高技术结构陶瓷材料在大口径工业阀门上的应用.pdf

文章编号 100225855 2006 0420034202 作者简介王忱1965 - ,男,高级工程师,从事技术管理工作。 高技术结构陶瓷材料在大口径工业阀门上的应用 王 忱 天津市圣恺工业技术发展有限公司,天津 300350 摘要 在传统的金属阀门中引入新型增韧陶瓷材料,采用新型陶瓷材料制作阀门的密封部 件、易损部件及过流面,并与金属有机结合,利用陶瓷自身的高硬度和耐腐蚀的特性,提高阀门 使用寿命,拓宽阀门使用领域。 关键词 高技术结构陶瓷;阀门;材料 中图分类号 TH134 文献标识码 A Application of high technology structure ceramic material used for large size industrial valves WANG Chen Tianjing Shengkai Industry Technology Development Co. Ltd , Tianjing 300350 , China Abstract Introduces new increased tough ceramic material to traditional metal valves , new ceramic material is used for making the seal parts of valves , damageable parts and pipeline walls , and com2 bined organically with metal , make use of high hardnessof ceramic itself and corrosive - resistance , to extend the working life of valves , develop application field for valves. Key words high technology structure ceramic; valve ; material 1 概述 近年来,新型陶瓷材料在航天、军事、医疗、 电子和机械等领域的应用非常广泛,利用陶瓷的耐 磨性和耐腐性制作耐磨耐腐零部件代替金属材料, 是近几年来高技术材料市场的重要发展方向之一。 高技术结构陶瓷是采用精选的原料、精确控制的化 学成分,按照便于进行结构设计及控制制造的方法 进行制造加工,以使其形成具有所要求的特性功能 的结构陶瓷材料。结构陶瓷材料为键合很强的离子 键和共价键的化合物,具有明显方向性,同号电荷 的离子相遇斥力很大,很少具备滑移体系,而且结 晶结构非常复杂,所以陶瓷材料变形量很小。比金 属具有高得多的结合强度,一般情况下组成陶瓷材 料的晶体离子半径小,而且离子电价高,配位数 大,这些性质决定陶瓷材料抗拉强度、抗压强度、 弹性模量和硬度非常高。然而陶瓷本身的“脆”及 难加工限制了它的应用范围,近十几年来,由于马 氏体相变增韧技术,复合材料技术及纳米陶瓷概念 的发展及进步,已使陶瓷的“脆性”得到了大大的 改进,其韧性和强度得到了极大的提高,应用范围 不断扩展。 2 分析 211 韧性陶瓷特点 从韧性陶瓷的显微组织形成方式上看可分为两 类,一类增韧陶瓷主要是由烧结式热处理等工艺使 其微观组织内部自生出增韧相,另一类是在试样制 备时用机械混合的办法加入起增韧作用的第二相。 利用ZrO2分子在不同温度下的结晶形状和晶形转 化,烧结升温至相变温度,以达到相变增韧的目 的。解决在强冲击和反复撞击等工作状况下能完好 保持陶瓷部件的正常工作。 此外重点研究了粉体超细化对陶瓷显微组织和 性能的影响,陶瓷材料是由粉体成型烧结而成,从 微观上分析是由众多微晶聚焦而成的多晶结构。这 些微观组织,尤其是结构粒径尺寸对陶瓷材料的性 能如强度、硬度和韧性有着主要的影响。平均粒径 增大或是异常晶粒的存在都会导致强度的下降,陶 瓷材料共同趋势是断裂强度随着晶粒尺寸的减小而 增加。从能量角度分析得出,材料内应变能的降低 与颗粒尺寸的立方成正比,而断裂韧性引起的边面 能的增加则是与颗粒尺寸的平方成正比。所以大晶 粒样品总伴有自发裂纹,通常其物理性能较差,这 也是一般陶瓷材料因脆裂烧成率低而使其应用受到 极大限制。由此可见提高陶瓷材料强度关键是使其 43 阀 门 2006年第4期 组织微细化。如果将陶瓷材料显微结构中的各种物 相控制在纳米量级,将其晶粒、晶界、第二相以及 缺陷等都控制在纳米量级,则可称之为纳米陶瓷。 纳米陶瓷与普通陶瓷在性能上有明显差异,其韧性 会有很大提高,若合理控制烧结温度会使其韧性和 硬度同步提高,这在普通陶瓷材料中是难以想象 的。特别是纳米陶瓷会表现出明显的塑性,缓解了 陶瓷加工的难题,这必然是陶瓷材料未来的发展趋 势。 212 烧制方法 形状复杂的陶瓷件烧制成品率相对低,无法实 现规模化生产这也是制约陶瓷材料在工业领域中应 用的关键。陶瓷材料从成型到烧制成品一般有 15 ～22 的收缩率,且在烧结过程中会从四周向 中心收缩,其废品率很高。针对上述问题主要利用 控制固溶体及化学分散理论共同作用控制收缩率, 用固溶体降低烧成温度,自行研制的系列添加剂分 散控制理论提高陶瓷浆料的分散均匀度,以达到提 高烧制成品率的目的。利用固溶体及化学分散理论 共同作用控制收缩率,用固溶体降低烧成温度,平 均下降了80～120℃,用自行研制的系列添加剂利 用分散控制理论提高陶瓷浆料的分散均匀度。探索 烧结温度曲线,在某些温度段上,采用缓慢升温控 制收缩率,在一些晶粒成长期温度段上采用快速升 温和快速降温,控制晶粒的成长。 213 加工设备 陶瓷材料莫氏硬度为9 ,其硬度仅次于金刚 石,加工只能用金刚石刀具磨削来完成。目前国内 外尚无大口径陶瓷件的加工设备,采用了在现有的 普通机床基础上进行改造,由金属刀具改为多种金 刚石刀具,以实现陶瓷件的精密加工。 3 应用 陶瓷阀门是用高技术结构陶瓷材料制作阀门的 密封部件、过流部件和阀件,高技术结构陶瓷可根 据阀门在工业系统中的不同要求精确设计配方,从 而使不同陶瓷材料的性能符合工业阀门在系统上的 要求。例如高压差调节阀的阀瓣材料需要有极强的 韧性和抗热震性,可选用增韧莫来石基的结构陶 瓷。对于腐蚀性极强的介质环境需选用碳化硅和氮 化硅陶瓷,而磨损严重的固体介质环境使用刚玉氧 化铝,如果介质颗粒较大有冲击现象还需使用增韧 氧化铝等材料。 综合分析陶瓷阀门的主要特点有① 采用高技 术新型陶瓷结构材料制作阀门的密封部件和易损部 件,提高了阀门产品的耐磨性、防腐性及密封性, 延长了阀门的使用寿命,拓宽了阀门的使用范围。 ② 降低了阀门的维修更换次数,提高配套设备系统 运行的安全性和稳定性,降低操作强度,节约设备 修理费用。③ 提高了工业管路系统的密封性,同时 能最大限度的杜绝泄漏,对环境保护将起到积极的 推进作用。④制造陶瓷的原材料广泛,用Al、C 和Si等普通元素就能制造出性能优越的陶瓷材料, 可以节约大量金属材料和稀有的矿产资源。 先进结构陶瓷材料作为面向21世纪的新材料, 已受到各工业领域的重视,其应用于工业阀门能使 阀门适用于电力、石油、化工、冶金、采矿、污水 处理等工业领域,尤其对高磨损、强腐蚀、高温、 高压等恶劣工况,更显示出其卓越的性能,其性能 价格比远远优于其他同类金属阀门。新型陶瓷阀门 将推动阀门产品的更新换代,并带动结构陶瓷材料 在其他工业领域中的广泛应用。 4 结语 随着科学技术的不断发展和进步,陶瓷材料从 配方、成型、加工及装配工艺等各方面的技术更加 趋于成熟和完备,陶瓷阀门以其优异的性能越来越 得到业内人士的认同。利用制造陶瓷阀门的成功经 验还可以推广应用于更广泛的工程领域。 参考文献 〔1〕 李世普.特种陶瓷工艺学 〔M〕.武汉武汉理工大学出版 社, 2000. 收稿日期 20061061 01 书讯 实用阀门设计手册 本书由机械工业出版社于2002年10月出版发行。书中内容丰富,文字简 练,实用性强。本书系统地表述了阀门最基本的设计方法和计算要求,产品和零部件的设计程序、计算项 目、计算式及设计计算中所需要的技术数据,均采用图表形式表达,查找方便。可供石油、化工、轻工、 城建、电力、冶金、医药、给排水、车辆及机械等行业从事阀门设计、使用与维修工作的技术人员使用, 也可供各设计院所和理工科大专院校有关专业人员参考。全书321余万字, 16开本,书号ISBN 7 - 111 - 10333 - 5 ,定价138元/册。 每册加收书价10 的邮寄包装费。需要者,请与沈阳市铁西区云峰北街3号沈阳阀门研究所科技开 发信息中心的尹玉杰联系,邮编 110025 ,电话 024225653780。 532006年第4期 阀 门