CN108723652B - 一种机械密封组件的焊装工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械密封组件的焊装工艺方法，包括如下步骤：S1、分别加工成型碳圆环和配套的金属底座；S2、碳圆环预处理；S3、通过电镀法在预处理后的碳圆环外表面电镀一层金属薄膜；S4、将金属底座加热至体积膨胀，并在金属底座内放入金属焊料，然后趁热将步骤S3得到的碳圆环镶嵌并焊装在金属底座内；随着组件温度的降低金属底座尺寸收缩箍紧碳环的同时挤出多余焊料，使金属座体有效地与碳环结合为一体。S5、将焊装后的金属底座和碳圆环的内圆和端面进行精加工，即得到机械密封组件。采用本发明的焊装工艺得到的密封组件，碳圆环和金属底座之间接触面贴合率高、机械结合力强、导热性高、不透性及耐压性能好、有效提升机械密封总体性能。

Description

一种机械密封组件的焊装工艺方法

技术领域

本发明涉及机械密封组件制造技术领域，具体涉及一种机械密封组件的焊装工艺方法。

背景技术

在一些工作转速非常高的旋转轴端部，使用机械密封的方式越来越多。机械密封具有重量轻，尺寸较紧凑，所占用的空间较小，使用寿命要长，且安装方便、可靠性高，能够很好的满足高速传动部件的密封要求。目前，机械密封件主要由动、静环两部分组件构成，见图1。由于机械密封摩擦副在工作中需高速运转，同时承受一定的压力、温度、和介质的腐蚀性变化，因此对摩擦副的材料要求如下：1、力学性能方面：要求具有较高的弹性模量，强度及较低的摩擦系数和线膨胀系数，优良的耐磨性、自润滑性以及良好的不透性；2、化学稳定性方面：应具有良好的耐腐蚀能力，能防止因介质的腐蚀、溶解、溶胀等导致的损坏；3、热力性能方面：良好的导热性和温度突变的适应性。

碳石墨材料由于本身具有良好的热、电传导性而被称为半金属材料，同时具有远低于金属的热膨胀系数，较好的耐高温性、化学稳定性、抗热震性、自润滑性。因此碳、石墨材料被广泛的应用于机械密封领域，由于机械密封一般在高速、高压工况条件下运行，所以对动、静环组件有较高的机械强度要求，特别是高参数机械密封碳石墨动、静环。由于碳石墨材料属于脆性材料，所以一般需要将石墨环固定在金属底座内，以增加其机械强度。

目前现有技术的碳石墨动静环与金属底座的结合一般采用胶粘或热装。胶粘具有方便快捷、成本低的优点，其缺点在于，由于该技术情况下，碳石墨环外径与金属底座的内径之间属于间隙配合，相互的结合仅仅靠胶粘在一起，胶粘结构示意图如图2所示。因此，碳石墨环外径与金属底座内径之间的结合力较小，当温度超过200℃时，随着温度的升高，树脂性粘接胶会随着温度的升高释放出挥发性气体，在贴合面间出现气孔，使机械密封组件发生泄漏。同时随着温度的继续升高，粘接胶会老化失效，石墨环极易从金属底座中脱落出来，因此胶粘方法耐温性能差。而且，由于碳石墨环与金属底座间有一层固体胶，固体胶隔绝了金属底座和碳石墨环接触，相当于一层薄薄的绝缘体，严重的影响了组合件的导热导电性能，机械密封摩擦热量导不出去，极易出现疱疤现象，从而使密封失效。热装的优点在于碳石墨环与金属座之间属于过盈配合(热装结构示意图见图3)，石墨环与金属底座之间的结合力强、导热性能有一定的改善。但是热装工艺也存在缺点，例如，由于碳石墨密封环与金属座贴合面贴合不完全，贴合率低，金属内壁面与碳环表面相互之间属于多点接触，贴合面上存在间隙，导致密封组件的导热导电性能、不透性能和结合强度都较差，易出现液体或气体泄漏现象。而且由于碳石墨环与金属底座之间的不完全贴合致使导热不良，不能有效的将机械密封摩擦产生的热量传导出去，也易使机械密封摩擦密封面出现疱疤现象，致使密封失效，且由于碳石墨材料与金属件的热膨胀系数存在差异，当温度过高时，碳石墨环也将从金属底座中脱落出来。基于上述问题的存在，现有工艺方法制备的机械密封组件常常会造成机械密封的密封性能失效。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是解决现有工艺方法制备的机械密封件中碳圆环与金属底座的贴合面有效贴合率低、机械结合力小、导热导电性能差等技术问题。

为了实现本发明这些目的和其它优点，本发明提供了一种机械密封组件的焊装工艺方法，其包括如下步骤：

S1、分别加工成型碳圆环和配套的金属底座；

S2、碳圆环预处理；

S3、通过电镀法在预处理后的碳圆环外表面电镀一层金属薄膜；

S4、将金属底座加热至体积膨胀，然后趁热将步骤S3得到的碳圆环镶嵌并焊装在金属底座内；

S5、将焊装后的金属底座和碳圆环的内圆和端面进行精加工，即得到机械密封组件。

优选的是，所述金属薄膜为铜、镍、锌、铬或铅-锡合金其中的一种，金属薄膜的厚度为0.1～0.2mm。

优选的是，所述步骤S3中，电镀液由硫酸铜和硫酸溶液组成，其中硫酸铜浓度为200g/L，硫酸浓度为60g/L，在电镀液温度25℃，电压60V，电流1.5A/dm²条件下电镀时间2h，即得到厚度0.2mm的电镀铜薄膜。

优选的是，所述步骤S4中，采用锡、铜或银作为焊料。将金属底座加热至450～500℃，使金属底座受热体积膨胀，然后恒温在450～500℃条件下，向金属底座内放入金属焊料，接着趁热将步骤S3得到的碳圆环镶嵌并焊装在金属底座内；停止加热，随着组件温度的降低金属底座尺寸收缩箍紧碳环的同时挤出多余焊料，使金属座体有效地与碳环结合为一体。

优选的是，所述金属底座为圆环形，金属底座内侧设有容纳碳圆环的环形容纳槽。

优选的是，所述步骤S1中，将碳圆环的外圆加工到位，外圆的一个端面倒角0.5*45°，内圆和总长留有3～5mm的余量。

优选的是，所述碳圆环的外表面和含有倒角的侧面上均电镀有金属薄膜，该碳圆环为碳石墨环。

优选的是，所述步骤S2包括：S21、首先将加工完成的碳圆环放入清洗液中浸泡，然后超声波清洗，最后清水漂洗，清洗至碳圆环表面无粉尘溢出；S22、将洗净的碳圆环在不超过200℃的温度条件下烘干。

本发明的有益之处在于：

其一、在碳圆环外表面电镀金属镀层，金属镀层不仅电镀在碳石墨表面，而且还深入到碳石墨表面气孔内部，使金属镀层与碳石墨牢固结合；而且，镀铜层质柔软，延展性良好，导电导热性好，与碳石墨材料具有良好的结合力，镀层结晶细致、平整、厚度均匀；利用铜与焊料锡、锡与金属底座的易焊接性能，结合热装工艺，可以达到非金属碳石墨环与金属底座的有效结合，在热装焊接过程中，利用熔化焊料锡的流动性使熔化锡填充在非金属与金属贴合面之间的残留间隙，使机械密封组件达到不透性能、高导热导电性、高结合强度；而且当温度降低后，金属底座体积收缩而将碳圆环紧紧环抱，使得金属底座与碳圆环结合牢固，贴合面有效贴合率高、机械结合力强、导热性高、不透性及耐压性能好、有效的提升机械密封总体性能。

其二、由于金属底座与碳石墨环的热膨胀系数不同，温度升高时金属底座与碳圆环之间会产生间隙，而铜本身具有较高的热膨胀系数且大于碳石墨环的热膨胀系数，碳石墨环与金属底座之间间隙中的电镀铜受热体积膨胀后可以填充金属底座与碳石墨环之间的间隙，防止当温度过高时碳石墨环从金属底座中脱落出来。

附图说明

图1、碳石墨环和金属底座的截面图。

图2、碳石墨环与金属底座的胶粘结构示意图。

图3、碳石墨环与金属底座的热装结构示意图。

图4、电镀后的碳石墨环的结构示意图。

图5、碳石墨环与金属底座的焊装结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

机械密封组件的焊装工艺方法，其包括如下步骤：

S1、加工成型碳圆环，碳圆环的外圆一次性加工到位，加工到目标尺寸，碳圆环的内圆和总长留有3～5mm的余量以备后续的精加工，碳圆环外圆的一个端面倒角0.5*45°。加工成型与所述碳圆环配的圆环形金属底座，在金属底座内侧开设容纳碳圆环的环形容纳槽。

S2、碳圆环预处理：首先将加工完成的碳圆环放入清洗液中浸泡，然后超声波清洗，最后清水漂洗，清洗至碳圆环表面无粉尘溢出；然后将洗净的碳圆环烘干。

S3、通过电镀法在预处理后的碳圆环外表面和含有倒角的侧面上均电镀一层厚度0.1mm金属镍薄膜或锌薄膜。金属薄膜不仅电镀在碳圆环表面，而且还深入到碳圆环表面的微小孔隙内部，使金属镀层与碳材料牢固结合。

S4、将金属底座加热至450～500℃，使金属底座受热体积膨胀，伴随着金属底座的内径一定程度扩大，恒温在450～500℃，然后向金属底座内加入焊料铜或银，接着趁热将步骤S3得到的碳圆环镶嵌在金属底座内，停止加热，随着组件温度的降低金属底座尺寸收缩箍紧碳环的同时挤出多余焊料，金属底座的内壁面与碳圆环的外表面焊装固定，使金属座体有效地与碳环结合为一体。金属薄膜与焊料之间、焊料与金属底座之间由于都是金属与金属之间的焊接，焊接更加容易。而且在热装焊接过程中，熔化的焊料因具有流动性，能够填充在碳圆环与金属底座的贴合面之间的残留间隙，使得金属薄膜与焊料之间，焊料与金属底座之间是面与面的接触贴合，贴合面有效贴合率高，在温度降低后，金属底座体积收缩而将碳圆环紧紧环抱，使得金属底座与碳圆环结合牢固。得到的密封组件密封性能好、高导热性、高结合强度、机械结合力强、导热性高、不透性及耐压性能好、有效的提升机械密封总体性能。

S5、将焊装后的金属底座和碳圆环的内圆和端面进行精加工打磨处理，即得到机械密封组件。

实施例2

机械密封组件的焊装工艺方法，其包括如下步骤：

S1、加工成型碳石墨环，碳石墨环的外圆一次性加工到位，加工到目标尺寸，外圆的一个端面倒角0.5*45°，碳石墨环的内圆和总长留有3～5mm的余量以备后续的精加工。加工成型与所述碳石墨环配套的圆环形金属底座，该金属底座内侧开设容纳碳石墨环的环形容纳槽。

S2、碳石墨环预处理：首先将加工完成的碳石墨环放入清洗液中浸泡，然后超声波清洗，最后清水漂洗，清洗至碳石墨环表面无粉尘溢出；然后将洗净的碳石墨环在不超过200℃的温度条件下烘干。

S3、通过电镀法在预处理后的碳石墨外表面和含有倒角的侧面上均电镀一层金属铜薄膜。具体电镀方法为：电镀液是含有硫酸铜和硫酸的水溶液，其中硫酸铜浓度为200g/L，硫酸浓度为60g/L，在电镀液温度25℃，电压60V，电流1.5A/dm²条件下电镀时间2h，即得到厚度0.2mm的电镀铜薄膜，见图4。铜薄膜不仅电镀在碳石墨表面，而且还深入到碳石墨表面气孔内部，使铜薄膜与碳石墨牢固结合；碳石墨镀铜层质柔软，延展性良好，导电性和导热性好，与碳石墨材料具有良好的结合力，镀层结晶细致、平整、厚度均匀。

S4、将金属底座加热至450℃，使金属底座受热体积膨胀，伴随着金属底座的内径一定程度扩大，恒温在450℃，然后向金属底座内加入焊料锡，接着趁热将步骤S3得到的碳石墨环镶嵌在金属底座内，停止加热，随着组件温度的降低金属底座尺寸收缩箍紧碳环的同时挤出多余焊料，金属底座的内壁面与碳圆环的外表面焊装固定，使金属座体有效地与碳环结合为一体。金属铜与焊料锡之间、锡与金属底座之间由于都是金属与金属之间的焊接，焊接更加容易。而且在热装焊接过程中，熔化的锡因具有流动性，能够填充在碳圆环与金属底座的贴合面之间的残留间隙，使得金属铜与锡之间，锡与金属底座之间形成面与面的接触贴合，贴合面有效贴合率高，得到的密封组件密封性能好、高导热性、高结合强度、机械结合力强、导热性高、不透性及耐压性能好、有效的提升机械密封总体性能。

S5、将焊装后的金属底座和碳圆环的内圆和端面进行精加工处理，即得到机械密封组件。碳石墨环与金属底座的焊装结构示意图，见图5。

通过上述方法制备的机械密封组件，由于金属底座与碳圆环热膨胀系数的差异。温度升高时金属底座与碳圆环之间会产生间隙，而铜本身具有较高的热膨胀系数，碳圆环与金属底座之间间隙中的电镀铜受热体积膨胀可以填充金属底座与碳圆环之间的间隙，防止当温度过高时碳圆环从金属底座中脱落出来。

分别对实施例1和2制备的机械密封组件、采用胶粘工艺得到的机械密封组件、以及采用热装得到的机械密封组件进行导热性能测试，测试结果见表1。由表中数据可以看出，采用本发明的焊装工艺方法制备的机械密封组件的导热性能明显优于胶粘工艺和热装工艺制备的机械密封组件。

表1.机械密封组件导热性能测试结果

综上所述，本发明提供了一种机械密封组件焊装的新工艺方法，碳圆环与金属底座之间的贴合面有效贴合率高、机械结合力强、导热性高、不透性及耐压性能好、有效的提升机械密封总体性能，而且该工艺方法操作步骤简单，易于工业化生产加工。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种机械密封组件的焊装工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、分别加工成型碳圆环和配套的金属底座，所述金属底座为圆环形，金属底座内侧设有容纳碳圆环的容纳槽，碳圆环为碳石墨环，将碳圆环的外圆加工到位，外圆的一个端面倒角0.5*45°，内圆和总长留有3～5mm的余量；

S2、碳圆环预处理；

S3、通过电镀法在预处理后的碳圆环外表面电镀一层金属薄膜；所述金属薄膜为铅-锡合金、铜、镍、锌或铬其中的一种，金属薄膜的厚度为0.1～0.2mm；

S4、将金属底座加热至450～500℃，使其体积受热膨胀，然后恒温在450～500℃条件下，向金属底座内放入金属焊料银，接着趁热将步骤S3得到的碳圆环镶嵌并焊装在金属底座内；停止加热，随着组件温度的降低，金属底座尺寸收缩箍紧碳圆环的同时挤出多余焊料，使金属底座有效地与碳圆环结合为一体；

S5、将焊装后的金属底座和碳圆环的内圆和端面进行精加工处理，即得到机械密封组件。

2.如权利要求1所述的机械密封组件的焊装工艺方法，其特征在于，所述步骤S3中，电镀液由硫酸铜和硫酸溶液组成，其中硫酸铜浓度为200g/L，硫酸浓度为60g/L，在电镀液温度25℃，电压60V，电流1.5A/dm²条件下电镀时间2h，即得到厚度0.2mm的电镀铜薄膜。

3.如权利要求2所述的机械密封组件的焊装工艺方法，其特征在于，所述碳圆环的外表面和含有倒角的侧面上均电镀有金属薄膜。

4.如权利要求3所述的机械密封组件的焊装工艺方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21、首先将加工完成的碳圆环放入清洗液中浸泡，然后超声波清洗，最后清水漂洗，清洗至碳圆环表面无粉尘溢出；

S22、将洗净的碳圆环在不超过200℃的温度条件下烘干。

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