金屬用無(wú)機(jī)膠粘劑在閥座與閥體固定及密封中的應(yīng)用

　　闡述了金屬用無(wú)機(jī)膠粘劑在閥門閥座與閥體固定及密封粘接中的應(yīng)用，介紹了氧化銅無(wú)機(jī)膠粘劑的性能及其在盤閥中的操作工藝和檢測(cè)過(guò)程。

1、概述

　　近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)石油、化工和電力建設(shè)項(xiàng)目的快速發(fā)展，對(duì)閥門的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面提出了更高的要求。其中，化工行業(yè)的閥門逐步向著大口徑、高溫高壓、防腐蝕及耐沖刷等要求設(shè)計(jì)和制造，特別是部分特殊工位的耐磨閥門要求全壽命動(dòng)作次數(shù)已在10 萬(wàn)次以上。以煤化工行業(yè)的煤鎖斗、渣鎖斗等工況使用的閥門為例，其密封面長(zhǎng)期處于介質(zhì)環(huán)境中，受到介質(zhì)的腐蝕、介質(zhì)中的固體顆粒( 硬質(zhì)點(diǎn)硬度高達(dá)約50HRC) 對(duì)密封面的持續(xù)沖刷，同時(shí)還存在著介質(zhì)壓力及密封比壓作用下的密封副之間的磨損，工況條件相當(dāng)惡劣。為提高密封面的抗腐蝕、抗沖刷、抗磨損等性能，部分閥門的閥瓣及閥座材料選用了整體燒結(jié)硬質(zhì)合金。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為其硬度高達(dá)90HRA，優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕及耐沖刷性能完全滿足使用要求。但整體燒結(jié)硬質(zhì)合金閥座與閥體之間的固定和密封方式卻存在一定的難度。

2、分析

　　硬質(zhì)合金與普通鋼閥座與閥體的固定和密封方式的連接一般為銅焊和機(jī)械式固定，但兩種方案均有一定的局限性。機(jī)械固定其零件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工及裝配難度都較高，并且在高溫工況下，作為機(jī)械固定中常用的螺紋結(jié)構(gòu)并不可靠，容易出現(xiàn)松脫、失效的現(xiàn)象。而銅焊雖然強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)緊湊，零部件少，但被焊接兩工件都要采用焊槍加熱，且焊料合金的加熱最低流動(dòng)溫度一般不低于618℃。因而，高溫對(duì)閥座與閥體施焊部位帶來(lái)的變形對(duì)于閥門密封性能的影響不可忽視。這種情況下，能夠成功的使用膠粘劑實(shí)現(xiàn)閥座與閥體的固定及密封就顯得尤為重要。

　　2.1、粘接的基本原理

　　粘接是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程。粘接力的產(chǎn)生，不僅取決于膠粘劑和被粘物表面結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，而且和粘接過(guò)程的工藝條件密切相關(guān)。粘接力的來(lái)源也是多方面的。①存在于原子(或離子) 之間的化學(xué)鍵的作用。②分子間的作用力。③金屬被粘接物與高分子膠粘劑之間的界面靜電引力。④作為有效改善粘接效果的被粘接面機(jī)械作用力。

　　2.2、無(wú)機(jī)膠粘劑的選擇

　　閥門使用溫度范圍廣，有機(jī)膠粘劑耐熱性能非常有限，即使高性能的芬雜環(huán)樹脂膠粘劑也只能在200 ～400℃使用。相比有機(jī)膠粘劑，無(wú)機(jī)膠粘劑耐熱性能更優(yōu)異，已有耐溫800℃ 以上的產(chǎn)品。無(wú)機(jī)膠粘劑具有不燃燒、耐高溫及耐久性能等特點(diǎn)，可滿足閥門防火、高溫、高壓及長(zhǎng)壽命的工藝要求。其中無(wú)機(jī)膠粘劑包括硅酸鹽類、磷酸鹽類、氧化銅及常用金屬用無(wú)機(jī)類膠粘劑配方。

　　2.3、氧化銅無(wú)機(jī)膠粘劑配方及性能

　　氧化銅無(wú)機(jī)膠粘劑(表1) 由濃縮磷酸、氧化鋁及氧化銅粉構(gòu)成。粘接過(guò)程的主要反應(yīng)式為2H3PO4+3CuO→Cu3(PO4)2·3H2O

表1 氧化銅無(wú)機(jī)膠粘劑的性能

　　2.4、粘結(jié)接頭形式與區(qū)別

　　金屬粘接接頭在使用中可能受到的力有拉力、剪切力及扭力，不均勻扯離力和剝離力等。根據(jù)受力情況，應(yīng)有不同的粘接接頭形式，但最基本的接頭結(jié)構(gòu)主要有平面粘接接頭、槽接接頭和套接接頭(圖1) 。平面粘接接頭( 圖1a) 粘接面積大，可以獲得較高的粘接強(qiáng)度。槽接接頭( 圖1b) 其任何方向上的力均可分解為拉力和剪切力，因此也可獲得較高的粘接強(qiáng)度。套接接頭(圖1c) 是將零件插入另一零件的孔內(nèi)，由于套接接頭在承受負(fù)荷時(shí)所受的作用力為純剪力，其粘接面積大，因此強(qiáng)度很高。適用于圓管與圓棒等的粘接，但其膠粘層厚度均勻性不易控制，需要專用的操作工裝來(lái)保證兩零件中心位置的同軸度，進(jìn)而保證膠粘劑在粘接面的均勻度以提高粘接質(zhì)量與強(qiáng)度。

圖1 接頭結(jié)構(gòu)

　　2.5、影響膠粘劑粘接強(qiáng)度的因素

　　在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，有許多因素影響無(wú)機(jī)膠粘劑粘接強(qiáng)度。

　�、俦砻娲植诙燃氨砻嫣幚�。被粘物表面的粗糙程度決定了機(jī)械粘接力，機(jī)械粘接力是通過(guò)加強(qiáng)濕潤(rùn)及吸附作用而得到的。被粘物表面增加粗糙度等于增加表面積。實(shí)驗(yàn)證明，粘接表面糙化增大了實(shí)際面積，有利于粘接強(qiáng)度的提高。

　�、谀z黏層固化過(guò)程中因體積收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)粘接應(yīng)力時(shí)，粘接強(qiáng)度就會(huì)顯著下降，膠黏層便可能失效。

　　③由于膠粘層與被粘物的熱膨脹系數(shù)不同，在受熱或冷卻時(shí)產(chǎn)生的冷熱應(yīng)力。通過(guò)改變固化工藝( 采用逐步升溫或緩慢冷卻等方式) 以及選擇熱膨脹系數(shù)接近被粘物的膠粘劑來(lái)減少冷熱應(yīng)力對(duì)膠黏層粘結(jié)力的影響。

　�、墉h(huán)境的作用。被粘物表面是否潔凈，粘接環(huán)境的濕度、溫度等因素可能對(duì)粘接帶來(lái)的不利影響。

　　⑤膠粘層固化時(shí)的附加壓力及其厚度。在粘接時(shí)，向粘接面施加一定的壓力，使膠粘劑更容易充滿被粘接表面的微小孔洞甚至微觀的毛細(xì)管，減少局部粘接缺陷。另外，膠粘層的厚度也影響其粘接的強(qiáng)度。

　�、奁渌�化學(xué)因素的不利影響。考慮到膠粘劑的成分及在不同工況下可能存在的局限性，需要在膠粘劑選擇初期就做出相對(duì)合理的判斷。

3、應(yīng)用

　　近年來(lái)，越來(lái)越多的耐磨閥門在閥芯的選擇上采用了整體燒結(jié)硬質(zhì)合金加工。盤閥作為近幾年在耐磨行業(yè)興起的新型閥門，其閥芯也正是由于采用了整體燒結(jié)硬質(zhì)合金加工而使其具有優(yōu)異的耐磨損、耐沖刷及耐腐蝕性能。盤閥口徑大，壓力高，安全性能要求高。其閥體與閥座之間就采用了套接的結(jié)構(gòu)形式使用氧化銅膠粘劑實(shí)現(xiàn)粘接連接。

　　3.1、閥座粘接厚度

　　盤閥閥芯結(jié)構(gòu)如圖2，采用膠粘劑粘接對(duì)閥座的厚度進(jìn)行校核。

圖2 盤閥閥芯

　　3.2、涂膠量及間隙的控制

　　涂膠量直接關(guān)系到膠黏層的厚度，其厚度又決定了膠黏層的粘接強(qiáng)度(圖3) 。

圖3 膠粘劑厚度對(duì)粘接強(qiáng)度的影響

　　膠層太厚，粘接強(qiáng)度急劇降低。而對(duì)于不同膨脹系數(shù)材料的粘接，膠層太薄，容易產(chǎn)生形變應(yīng)力。此外，膠黏劑層太薄也容易導(dǎo)致局部缺膠，影響粘接質(zhì)量和強(qiáng)度。膠黏層厚度控制在0.08 ～0.15mm 為宜。

　　3.3、粘接工藝

　　盤閥閥座與閥體近似套接接頭的粘接工藝。

　�、贆C(jī)械處理。為增大粘接面積，用砂紙或鋼絲刷對(duì)被粘接面進(jìn)行毛化處理，以表面粗糙度Ra = 12.5 ～25μm 為宜。

　　②脫脂處理�？刹捎闷�油、乙醇、丙酮或甲苯等對(duì)零件被粘接表面進(jìn)行去油、除銹和風(fēng)干等處理。

　�、叟淠z。根據(jù)所選膠粘劑規(guī)定的比例調(diào)配，當(dāng)次使用有剩余時(shí)不能留作后續(xù)使用。

　�、芡磕z。將調(diào)配的膠粘劑均勻涂抹于閥座槽側(cè)面及底部角落。

　�、輭喝腴y座。緩慢旋轉(zhuǎn)將閥座壓入閥體，要求膠粘劑從閥座外圓周圈均有溢出，表明套接面已全部覆蓋，在膠粘劑固化前清除溢出的余膠。

　�、薰袒�。對(duì)粘接面進(jìn)行持續(xù)施力(0.03 ～0.2MPa) ，固化溫度以80 ～100℃階梯控制，固化時(shí)間以不少于24h 為宜。

　　3.4、粘接檢驗(yàn)

　　常用的檢測(cè)手段有目測(cè)法、敲擊法和加壓測(cè)試法。目測(cè)法是觀測(cè)粘接表面是否有裂紋、裂縫以及局部缺膠的現(xiàn)象。敲擊法是對(duì)固化后的粘接表面輕輕敲擊，用聲音進(jìn)行判別，一般清脆的聲音較相對(duì)低沉的聲音粘接強(qiáng)度要高。加壓測(cè)試法是設(shè)計(jì)專用工裝，對(duì)粘接層進(jìn)行0. 6MPa 的低壓氣密性測(cè)試，保壓一定時(shí)間后，如無(wú)氣泡滲出，則合格。

　　3.5、粘接- 機(jī)械連接并用的連接方式

　　套接連接雖然具有很高的拉伸、剪切和抗疲勞強(qiáng)度，但剝離強(qiáng)度和不均勻扯離強(qiáng)度較低。因此，采用機(jī)械連接解決了接頭不均勻扯離強(qiáng)度低的問(wèn)題，采用了膠粘劑又解決了應(yīng)力集中的問(wèn)題，這種粘接接頭與螺栓同時(shí)應(yīng)用的形式已經(jīng)在盤閥中獲得了廣泛的應(yīng)用。

4、結(jié)語(yǔ)

　　隨著膠粘劑工業(yè)的發(fā)展，粘接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械工具、設(shè)備制造和維修、閥門制造及紡織機(jī)械制造等多個(gè)領(lǐng)域。其主要優(yōu)點(diǎn)為成本低，生產(chǎn)效率高，簡(jiǎn)化了部分產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以及加工工藝，節(jié)省了金屬材料以及勞動(dòng)力，可較容易的實(shí)現(xiàn)修舊利廢，降低維修費(fèi)用。因此，粘接技術(shù)在閥門行業(yè)的發(fā)展頗具有實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。