CN109333004A - 一种陶瓷化密封球阀的球体加工工艺及密封球阀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷化密封球阀的球体加工工艺及密封球阀，包括以下步骤：将金属锆胚料加工成所需形状的球体和阀座；采用微弧氧化工艺分别在球体和阀座的外表面形成二氧化锆(ZrO2)陶瓷附着层；将球体安装在球体研磨机，并找正球心位置；采用金刚石砂轮对球体进行粗磨；将阀座安装于阀座工装，与球体配对研磨。本发明提供的陶瓷化密封球阀的球体加工工艺，采用微弧氧化工艺对球体及阀座的表面进行陶瓷化处理，再经过打磨和配对研磨将陶瓷附着层表面具有微孔的部分研磨掉，使球体和阀座的密封面达到极高的圆度和光洁度，阀门的密封性能完全达到标准要求，且这种工艺具有工艺步骤简单，生产设备价格低，生产成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及工业阀门技术领域，具体涉及一种陶瓷化密封球阀的球体加工工艺及密封球阀。
背景技术
目前密封球阀的使用寿命普遍较短，其主要失效形式有磨损、冲蚀、气蚀、氧化与腐蚀等。对于石化行业领域来说，流体中的微小硬质颗粒侵入密封面容易产生犁削效应造成密封面擦伤、垫伤和磨粒磨损，同时腐蚀介质会加速失效。苛刻的工作环境对球阀球体和阀座的耐磨性和耐腐蚀性能提出了更高的要求，特别是气固、液固或三相混合介质对球阀密封面磨损极为严重，极易造成密封面过度磨损或划伤拉伤而产生泄漏。
因此需在球阀的密封面上进行必要的表面强化处理，使其具有高硬度、耐磨、耐蚀、耐高温等特性，能够显著提高球阀的工作性能，延长使用寿命，大大提高了阀门企业在市场中的竞争力。
目前金属硬密封球阀球体表面常用的硬化工艺主要有渗氮和热喷涂(焊)等。等离子渗氮方法可以形成0.2～0.4mm较薄的离子渗氮化合物层，由于氮化物脆性小而且渗氮层致密，具有较高的硬度和良好的耐磨性，但对于化工强腐蚀性介质则不适于使用，球阀密封面容易受到腐蚀产生失效。超音速火焰喷涂(HVOF)常用来制备WC－Co、Cr3C2－NiCr等金属陶瓷涂层，具有操作简单、效率高、涂层质量好等特点，适用于大型球阀球体的加工和大规模生产。但喷涂粉末的粒度直接影响到涂层致密性，喷涂层表面存在1％～2％的孔隙率，在一定程度上限制了喷涂层的耐磨耐蚀性能，常用的喷涂层封孔剂如SiO2、Al2O3、CrO3复合封孔剂，虽然具有较好封孔作用，有机或无机封孔剂存在使用时不耐高温且封孔层较薄的缺点，且在磨损环境中极易被破坏，常规封孔剂对于球阀喷涂层的封孔作用仍存在使用局限性。
真空离子镀作为物理气相沉积(PVD)的一种，有着离化率高、成膜速度快的特点，可以获得膜基结合力出色、质地均匀的硬质涂层，能对喷涂层表面进行有效的封孔处理，有利于大规模工业生产。单一HVOF涂层技术已不能满足硬密封球阀苛刻工况下的性能要求，公开号为CN108130533A的发明专利公开了一种具有高抗磨耐蚀硬密封球阀及制备方法，通过在球阀制备硬度达到800～1200HV的喷涂层，再在其表面利用真空离子镀方法沉积具有硬度高耐磨性好、熔点高热稳定性好、耐腐蚀性好硬度可达1800～3000HV的硬质氮化物金属涂层，喷涂层对硬质氮化物金属涂层起到硬度支撑作用，硬质涂层对喷涂层耐蚀耐磨性起到提升作用的同时也起到较好的封孔作用。
上述专利中的硬密封球阀的制备方法虽然克服了单一超音速喷涂硬化处理的封孔难题，并改善PVD涂层结合力，能够使硬密封球阀获得更高的可靠性。但是，结合物理气相沉积(PVD)和HVOF涂层技术对球阀的密封面进行强化处理的工艺步骤繁多、硬化处理耗时较长，而且生产过程中需要用到真空离子镀膜机等贵重设备，这些设备价格昂贵、操控复杂、维修成本高，不仅增加了球阀的生产成本，而且对操作人员的专业要求较高，相应的员工成本较高，难以大规模推广使用，因此提供一种工艺简单、生产成本低的密封球阀硬化工艺是目前亟需解决的重要问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的硬密封球阀的球体加工工艺复杂、耗时长、生产成本高的缺陷，从而提供一种工艺简单、耗时短、生产成本低的陶瓷化密封球阀的球体加工工艺。
本发明要解决的另一个技术问题在于克服现有技术中的密封球阀的密封面磨损极为严重，极易造成密封面过度磨损或划伤拉伤而产生泄漏的缺陷，从而提供一种陶瓷化密封球阀。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种陶瓷化密封球阀的球体加工工艺，包括以下步骤：
将金属锆胚料加工成所需形状的球体和阀座；
采用微弧氧化工艺分别在所述球体和所述阀座的外表面形成二氧化锆(ZrO2)陶瓷附着层；
将所述球体安装在球体研磨机，并找正球心位置；
采用金刚石砂轮对所述球体进行粗磨；
将所述阀座安装于阀座工装，与所述球体配对研磨。
优选地，所述二氧化锆(ZrO2)陶瓷附着层厚度为30－50微米。
优选地，所述采用微弧氧化工艺分别在所述球体和所述阀座的外表面形成二氧化锆(ZrO2)陶瓷附着层包括：
将所述球体和所述阀座分别置于盛有电解液的电解槽中，以所述球体和所述阀座作为阳极，以不锈钢板为阴极，电解液采用去离子水配置，PH值9－11，其含量为，4～7g/L的氟锆酸钠，24～36g/L偏铝酸钠，6～8g/L氟硼酸钠，通过循环水冷却使电解液的温度处于15～35℃，电流密度小于20A/dm2，正电压为350～550V，负电压为－24～－140V，脉冲频率为200～1000Hz，占空比为5－15％，微弧氧化时间为5－30min。
优选地，所述阀座在电解槽中进行微弧氧化的正电压值小于所述球体在电解槽中进行微弧氧化的正电压值。
优选地，所述阀座在电解槽中进行微弧氧化的时间少于所述球体在电解槽中进行微弧氧化的时间。
优选地，所述采用金刚石砂轮对所述球体进行粗磨，使所述球体的球面达到圆度＜0.05mm，粗糙度＜0.4Ra。
优选地，所述将所述阀座安装于阀座工装，与所述球体配对研磨，使所述球体达到圆度＜0.01mm，粗糙度＜0.1Ra。
优选地，所述阀座工装活动安装于所述球体研磨机的主轴，所述主轴和所述阀座工装之间设置有弹性件，依靠所述弹性件向所述阀座工装传递研磨压力。
一种陶瓷化密封球阀，包括：
阀体，具有过流通道和与所述过流通道贯通的顶部开口；
阀盖，密封盖设于所述顶部开口；
阀杆，穿过所述阀盖伸入所述过流通道内；
球体，连接在所述阀杆的底部并位于所述过流通道内，所述阀杆驱动所述球体相对于所述阀体运动以截断或导通所述过流通道；
阀座，密封安装在所述阀体内壁面与所述球体之间的间隙处；
所述球体的密封面和所述阀座的密封面均附着有二氧化锆(ZrO2)陶瓷附着层。
优选地，所述二氧化锆(ZrO2)陶瓷附着层厚度为30－50微米。
优选地，所述球体的圆度＜0.01mm，粗糙度＜0.1Ra。
优选地，所述球体的陶瓷附着层厚度大于所述阀座的陶瓷附着层厚度。
优选地，所述阀体还设有底部开口，所述底部开口上密封盖设有底盖，所述底盖通过若干螺柱固定在所述底部开口上。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的陶瓷化密封球阀的球体加工工艺，先采用微弧氧化工艺对球体及阀座的表面进行陶瓷化处理，再通过高精度数控机床对球体及阀座进行打磨，最后将阀座和球体和在不同空间方位上的做相对运动进行配对研磨，并在阀座和球体之间选用粒度等级不低于W10(8～14微米)金刚石研磨膏或立方氮化硼研磨膏对阀座和球体的密封面进行精磨，使球体和阀座的密封面达到极高的圆度和光洁度以至100％紧密接触，使阀门的密封性能完全达到标准要求。此外，采用微弧氧化工艺对球体和阀座的表面进行硬化处理的工艺，工艺步骤简单，生产设备价格低，对操作人员的要求也较低，极大地降低了生产成本，而且微弧氧化工艺制备的陶瓷附着层的表面微孔的孔径小，再经过粗研和精研两次打磨后陶瓷附着层表面具有微孔的部分被研磨掉，陶瓷附着层表面具有硬度高、耐磨性强、耐腐蚀性和耐高温性好的优点。
2.本发明提供的陶瓷化密封球阀，球体及阀座的密封面经过陶瓷化处理，表面生成陶瓷附着层，提高了球体及阀座的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性，还使表面的硬度大大提高，开关过程中不易造成球体及阀座的刮伤，提高了密封球阀的使用寿命，还能够适应一些输送流体温度高、含有好腐蚀性气体及颗粒状异物等恶劣工况的应用环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为发明中球体在电解槽内进行微弧氧化处理的示意图；
图2为本发明的第一种实施方式中提供的陶瓷化密封球阀的剖视图。
附图标记说明：
101、阀体；102、阀盖；103、阀杆；104、球体；105、阀座；106、底盖；301、冷却系统；302、搅拌器；303、电解槽；304、温度计。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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做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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
参考图1－2，本实施例提供了一种陶瓷化密封球阀的球体加工工艺，具体步骤为：
S1：根据产品设计尺寸，采用压膜制模法将金属锆胚料锻造成所需形状的球体104和阀座105，压模制模法的工艺方案包括下料、预热、加热、制胚、一次预锻成形、二次精辗成形、取样、性能检测、精加工、超声波检测。
S2：采用微弧氧化工艺分别在球体104和阀座105的外表面形成30－50微米的二氧化锆(ZrO2)陶瓷附着层，具体包括：①在电解槽303中配置微弧氧化用的电解液，电解液的组分含量为，4～7g/L的氟锆酸钠，24～36g/L偏铝酸钠，6～8g/L氟硼酸钠，采用去离子水配置，电解液的PH值调节为9－11；②采用研磨机对球体104和阀座105表面进行打磨，除去表面的毛刺，随后置于碱洗液内浸泡清洗，除去表面的油污和浮沉，置于电解槽303液面100mm以下；③将球体104或阀座105作为阳极，以不锈钢板或不锈钢材质的电解槽303作为阴极，阳极和阴极之间的间距控制在100－200mm之间，接通正电压为350～550V、负电压为－24～－140V、脉冲频率为200～1000Hz、占空比为5－15％的交流电源，并调节电流密度小于20A/dm2，通电5－30min，球体104或阀座105表面形成二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层。
S3：研磨前，用百分表找正球体104的中心位置，将球体104定位安装在高精度数控球体104研磨机的机床主轴中心线上。
S4：研磨过程中，先采用80目粒度的金刚石砂轮进行粗磨，机床主轴带动金刚石砂轮的转动速度调整到800r/min以上，副轴带动球体104缓慢旋转，使球体104的球面达到圆度＜0.05mm，粗糙度＜0.4Ra。
S5：将阀座105放在阀座105套工装上，与摆动研磨头相配合，再连接到机床主轴上，选用粒度等级不低于W10(8～14微米)金刚石研磨膏或立方氮化硼研磨膏，与球体104进行配对研磨，使球体104经研磨后可达到圆度＜0.01mm，粗糙度＜0.1Ra。
在步骤S2的通电过程中，采用温度计304实时测量电解液的温度，并用搅拌器302对电解液进行搅拌以减少电解液局部温度过高的现象，同时在电解槽303外周的冷却系统301工作，带走电解槽303通电过程中产生的热量，以使电解液的温度维持在15～35℃之间。
优选地，在步骤S2的通电过程中，球体104在进行微弧氧化工艺的过程中交流电源的正电压大于阀座105进行微弧氧化工艺的过程中交流电源的正电压。在其他条件相同的情况下，阳极电压越高，能击穿二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层的厚度越大，最终形成的二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层的厚度越大。因此，将球体104微弧氧化时的正电压大于阀座105微弧氧化时的正电压，可使球体104表面形成的二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层厚度大于阀座105表面形成的二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层厚度，而又由于二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层的厚度直接影响球体104和阀座105的硬度，因而球体104的硬度相对阀座105更高，从而可以减少出现球体104研磨过程中出现陶瓷氧化层过度磨损进而导致球体104的硬度和耐腐蚀性能受损的问题。
优选地，在步骤S2的通电过程中，球体104在电解槽303内进行微弧氧化的时间大于阀座105在电解槽303内进行微弧氧化的时间。在其他条件相同的情况下，微弧氧化的时间，最终形成的二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层的厚度越大。与上述同理，可使球体104球体104的硬度相对阀座105更高，从而可以减少出现球体104研磨过程中出现陶瓷氧化层过度磨损进而导致球体104的硬度和耐腐蚀性能受损的问题。
在本实施例的步骤S4中，主轴和阀座105工装之间设置有弹性件，弹性件具体为弹簧，研磨过程中依靠主轴向下的作用力通过弹性件传递研磨压力给连接轴及金刚石砂轮，使金刚石砂轮紧密压紧球体104，提供研磨所需的预紧力。
这种陶瓷化密封球阀的球体104加工工艺：先采用微弧氧化工艺对球体104及阀座105的表面进行陶瓷化处理，再通过高精度数控机床对球体104及阀座105进行打磨，最后将阀座105和球体104和在不同空间方位上的做相对运动进行配对研磨，并在阀座105和球体104之间选用粒度等级不低于W10(8～14微米)金刚石研磨膏或立方氮化硼研磨膏对阀座105和球体104的密封面进行精磨，使球体104和阀座105的密封面达到极高的圆度和光洁度以至100％紧密接触，使阀门的密封性能完全达到标准要求。此外，采用微弧氧化工艺对球体104和阀座105的表面进行硬化处理的工艺，工艺步骤简单，生产设备价格低，对操作人员的要求也较低，极大地降低了生产成本，而且微弧氧化工艺制备的陶瓷氧化层的表面微孔的孔径小，再经过粗研和精研两次打磨后陶瓷附着层表面具有微孔的部分被研磨掉，陶瓷附着层表面具有硬度高、耐磨性强、耐腐蚀性和耐高温性好的优点。
如图2所示，本实施例还提供了一种陶瓷化密封球阀，包括阀体101、阀盖102、阀杆103、球体104、阀座105和底盖106。其中，阀体101具有过流通道和与过流通道贯通的顶部开口和底部开口；阀盖102密封盖设于顶部开口，底盖106密封盖设于底部开口并通过螺柱固定在阀体101上。阀杆103穿过阀盖102伸入过流通道内，球体104连接在阀杆103的底部并位于过流通道内，阀杆103驱动球体104相对于阀体101运动以截断或导通过流通道。阀座105密封安装在阀体101内壁面与球体104之间的间隙处。
球体104和阀座105均采用锆质材料制成，在球体104和阀座105的密封面均附着有二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层。其中，球体104表面二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层的厚度大于阀座105与球体104的密封面上二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层的厚度，在本实施例中，球体104表面二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层的厚度为40微米，阀座105与球体104的密封面上二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层的厚度为30微米。球体104表面的陶瓷氧化层经过研磨后的圆度＜0.01mm，粗糙度＜0.1Ra。
在锆材质的球体104和阀座105的密封面进行陶瓷化处理，使球体104与阀座105的密封面上均生成二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层，由于二氧化锆(ZrO2)陶瓷氧化层具有耐磨、耐腐蚀、耐高温、硬度高的特点，提高了球体104及阀座105的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性，还使表面的硬度大大提高，开关过程中不易造成球体104及阀座105的刮伤，提高了密封球阀的使用寿命，能够适应一些输送流体温度高、含有好腐蚀性气体及颗粒状异物等恶劣工况的应用环境。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (13)
1.一种陶瓷化密封球阀的球体加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
将金属锆胚料加工成所需形状的球体(104)和阀座(105)；
采用微弧氧化工艺分别在所述球体(104)和所述阀座(105)的外表面形成二氧化锆(ZrO2)陶瓷附着层；
将所述球体(104)安装在球体(104)研磨机，并找正球心位置；
采用金刚石砂轮对所述球体(104)进行粗磨；
将所述阀座(105)安装于阀座(105)工装，与所述球体(104)配对研磨。
2.根据权利要求1所述的陶瓷化密封球阀的球体加工工艺，其特征在于，所述二氧化锆(ZrO2)陶瓷附着层厚度为30－50微米。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷化密封球阀的球体加工工艺，其特征在于，所述采用微弧氧化工艺分别在所述球体(104)和所述阀座(105)的外表面形成二氧化锆(ZrO2)陶瓷附着层包括：
将所述球体(104)和所述阀座(105)分别置于盛有电解液的电解槽(303)中，以所述球体(104)和所述阀座(105)作为阳极，以不锈钢板为阴极，电解液采用去离子水配置，PH值9－11，其含量为，4～7g/L的氟锆酸钠，24～36g/L偏铝酸钠，6～8g/L氟硼酸钠，通过循环水冷却使电解液的温度处于15～35℃，电流密度小于20A/dm2，正电压为350～550V，负电压为－24～－140V，脉冲频率为200～1000Hz，占空比为5－15％，微弧氧化时间为5－30min。
4.根据权利要求3所述的陶瓷化密封球阀的球体加工工艺，其特征在于，所述阀座(105)在电解槽(303)中进行微弧氧化的正电压值小于所述球体(104)在电解槽(303)中进行微弧氧化的正电压值。
5.根据权利要求3所述的陶瓷化密封球阀的球体加工工艺，其特征在于，所述阀座(105)在电解槽(303)中进行微弧氧化的时间少于所述球体(104)在电解槽(303)中进行微弧氧化的时间。
6.根据权利要求1或2所述的陶瓷化密封球阀的球体加工工艺，其特征在于，所述采用金刚石砂轮对所述球体(104)进行粗磨，使所述球体(104)的球面达到圆度＜0.05mm，粗糙度＜0.4Ra。
7.根据权利要求1或2或6所述的陶瓷化密封球阀的球体加工工艺，其特征在于，所述将所述阀座(105)安装于阀座(105)工装，与所述球体(104)配对研磨，使所述球体(104)达到圆度＜0.01mm，粗糙度＜0.1Ra。
8.根据权利要求1－7中任一项所述的陶瓷化密封球阀的球体加工工艺，其特征在于，所述阀座(105)工装活动安装于所述球体(104)研磨机的主轴，所述主轴和所述阀座(105)工装之间设置有弹性件，依靠所述弹性件向所述阀座(105)工装传递研磨压力。
9.一种陶瓷化密封球阀，其特征在于，包括：
阀体(101)，具有过流通道和与所述过流通道贯通的顶部开口；
阀盖(102)，密封盖设于所述顶部开口；
阀杆(103)，穿过所述阀盖(102)伸入所述过流通道内；
球体(104)，连接在所述阀杆(103)的底部并位于所述过流通道内，所述阀杆(103)驱动所述球体(104)相对于所述阀体(101)运动以截断或导通所述过流通道；
阀座(105)，密封安装在所述阀体(101)内壁面与所述球体(104)之间的间隙处；
所述球体(104)的密封面和所述阀座(105)的密封面均附着有二氧化锆(ZrO2)陶瓷附着层。
10.根据权利要求9所述的陶瓷化密封球阀，其特征在于：所述二氧化锆(ZrO2)陶瓷附着层厚度为30－50微米。
11.根据权利要求10所述的陶瓷化密封球阀，其特征在于：所述球体(104)的圆度＜0.01mm，粗糙度＜0.1Ra。
12.根据权利要求9所述的陶瓷化密封球阀，其特征在于，所述球体(104)的陶瓷附着层厚度大于所述阀座(105)的陶瓷附着层厚度。
13.根据权利要求9所述的陶瓷化密封球阀，其特征在于，所述阀体(101)还设有底部开口，所述底部开口上密封盖设有底盖(106)，所述底盖(106)通过若干螺柱固定在所述底部开口上。
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2018
- 2018-10-31 CN CN201811292694.5A patent/CN109333004A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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