CN110616447A - 一种针对球阀密封副进行表面强化处理的设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对球阀密封副进行表面强化处理的设备及其方法，将微粒射流电沉积这种常温下冷态加工方法巧妙应用于球阀球体的硬化处理,射流电沉积作为特种电镀方法，采用射流态的加工形式，沉积速度较普通电沉积提高了几十倍甚至上百倍，既克服了传统电沉积加工效率低下的不足，又保持了电沉积沉积镀层质量较好，相对于高温焊接无热影响区，工艺简单、能量消耗低的固有优势，利用射流电沉积定域性好的特点，与目前成熟的数控技术巧妙结合，引入联动数控加工系统，通过喷嘴丝杠和保持架丝杠的空间移位，实现喷嘴针对球体回转面的全覆盖加工，保证了三维空间加工的连续性和准确性。

Description

一种针对球阀密封副进行表面强化处理的设备及其方法

技术领域

本发明涉一种针对球阀密封副进行表面强化处理的设备及其方法。

背景技术

球阀是一种使用较为广泛的阀门，其结构设计简单、加工制造成本低，既可以人工操作又可实现自动化控制，可用于普通及高温、腐蚀性介质的输送和流量控制，具有流体阻力小、密封性好、流量大、启闭迅速、寿命长等优点，在我国石油化工、供水管线、造纸制药、水利水电、火力发电、市政和钢铁等行业中应用十分广泛，具有广阔的市场前景和巨大的经济效益，在国民经济中占有重要的地位。

不过，球阀在长期频繁的使用中会出现损坏和失效。在球阀的诸多失效形式中，密封面被磨损破坏是最主要的失效形式之一，它直接导致了球阀的泄漏，给生产带来巨大的损失和危害。当流体介质为液固或气固混合物料且颗粒硬度较高时，气固混合介质容易引起球体与阀座间的干摩擦，极易造成密封面的过度磨损或划伤而最终导致失效，影响正常生产必须立即维修或更换。球阀在使用中如频繁地更换或维修，不仅给企业生产造成了重大安全隐患，且增加了生产成本和维护人员的劳动强度。我国每年因阀门频繁失效，造成停工、检修所带来的经济损失达数亿元。为了解决该问题，采用必要的表面处理工艺可强化球阀密封面，提高球阀密封面的表面硬度和耐磨性，从而有效延长球阀的使用寿命，大大减少更换或检修带来的经济损失。

目前在球阀生产企业中常见的密封面强化方法有渗氮、喷涂、喷焊和物理气相沉积等工艺方法。根据在徐州阿卡控制阀门有限公司、徐州化工机械厂等阀门生产企业调研，其常用方法是在密封副表面堆焊硬质合金或喷涂硬质合金（含陶瓷类喷涂）。堆焊的要求是精加工后有效厚度不小于2毫米，喷焊的精加工后有效厚度不小于0.5毫米。综合来看，以喷涂、喷焊为代表的高能量场技术应用较多，虽然速度快、效率高、合金成分可调，但也存在设备复杂、相对成本高、沉积厚度不易控制、沉积区存在热影响残余应力等问题。如专利201610231094.2及专利201310189878.X分别提出采用气相沉积和喷焊结合的方法进行球阀密封副硬化处理，预处理及工序较为复杂，工艺控制难度较大，强化处理成本较高。因此客观上需要有一种比较轻便、简单、易控的强化处理方法。

实际上，作为低成本涂层方法的电沉积技术具有较好的替代作用。电沉积相对工艺简单、操作方便、制备的纳米薄层有着较好的摩擦性能和耐热耐蚀特性，对于损伤量较小零件的修复确实具有高能技术无法比拟的优势。如自动化纳米电刷镀即为典型代表，它在电刷镀液中加入特定功能的纳米颗粒，通过刷笔刷镀得到高性能沉积层，已用于机械零部件表面修复、强化再制造中。此类方法目前在军工装备中使用较多，在民用装备制造业中还未普及，同时电刷镀设备较为复杂，投资和维护成本较高，阻碍了进一步的应用和普及。本发明是基于微粒射流电沉积加工工艺，提供了一种通过射流电沉积方法进行对球阀表面进行强化处理的设备和操作方法，对于提高球阀的密封性能和使用寿命具有重要价值。

发明内容

1．要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种针对球阀密封副进行表面强化处理的设备及其方法，能够提高球阀的密封性能和使用寿命。

2．技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种针对球阀密封副进行表面强化处理的设备，由工作箱体、输液管道、电解液箱、电解液泵、电源、数控多喷嘴系统、球阀球体装夹系统等部分组成，电解液箱、电解液泵、流速控制阀、喷嘴系统、球阀球体通过输液管道各部件顺序相连，电源正极连接喷嘴阳极棒，电源负极通过连杆连接待处理球阀球体。

所述喷嘴系统由进给丝杠、阳极腔、喷嘴头三部分组成。阳极腔的上端为进给丝杠，由步进电机驱动系统控制，可通过数控程序使喷嘴上下精确移动，调节喷嘴与球体之间的距离。阳极腔中间固定有阳极棒，其材质为沉积金属。阳极腔下端通过螺旋方式连接圆形喷嘴，工作状态下电解液从阳极腔进液口流入从喷嘴喷出。

球阀球体安置在多组保持架上，并以一定速度在保持架上旋转。一定数量的保持架固定于工作箱中间位置的保持架丝杠，该丝杠由微机系统控制下的步进电机驱动系统控制，可通过数控程序使携带球体的保持架沿丝杠运动，从而使靠近喷嘴一侧的若干组球体同时产生自转和水平移动两种运动，保证喷嘴喷射电解液覆盖球体整体。当保持架一侧的球体处理完毕，可将另一侧的球体旋转移动至喷嘴一侧进行强化处理。

所述标记压囊靠近内双显弧形板的一端内壁设有压敏胶，所述压敏胶均匀的涂覆在按压拇指槽表面。

一种用于球阀密封副的表面硬化处理方法，包括以下步骤：

工件预处理：利用金属净洗剂去除球体表面的油污，然后用酒精清洗，后依次使用 200目、400 目、800 目、1200 目、2000 目金相砂纸上进行研磨，最后在抛光机上抛光，直至抛光成镜面，表面无划痕。将抛光后的球体采用35 g/L氢氧化钠溶液进行清洗，表面脱脂除油。然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理，蒸馏水冲洗干净、烘干。将预处理后的球阀球体固定在保持架上，准备硬化处理；

配置电解液：六水硫酸镍250g/L，六水氯化镍60g/L，尿素10g/L，硼酸40 g/L，十二烷基硫酸钠0.1 g/L，粒径为5 μm的TiB2 20 g /L，在电沉积前先将复合电解液超声搅拌30分钟，然后以1000转/分钟速度机械搅拌60分钟，使尿素与纳米三氧化二铝颗粒充分接触；

球阀球体的硬化处理在工作箱内进行，将3组6个球阀球体安置在保持架上，在喷嘴一侧保持架设定速度30r /min在保持架上旋转，对电源和流量进行设置：直流电流密度300A/dm2；

通过微机控制系统调节保持架丝杠及喷嘴丝杠，将喷嘴和球体精确定位至指定位置，调节喷嘴与球体距离保持为5 mm，启动流量泵开始喷射加工，工作液流速200 L/h。通过微机控制系统输出数控程序控制保持架丝杠，使携带球体的保持架沿丝杠运动，运动速度1000mm /min；

加工过程中，微机控制系统通过执行数控程序自动完成。该数控程序的编写应基于球体的几何形态特征，使保持架进给与喷嘴进给两种运动协同进行，并包含扫描次数、扫描距离等其他加工参数，这些信息应根据实际加工要求进行调整取得最优效果，确保射流电解液准确喷射于球体相应位置，确保硬化层在球体表面完整覆盖，形成均匀致密的金属复合沉积层；

当保持架一侧的球体处理完毕，将另一侧的球体旋转移动至喷嘴一侧进行强化处理；

当全部球体处理完毕之后，将所有球体取下，进行简单的后处理。用蒸馏水冲洗干净，烘干，放入抛光机进行抛光。

3．有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）本发明采用的射流电沉积加工方法可制备具有特殊材料结构的镍-TiB2纳米晶复合涂层，该方法使用镍基金属、陶瓷TiB2颗粒以及尿素活性剂的新型电沉积组合，其制备的高性能涂层具有较高的硬度和力学性能，同时表面质量较好，后处理工作量较小。相对于目前通用的球阀硬化处理工艺堆焊、热喷涂等方法，涂层的沉积厚度可在微米到毫米尺度内精确调节，而调节手段为电流密度、流速等，简单直接易于操作，具有明显的比较优势。

（2）本发明利用射流电沉积特有的定域性加工优势，与微机数控系统、步进电机结合形成自动化加工系统，可同时对多组球阀球体进行硬化处理加工，可在球体本体形成均匀、完整、致密的硬化处理层，加工质量和加工效率都得到有效提升，并可在未来实现升级为流水线加工。

（3）设备投资成本和加工成本都比较低，适合在球阀加工企业的推广和进一步开发。

附图说明

图1为本发明的装置系统示意图；

图2为处理后的球阀球体现场图。

具体实施方式

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；所描述的实施例仅仅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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明基于射流电沉积方法，设计了一种针对球阀密封副进行表面强化处理的设备，并提出了与之相配套的加工工艺，并制定了简单易行的操作原则和方法，如附图1所示，设备结构和加工工艺如下：

1）射流电沉积表面强化处理装置由工作箱体、输液管道、电解液箱、电解液泵、电源、数控多喷嘴系统、球阀球体装夹系统等部分组成。如附图1所示。电解液箱、电解液泵、流速控制阀、喷嘴系统、球阀球体通过输液管道各部件顺序相连。电源正极连接喷嘴阳极棒，电源负极通过连杆连接待处理球阀球体。

2)喷嘴系统由进给丝杠、阳极腔、喷嘴头三部分组成。阳极腔的上端为进给丝杠，由步进电机驱动系统控制，可通过数控程序使喷嘴上下精确移动，调节喷嘴与球体之间的距离。阳极腔中间固定有阳极棒，其材质为沉积金属。阳极腔下端通过螺旋方式连接圆形喷嘴（直径1mm、2mm）。工作状态下电解液从阳极腔进液口流入从喷嘴喷出，如附图1所示。

3)球阀球体的硬化处理在密闭工作箱内进行。球阀球体安置在多组保持架上，并以一定速度在保持架上旋转。一定数量的保持架固定于工作箱中间位置的保持架丝杠，该丝杠由微机系统控制下的步进电机驱动系统控制，可通过数控程序使携带球体的保持架沿丝杠运动，从而使靠近喷嘴一侧的若干组球体同时产生自转和水平移动两种运动，保证喷嘴喷射电解液覆盖球体整体。当保持架一侧的球体处理完毕，可将另一侧的球体旋转移动至喷嘴一侧进行强化处理。

4）强化用电解液成分为：六水硫酸镍250g/L，六水氯化镍60g/L，尿素10g/L，硼酸40g/L，十二烷基硫酸钠0.1g/L，粒径为5 μm的TiB220g /L。在电沉积前先将复合电解液超声搅拌30分钟，然后以1000转/分钟速度机械搅拌60分钟，使尿素与纳米三氧化二铝颗粒充分接触，促进纳米颗粒分散。加工时电解液温度由恒温水浴控制在60℃，以保证尿素分子在此温度具有较好的活性，发挥其作用。

5）待强化球阀球体的预处理工艺：利用金属净洗剂去除球体表面的油污，然后用酒精清洗。后依次使用 200 目、400 目、800 目、1200 目、2000 目金相砂纸上进行研磨，最后在抛光机上抛光，直至抛光成镜面，表面无划痕。将抛光后的球体采用35g/L氢氧化钠溶液进行清洗，表面脱脂除油。然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理。蒸馏水冲洗干净、烘干。将预处理后的球阀球体固定在保持架上，准备硬化处理。

6) 调节喷嘴与球体距离保持为5mm，直流电流密度在300A/dm2，工作液流速200L/h，保持架旋转速度30r /min，保持架丝杠进给速度1000mm /min，此为最优经验参数，实际加工中可以此为参考适当调节，以取得最优效果。

7）强化处理前，首先通过微机控制系统调节保持架丝杠及喷嘴丝杠，将喷嘴和球体精确定位至指定位置，启动流量泵开始喷射加工。加工过程中，微机控制系统通过执行数控程序自动完成。该数控程序的编写应基于球体的几何形态特征，使保持架进给与喷嘴进给两种运动协同进行，并包含扫描次数、扫描距离等其他加工参数。这些信息应根据实际加工要求进行调整取得最优效果，确保射流电解液准确喷射于球体相应位置，确保硬化层在球体表面完整覆盖，形成均匀致密的金属复合沉积层。(1) 将微粒射流电沉积这种常温下冷态加工方法巧妙应用于球阀球体的硬化处理。射流电沉积作为特种电镀方法，采用射流态的加工形式，沉积速度较普通电沉积提高了几十倍甚至上百倍，既克服了传统电沉积加工效率低下的不足，又保持了电沉积沉积镀层质量较好，相对于高温焊接无热影响区，工艺简单、能量消耗低的固有优势。

(2) 利用射流电沉积定域性好的特点，与目前成熟的数控技术巧妙结合，引入联动数控加工系统。通过喷嘴丝杠和保持架丝杠的空间移位，实现喷嘴针对球体回转面的全覆盖加工，保证了三维空间加工的连续性和准确性。

具体实施例

阿卡控制阀门有限公司产品400系列O型球阀，口径200mm，球体密封副均需表面硬化处理，通常的做法是密封副表面堆焊硬质合金或喷涂硬质合金（含陶瓷类喷涂）。堆焊的要求是精加工后有效厚度不小于1.5 mm，堆焊层硬度一般在HV800左右。

1.工件预处理：利用金属净洗剂去除球体表面的油污，然后用酒精清洗。后依次使用 200 目、400 目、800 目、1200 目、2000 目金相砂纸上进行研磨，最后在抛光机上抛光，直至抛光成镜面，表面无划痕。将抛光后的球体采用35 g/L氢氧化钠溶液进行清洗，表面脱脂除油。然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理。蒸馏水冲洗干净、烘干。将预处理后的球阀球体固定在保持架上，准备硬化处理。

2.配置电解液。六水硫酸镍250g/L，六水氯化镍60g/L，尿素10g/L，硼酸40 g/L，十二烷基硫酸钠0.1 g/L，粒径为5 μm的TiB2 20 g /L。在电沉积前先将复合电解液超声搅拌30分钟，然后以1000转/分钟速度机械搅拌60分钟，使尿素与纳米三氧化二铝颗粒充分接触。

3.球阀球体的硬化处理在工作箱内进行。将3组6个球阀球体安置在保持架上，在喷嘴一侧保持架设定速度30r /min在保持架上旋转。对电源和流量进行设置：直流电流密度300A/dm2。

4.通过微机控制系统调节保持架丝杠及喷嘴丝杠，将喷嘴和球体精确定位至指定位置，调节喷嘴与球体距离保持为5 mm，启动流量泵开始喷射加工，工作液流速200 L/h。通过微机控制系统输出数控程序控制保持架丝杠，使携带球体的保持架沿丝杠运动，运动速度1000mm /min。

5.加工过程中，微机控制系统通过执行数控程序自动完成。该数控程序的编写应基于球体的几何形态特征，使保持架进给与喷嘴进给两种运动协同进行，并包含扫描次数、扫描距离等其他加工参数。这些信息应根据实际加工要求进行调整取得最优效果，确保射流电解液准确喷射于球体相应位置，确保硬化层在球体表面完整覆盖，形成均匀致密的金属复合沉积层。

6.当保持架一侧的球体处理完毕，将另一侧的球体旋转移动至喷嘴一侧进行强化处理。

7.当全部球体处理完毕之后，将所有球体取下，进行简单的后处理。用蒸馏水冲洗干净，烘干。放入抛光机进行抛光。

通过以上4种加工方法对比可以发现，首先因为加工工艺限制，渗氮工艺制备涂层厚度最厚只能达到0.5mm，无法满足工艺要求。在同时沉积1.5mm厚度的硬化处理层任务下，采用射流电沉积硬化处理方法的质量最好，这体现在具有较高的表面硬度以及较小的圆度误差。这实际上体现了射流电沉积加工的自身特殊优势，即产生特殊的纳米晶结构和复合增强陶瓷颗粒的组织成分。同时射流电沉积加工具有较好的精密性和定域性加工使其成形精度较好，圆度误差较小。同时还可发现，射流电沉积方法所需要的后处理工作量最少，只需简单抛光即可，不需要类似热喷涂等方式需要较大的打磨工作量，这说成形的表面质量较好，处理表面较为光滑平整。关于设备投资成本，本发明的费用也最为经济。不过，加工时间及效率在4种加工方法中还并不突出，但与普通电沉积相比速度显著提高，这也体现了射流加工较好的工作效率。如使用本设备针对多组球体进行流水加工，在大批量工件的处理要求下，其效率比较优势会显著提升。

本发明的优点和所能达到的效果，效果可以是定性的效果，也可以是以实验数据的方式提供的定量的效果。

（1）本发明采用的射流电沉积加工方法可制备具有特殊材料结构的镍-TiB2纳米晶复合涂层，该方法使用镍基金属、陶瓷TiB2颗粒以及尿素活性剂的新型电沉积组合，其制备的高性能涂层具有较高的硬度和力学性能，同时表面质量较好，后处理工作量较小。相对于目前通用的球阀硬化处理工艺堆焊、热喷涂等方法，涂层的沉积厚度可在微米到毫米尺度内精确调节，而调节手段为电流密度、流速等，简单直接易于操作，具有明显的比较优势。

（2）本发明利用射流电沉积特有的定域性加工优势，与微机数控系统、步进电机结合形成自动化加工系统，可同时对多组球阀球体进行硬化处理加工，可在球体本体形成均匀、完整、致密的硬化处理层，加工质量和加工效率都得到有效提升，并可在未来实现升级为流水线加工。

（3）设备投资成本和加工成本都比较低，适合在球阀加工企业的推广和进一步开发。

以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种针对球阀密封副进行表面强化处理的设备，其特征在于：由工作箱体、输液管道、电解液箱、电解液泵、电源、数控多喷嘴系统、球阀球体装夹系统等部分组成，电解液箱、电解液泵、流速控制阀、喷嘴系统、球阀球体通过输液管道各部件顺序相连，电源正极连接喷嘴阳极棒，电源负极通过连杆连接待处理球阀球体。

2.根据权利要求1所述的一种针对球阀密封副进行表面强化处理的设备，其特征在于：所述喷嘴系统由进给丝杠、阳极腔、喷嘴头三部分组成；阳极腔的上端为进给丝杠，由步进电机驱动系统控制，可通过数控程序使喷嘴上下精确移动，调节喷嘴与球体之间的距离，阳极腔中间固定有阳极棒，其材质为沉积金属，阳极腔下端通过螺旋方式连接圆形喷嘴，工作状态下电解液从阳极腔进液口流入从喷嘴喷出。

3.根据权利要求1所述的一种针对球阀密封副进行表面强化处理的设备，其特征在于：球阀球体安置在多组保持架上，并以一定速度在保持架上旋转，一定数量的保持架固定于工作箱中间位置的保持架丝杠，该丝杠由微机系统控制下的步进电机驱动系统控制，可通过数控程序使携带球体的保持架沿丝杠运动，从而使靠近喷嘴一侧的若干组球体同时产生自转和水平移动两种运动，保证喷嘴喷射电解液覆盖球体整体；

当保持架一侧的球体处理完毕，可将另一侧的球体旋转移动至喷嘴一侧进行强化处理。

4.一种用于球阀密封副的表面硬化处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

工件预处理：利用金属净洗剂去除球体表面的油污，然后用酒精清洗，后依次使用 200目、400 目、800 目、1200 目、2000 目金相砂纸上进行研磨，最后在抛光机上抛光，直至抛光成镜面，表面无划痕；

将抛光后的球体采用35 g/L氢氧化钠溶液进行清洗，表面脱脂除油；

然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理，蒸馏水冲洗干净、烘干；

将预处理后的球阀球体固定在保持架上，准备硬化处理；

配置电解液：六水硫酸镍250g/L，六水氯化镍60g/L，尿素10g/L，硼酸40 g/L，十二烷基硫酸钠0.1 g/L，粒径为5 μm的TiB2 20 g /L，在电沉积前先将复合电解液超声搅拌30分钟，然后以1000转/分钟速度机械搅拌60分钟，使尿素与纳米三氧化二铝颗粒充分接触；

球阀球体的硬化处理在工作箱内进行，将3组6个球阀球体安置在保持架上，在喷嘴一侧保持架设定速度30r /min在保持架上旋转，对电源和流量进行设置：直流电流密度300A/dm2；

通过微机控制系统调节保持架丝杠及喷嘴丝杠，将喷嘴和球体精确定位至指定位置，调节喷嘴与球体距离保持为5 mm，启动流量泵开始喷射加工，工作液流速200 L/h；

通过微机控制系统输出数控程序控制保持架丝杠，使携带球体的保持架沿丝杠运动，运动速度1000mm /min；

加工过程中，微机控制系统通过执行数控程序自动完成；

该数控程序的编写应基于球体的几何形态特征，使保持架进给与喷嘴进给两种运动协同进行，并包含扫描次数、扫描距离等其他加工参数，这些信息应根据实际加工要求进行调整取得最优效果，确保射流电解液准确喷射于球体相应位置，确保硬化层在球体表面完整覆盖，形成均匀致密的金属复合沉积层；

当保持架一侧的球体处理完毕，将另一侧的球体旋转移动至喷嘴一侧进行强化处理；

当全部球体处理完毕之后，将所有球体取下，进行简单的后处理；

用蒸馏水冲洗干净，烘干，放入抛光机进行抛光。