1．概述
閥門是通用機(jī)械量大面廣的產(chǎn)品，它不僅使用工況條件多種多樣，而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式千變?nèi)f化，品種規(guī)格相當(dāng)繁多，在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和國(guó)際貿(mào)易，民生健康，環(huán)境保護(hù)等各個(gè)方面都起著十分重要的作用。
但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人民生活水平的提高和我國(guó)加入WTO后國(guó)際貿(mào)易競(jìng)爭(zhēng)的需要，產(chǎn)品的升級(jí)換代已迫在眉睫。國(guó)際社會(huì)不僅需要產(chǎn)品質(zhì)量的提高，而且要求在生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的同時(shí)，要保護(hù)勞動(dòng)者的身體健康和綠色生態(tài)環(huán)境，在提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的同時(shí)還要注意節(jié)約能源，做到社會(huì)的物質(zhì)文明和精神文明良好發(fā)展。按照這個(gè)要求，不僅要使產(chǎn)品生產(chǎn)工藝先進(jìn)，做到與時(shí)俱進(jìn)，而且要求生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化、連續(xù)化、智能化。在高速高效節(jié)能環(huán)保要求的前提下，與此配套應(yīng)用的閥門產(chǎn)品在使用中也暴露出很多薄弱環(huán)節(jié)。除了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不良因素影響外，在材料使用上也不同程度地出現(xiàn)了耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、使用壽命等方面與設(shè)備使用要求不適應(yīng)的現(xiàn)象。為了滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝與設(shè)備及技術(shù)對(duì)閥門及其配件使用要求，除了用現(xiàn)代科學(xué)理念和CAD、CAE、CAM對(duì)閥門產(chǎn)品高技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工外，對(duì)上述出現(xiàn)問(wèn)題所使用的金屬和非金屬材料也必須進(jìn)行高性能的研制。現(xiàn)將我院多年來(lái)研制的閥門及通用機(jī)械產(chǎn)品用多元高分子復(fù)合材料的性能介紹如下。
2．閥門用多元高分子復(fù)合材料制造技術(shù)特點(diǎn)及性能研究
2．1 多元高分子復(fù)合材料制造技術(shù)特點(diǎn)
多元高分子復(fù)合材料是指用兩種或更多種特種工程塑料或特種橡膠為基礎(chǔ)原料，經(jīng)過(guò)不同填料的添加和特殊的生產(chǎn)工藝制成的新型材料，它可根據(jù)用戶對(duì)產(chǎn)品的性能要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)數(shù)量、產(chǎn)品價(jià)格及使用壽命等諸多因素的限制，而更為科學(xué)合理的設(shè)計(jì)高分子復(fù)合材料配方及生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出物美價(jià)廉的產(chǎn)品，使其更符合生產(chǎn)實(shí)際需要，和充分利用材料消耗而達(dá)到能源的合理利用，產(chǎn)品生產(chǎn)成本減少、適用性能可靠的目的。我院根據(jù)通用機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展和應(yīng)用，重點(diǎn)開(kāi)展了耐高低溫、耐磨損、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命密封制品用多元高分子復(fù)合材料的應(yīng)用性能及制品加工技術(shù)的研究工作，經(jīng)過(guò)多年研究和應(yīng)用，現(xiàn)已形成了用PEEKK、PEEK、PI、PTFE、PPS、UHMWPE等多種多元高分子交替匹配構(gòu)成的復(fù)合材料組合體系，它們的性能特點(diǎn)分別有耐高、低溫型、高強(qiáng)度型、低摩擦磨損型、高抗沖擊型、耐疲勞型、耐腐蝕型、耐超低溫型、長(zhǎng)壽命型、耐老化型、特殊潤(rùn)滑型，作為水泵、閥門、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、壓力容器等通用機(jī)械產(chǎn)品中的動(dòng)、靜密封及其配件使用，使用效果良好，收到了用戶的好評(píng)。
多元高分子復(fù)合材料擬訂配方的原則主要是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用工況條件和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)數(shù)量、成本等等因素考慮的，采用兩種或多種高分子材料為基礎(chǔ)原料，主要是通過(guò)發(fā)揮高分子材料本身的固有特性和相容性及填料的選擇、表面處理及最佳用量匹配和輔助原料的確定、加工工藝等的研究，確定實(shí)用配方達(dá)到制造的復(fù)合材料具有綜合物理機(jī)械性能優(yōu)良或突出目的的制品，確保滿足用戶需要。下面分幾個(gè)組合系列介紹。
2．2 多元高分子復(fù)合材料的性能
2．2．1 CH—1復(fù)合材料的性能
CH—1高分子復(fù)合材料是以用全芳香族聚酰亞胺樹(shù)脂[1]為主，并與其他少量相容性樹(shù)脂共混的特殊填充材料，運(yùn)用高新加工成型技術(shù)和設(shè)備制造出來(lái)的，它有不同的等級(jí)和優(yōu)良的復(fù)合材料物理機(jī)械性能及系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，具有耐超高、低溫、耐磨損、耐電器絕緣、耐等離子體、耐放射線、耐化學(xué)介質(zhì)、耐潤(rùn)滑脂、油、溶劑和耐高真空，低壓縮變形及優(yōu)良的機(jī)械加工性能。其性能指標(biāo)?？稍诒?的技術(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整(根據(jù)用戶使用工況要求和價(jià)格)。
2．2．2 CH—2復(fù)合材料的性能
CH—2高分子復(fù)合材料[2]是以用全芳香族聚芳醚酮類樹(shù)脂為主，并與其他少量相容性樹(shù)脂共混的特殊填充材料，運(yùn)用高新加工成型技術(shù)和設(shè)備制造出來(lái)的。該材料機(jī)械性能優(yōu)良，是韌性和剛性兼?zhèn)洳⑷〉闷胶獾奶胤N材料，耐疲勞性可與合金材料媲美。此外，還具有優(yōu)異的滑動(dòng)特性，適用于做低摩擦系數(shù)和高耐磨損的動(dòng)、靜密封制品及配件?？赡统凉饬蛩峒耙恍?qiáng)氧化性的介質(zhì)以外的任何化學(xué)試劑的腐蝕。吸水率很低，具有優(yōu)異的電絕緣性、耐輻射性和耐天候老化性能，適于做耐溫范圍-40～358℃范圍內(nèi)的相關(guān)制品。該材料還具有優(yōu)秀的加工性能，可根據(jù)閥門客戶不同的需求，采用各種方法加工成型產(chǎn)品。
2．2．3 CH一3復(fù)合材料的性能
CH一3高分子復(fù)合材料是以聚四氟乙烯為主，并與其他少量相容性樹(shù)脂共混的特殊填充材料，運(yùn)用高新加工成型技術(shù)和設(shè)備制造出來(lái)的。該復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高低溫性能，最高使用工作溫度可達(dá)250℃，低溫下具有良好的機(jī)械韌性，即使溫度下降到-196℃，也可保持5％的伸長(zhǎng)率。具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，對(duì)大多數(shù)化學(xué)藥品和溶劑，表現(xiàn)出惰性、能耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿、水和各種有機(jī)溶劑。另外它是固體材料中摩擦系數(shù)最低者，不粘附任何物質(zhì)，具有最小的表面張力。除做閥門密封及配件制品外，還利用它無(wú)毒無(wú)味作為人工血管和臟器等醫(yī)用制品。
2．2．4 CH—4復(fù)合材料的性能
CH—4高分子復(fù)合材料是以超高分子量聚乙烯[5](分子量≥400萬(wàn))為基體，并與其他少量相容性樹(shù)脂共混的特殊填充材料，運(yùn)用高新加工成型技術(shù)和設(shè)備制造出來(lái)的。它具有優(yōu)異的耐沖擊、耐磨損、自潤(rùn)滑性、耐化學(xué)腐蝕(在一定溫度、濃度范圍內(nèi)能耐各類腐蝕性介質(zhì)(酸、堿、鹽)及有機(jī)溶劑的作用)、電絕緣等性能。而且該材料無(wú)毒無(wú)味，價(jià)格低廉、重量輕，可在100℃～—269℃工況條件下使用?？蓮V泛應(yīng)用于機(jī)械、運(yùn)輸、紡織、造紙、礦山、農(nóng)業(yè)、煉油化工、醫(yī)療體育器械等領(lǐng)域。
2．2．5 CH—5復(fù)合材料的性能
CH—5是幾種特種橡膠制造的高分子復(fù)合材料。不僅可以采取結(jié)構(gòu)組合，也可采用生膠共混，按照特殊要求設(shè)計(jì)配亢制造復(fù)合材料?，F(xiàn)簡(jiǎn)述幾種特種橡膠[6]復(fù)合材料的特性。
(1)全氟醚橡膠
全氟醚橡膠是一種合成彈性體，以四氟乙烯、全氟化甲基乙烯基醚(Perfluorinated Methyl Vinyl Ether)和通式為CF2=CF-ORfX(X為-COOR，-CN，-OC6H5)的三元共聚物，是一種完全不含C-H鍵的橡膠。該橡膠具有和聚四氟乙烯類似的熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)性。最佳第三單體被認(rèn)為是全氟-4-羧基甲基丁醚、全氟-4-氰基乙烯基醚、全氟-2-苯氧基丙基乙烯基醚和全氟-3-苯氧基乙烯基醚。再全氟醚橡膠組分中添加第三種硫化單體，以便形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使橡膠具有彈性。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的好壞很大程度上決定于其功能和交聯(lián)體系。由于側(cè)鏈具有-OCF3基團(tuán)，因此在結(jié)構(gòu)上破壞了聚四氟乙烯的結(jié)晶性，具有較好的彈性。該類材料對(duì)油類、化學(xué)品和熱有很好的耐受性，最高可以在327℃下有效工作。在ASTM D1418規(guī)范中，全氟醚橡膠可以簡(jiǎn)寫(xiě)為FFKM。全氟醚橡膠它幾乎能承受一切化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，其中包括醚類、酮類、苯環(huán)類溶劑、強(qiáng)氧化劑、強(qiáng)酸強(qiáng)堿等，但對(duì)某些高氟溶劑有膨脹現(xiàn)象，若接觸氣態(tài)或熔融狀態(tài)的堿金屬，會(huì)有引起劇烈化學(xué)反應(yīng)的危險(xiǎn)，表5是全氟醚橡膠的耐溶劑性能。
全氟醚橡膠對(duì)其他橡膠所不能使用的化學(xué)藥品如：丙烯腈、丁基丙烯腈、醚類、二氯甲烷、苯乙烯、氧化乙烯、乙氧基乙醇、氧化合物、氮化合物、苯胺基、氯乙烯、丁二烯類、酯類、氧化丙烯等也顯現(xiàn)出優(yōu)良的使用特性。
全氟醚橡膠的玻璃化溫度雖然較高，但由于有塑性塑料的柔軟性能，因此在低于脆化點(diǎn)的溫度下使用，仍有一定強(qiáng)度。全氟醚橡膠的硫化膠還具有對(duì)氣體和液體的低滲透性和良好的耐燃燒性能及優(yōu)良的電絕緣性能。
作為閥門中特殊的密封件，在耐高溫以及對(duì)許多有毒有害物質(zhì)和強(qiáng)腐蝕化學(xué)品，如過(guò)熱水、醚、酮、醛、酯、苯環(huán)結(jié)構(gòu)的有機(jī)物、胺類物質(zhì)、強(qiáng)酸強(qiáng)堿、氧化劑等的抗耐性方面有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并有著相當(dāng)長(zhǎng)的使用經(jīng)驗(yàn)。
(2)四丙氟橡膠
四丙氟橡膠[6]可分為四氟乙烯和丙烯共聚的二元彈性體，四氟乙烯、丙烯和偏氟乙烯共聚的三元彈性體。它的結(jié)構(gòu)特性決定了它具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)于無(wú)機(jī)酸、堿、各類漂白劑、過(guò)熱水和蒸汽，尤其是混有酸、堿等化學(xué)物質(zhì)的蒸汽以及磷酸酯類液壓油等具有高度耐腐蝕性，還有高電氣絕緣性能。四丙氟橡膠能夠在230℃以下長(zhǎng)期使用，短期可達(dá)到250℃，但低溫性能較差，作為靜態(tài)密封件‘可在—42℃～230℃范圍內(nèi)使用；作為動(dòng)態(tài)密封件可在—2℃～230℃范圍內(nèi)使用。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)外生膠品種有TFE—P二元聚合物，三元系的TFE—P—VDF，以及三元系的TFE—P—CSM和國(guó)產(chǎn)TP等牌號(hào)，其重要牌號(hào)的硫化膠性能見(jiàn)表6、7，其制品應(yīng)用情況見(jiàn)表8。
(3)氫化丁腈橡膠
氫化丁腈橡膠[8]是由腈基、亞甲基鏈和少量C=C雙鍵構(gòu)成的。飽和的亞甲基鏈賦予氫化聚合物優(yōu)異的橡膠彈性、耐熱性、耐老化性和低溫屈撓性。腈基則給予了材料良好的耐油性。而少量的C—C雙鍵則使材料能與硫磺或過(guò)氧化物發(fā)生硫化。因此氫化丁睛橡膠雖然仍含有少量雙鍵，但其氧化穩(wěn)定性比丁腈橡膠高1000倍，熱降解溫度(在氮?dú)夂涂諝庵?隨氫化度的提高而提高，大約比未氫化丁腈橡膠高30～40℃。當(dāng)氫化度大于80％，耐熱老化性能顯著改善，壓縮永久變形明顯變小。
應(yīng)用研究結(jié)果表明，其使用溫度可高達(dá)170℃(可在150℃的溫度下長(zhǎng)期使用)，耐磨性是普通丁腈橡膠的1．8倍，是氟橡膠、丙烯酸酯橡膠的2．5倍，耐油性與氟橡膠相當(dāng)，耐酸性、耐汽油性能是普通丁腈橡膠的5倍；耐潤(rùn)滑油及非氟利昂制冷劑性能好；對(duì)各種潤(rùn)滑油添加劑及對(duì)硫化氫性能穩(wěn)定；且耐寒性優(yōu)于氟橡膠。適于做閥門中彈性密封件和耐磨制品。表9是氫化丁腈橡膠、丁腈橡膠、氟橡膠膠料硫化膠的力學(xué)性能對(duì)比。
上述幾種特種橡膠制造的CH—5高分子復(fù)合材料，可以根據(jù)用戶的要求，對(duì)產(chǎn)品的物理機(jī)械性能如硬度、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、壓縮變形、耐熱老化性能、耐介質(zhì)性能、耐高低溫性能、價(jià)格等進(jìn)行合理調(diào)整，以適合各種使用工況的需要。
3．制品的機(jī)械加工技術(shù)研究
3．1 機(jī)械加工
多元高分子復(fù)合材料制品由于具有優(yōu)良的綜合物理機(jī)械性能和耐磨性，因而利用常規(guī)的機(jī)械加工刀具只能加工部分產(chǎn)品，對(duì)于高強(qiáng)度、耐磨損、耐高溫、高精度要求的制品加工是比較困難的，必須使用碳化物或金剛石車刀和鉆，才能獲得高效率、長(zhǎng)壽命的效果。因此在進(jìn)行車削加工時(shí)，切削速度、進(jìn)刀速度、要比加工普通制品的速度低。銑削、鉆孔等也應(yīng)如此。最好的方法是在加工前對(duì)制品毛坯退火，由于在機(jī)械加工或精加工過(guò)程中，切削點(diǎn)形成的局部升熱，可能導(dǎo)致材料出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。為了消除內(nèi)應(yīng)力對(duì)制品工作性能的影響，要對(duì)大批量零件進(jìn)行機(jī)械加工和精加工，則需要二次退火處理，退火溫度和時(shí)間根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和尺寸而確定。
3．2 水射流切割加工技術(shù)
水作為廉價(jià)的資源已成為人類生活中不可缺少的組成部分，水資源的巧妙利用是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一，我院經(jīng)過(guò)多年的努力，已在水設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域研究中取得了清洗、除銹、切割、特殊噴射等多項(xiàng)技術(shù)成果。利用這個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，我們進(jìn)行了水射流切割多元高分子復(fù)合材料制品加工技術(shù)的研究。
試驗(yàn)用WJ250型切割機(jī)組，該機(jī)組由主機(jī)、超高壓泵計(jì)算機(jī)控制及系列切割平臺(tái)三大部分組成。該機(jī)組除切割外還可用于鉆孔、磨削、拋光、鏤刻等加工工藝。
試驗(yàn)時(shí)先將要切割的工件圖紙輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)，經(jīng)識(shí)別認(rèn)可及虛擬模擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行無(wú)誤時(shí)，再將要切割的工件固定在切割臺(tái)上，然后打開(kāi)主機(jī)，把水加壓至100～128MPa的超高壓力，經(jīng)水噴出，再加入特定磨料送至0．8mm直徑的磨料噴嘴，水與磨料的混合液以超音速作用于工件上，完成對(duì)工件的切割。
試驗(yàn)證明，水射切割機(jī)組具有以下特點(diǎn)：(1)對(duì)材料無(wú)選擇性，無(wú)有熱力效應(yīng)產(chǎn)生；(2)切割質(zhì)量好；(3)可從任意點(diǎn)開(kāi)始切割任意復(fù)雜的圖形；(4)無(wú)環(huán)境污染；(5)操作簡(jiǎn)單，控制全面準(zhǔn)確、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，是加工多元高分子復(fù)合材料制品較好的選型設(shè)備。
3．3 精加工技術(shù)
為了滿足某些特殊制品的精度要求，還要專門制造設(shè)備和器具對(duì)多元復(fù)合材料制品進(jìn)行精加工。這樣雖然加工和制品費(fèi)用增加，但能保證制品的使用要求。
4．應(yīng)用示例
4．1 用CH—2和CH—5 復(fù)合材料制造的閥門密封圈
用CH—2和CH—5復(fù)合材料制造的閥門密封圈，產(chǎn)品示意圖見(jiàn)圖1(a)，(b)。
4．2 用CH—2 復(fù)合材料制造的閥座、密封圈
用CH—2復(fù)合材料制造的閥座、密封圈、棒材等產(chǎn)品(見(jiàn)圖2)，在熱電工業(yè)使用中，表現(xiàn)出耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
4．3 用全氟醚橡膠制造彈性密封圈
用全氟醚橡膠制造的高分子復(fù)合材料，作為特殊工況(耐高溫、耐特種介質(zhì)腐蝕等)要求下的閥門密封圈，經(jīng)過(guò)多年的使用，用戶反應(yīng)效果良好。
4．4 用多種多元高分子復(fù)合材料制造的閥門產(chǎn)品及配件
用多種多元高分子復(fù)合材料制造的閥門產(chǎn)品及配件結(jié)構(gòu)示意圖如下，其中：硬密封面用堆篩合金，軟密封面用多元高分子復(fù)合材料。
5．結(jié)語(yǔ)
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外閥門市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，再加上受國(guó)際經(jīng)濟(jì)風(fēng)暴的影響，購(gòu)買力相對(duì)減弱，使得閥門企業(yè)生存危機(jī)感加重，以致一些有實(shí)力的閥門企業(yè)去努力開(kāi)拓高技術(shù)含量、高參數(shù)、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命的閥門產(chǎn)品。
我們?cè)概c相關(guān)單位積極配合，做好技術(shù)服務(wù)工作，做到齊努力、共發(fā)展、渡難關(guān)，開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)急需的高端產(chǎn)品，為國(guó)家建設(shè)和行業(yè)發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。
上海閘閥-天沃，與您資料共享！
