Какие существуют методы обработки сердечников клапанов из циркониевой керамики

---

Сердечник клапана из циркониевой керамикиБлагодаря своей высокой твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и устойчивости к высоким температурам, он стал идеальной заменой традиционным металлическим сердечникам клапанов в таких промышленных областях, как энергетика, химическая металлургия и водоподготовка. Однако его обработка сталкивается с такими проблемами, как высокая хрупкость материала и высокие требования к точности.

Основные методы обработки и технологические процессы
Обработка керамических сердечников клапанов из диоксида циркония требует сочетания характеристик материала и требований к точности изготовления, образуя многопрофильную технологическую цепочку, которая включает в себя следующие ключевые звенья:

1. Подготовка и резка сырья
   Подготовка порошка: Приготовить ультратонкий порошок диоксида циркония с равномерным гранулометрическим составом (D50 ≤ 0,5 мкм) и чистотой ≥ 99,5% методом золь-гель, методом гидротермального синтеза или методом соосаждения, чтобы плотность спеченных материалов составляла ≥ 99%.
   Пустое формирование: С помощью технологии холодного изостатического прессования порошок сжимается в однородную плотную заготовку, что уменьшает разницу в скорости усадки при спекании. Для изготовления сердечников клапанов сложной структуры можно использовать технологию литья под давлением или 3D-печати, что позволяет получить заготовки близкие по размеру к сетке.
   Процесс резки: Исходя из характеристик хрупких материалов, гидравлическая или лазерная резка является предпочтительной для замены традиционной механической резки. При гидравлической резке используется водяная струя высокого давления (давление ≥ 300 МПа) в сочетании с гранатовым абразивом для достижения резания в зоне без нагрева, с шероховатостью кромок Ra ≤ 3,2 мкм.
2. Прецизионная шлифовка и полировка
   Плоское шлифование: На двухстороннем шлифовальном станке в качестве абразива используется алмазный микропорошок (размер частиц W5-W40), а эффект обработки плоскостности ≤ 1 мкм и шероховатости поверхности Ra ≤ 0,1 мкм достигается за счет постоянного контроля давления (давление 0,5-2 МПа).
   Сферическая полировка: Для сердечников шаровых кранов используется технология магнитореологической полировки, позволяющая контролировать вязкость полировального раствора с помощью магнитного поля, что позволяет добиться сверхточной обработки со сферической округлостью ≤ 0,5 мкм и гладкостью поверхности до уровня W2 (эквивалентно зеркальной полировке).
   Фаска по краям: При помощи электроэрозионной или ультразвуковой обработки кромка сердечника клапана снимается на 0,1-0,3 мм, что устраняет места концентрации напряжений и снижает риск хрупкого разрушения.
3. Точная резьба и нестандартная обработка с ЧПУ
   Выбор инструмента: Во избежание быстрого износа инструмента во время обработки необходимо использовать инструменты с алмазным покрытием (твердость HV ≥ 8000) или инструменты с поликристаллическим алмазом (PCD), твердость которых более чем в 1,5 раза превышает твердость диоксида циркония.
   Контроль скорости: Скорость вращения шпинделя должна строго контролироваться в диапазоне 8000-12000 об/мин. Низкая скорость вращения (15000 об/мин) может вызвать вибрацию инструмента из-за центробежной силы, что приведет к чрезмерной волнистости поверхности.
   Стратегия подачи: Применяя технологию послойного фрезерования, с глубиной резания одного слоя ≤ 0,05 мм и скоростью подачи, регулируемой в пределах 50-100 мм/мин, эффективная обработка достигается за счет сочетания малой глубины резания и высокой скорости подачи.
4. Спекание и постобработка
   Высокотемпературное спекание: спекание материала в вакууме или в атмосфере инертного газа при 1600-1700 ℃ в течение 4-6 часов для достижения плотности более 99% от теоретической плотности, с твердостью по Роквеллу HRA ≥ 88 и прочностью на изгиб ≥ 800МПа.
   Упрочняющая обработка: При добавлении 3-5 моль% оксида иттрия (Y2O3) в качестве стабилизатора и использовании механизма упрочнения мартенситного превращения вязкость разрушения повышается до 8-10 МПа - м ¹/², что значительно улучшает ударную прочность.
   Покрытие поверхности: Нанесение на уплотнительную поверхность сердечника клапана покрытия из алмазоподобного углерода (DLC) толщиной 2-5 мкм позволяет снизить коэффициент трения до 0,05-0,1 и повысить износостойкость в 3-5 раз.

Трудности в обработке и технологические инновационные решения

1. Дефекты обработки, вызванные хрупкостью материала
   Проблема: Вязкость разрушения циркониевой керамики составляет всего 1/10 от вязкости металлов, и в процессе обработки могут возникать микротрещины, приводящие к разрушению краев или поверхностным трещинам.
   Решение:
   Оптимизация процесса: Применяя технологию ультразвуковой обработки, сила резания снижается за счет высокочастотной вибрации (20-40 кГц), чтобы свести к минимуму вероятность образования трещин.
   Модернизация оборудования: Используя пятиосевой станок с ЧПУ, сила резания равномерно распределяется благодаря оптимизации траектории движения инструмента, что позволяет избежать локальной концентрации напряжений.
2. Сложность контроля скорости усадки
   Проблема: В процессе спекания скорость объемной усадки может достигать 15-20%, и неправильный контроль может привести к отклонениям в размерах.
   Решение:
   Модификация порошка: Добавьте 0,5-1wt% глинозема (Al2O3) в качестве добавки для спекания, уменьшите температуру спекания на 50-100 ℃, и контролируйте колебания усадки в пределах ± 0,5%.
   Компенсационная конструкция: Установите величину компенсации 2-3% в CAD-модели, проверьте фактическую скорость усадки с помощью обратного проектирования и добейтесь точного контроля размеров.
3. Низкая эффективность обработки нерегулярных структур
   Проблема: Обработка сложных проточных каналов или асимметричных структур требует многократного зажима, при этом время обработки одной детали может достигать 8-12 часов.
   Решение:
   Технология быстрого прототипирования: Использование фотополимеризационной 3D-печати (SLA) для подготовки керамических тел, в сочетании с низкотемпературным обезжириванием (800 ℃) и быстрым спеканием (1500 ℃/2ч), сокращает цикл обработки до 24 часов.
   Композитный обрабатывающий центр: объединяет функции фрезерования, шлифования и электроэрозионной обработки (EDM) в одно целое, сокращая время зажима и повышая эффективность обработки более чем на 40% за счет интеграции процессов.

Типичные сценарии применения
Энергия и электричество: В паропроводах котлов тепловых электростанций циркониевые сердечники клапанов выдерживают высокие температуры 650 ℃ и давление 10 МПа, решая проблему заклинивания, вызванную тепловым расширением металлических сердечников клапанов. Цикл технического обслуживания был увеличен с одного раза в месяц до одного раза в год.
Химическая металлургия: В системах транспортировки серной кислоты его коррозионная стойкость увеличивает срок службы клапана с 6 месяцев до более чем 5 лет, сокращая потери от простоев из-за утечек примерно на 2 миллиона юаней в год.
Очистка воды: В клапане фильтра частиц в системах опреснения морской воды его износостойкость повышает эффективность фильтрации на 30% при снижении энергопотребления на 15%.

Производство керамического сердечника клапана из диоксида циркония - это систематическая разработка, объединяющая материаловедение и передовые технологии точной обработки. От сухого прессования/литья под давлением до высокотемпературного спекания и, наконец, алмазной шлифовки и сверхточной полировки - каждый процесс имеет решающее значение. Именно благодаря этим передовым методам обработки циркониевый порошок был превращен в высокопроизводительные промышленные продукты, идеально устраняющие многие недостатки традиционных сердечников клапанов с точки зрения срока службы, герметичности, ощущений, гигиены и надежности. Он стал неоспоримым выбором в области высококлассных ванных комнат и прецизионного управления жидкостями.

Керамика Brudeze поставляет и продает широкий ассортимент высококачественного кварцевого стекла, включая глиноземистую керамику, циркониевую керамику, керамику из нитрида кремния, керамику из нитрида алюминия, керамику из карбида кремния, керамику из карбида бора, биокерамику, обрабатываемую керамику и т.д. Мы можем удовлетворить требования заказчика к различным керамическим изделиям.