CN106247003B

CN106247003B - 一种阀芯与阀套摩擦副组件及其制备方法

Info

Publication number: CN106247003B
Application number: CN201610595626.0A
Authority: CN
Inventors: 王传礼; 许亚峰; 喻曹丰; 马丁; 钟长鸣
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2018-06-26
Anticipated expiration: 2036-07-26
Also published as: CN106247003A

Abstract

本发明提供一种阀芯与阀套摩擦副组件，包括阀体、阀套和阀芯，所述阀套设置在所述阀体中的液流通道内壁上，所述阀芯的外壁与阀套的内壁形成摩擦副，所述阀套由以下重量份数的原料组成：环氧树脂10份、碳纤维4份、聚酰胺树脂6份、丙酮1份、邻苯二甲酸二丁酯2份、石墨烯0.32份；所述阀芯按重量份数包括以下原料：二硼化锆10份、二氧化锆4份、碳化硅2.5份。本发明还公开了阀芯与阀套摩擦副组件的制备方法。本发明在阀体的液流通道内壁设置有阀套，复合陶瓷材料制成的阀芯与复合塑料制成的阀套形成摩擦副，具有很好的动压润滑效果，能够提高阀芯的使用寿命，降低气蚀、振动和噪声。

Description

一种阀芯与阀套摩擦副组件及其制备方法

技术领域

本发明涉及阀门技术领域，具体涉及一种阀芯与阀套摩擦副组件及其制备方法。

背景技术

以天然淡水、海水或自来水等作为传动介质的一种流体传动被称为水压传动，和油压传动一样，同属于液压传动。相比于油压传动，水压传动具有不燃烧、来源广泛、节能环保、安全卫生等突出优点，但是由于水介质特殊的理化性质，水压元件存在密封、润滑、气蚀等严重缺陷。近年来，随着摩擦理论学、材料学、密封与润滑理论、精密加工技术、现代计算机技术等学科的快速发展，以及人们对节能环保、可持续发展和安全生产的日益重视，水压传动技术的研究与开发也逐渐受到关注。水压阀作为水压传动系统中重要元件之一，其研究与开发一直受到研究者的青睐。按传统油压阀设计理论来设计水压阀，会导致水压阀与水介质之间出现不协调而影响工作性能甚至破坏整个液压系统，所以研制水压阀不仅仅依靠改变结构参数和材料来实现，更多的需要对水压阀中的摩擦磨损、气蚀以及泄漏等关键技术问题进行有针对性的研究。

目前，水压阀主要存在以下问题：1、气蚀及气蚀磨损：气蚀就是指流体在流速快、压力变化大的条件下，与流体接触的零件表面上产生洞穴状腐蚀破坏的现象，该现象在液压元件中发生较为普遍，特别是水压元件。2、拉丝侵蚀：由于水的粘度低，润滑性差，在相同工况条件下水压阀阀口的流速比油压阀高，高压、高速水流对阀芯和阀座的冲击力很强，久而久之会形成一条条丝状凹槽，当水流中带有一些细小的沙砾时，其破坏力更大。3、泄漏：水的粘度相比于液压油低很多倍，水压溢流阀在工作时，在相同的过流面积和压差作用下泄漏量大。泄漏使系统的容积效率下降，高压情况下，水流流过微小缝隙泄漏时的流速非常高，易造成拉丝侵蚀，严重影响使用寿命。4、振动和噪声：水的密度大，可压缩性小，水压溢流阀中在工作时水的流动惯性大，压力冲蚀时的振动和噪声严重。

根据中国授权发明专利申请号为200410053555.9公开的《先导式水压溢流阀》，主要采用的是具有二级节流和高压引流结构的锥形主阀芯、带有阻尼活塞的先导锥阀芯，并在先导阀的入口处设置有液阻，使主阀液阻和先导阀液阻串联起来从而提高溢流阀的定压精度。虽然能够在一定程度上解决其气蚀、噪声、振动、泄露等问题，但是采用二级节流结构，节流口处的加工制造困难，且先导阀芯带有阻尼活塞，这种阻尼活塞在运动中，易出现卡死现象，严重时，会导致先导阀芯开启失效。根据中国授权发明专利申请号为200410013070.7公开的《先导式水压溢流阀》，通过在主阀体的入口处设置有节流环，在节流环上开设有多个节流孔，用以减小气蚀；通过在主阀芯上设置有组合密封件，用以减小泄漏和拉丝侵蚀；通过在先导阀芯的尾端设置阻尼腔，用以抑制振动、噪声，提高先导阀的工作稳定性。但是通过设置有节流环，在液压冲击时，容易产生噪声，且同样通过设置有阻尼腔，阻尼腔的形成是通过将先导阀芯设置成带有滑阀结构的形式，这样使得先导阀芯开启速度下降，不能够起到很好的溢流作用，同时容易使其产生卡死现象。根据中国发明专利201310627272.X公开的《一种单体液压支柱水压三用阀》，其主要改进是在阀芯上设置有微米级凹槽，这种结构虽然在一定程度上能够提高阀芯的抗气蚀能力，但是要加工出这种带有微米级凹槽结构的阀芯，加工难度极大，且这微米级凹槽易被水压系统中的沙砾或其他杂质堵塞，从而使其失效。

发明人在研读水压阀改进的相关文献资料时，阀芯是直接设置在阀体内的液流通道中，未发现有研究水压阀阀芯与阀套之间摩擦副相关的内容。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种水压阀中阀芯与阀套摩擦副组件及其制备方法。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种阀芯与阀套摩擦副组件，包括阀体、阀套和阀芯，所述阀套设置在所述阀体中的液流通道内壁上，所述阀芯的外壁与所述阀套的内壁形成摩擦副，所述阀套由以下重量份数的原料组成：环氧树脂10份、碳纤维4份、聚酰胺树脂6份、丙酮1份、邻苯二甲酸二丁酯2份、石墨烯0.32份；所述阀芯按重量份数包括以下原料：二硼化锆10份、二氧化锆4份、碳化硅2.5份。

优选地，所述环氧树脂为双酚A缩水甘油醚型环氧树脂。

优选地，所述聚酰胺树脂为二聚酸与乙二胺缩聚得到。

阀芯与阀套摩擦副组件的制备方法，所述阀套的制备步骤如下：

a、将未上胶的长碳纤维丝切成长度为1-2mm的短碳纤维，将其浸泡在丙酮中处理10h，再浸泡在浓硝酸中氧化处理30min，取出，用蒸馏水清洗3-4次，放入超声波清洗器中振荡清洗40min，置于干燥箱中在100℃下干燥5h，密封，备用；

b、分别称取环氧树脂和聚酰胺树脂，40℃下恒温预热30min，放入真空干燥箱中，40℃下抽真空50min；

c、分别称取丙酮、邻苯二甲酸二丁酯，加入到步骤b处理后的环氧树脂中，搅拌均匀，再加入石墨烯，搅拌均匀，再向其中加入步骤a中的短碳纤维，搅拌均匀，最后加入聚酰胺树脂，搅拌均匀，将混合物超声振荡30min后再放到40℃的真空干燥箱中抽真空50min；

d、将钢制模具安装在压力机的工作台上，对其进行干燥预热处理，将步骤c中的混合物填充到钢制模具的下模腔中，合模，施压至100MPa，保压8h，然后将钢制模具放入干燥箱中进行固化，在25℃下固化2.5h，在90℃时固化2.5h，在125℃时固化1.5h；

e、将钢制模具自然冷却至70℃，脱模，取出成型的复合材料，打磨抛光，即得成品阀套。

优选地，所述步骤a中长碳纤维丝的直径为6.9μm，密度为1.76g/cm³。

优选地，所述步骤d中干燥预热处理具体步骤为：在钢制模具的外表面缠绕电阻加热线圈，再包覆一层保温棉，用铜丝固定，对钢制模具进行干燥预热处理。

阀芯与阀套摩擦副组件的制备方法，所述阀芯的制备方法如下：

a、按比例称取二硼化锆、二氧化锆、碳化硅，混合，向其中加入无水乙醇，在行星球磨机上球磨12h，混合均匀；

b、将步骤1)中球磨后的混合液进行抽滤，将其放入烘干箱中进行烘干处理4h，得混合物；

c、将步骤2)中烘干后的混合物过140μm的筛，然后放入模具中进行热压烧结，空冷，即得成品阀芯。

优选地，所述步骤3)中热压烧结的工艺参数为：在氩气保护下，在1850℃、25MPa下保温80min。

有益效果：本发明在阀体的液流通道内壁设置有阀套，阀芯与阀套形成摩擦副，阀芯采用的是ZrB₂-SiC-ZrO₂复合陶瓷材料制成，具有很好的韧性和致密化程度；阀套是以环氧树脂为基体，碳纤维为增韧相，并以聚酰胺树脂为固化剂，加入石墨烯，提高其抗压强度；复合陶瓷材料制成的阀芯与复合塑料制成的阀套形成摩擦副，具有很好的动压润滑效果，能够提高阀芯的使用寿命，降低气蚀、振动和噪声。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为阀芯与阀套摩擦副组件的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

水作为水压阀中的工作介质，具有一定的润滑效果，以流体为润滑介质的润滑过程称为流体润滑。在高速、重载的工作条件下，流体润滑介质表现出类似于固体的塑性流动现象，使原来的粘性流体流动变为粘塑性流体流动，并且伴随着流体润滑介质与固体接触的界面发生相对的滑移。本实施例在阀体1中的液流通道内壁上设置有阀套2，阀套2的内壁和阀芯3的外壁形成摩擦副。采用新型的工程材料，能够提高阀套2与阀芯3之间的动压润滑性能。

阀套2采用复合塑料制成。复合材料的性能主要取决于：基体的性能，增强材料的性能，基体和增强材料之间的界面性能。复合材料各组分之间相辅相成，扬长避短，获得了单一材料所不具有的新性能。一般来说，界面的作用就是把增强材料和基体黏结在一起形成一个整体材料，并且承担把受到的力从基体传递到增强材料的作用。

环氧树脂在固化反应过程中收缩率小，而且固化物的粘结性，耐热性，机械性能，电气性能都很优异。因此，选用环氧树脂作为基体材料。其中，双酚A缩水甘油醚型环氧树脂是由化合物双酚A和环氧氯丙烷化学反应而生成的，这种树脂的原材料来源十分丰富，成本低，因此在环氧树脂中它有广泛的应用前景，占到总产量的85％以上。因此，在本实施中，优选双酚A缩水甘油醚型环氧树脂作为环氧树脂。

碳纤维(carbon fiber，CF)是一种无机非金属高分子材料，它具有密度低、模量高、强度高、耐高温、耐化学腐蚀、热膨胀系数小、电阻低、耐辐射等优异性能，其力学性能好，与树脂材料混合能起到对聚合物补强作用。因此，本实施例中选用了碳纤维作为增强材料。

在双酚A型环氧树脂与碳纤维混合时，它们本身就有稳定的性质，具有很大的反应活性，通常都是在酸性或碱性固化剂作用下进行固化。在本发明中所选用的是聚酰胺树脂固化剂，优选地，在本实施例中的聚酰胺是由二聚酸与乙二胺缩聚而得到的聚合物树脂，其溶剂性好、毒性小、化学计量不严格、与环氧树脂组成物适用期长、挥发性小，且能增加固化物的可挠性和抗冲击性能。

聚酰胺树脂与环氧树脂固化机理如下：

(1)伯胺基与环氧基发生加成连锁反应生成仲胺：

(2)仲胺与另一个环氧基继续进行开环加成反应生成叔胺：

(3)羟基与环氧基发生醚化反应：

(4)叔胺与环氧基进行阴离子聚合：分为两个步骤进行

第一步，叔胺与环氧基团发生作用，生成氧阴离子；

第二步，氧阴离子攻击环氧基团，发生开环加成反应。

因此，经过一系列复杂的化学反应后生成体型高聚物，生成的叔胺可以促进环氧基与羟基的醚化反应，反过来羟基也对胺基与环氧基的反应具有促进作用。

在本实施例中，还加入有石墨烯材料。石墨烯是一种独特的单层二维晶体，呈现出室温下的量子霍尔效应，它是一种半金属，其导带和价带中简并为在布里渊区对K点(即只发生在特殊晶胞的几何形状和取向的相对情况，石墨烯的高对称轴)。石墨烯显示出关于K点为电子和空穴对称的线性色散关系，它具有极高的室温载流子迁移大小，约为两个数量级。加入石墨烯材料，能够提高复合塑料的抗压性能。

将上述复合塑料用于阀套2的制备，其制备方法采用挤压铸造法，具体步骤如下：

a、在常温常压下，将未上胶的直径为6.9μm、密度为1.76g/cm³的长碳纤维丝切成多个长度为1mm-2mm的短碳纤维，称取总重量为4g的短碳纤维，然后将短碳纤维浸泡在丙酮液体中处理10h，再浸泡在浓硝酸中氧化处理30min，用蒸馏水清洗3-4次，再放入超声波清洗器中振荡清洗40min，完全去除短碳纤维表面存留的浓硝酸，然后将短碳纤维置于干燥箱中，100℃下干燥5h，取出，密封，备用；

b、分别称取重量为10g的环氧树脂、6g的聚酰胺树脂，将它们分开放在40℃的恒温箱中下预热30min，然后放入真空干燥箱中，在40℃条件下抽真空50min，去除环氧树脂和聚酰胺树脂中本身存在的气泡；

c、称取1g的丙酮、2g的邻苯二甲酸二丁酯，依次加入到步骤c中的环氧树脂中，边加边搅拌，再加入0.32g的石墨烯，搅拌均匀，然后再加入步骤a中处理后的碳纤维，最后加入步骤b中的聚酰胺树脂，每加入一种组分，都要搅拌均匀，并将配置好的混合物放在超声波清洗器中振荡30min，放到40℃的真空干燥箱中抽真空50min；

d、将钢制模具安装在压力机的工作台上，在钢制模具的外表面缠绕有电阻加热线圈，并在电阻加热线圈的外表面包覆有一层保温棉，用铜丝固定，对钢制模具进行干燥预热处理，将步骤c中配置好的混合物倒入已预热处理的钢制模具的下模内腔中，使混合物完全填满模具的内腔，以减少混合物中的气孔存在，然后开启压力机，使上模下行，接触混合物，开始施加压力，压力达到100MPa时，进行保压8h，然后将钢制模具放入干燥箱中进行固化，在25℃时，固化2h，在90℃时，固化2.5h，在125℃时，固化1.5h；

e、固化结束后，将钢制模具自然冷却到70℃时，进行脱模，取出成型的复合材料，打磨抛光，即得成品阀套2。

本发明实施例中阀芯3采用复合陶瓷材料制成，是以二硼化锆(ZrB₂)为基体材料，以二氧化锆(ZrO₂)为增韧相，并加入碳化硅(SiC)颗粒。

ZrB₂作为超高温陶瓷的一员，有着一系列良好的综合性质，包括高熔点，高强度，高硬度，良好的抗氧化性和抗腐蚀性，在结构材料领域有着越来越广泛的应用。ZrB₂的密度为6.09g/cm3，具有陶瓷和金属的双重特性，是六方晶系C32型的准金属结构化合物，空间群P6/mmm，晶胞参数a＝0.3169nm,c＝0.3523nm。ZrB₂中B-B原子之间以强烈的共价键结合，而Zr-B原子之间以离子键结合，该强键性决定了这种材料的高熔点、高硬度和高温稳定性等特点。

ZrO₂纤维是一种多晶型的陶瓷纤维材料，晶粒尺寸在10～102nm范围内，纤维直径1～50μm。ZrO₂纤维本身是由大量ZrO₂晶粒堆积排列而成的，因此它与ZrO₂颗粒一样，从室温到高温具有三种不同的晶态。由于ZrO₂纤维作为增韧材料，一般利用其力学性能，需要添加稳定剂才能获得稳定的ZrO₂纤维，常用的稳定剂有Y₂O₃、CeO₂、MgO、CaO等。在本实施例中，由于CaO来源广泛，因此选用CaO作为稳定剂。

SiC颗粒添加到ZrB₂陶瓷体系中不仅可以抑制晶粒长大、提高烧结特性并且对于提高ZrB₂陶瓷的韧性以及抗氧化特性有很大帮助。

采用ZrO₂纤维和SiC共同添加到ZrB₂基体中，改善烧结特性基础上提高材料的性能，选用SiC颗粒作为原始粉料，改变SiC颗粒的体积含量由小到大，添加了SiC颗粒的ZrB₂-SiC-ZrO₂复合材料的致密度很高，能够达到99％以上。

复合陶瓷材料的烧结通常可以理解为利用热能使细颗粒粉末坯体致密化的过程，伴随着晶粒表面积和界面面积的减小、孔隙率降低，宏观上表现为体积收缩，致密度上升以及强度增加的过程。影响陶瓷烧结的因素很多，主要包括了烧结温度、时间、速率、压力、气氛和粉料初始粒度等。选择正确的热压工艺参数，才能提高陶瓷体的质量，降低不必要的能耗，获得性能优秀的材料。烧结温度直接影响着晶粒尺寸，过高和过低的温度都不利于陶瓷的烧结。烧结温度过低，陶瓷不能完全烧结，致密度较低，达不到预期的强度，而过高的烧结温度又会使部分晶粒粗大，破坏陶瓷的均匀性，不利于提高陶瓷的最终性能。

采用机械球磨法制备陶瓷粉体时，随着球磨时间的延长，初始粉料颗粒尺寸就会变细，颗粒的比表面积会增大，并且表面活性也会增强，进而促进陶瓷烧结，降低烧结温度，加速陶瓷的致密化，提高陶瓷的性能。

将上述复合陶瓷材料用于阀芯3的制备，具体包括以下步骤：

a、在常温常压下，称取10g的二硼化锆、4g的二氧化锆、2.5g的碳化硅，将它们用无水乙醇做溶剂进行混合，并在行星球磨机上球磨12h以保证混合均匀；

b、将步骤a中球磨后的混合溶液进行抽滤，然后将其放入烘干箱中进行烘干处理4h；

c、将步骤b中烘干后的混合物经过孔径为140μm的筛，然后放入模具中进行热压烧结，其中热压烧结的工艺参数为：采用氩气保护，在1850℃以及25MPa压力下保温80min，然后空冷。

为了预防阀芯3与模具在烧结过程中发生反应并且有利于出模，需要在模具内壁均匀涂抹BN涂料。

本实施例中，复合陶瓷材料制成的阀芯3与复合塑料制成的阀套2形成摩擦副，具有很好的动压润滑效果，能够提高阀芯3的使用寿命，降低气蚀、振动和噪声。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种阀芯与阀套摩擦副组件，包括阀体、阀套和阀芯，所述阀套设置在所述阀体中的液流通道内壁上，其特征在于，所述阀芯的外壁与所述阀套的内壁形成摩擦副，所述阀套由以下重量份数的原料组成：环氧树脂10份、碳纤维4份、聚酰胺树脂6份、丙酮1份、邻苯二甲酸二丁酯2份、石墨烯0.32份；所述阀芯按重量份数包括以下原料：二硼化锆10份、二氧化锆4份、碳化硅2.5份，所述阀芯与阀套摩擦副组件制备步骤如下，

2.如权利要求1所述的阀芯与阀套摩擦副组件，其特征在于，所述环氧树脂为双酚A缩水甘油醚型环氧树脂。

3.如权利要求1所述的阀芯与阀套摩擦副组件，其特征在于，所述聚酰胺树脂为二聚酸与乙二胺缩聚得到。

4.如权利要求1所述的阀芯与阀套摩擦副组件，其特征在于，所述步骤a中长碳纤维丝的直径为6.9μm，密度为1.76g/cm3。

5.如权利要求1所述的阀芯与阀套摩擦副组件，其特征在于，所述步骤d中干燥预热处理具体步骤为：在钢制模具的外表面缠绕电阻加热线圈，再包覆一层保温棉，用铜丝固定，对钢制模具进行干燥预热处理。

6.如权利要求1-3任一所述的阀芯与阀套摩擦副组件，其特征在于，所述阀芯的制备方法如下：

1)按比例称取二硼化锆、二氧化锆、碳化硅，混合，向其中加入无水乙醇，在行星球磨机上球磨12h，混合均匀；

2)将球磨后的混合液进行抽滤，将其放入烘干箱中进行烘干处理4h，得混合物；

3)将烘干后的混合物过140μm的筛，然后放入模具中进行热压烧结，空冷，即得成品阀芯。

7.如权利要求6所述的阀芯与阀套摩擦副组件，其特征在于，所述步骤3)中热压烧结的工艺参数为：在氩气保护下，在1850℃、25MPa下保温80min。