然后倒入硫酸镍和氯化镍，继续水浴加热并用玻璃棒搅拌至全部溶解；倒入活性炭颗粒和双氧水试剂活化30min，并用滤纸过滤待用；在另一烧杯中倒入十二烷基硫酸钠和剩余的10mL的蒸馏水，70-90℃水浴加热得到十二烷基硫酸钠溶液，并将其倒入过滤后的试剂中，用均质机以6000-7000r/min转速搅拌10min，静置至室温待用；

(2)、打磨金属环端面：

将金属环端面在磨抛机上依次采用600、800、1200目的水砂纸进行打磨至表面粗糙度Ra达到0.2～0.5μm；

(3)、清理金属环端面：

将打磨后的金属环放入清水中进行超声波清洗2min；清洗完成后，放入配制好的碱液(蒸馏水：氢氧化钠：碳酸钠＝1000mL：100g：100g)中70-90℃水浴加热5min进行除油处理；除油处理之后，放入清水中超声波清洗2min以除去金属环端面的残余碱，然后再用流动去离子水清洗金属环端面5min；接着将金属环端面放入15％盐酸溶液中进行除氧化膜并活化处理30s；活化处理之后，用清水进行超声波清洗2min以除去金属环端面的残余酸液，最后用流动去离子水清洗金属环端面5min；

(4)、电镀：将清洗后的金属环通过导线连接在直流稳压控制电源负极上，放入镀槽中，电源正极接镍板，30-40℃水浴加热，电流为4A/dm²，时间为1-2h，可在金属环端面上增材制造出支撑环；

2、精密磨削支撑环，具体步骤如下：

在精密平面磨床上用粒度为3000#浓度为100％的树脂结合剂金刚石砂轮对支撑环端面进行精密磨削，使支撑环端面的表面粗糙度Ra达到0.05-0.1μm，以满足流体动压槽底面的设计要求，并用作上游泵送机械密封流体动压槽底面，为进一步掩膜增材制造含有流体动压槽的动密封环提供高质量支撑环；

3、制作掩膜，具体步骤如下：

(1)、清洗支撑环端面：将精密磨削后的支撑环端面放入清水中进行超声波清洗2min；清洗完成后，放入配制好的碱液(蒸馏水：氢氧化钠：碳酸钠＝1000mL：100g：100g)中70-90℃水浴加热5min进行除油处理；除油处理之后，放入清水中超声波清洗2min以除去金属环端面的残余碱，然后再用流动去离子水清洗金属环端面5min；接着将金属环端面放入15％盐酸溶液中进行除氧化膜并活化处理30s；活化处理之后，用清水进行超声波清洗2min以除去金属环端面的残余酸液，然后用流动去离子水清洗金属环端面5min；最后用吹风机吹干；

(2)、光刻：根据动密封环的流体动压槽设计要求，在精密磨削后的支撑环端面上涂覆光敏绝缘材料SU8光刻胶，涂覆之前，首先把SU8光刻胶放在25～30℃水浴中加热30min，然后将光刻胶倒入量筒中，再从量筒中将光刻胶倒入到支撑环端面上，给支撑环端面上胶；支撑环上胶之后，将其安装到匀胶机上，启动匀胶机，使其转速从0匀加速到400r/min，并维持10～15s，然后匀加速到1600r/min，并维持40s左右，然后匀减速到零，室温环境下静放20-30min，以使SU-8胶自我整平和排出胶中气体，然后取下支撑环；

将支撑环放入烘干箱中以40-50℃预烘20min，然后升温到90-100℃，恒温维持60-70min，然后闭箱自然冷却15-20min，再开箱自然冷却到室温；

将支撑环从烘干箱中取出，根据动密封环的流体动压槽设计要求，用紫外线光刻机对其进行光刻，使开孔图案与动压槽结构相同，然后将支撑环放入50-60℃的显影液中，显影12min，得到流体动压槽掩膜；

4、增材制造动密封环，具体步骤如下：

(1)、配制纳米陶瓷粉复合镀液：先按步骤1配制出电镀液，然后往其中加入OP-10(1～2ml/L)、糖精(2g/L)、粒径40nm、不同浓度(5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L)的碳化硅粉，并进行超声搅拌40-60min，配制出不同浓度的纳米陶瓷粉复合镀液；

(2)、梯度复合电刷镀：将涂覆掩膜的支撑环装夹在工作台夹具中接电源负极，操纵机床夹持刷笔蘸取碳化硅颗粒含量为5g/L的复合镀液，然后从支撑环端面一侧刷向另外一侧，移动速度为40-50mm/s，反复3-4次，便可在支撑环端面上制造出碳化硅含量较低的生长层；然后依次蘸取10g/L、15g/L、20g/L、25g/L的复合镀液重复此复合刷镀过程，可增材制造出上游泵送机械密封的动密封环，该过程能够实现动密封环中陶瓷粉含量的梯度增加，可避免动密封环与支撑环间因材质突变造成的不良影响；

(3)、去除掩膜：将上游泵送机械密封环放入NMP(甲基吡咯烷酮)溶液中浸泡8-10小时，然后用5-6MPa的高压水喷射密封环表面，在高压水的冲击作用下将掩膜从上游泵送机械密封环中去除。

5、精密磨削动密封环，具体步骤如下：

在精密平面磨床上用粒度为3000#浓度为100％的树脂结合剂金刚石砂轮对动密封环端面进行精密磨削，使动密封环端面的表面粗糙度Ra达到0.05-0.1μm，满足密封端面的设计要求，从而制造出上游泵送机械密封环。

Claims

1.一种上游泵送机械密封的纳米增材制造方法，步骤如下：

(1)、增材制造支撑环，具体步骤如下：

(A)、配制镀液：

镀液成分为蒸馏水1000mL、硼酸55-60g、硫酸镍380-400g、氯化镍17-20g、十二烷基硫酸钠0.1-0.2g、活性炭6-8g、双氧水4-6mL；在配制过程中，先在烧杯中依次倒入硼酸和990mL蒸馏水，70-90℃水浴加热并用玻璃棒搅拌使硼酸溶解；然后倒入硫酸镍和氯化镍，继续水浴加热并用玻璃棒搅拌至全部溶解；倒入活性炭颗粒和双氧水试剂活化30min，并用滤纸过滤待用；在另一烧杯中倒入十二烷基硫酸钠和剩余的10mL的蒸馏水，70-90℃水浴加热得到十二烷基硫酸钠溶液，并将其倒入过滤后的试剂中，用均质机以6000-7000r/min转速搅拌10min，静置至室温待用；

(B)、打磨金属环端面：

(C)、清理金属环端面：

(D)、电镀：将清洗后的金属环通过导线连接在直流稳压控制电源负极上，放入镀槽中，电源正极接镍板，30-40℃水浴加热，电流为4A/dm²，时间为1-2h，可在金属环端面上增材制造出支撑环；

(2)、精密磨削支撑环，具体步骤如下：在精密平面磨床上用粒度为3000#浓度为100％的树脂结合剂金刚石砂轮对支撑环端面进行精密磨削，使支撑环端面的表面粗糙度Ra达到0.05-0.1μm，以满足流体动压槽底面的设计要求，并用作上游泵送机械密封流体动压槽底面，为进一步掩膜增材制造含有流体动压槽的动密封环提供高质量支撑环；

(3)、制作掩膜，

(4)、增材制造动密封环，

(5)、精密磨削动密封环。

2.根据权利要求1所述的上游泵送机械密封的纳米增材制造方法，制作掩膜，具体步骤如下：

(2)、光刻：根据动密封环的流体动压槽设计要求，在精密磨削后的支撑环端面上涂覆光敏绝缘材料SU8光刻胶，涂覆之前，首先把SU8光刻胶放在25～30℃水浴中加热30min，然后将光刻胶倒入量筒中，再从量筒中将光刻胶倒入到支撑环端面上，给支撑环端面上胶；支撑环上胶之后，将其安装到匀胶机上，启动匀胶机，使其转速从0匀加速到400r/min，并维持10～15s，然后匀加速到1600r/min，并维持40s，然后匀减速到零，室温环境下静放20-30min，以使SU-8胶自我整平和排出胶中气体，然后取下支撑环；

将支撑环从烘干箱中取出，根据动密封环的流体动压槽设计要求，用紫外线光刻机对其进行光刻，使开孔图案与动压槽结构相同，然后将支撑环放入50-60℃的显影液中，显影12min，得到流体动压槽掩膜。

3.根据权利要求1所述的上游泵送机械密封的纳米增材制造方法，增材制造动密封环，具体步骤如下：

4.根据权利要求1所述的上游泵送机械密封的纳米增材制造方法，精密磨削动密封环，具体步骤如下：在精密平面磨床上用粒度为3000#浓度为100％的树脂结合剂金刚石砂轮对动密封环端面进行精密磨削，使动密封环端面的表面粗糙度Ra达到0.05-0.1μm，满足密封端面的设计要求，从而制造出上游泵送机械密封环。