进口低温阀瓣制造工艺技术

热压成型工艺是将一定量的颗粒状聚酰亚胺粉料置入金属阀瓣基体密封槽内，整体放入成型的模具腔体内，利用带热源的压机产生一定的温度和压力，使加入的颗粒状聚酰亚胺粉料在高温高压下熔融流动，缓慢充满整个密封槽，再整体放置于高温的高压试验机上，施加一定的压力后保压，使形成固体的非金属压牢、压实，最后，将成型的产品取出，从而完成整个热压成型的过程。从金属阀瓣基体的机加工开始，经过一系列的工艺流程，到最后的合格产品，整个工艺流程如图3所示。

图3热压阀瓣制造工艺流程框图

喷砂工艺是以压缩空气为驱动力，形成射流束，磨料(如铜矿石、石英砂、碳化硅、铁砂等。)快速喷射到金属基体密封槽的底部和侧面。由于磨料粗糙度大，速度快，会对金属基体密封槽的底面、侧面和环面产生一定的切割和冲击作用，使其达到不同程度的表面粗糙度，从而提高金属基体与聚酰亚胺材料的粘接强度和粘接性能。影响喷砂的主要参数有:金属基体的材质、磨料类型(球形和金刚石)、磨料粒度、磨料浓度、喷涂距离、喷涂角度、喷涂时间、压缩空气压力等。根据以往产品喷砂的要求和经验，试验证明磨料粒度为24目时结合强度最高。具体喷砂工艺参数见表1。喷砂前，用汽油和酒精对阀瓣金属基体进行超声波清洗，严格保证表面的清洁度。然后用24目石英砂对阀瓣金属基体的密封槽进行喷砂处理。喷嘴直径3 mm，喷砂后不允许任何东西接触喷砂面，并对喷砂面进行检查。要求金属基体沟槽底部和侧面全面喷砂，粗糙度均匀。

表1 喷砂工艺参数

m=ρ×V                                 (1)

其中聚酰亚胺粉料的密度ρ=1.40 g/cm³，通过以上公式计算得出需要加入聚酰亚胺粉料的重量约66 g，通过精确称重后，将粉料加入预先放入模具中阀瓣基体密封槽内。加料前，必须将原材料进行干燥处理，原材料的干燥对于阀瓣热压成型质量至关重要，如果原材料除水不干净，会导致热压时产生大量气泡。通过实践验证，本文的颗粒状聚酰亚胺粉料选用温度210 ℃，烘干时间2 h的参数进行干燥处理。加料时，需将聚酰亚胺粉料均匀的铺在密封槽中。

图5 燕尾槽结构示意图

进料完成后，可以按压阀盘。阀瓣热压过程中的非金属变化可分为三个阶段:

1)玻璃态向高弹性态转变的过程，即非金属逐渐从固态向液态转变的过程。

2)高弹性状态转化为粘性状态并保持粘性状态的过程。

3)从粘性状态向高弹性状态转变的过程。

根据文献记载，非金属转变的三个阶段都受到三个工艺参数的影响:成型压力、成型温度和成型时间。


成型压力是指在非金属转变的三个阶段中施加到模具上的不同压力值。非金属化第一阶段，固态粉末熔化，在转变过程中体积不断收缩，造成上模压板与上模之间有间隙，降低了加热效果。因此，需要施加小的成型压力来使上模具的压板与上模具配合。非金属变化的第二阶段是粘性状态，在这种状态下不能施加压力，否则会产生气泡，导致热压后产品性能异常。在非金属变化的第三阶段，需要较大的成型压力来冷却和固化处于密封槽熔化状态的非金属，压力不能超过模具的最大承载能力，以防止模具变形或损坏。


成型温度是指非金属变化的三个阶段中模具表面的温度。在第一、二阶段，非金属的温度高于非金属的熔点，使其充分熔化流动。第三阶段，非金属的温度不得高于非金属的熔点，使其充分冷却固化。


成型时间是指非金属化三个阶段所需的全部时间，即聚酰亚胺粉末熔化固化全过程所需的全部时间。不同阶段时间要求不同，第一阶段非金属变化完全熔化，成型时间较长；第二非金属阶段所需的成型时间短；第三阶段非金属需要完全固化，成型时间也较长。


从上面的描述可以看出，热压后阀瓣的外观质量和力学性能与三个工艺参数密切相关:成型压力、成型温度和成型时间。成型压力过低会导致非金属与金属的结合强度降低，热压成型的阀瓣非金属表面会出现气孔、凹坑等缺陷。成型压力过高会损坏模具，导致压制后的碟片无法脱模。成型温度对阀瓣的质量和性能有很大影响。较低的成型温度会导致非金属固化时间较长，固化后非金属硬度较低，而较高的成型温度会导致非金属变色，力学性能变差。同样，成型时间对阀瓣的外观质量和产品性能也有很大的影响。成型时间较短导致非金属固化时间不足，非金属受外力冲击后容易变形翘曲。较长的成型时间导致非金属内应力增加，机械性能下降，生产周期延长。因此，需要精确控制三个工艺参数:成型压力、成型温度和成型时间。


为了更清楚地找出成型压力、成型温度和成型时间三个工艺参数对阀盘质量和性能的影响因素，本文选择了正交试验方法进行分析和验证。选取非金属化第一阶段的成型压力、成型温度和成型时间作为自变量进行分析。

第一阶段中模压压力较小，因此选择变化量为A1=0.3 MPa、A2=0.4 MPa、A3=0.5 MPa；由于聚酰亚胺粉料的熔点约为360 ℃，因此第一阶段模压温度选择变化量为B1=380 ℃、B2=400 ℃、B3=420 ℃；第一阶段中模压时间较长，因此选择变化量为C1=10 min、C2=15 min、C3=20 min。第一阶段的正交试验组合如表2所示。

表2 正交试验组合

第二阶段和第三阶段的模压压力、模压温度和模压时间参数确认方法同样采用正交试验法。经过热压后阀瓣的外观质量和力学性能试验验证，阀瓣热压成型过程中非金属三个阶段的具体工艺参数如表3所示。

表3 热压成型过程工艺参数

阀瓣密封结构

将热压成型好的阀瓣取出后，在大气中缓慢冷却，阀瓣热压成型后的实物图如图6所示。由于阀瓣经过喷砂、加料、压制等多个过程，导致阀瓣金属基体表面和非金属表面粗糙度较差，不满足使用要求，因此需要进行机加工处理，使其端面平整、光滑。

图6 热压后阀瓣实物图

试验验证

图7 串气试验系统实物图