CN110407565A - 一种计量泵用陶瓷阀球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种计量泵用陶瓷阀球及其制备方法，属于陶瓷球技术领域，所述陶瓷阀球原料包括氧化铝、氧化镁、氧化钇稳定氧化锆、分散剂和溶剂，氧化镁和少量氧化钇共同作用，起到晶粒抑制剂和烧结助剂的作用，氧化锆起到增韧的作用，添加分散剂可以有效防止原料粉体之间的团聚，减少大气孔的产生，由此得到的计量泵陶瓷阀球具有高硬度、高强度、耐磨性能优良、抗酸碱腐蚀、低密度的优点，大大延长了阀球的使用寿命；本发明还提供了上述计量泵用陶瓷阀球的制备方法，将原料混合球磨、等静压成型、烧结得到计量泵用陶瓷阀球，该方法操作简单，易于实施，且制备出的阀球晶粒尺寸均匀、高致密且球形度好。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷球技术领域，特别是涉及一种计量泵用陶瓷阀球及其制备方法。
背景技术
计量泵也称定量泵或比例泵，是一种可以满足各种严格的工艺流程需要，流量可以在0-100％范围内无级调节，用来输送液体(特别是腐蚀性液体)的一种特殊容积泵，其突出特点是可以保持与排出压力无关的恒定流量，可以同时完成输送、计量调节功能，从而简化生产工艺流程；由于计量泵这些突出的特点被广泛地应用于石油、化工、制药、食品等各工业领域。
计量泵阀是计量泵极为关键的部件，其工作性能的好坏，直接影响着泵的性能及其工作的可靠性。在泵的实际工作过程中由于受到工况条件的限制，许多情况下泵阀都是在恶劣的环境中工作，比如钻井的泥浆泵、高压注水泵等等。
而阀球是泵阀的重要组成部分，在泵的工作中是主要动作件，阀球与阀座间是靠研磨面来密封的，由于其特殊的工况条件，在使用一段时间后，由于阀球被腐蚀或被磨损等均会导致泵阀工作失效，从而降低泵阀的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种计量泵用陶瓷阀球，该计量泵用陶瓷阀球克服了上述现有技术中存在的缺陷，以氧化铝、氧化镁、氧化钇稳定氧化锆、溶剂和分散剂为原料，在原料的相互配合下，制得的计量泵陶瓷阀球具有高硬度、高强度、耐磨性能优良、抗酸碱腐蚀、低密度的优点(相对于现有普通的轴承钢)，由于其较好的物理特性，大大延长了阀球的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种计量泵用陶瓷阀球，其原料组成按质量份数计包括：
优选的，所述原料组成按质量份数计包括：
优选的，所述分散剂为油酸、单油酸甘油酯、三油酸甘油酯、三甘醇和植物油中的一种或几种。
优选的，所述溶剂为酒精和/或去离子水水。
优选的，所述氧化钇稳定氧化锆中，氧化钇的质量分数为5～10％。
本发明还提供了一种计量泵用陶瓷阀球的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化铝、氧化镁、氧化钇稳定氧化锆、分散剂和溶剂混合球磨得到球磨产物；
(2)将球磨产物经等静压成型、烧结得到计量泵用陶瓷阀球。
优选的，步骤(1)中球磨的时间为24～30h。
优选的，所述等静压成型的压力为100～200MPa，时间为5～10min。
优选的，所述烧结的温度为1560～1630℃，烧结的时间为30～60min。
优选的，所述烧结后，还包括粗磨、细磨、抛光和超精研加工。
本发明的有益技术效果：
本发明提供了一种计量泵用陶瓷阀球，其原料包括氧化铝、氧化镁、氧化钇稳定氧化锆、分散剂和溶剂，氧化镁和少量氧化钇共同作用，起到晶粒抑制剂和烧结助剂的作用，氧化锆起到增韧的作用，添加分散剂可以有效防止原料粉体之间的团聚，减少大气孔的产生，由此得到的计量泵用陶瓷阀球具有高硬度、高强度、耐磨性能优良、抗酸碱腐蚀、低密度的优点，由实施例结果表明，所述计量泵用陶瓷阀球的硬度为17.1～17.8GPa，抗压强度为2220～2280MPa，密度为3.90～4.31g/cm3，由于其较好的物理特性，大大延长了阀球的使用寿命。
本发明还提供了上述计量泵用陶瓷阀球的制备方法，将氧化铝、氧化镁、氧化钇稳定氧化锆、分散剂和溶剂混合、球磨得到混合物；再将上述混合物经等静压成型、烧结得到计量泵用陶瓷阀球；在各原料的相互配合下，并通过特制的装炉方式和烧结制度获得晶粒尺寸均匀、高致密且球形度好的陶瓷阀球，其中陶瓷阀球的相对密度大于97％，球形度为0.05～0.12μm；而且该方法操作简单，易于实施。
具体实施方式
本发明提供了一种计量泵用陶瓷阀球，其原料组成按质量份数计包括：氧化铝70～95份；氧化镁0.1～1份；分散剂0.5～8份；氧化钇稳定氧化锆1～25份；溶剂300～400份。
在本发明中，所述计量泵用陶瓷阀球的原料按质量分数计包括氧化铝70～95份，优选为78～90份；本发明中所述氧化铝的纯度优选大于99.5wt％，本发明对所述原料氧化铝的粒径和来源没有特殊要求，选用市面上出售的且满足纯度要求的氧化铝即可。
以氧化铝的质量为基准，本发明所述计量泵用陶瓷阀球的原料按质量分数计还包括0.1～1份的氧化镁，优选为0.1～0.5份；本发明对所述氧化镁的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知来源的氧化镁即可。
以氧化铝的质量为基准，本发明所述计量泵用陶瓷阀球的原料按质量分数计还包括1～25份的氧化钇稳定氧化锆，优选为1～15份；其中氧化钇稳定氧化锆粉体中氧化钇的质量分数为5～10％，优选为5～8％，本发明对所述氧化钇稳定氧化锆的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知来源的即可；氧化钇和氧化镁共同作用，可以起到晶粒抑制剂和烧结助剂的作用，而氧化锆可以起到增韧的作用。
以氧化铝的质量为基准，本发明所述计量泵用陶瓷阀球的原料按质量分数计还包括0.5～8份的分散剂，优选为0.5～4份；在本发明中，所述分散剂为油酸、单油酸甘油酯、三油酸甘油酯、三甘醇和植物油中的一种或几种；所述植物油优选为大豆油、花生油、菜籽油；加入分散剂可以有效的防止原料粉体之间的团聚，减少大气孔的产生；本发明对所述分散剂的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知来源的分散剂即可。
以氧化铝的质量为基准，本发明所述计量泵用陶瓷阀球的原料按质量分数计还包括300～400份溶剂，优选为350～400份；本发明中所述溶剂优选酒精和/或去离子水；若溶剂为酒精和去离子水时，酒精和去离子水的质量比优选1～2:1，所述酒精的纯度优选为99.9wt％；本发明中加入溶剂，可以使各原料混合均匀，能够将各原料球磨至较小的粒度，甚至达到亚微米级。
本发明还提供了一种计量泵用陶瓷阀球的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化铝、氧化镁、氧化钇稳定氧化锆、分散剂和溶剂混合球磨得到球磨产物；
(2)将球磨产物经等静压成型、烧结得到计量泵用陶瓷阀球。
在本发明中，对于氧化铝、氧化镁、氧化钇稳定氧化锆、分散剂和溶剂的混合顺序没有特殊要求，只需满足将上述原料混合均匀即可，优选先将氧化铝、氧化镁、氧化钇稳定氧化锆和溶剂混合均匀后，球磨20h，再加入分散剂继续球磨至规定时间；本发明球磨时所用磨介球的材质优选氧化钇稳定氧化锆，球磨的时间为24～30h，优选26～30h；
球磨结束后，将球磨产物过500目筛，再在40～80℃的干燥设备中干燥，当球磨产物中溶剂的含量低于3wt％时，将其置于真空袋中，抽真空，在18～25MPa的压力下，等静压造粒，等静压造粒的目的是粉体造粒，方便后续的成型，等静压造粒后，过60目筛，然后再将其填充到特制的球形软模中，抽真空，并在150～200MPa的压力下等静压5～10min后成型，得到陶瓷阀球素坯；
得到陶瓷阀球素坯后，将其置于40～80℃的温度下干燥24～26h，以去除等静压产生的压力；干燥结束后，将陶瓷阀球素坯置于圆柱形坩埚内，在1560～1630℃的温度下烧结，烧结时间为30～60min，随炉冷却得到陶瓷阀球毛坯；
得到陶瓷阀球毛坯后，本发明对所述陶瓷阀球毛坯进行粗磨、细磨、抛光、超精研加工等后处理步骤，即首先将陶瓷阀球毛坯置于陶瓷球研球机中，在磨料为100目金刚石粉，磨液为水，转速为18-30r/min的条件下粗磨20～24h；然后在磨料为W7碳化硼砂，磨液为硬磨液，转速为18-25r/min的条件下细磨28～32h；再在磨料为W0.5金刚石微粉，磨液为超精研液，转速为15-20r/min的条件下抛光8～10h，最后在磨料为W0.1-W0.5金刚石微粉，磨液为超精研液，转速为15-20r/min的条件下超精研加工2～4h，最后得到计量泵用陶瓷阀球；优选的，在陶瓷阀球毛坯粗磨后，将粗磨后的产品于500～600℃的温度下保温5～6h后随炉冷却至室温再进行细磨；所述陶瓷阀球的表面具有较好的光洁度和球形度，表面粗糙度为0.020～0.025μm，圆度为0.05～0.12μm；
需要说明的是：
W7碳化硼砂是指碳化硼砂的粒度范围为3.5～7μm；
W0.1金刚石微粉是指粒径小于0.1μm的金刚石微粉；
W0.5金刚石微粉是指粒径小于0.5μm的金刚石微粉。
下面结合实施例对本发明提供的计量泵用陶瓷阀球及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1：
按质量份数取80份氧化铝(纯度大于99.5wt％)、0.3份氧化镁、2份油酸、1份氧化钇稳定氧化锆(氧化钇的质量分数为5％)和300份酒精，将上述原料混合并置于球磨机中混合均匀，湿式球磨25h，球磨结束后将混合物过500目筛，然后置于40℃的温度下烘干，直至酒精的含量小于3wt％时烘干结束；
将烘干物料置于真空袋中，抽真空，并在19MPa的压力下等静压造粒，过60目筛，然后在将其置于球形模具中，抽真空，并在160MPa的压力下等静压6min，得到陶瓷球素坯；
将陶瓷球素坯在40℃的温度下烘干24h，烘干结束后将其置于高温推板窑内，在1560℃的温度下保温30～60min，随炉冷却得到陶瓷球毛坯；
得到陶瓷球毛坯后，对其进行后处理，将其置于陶瓷球研球机中，首先在磨料为100目金刚石粉，磨液为水，转速为18r/min的条件下粗磨20h；粗磨结束后将粗磨产品置于500℃的高温推板窑中保温5小时，随炉冷却；然后在磨料为W7碳化硼砂，磨液为硬磨液，转速为18r/min的条件下细磨28h；再在磨料为W0.5金刚石微粉，磨液为超精研液，转速为15r/min的条件下抛光8h，最后在磨料为W0.1-W0.5金刚石微粉，磨液为超精研液，转速为15-20r/min的条件下超精研加工2h，最后得到计量泵用陶瓷阀球；
实施例1制备得到的陶瓷阀球耐腐蚀性强，硬度为17.8GPa，抗压强度为2250MPa，且致密度高，相对密度达到97％以上，由于其优越的物理特性，使其作为计量泵阀球使用时，较普通钢球的使用寿命延长了3～10倍。
实施例2：
按质量份数取85份氧化铝(纯度大于99.5wt％)、0.6份氧化镁、5份三油酸甘油酯、12份氧化钇稳定氧化锆(氧化钇的质量分数为8％)和350份酒精，将上述原料混合并置于球磨机中混合均匀，湿式球磨27h，球磨结束后将混合物过500目筛，然后置于60℃的温度下烘干，直至酒精的含量小于3wt％时烘干结束；
将烘干物料置于真空袋中，抽真空，并在21MPa的压力下等静压，粉碎过60目筛，然后在将其置于球形模具中，抽真空，并在180MPa的压力下等静压7min，得到陶瓷球素坯；
将陶瓷球素坯在60℃的温度下烘干25h，烘干结束后将其置于高温推板窑内，在1600℃保温45min，随炉冷却得到陶瓷球毛坯；
得到陶瓷球毛坯后，对其进行后处理，将其置于陶瓷球研球机中，首先在磨料为100目金刚石粉，磨液为水，转速为25r/min的条件下进行粗磨22h；粗磨后将粗磨产品置于550℃的高温推板窑中保温5.5小时，随炉冷却；然后在磨料为W7碳化硼砂，磨液为硬磨液，转速为22r/min的条件下细磨30h；再在磨料为W0.5金刚石微粉，磨液为超精研液，转速为18r/min的条件下抛光9h，最后在磨料为W0.1-W0.5金刚石微粉，磨液为超精研液，转速为18r/min的条件下超精研加工3h，最后得到计量泵用陶瓷阀球。
实施例2制备得到的陶瓷阀球耐腐蚀性强，硬度为17.6GPa，抗压强度为2260MPa，且致密度高，相对密度达到97％以上，由于其优越的物理特性，使其作为计量泵阀球使用时，较普通钢球的使用寿命延长了3～10倍。
实施例3：
按质量份数取95份氧化铝(纯度大于99.5wt％)、0.9份氧化镁、7份大豆油、20份氧化钇稳定氧化锆(氧化钇的质量分数为8％)和400份去离子水，将上述原料混合并置于球磨机中混合均匀，湿式球磨30h，球磨结束后将混合物过500目筛，然后置于70℃的温度下烘干，直至去离子水的含量小于3wt％时烘干结束；
将烘干物料置于真空袋中，抽真空，并在24MPa的压力下等静压，粉碎过60目筛，然后在将其置于球形模具中，抽真空，并在190MPa的压力下等静压10min，得到陶瓷球素坯；
将陶瓷球素坯在80℃的温度下烘干26h，烘干结束后将其置于高温推板窑中，在1630℃保温60min，随炉冷却得到陶瓷球毛坯；
得到陶瓷球毛坯后，对其进行后处理，将其置于陶瓷球研球机中，首先在磨料为100目金刚石粉，磨液为水，转速为30r/min的条件下进行粗磨24h；然后在磨料为W7碳化硼砂，磨液为硬磨液，转速为25r/min的条件下细磨32h；再在磨料为W0.5金刚石微粉，磨液为超精研液，转速为20r/min的条件下抛光10h，最后在磨料为W0.1-W0.5金刚石微粉，磨液为超精研液，转速为20r/min的条件下超精研加工4h，最后得到计量泵用陶瓷阀球；
实施例3制备得到的陶瓷阀球耐腐蚀性强，硬度为17.1GPa，抗压强度为2220MPa，且致密度高，相对密度达到97％以上，由于其优越的物理特性，使其作为计量泵阀球使用时，较普通钢球的使用寿命延长了3～10倍。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种计量泵用陶瓷阀球，其原料组成按质量份数计包括：
2.根据权利要求1所述的计量泵用陶瓷阀球，其特征在于，所述原料组成按质量份数计包括：
3.根据权利要求1或2所述的计量泵用陶瓷阀球，其特征在于，所述分散剂为油酸、单油酸甘油酯、三油酸甘油酯、三甘醇和植物油中的一种或几种。
4.根据权利要求1或2所述的计量泵用陶瓷阀球，其特征在于，所述溶剂为酒精和/或去离子水。
5.根据权利要求1或2所述的计量泵用陶瓷阀球，其特征在于，所述氧化钇稳定氧化锆中，氧化钇的质量分数为5～10％。
6.一种如权利要求1或2所述的计量泵用陶瓷阀球的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化铝、氧化镁、氧化钇稳定氧化锆、分散剂和溶剂混合球磨得到球磨产物；
(2)将球磨产物经等静压成型、烧结得到计量泵用陶瓷阀球。
7.根据权利要求6所述的计量泵用陶瓷阀球的制备方法，其特征在于，步骤(1)中球磨的时间为24～30h。
8.根据权利要求6所述的计量泵用陶瓷阀球的制备方法，其特征在于，所述等静压成型的压力为100～200MPa，时间为5～10min。
9.根据权利要求6所述的计量泵用陶瓷阀球的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为1560～1630℃，烧结的时间为30～60min。
10.根据权利要求6所述的计量泵用陶瓷阀球的制备方法，其特征在于，所述烧结后，还包括粗磨、细磨、抛光和超精研加工。
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