阀门制造工艺讲座
第一章阀门制造的工艺特点
初看起来阀门零件不多、结构简单、精度一般,在机械行业属于简单部件,但是阀门的核心密封部位却要求特别高、密封吻合必须零对零才能达到气密试验的零泄漏。所以其制造工艺复杂,技术难度也大,有下面一些特点:
1) 从制造材料上讲,由于阀门的品种规格繁多,应用在国民经济的各个领域,其适用场合千差万别,如高温高压、低温深冷、易燃易爆、剧毒、强腐蚀介质工况条件,对阀门的材质提出了苛刻的要求。除铸铁、碳素钢、合金结构钢外,还大量采用CrNi不锈钢、CrMoAl渗氮钢、CrMoV耐热钢、CrMnN耐酸刚、沉淀硬化钢、双相不锈钢、低温钢、钛合金、蒙耐尔合金、因科乃尔合金、哈氏合金和GoCrW硬质合金等。这些高合金材料的铸造、焊接、加工性能很差,给制造工艺带来很大难度。加上这些材料大多是高合金、高强度、高硬度的贵重材料,从材料的选择、备料、采购方面都存在着很多困难。有些材料由于使用量小,难以采购供货。
2) 从铸造毛坯结构上讲,大部分的阀门毛坯采用的是结构复杂的薄壳铸件,不仅要求有良好的外观质量,更要有致密的内在质量和良好的金相结构,不能有气孔、缩孔、夹砂、裂纹等缺陷。因此其铸造工艺复杂、热处理技术难度高。在机械行业里,阀门的承压薄壳铸件毛坯的铸造难度远较其他机械构件的复杂、困难更多。
3) 从机械加工工艺上讲,由于大多数的高强、高硬、高耐腐蚀材料的切削性能都不好,如高合金的不锈钢、耐酸刚都具有韧性大、强度高、散热差、切削性大和加工硬化倾向强等缺点,很难达到要求的尺寸精度和光洁度,给机加工的刀具、工艺和设备带来一定困难。另外,阀门密封面在加工精度、配合角度、光洁度和配对密封副的要求也很高,给机加工带来很大难度。
4) 从阀门零件的工艺安排上讲,阀门的主要零件个数不多,结构相对简单,大部分尺寸的加工精度不高,外部比较粗糙,这就给人一种属于简单机械的印象。其阀门的心脏密封部位可是极其精密的,其密封面的“三度”(平整度、光洁度、硬度)要求很高,以及两个密封面组成的密封副的吻合度都要达到零对零要求,就是阀门加工的最大工艺难点。
5) 从阀门的实验和检验上讲,阀门是压力管道重要的启闭、调节元件,而压力管道的使用工况是千差万别的,高温高压、低温深冷、易燃易爆、剧毒强腐蚀。可是阀门制造的实验和检验条件不可能达到工况的同等要求,国际、国内各种阀门实验
标准
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规定都是在接近常温的条件下,用气体或水作为介质进行试验的。这就存在一个最根本的隐患,就是正常出厂试验合格的阀门产品,在苛刻的实际工况条件下可能会产生由于材料选用、铸件质量和密封破坏等问题而难以满足使用要求,还会发生重大的质量事故。难怪有些干了一辈子的老阀门专家,越老越拘谨、越干越担心了。
第二章阀门铸造工艺
阀门的铸造是阀门制造过程的重要环节,有了好的铸件就决定了好阀门成功的重大比例。下面介绍铸造工艺设计和阀门行业常用的几种铸造工艺方法:
? 铸件的铸造工艺设计:
正确而有效的控制铸件凝固是获得优质铸钢件的头等重要条件,采取正确的工艺措施如:浇注系统、冒口和冷铁、工艺补正量等,形成合理的工艺
方案
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。阀门铸钢件由于其壁厚不均匀,因采取顺序冷却、顺序凝固的原则,以减少铸件内部的应力、缩孔和缩松等缺陷。 ? 控制铸钢件顺序凝固的工艺措施:
1) 设计合理分型位置、浇注位置和浇注系统。
2) 冒口设计在铸件最后凝固的部位,再起到补缩作用的同时,
延缓冒口周围钢水的凝固,造成顺序凝固的条件。
3) 浇注操作时,当钢水上升至冒口高度1/4时,该从冒口顶上
浇注,其作用可以增加钢水压头,还可以提高冒口温度。
4) 铸钢冒口尺寸的确定:其方法有模数法(按铸件的热容量
确定);体积收缩法(鞍钢水凝固收缩率确定);比值法(按铸件的补缩类型确定)和热节圆法(按铸件的热节圆确定)。目前工厂里为了满足便捷的设计要求,常用的是热节圆法,来确定冒口的尺寸。
5) 铸件收缩率的选定:铸钢件在凝固冷却的过程中,其体积
和尺寸都会收缩减小,由液态凝固为固态的收缩量一般以长度的改变量—线收缩率来
表
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示(,)。
影响铸造收缩率的因素很多,铸件在铸型中固态收缩时还受外界阻力的影响,会使其实际的收缩量减少,此时称为非自有收缩,而非自由收缩率总是小于自由收缩率。影响铸造收缩率的因素主要有金属合金的种类、铸件结构和尺寸长度,另外造型材料、型芯的紧实程度等也影响铸件产生非自有收缩率。
根据阀门的生产实践,为了方便模具设计,缩尺一般参考下表选取:
? 砂型铸造:阀门行业常用的砂型铸造,按粘接剂的不同还可分为:湿型砂、干型砂、水玻璃砂和呋喃树脂自硬砂等。
? 湿型砂是以膨润土为粘接剂的造型工艺方法,它的特点是:造好的砂型不需要烘干,不需要经过硬化处理,砂型有一定的湿态强度,砂芯、型壳的退让性较好,便于铸件的清理落砂。造型生产效率高,生产周期短,材料成本低,便于组织流水线生产。他的缺点是:铸件易产生气孔、夹砂、粘砂等缺陷,铸件的质量尤其是内在质量不够理想。
铸钢件湿型砂的配比及性能表:
? 干型砂是以粘土为粘接剂的造型工艺方法,稍加膨润土可以提高其湿强度。它的特点是:砂型需要烘干,有良好的透气性,不易产生冲砂、粘砂、气孔
等缺陷,铸件的内在质量较好。特的缺点是需要砂型烘干设备,生产的周期较长。
?水玻璃砂是以水玻璃为粘接剂的造型工艺方法,它的特点是:水玻璃遇CO2后有自动硬化的功能,可有气硬法造型和造芯的各种优点,但存在型壳溃散性差,铸件清砂困难以及旧砂再生、回用率低的缺点。
水玻璃CO2硬化砂配比及性能表:
? 呋喃树脂自硬砂造型是以呋喃树脂为粘接剂的铸造工艺方法,在常温下由于粘接剂在固化剂的作用下发生化学反应而固化砂型。它的特点是砂型不必烘干,这就缩短了生产周期,节约了能源。树脂型砂易于紧实、溃散性好,铸件的型砂易于清理,铸件尺寸精度高,表面光洁度好,可以大大提高铸件质量。他的缺点是:对于原砂的质量要求高,生产现场有轻微的刺激性气味,而且树脂的成本也较高。 呋喃树脂自硬砂混合料配比及混制工艺:
呋喃树脂自硬砂的混制工艺:树树脂自硬砂最好采用连续式混砂机,将原浆、树脂、固化剂等依次加入、快速混合而成,随时混制、随时使用。
混制树脂砂时各种原料的加入顺序如下:
原砂+固化剂(对甲苯磺酸水溶液)-(120,180s)-树脂+硅烷-(60,90s)-出砂
? 典型的砂型铸造工艺卡片:
? 典型的砂型铸造生产
流程
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:
?、精密铸造:近年来,阀门厂家越来越注重铸件的外观质量和尺寸精度。应为良好的外观是市场的基本需求,也是作为机加工头道工序的定位基准。
阀门行业常用的精密铸造是熔模铸造,现简单要介绍如下:
? 熔模铸造的两种工艺方法:?采用低温蜡基摸料(硬脂酸+石蜡)、低压注蜡、水玻璃型壳、热水脱蜡、大气熔炼浇注工艺,主要用于质量要求一般的碳素钢和低合金钢铸件,铸件尺寸精度可达国家标准CT7,9级。? 采用中温树脂基摸料、高压注蜡、硅溶胶模壳、蒸汽脱蜡、快速大气或真空熔炼浇注工艺,铸件尺寸精度可达CT4,6级的精密铸件。
? 熔模铸造典型工艺流程:
? 熔模铸造的特点:
? 铸件尺寸精度高,表面光整、外观质量好。
? 可以铸造结构形状复杂、难以用其他工艺方法实现加工的零件。
? 铸件材料不受限制,各种合金材料如:碳素钢、不锈钢、合金钢、
铝合金、高温合金、以及贵重金属等材料,尤其是难以用锻造、
焊接和切削加工的合金材料。
? 生产灵活性好,适应性强。可以大批生产,也适用于单件或小批
生产。
? 熔模铸造也有一定的局限性,如:工艺流程繁琐、生产周期长。
由于其可采用的铸造工艺手段有限,用于铸造压薄壳阀门铸件时,
其承压能力不能很高。
? 铸造缺陷的
分析
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任何铸件 生成气孔的主要来源有:?金属溶解的氮、氢在铸件凝固的过程
中被包容与金属之中,形成封闭的圆形或椭圆形内壁有金属光泽的气孔。?造型材料中的水分或挥发物质都会因受热而变成气体,形成内壁为暗褐色的气孔。?金属在浇注过程中,由于流动不稳定,将空气卷入而生成气孔。