CN101954676B - 碳/碳复合材料密封环及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现无油润滑的密炼机用碳/碳复合材料密封环,所述的密封环由碳纤维经制坯—增密—机加工制成,密封环的表观密度为1.2g/cm3~2.0g/cm3,其生产方法包括以下步骤:将碳纤维经制坯—增密—机加工制成,本发明较好的实现了发明目的,由碳/碳复合材料制成的密封环自润滑性能好,耐磨损,其耐腐蚀性能优良,保证了密炼机转子的密封效果及设备的安全运行,此外,密封环的摩擦面与环体采用密度梯度设置,降低了碳/碳复合材料密封环的生产成本,提高了综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨密封零件,具体地说是一种碳/碳复合材料密封环及其生产方法,特别是用于密炼机的碳/碳复合材料密封环及其生产方法。
背景技术
密炼机是现代橡胶工业不可缺少的主要设备,主要用于橡胶的塑炼和混炼。密炼机有一对特定形状并相对回转的转子,在一定温度和压力的密闭状态下,间隙性地对橡胶等聚合物材料进行塑炼和混炼。该设备通常由密炼室、转子、转子密闭装置、润滑系统、传动装置、机座等组成。目前,其转子密闭装置一般采用机械或液压式密封结构,密封环采用金属材料加工,为了提高密封环的耐磨性,摩擦面上往往堆焊硬质耐磨合金,并在炼胶过程中,密封装置中的密封面之间必须注入高压润滑油,形成一层密封油膜,及在环形间隙中注入工艺油,使胶料和粉尘形成粘流态,防止粉尘逸出及漏胶。而注入的高压油经常进入到混炼室内部,影响炼胶质量,特别是医用橡胶以及一些不能加油胶种的混炼及终炼。碳/碳复合材料是一种将碳纤维制成的网胎和碳布根据所需要求,通过针刺使之叠层复合,制成预制体,再经过增密、炭化和石墨化处理而成,具有高比强度、高比模量、耐高温、耐烧蚀、热膨胀系数小、耐急冷急热而不变形不开裂等优良性能,特别适应于高温领域,现已成为或将逐步成为航空航天、冶金、新能源
等领域的重要基础材料之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现无油润滑的密炼机用碳/碳复合材料密封环及其生产方法。
本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的,一种碳/碳复合材料密封环,所述的密封环由碳纤维经制坯—增密—机加工制成,密封环的表观密度为1.2g/㎝3~2.0g/㎝3。
一种如上所述碳/碳复合材料密封环的生产方法,它包括以下步骤:
⑴制坯:将由碳纤维制成的网胎和碳布根据所需要求,通过针刺使之叠层复合,制成板状或环状预制体,所述预制体的表观密度0.3g/㎝3~0.7g/㎝3;
⑵增密:将步骤⑴所得的预制体经化学气相沉积增密,使预制体表观密度达到1.2g/㎝3~2.0g/㎝3后,经石墨化处理,制成坯体;
⑶机加工:将步骤⑵所得碳/碳复合材料坯体机加工成所需形状和尺寸的密封环成品。
本发明为缩短生产周期,降低成本,在步骤⑵中,化学气相沉积增密后进行浸渍固化增密:将坯体放入浸渍炉浸渍固化增密,使坯体表观密度达到1.2g/㎝3~2.0g/㎝3,经石墨化处理,制成坯体。
本发明在步骤⑴中,所述网胎的面密度为30 g/㎡~130g/㎡,碳布的面密度为180g/㎡~480g/㎡,叠层复合中,针刺深度为6㎜~25㎜;针刺密度3次/㎝2~10次/㎝2;层密度为5层/㎝~20层/㎝。
本发明为降低碳/碳复合材料密封环的生产成本,提高综合性能,所述密封环包括摩擦面、环体,摩擦面和环体均由碳纤维经制坯—增密—机加工制成,密封环摩擦面的表观密度为1.5g/㎝3~2.0g/㎝3,环体的表观密度为1.2g/㎝3~1.8g/㎝3,密封环摩擦面与环体采用密度梯度设置,它包括以下步骤:
⑴制坯:将由碳纤维制成的网胎和碳布根据所需要求,通过针刺使之叠层复合,制成板状或环状预制体,先将网胎与碳布通过针刺使之叠层复合成毡,再将毡与碳布通过针刺使之叠层复合成预制体中的摩擦面;然后在摩擦面上将网胎与碳布通过针刺使之叠层复合成环体,摩擦面与环体之间设有缓渗层,所述的缓渗层为膨胀石墨纸或硫酸纸,膨胀石墨纸或硫酸纸上设有孔,所述预制体中摩擦面的表观密度0.5g/㎝3~0.7g/㎝3,环体的表观密度0.3g/㎝3~0.5g/㎝3;
此段删除
此段删除
⑵增密:将步骤⑴所得的预制体经化学气相沉积增密,使预制体中摩擦面与环体的表观密度分别达到1.5g/㎝3~2.0g/㎝3、1.2g/㎝3~1.8g/㎝3后,经石墨化处理,制成坯体;
⑶机加工:将步骤⑵所得碳/碳复合材料坯体机加工成所需形状和尺寸的密封环成品。
本发明为有利于制作有密度梯度的预制体,在步骤⑴中,摩擦面与环体之间设有缓渗层,所述的缓渗层为膨胀石墨纸或硫酸纸;为保证坯体的强度,膨胀石墨纸或硫酸纸上设有孔。
本发明为缩短生产周期,降低成本,在步骤⑵中,化学气相沉积增密后进行浸渍固化增密:使摩擦面与环体的表观密度分别达到1.5g/㎝3~2.0g/㎝3、1.2g/㎝3~1.8g/㎝3,经石墨化处理,制成坯体。
本发明为使坯体在步骤⑵的浸渍固化增密中有利于形成摩擦面与环体的密度梯度,在环体表面设有缓渗层,所述的缓渗层为膨胀石
墨纸或硫酸纸。
本发明在步骤⑴中,所述网胎的面密度为30 g/㎡~130g/㎡,碳布的面密度为180g/㎡~480g/㎡,叠层复合中,针刺深度为6㎜~25㎜;针刺密度3次/㎝2~10次/㎝2;层密度为5层/㎝~20层/㎝。
由于采用上述技术方案,本发明较好的实现了发明目的,由碳/碳复合材料制成的密封环自润滑性能好,耐磨损,其耐腐蚀性能优良,保证了密炼机转子的密封效果及设备的安全运行,此外,密封环的摩擦面与环体采用密度梯度设置,降低了碳/碳复合材料密封环的生产成本,提高了综合性能。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图;
图2是本发明实施例5的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1:
由图1可知,一种碳/碳复合材料密封环,所述的密封环由碳纤维经制坯—增密—机加工制成,密封环的表观密度为1.2g/㎝3~2.0g/㎝3(本实施例为1.56g/㎝3)。
一种如上述碳/碳复合材料密封环的生产方法,它包括以下步骤:
⑴制坯:选取6㎜-70㎜长的短碳纤维,经开松设备开松成蓬松的针状纤维,然后把开松好的碳纤维经气流成网和/或梳理成网,再利用铺网机铺成纤维网,预刺成网胎。将由碳纤维制成的网胎和碳布根据所需密度要求,通过针刺使之叠层复合,制成板状或环状预制体(本实施例为环状)。所述预制体的表观密度0.3g/㎝3~0.7g/㎝3(本实施例为0.46g/㎝3)。叠层复合时,网胎的面密度为30 g/㎡~130g/㎡(本实施例为65g/㎡),碳布的面密度为180g/㎡~480g/㎡(本实施例为280g/㎡),针刺深度为6㎜~25㎜(本实施例为9㎜);针刺密度3次/㎝2~10次/㎝2(本实施例为7次/㎝2);层密度为5层/㎝~20层/㎝(本实施例为12层/㎝)。
⑵增密:将步骤⑴所得的预制体经化学气相沉积增密,使预制体表观密度达到1.2g/㎝3~2.0g/㎝3(本实施例为1.56g/㎝3)后,经石墨化处理,制成坯体。在化学气相沉积增密中,所用碳源气体为天然气,流量为15L/min~40 L/min(本实施例为29 L/min ),温度为850℃~1200℃(本实施例为1050℃),压力为0.5KPa~1.5KPa(本实施例为0.9KPa),增密1~4个周期(本实施例为3个周期),每个周期为60h~160h(本实施例为120h)。每次增密后,根据坯体表层具体情况,将密封环坯体表层用机加工方式剥离,以保证后续增密的增密效果。
⑶机加工:将步骤⑵所得碳/碳复合材料坯体机加工成所需形状和尺寸的密封环成品。
本实施例为便于装卸,密封环可采用剖分式结构;同时,为保证其密封性能,剖分后的动(静)密封环接触部位可设计成台阶式或公母榫等结构。
实施例2:
密封环的表观密度为1.8g/㎝3。
本实施例为缩短生产周期,降低成本,在步骤⑵中,在进行2个周期的化学气相沉积增密后,将坯体放入浸渍炉里浸没在热塑性树脂(本实施例为呋喃树脂)中进行浸渍固化增密。化学气相沉积增密后的坯体表观密度达到1.2g/㎝3,再将坯体放入浸渍炉浸渍固化增密,使坯体表观密度达到1.8g/㎝3,经石墨化处理,制成坯体。
浸渍固化增密中,浸渍温度为50℃~80℃,压力为1MPa~3MPa,浸渍时间为1.5h~4h;固化温度为160℃~230℃,压力为1MPa~3MPa,固化时间为1.5h~4h,浸渍固化增密1~3个周期。
本实施例采用2个浸渍固化增密周期,且在第1个周期后,将经第1次浸渍固化增密后的坯体进行炭化处理,并将其表层用机加工方式剥离,以保证第2次浸渍固化增密周期的增密效果。
第1次浸渍固化增密时,浸渍温度为60℃,压力为1.5MPa,浸渍时间为2.5h;固化温度为200℃,压力为1MPa,固化时间为3h,坯体表观密度为1.55㎝3;第2次浸渍固化增密时,浸渍温度为60℃,压力为2.5MPa,浸渍时间为2.5h;固化温度为200℃,压力为1MPa,固化时间为2h。
余同实施例1。
实施例3:
本发明为降低碳/碳复合材料密封环的生产成本,提高综合性能,密封环的摩擦面与环体采用密度梯度设置。
一种碳/碳复合材料密封环,密封环包括摩擦面1、环体2,摩擦面1和环体2均由碳纤维经制坯—增密—机加工制成,密封环摩擦面1的表观密度为1.5g/㎝3~2.0g/㎝3(本实施例为1.8g/㎝3),环体2的表观密度为1.2g/㎝3~1.8g/㎝3(本实施例为1.5g/㎝3)。
一种如上述碳/碳复合材料密封环的生产方法,它包括以下步骤:
⑴制坯:选取6㎜-70㎜长的短碳纤维,经开松设备开松成蓬松的针状纤维,然后把开松好的碳纤维经气流成网和/或梳理成网,再利用铺网机铺成纤维网,预刺成网胎。将由碳纤维制成的网胎和碳布根据所需密度要求,通过针刺使之叠层复合,制成板状或环状预制体(本实施例为环状)。先将网胎与碳布通过针刺使之叠层复合成毡,再将毡与碳布通过针刺使之叠层复合成预制体中的摩擦面1;然后在摩擦面1上将网胎与碳布通过针刺使之叠层复合成环体2。所述预制体中摩擦面1的表观密度0.5g/㎝3~0.7g/㎝3(本实施例为0.6g/㎝3),环体2的表观密度0.3g/㎝3~0.5g/㎝3(本实施例为0.4g/㎝3)。叠层复合时,网胎的面密度为30 g/㎡~130g/㎡(本实施例为75g/㎡),碳布的面密度为180g/㎡~480g/㎡(本实施例为320g/㎡),针刺深度为6㎜~25㎜(本实施例为9㎜);针刺密度3次/㎝2~10次/㎝2(本实施例为7次/㎝2);摩擦面1的层密度为5层/㎝~20层/㎝(本实施例为15层/㎝),环体2的层密度为5层/㎝~20层/㎝(本实施例为10层/㎝)。
⑵增密:将步骤⑴所得的预制体经化学气相沉积增密,使预制体中摩擦面1与环体2的表观密度分别达到1.5g/㎝3~2.0g/㎝3(本实施例为1.8g/㎝3)、1.2g/㎝3~1.8g/㎝3(本实施例为1.5g/㎝3)后,经石墨化处理,制成坯体。在化学气相沉积增密中,所用碳源气体为天然气,流量为15L/min~40 L/min(本实施例为29 L/min ),温度为850℃~1200℃(本实施例为1050℃),压力为0.5KPa~1.5Kpa
(本实施例为0.9KPa),增密1~4个周期(本实施例为3个周期),每个周期为60h~160h(本实施例为100h)。每次增密后,根据坯体
表层具体情况,将密封环坯体表层用机加工方式剥离,以保证后续增密的增密效果。
⑶机加工:将步骤⑵所得碳/碳复合材料坯体机加工成所需形状和尺寸的密封环成品。
本实施例为便于装卸,密封环可采用剖分式结构;同时,为保证其密封性能,剖分后的动(静)密封环接触部位可设计成台阶式或公母榫等结构。
实施例4:
一种碳/碳复合材料密封环,密封环摩擦面1的表观密度为1.5g/㎝3~2.0g/㎝3(本实施例为1.8g/㎝3),环体2的表观密度为1.2g/㎝3~1.8g/㎝3(本实施例为1.5g/㎝3)。
本实施例为缩短生产周期,降低成本,在步骤⑵中,在进行1个周期的化学气相沉积增密后(本周期为160h),将坯体放入浸渍炉里浸没在热塑性树脂(本实施例为糠酮树脂)中进行浸渍固化增密。化学气相沉积增密后摩擦面1的表观密度达到1.2g/㎝3,环体2的表观密度达到0.9g/㎝3,再将坯体放入浸渍炉浸渍固化增密,摩擦面1的表观密度达到1.8g/㎝3,环体2的表观密度达到1.5g/㎝3,经石墨化处理,制成坯体。
浸渍固化增密中,浸渍温度为50℃~80℃,压力为1MPa~3MPa,浸渍时间为1.5h~4h;固化温度为160℃~230℃,压力为1MPa~3MPa,固化时间为1.5h~4h,浸渍固化增密1~3个周期。
本实施例采用2个浸渍固化增密周期,且在第1个周期后,将经第1次浸渍固化增密后的坯体进行炭化处理,并将其表层用机加工方
式剥离,以保证第2次浸渍固化增密周期的增密效果。
第1次浸渍固化增密时,浸渍温度为60℃,压力为1.5MPa,浸渍时间为2.5h;固化温度为200℃,压力为1MPa,固化时间为3h,坯体表观密度为1.55㎝3;第2次浸渍固化增密时,浸渍温度为60℃,压力为2.5MPa,浸渍时间为2.5h;固化温度为200℃,压力为1MPa,固化时间为2h。
余同实施例3。
实施例5:
由图2可知,本实施例为有利于制作有密度梯度的预制体,在步骤⑴中,摩擦面1与环体2之间设有缓渗层3,所述的缓渗层3为膨胀石墨纸或硫酸纸(本实施例为膨胀石墨纸),使预制体在步骤⑵的化学气相沉积增密中形成密度梯度;为保证坯体的强度,膨胀石墨纸上设有孔。
余同实施例3。
实施例6:
本实施例为制作有密度梯度的坯体,在步骤⑵中,当进行浸渍固化增密时,环体2表面设有缓渗层3,所述的缓渗层3为膨胀石墨纸或硫酸纸(本实施例为硫酸纸),使坯体在步骤⑵的浸渍固化增密中有利于形成摩擦面1与环体2的密度梯度。
余同实施例4。
Claims (4)
1.一种碳/碳复合材料密封环的生产方法,其特征是密封环包括摩擦面(1)、环体(2),摩擦面(1)和环体(2)均由碳纤维经制坯—增密—机加工制成,密封环摩擦面(1)的表观密度为1.5g/㎝3~2.0g/㎝3,环体(2)的表观密度为1.2g/㎝3~1.8g/㎝3,密封环摩擦面(1)与环体(2)采用密度梯度设置,它包括以下步骤:
⑴制坯:将由碳纤维制成的网胎和碳布根据所需要求,通过针刺使之叠层复合,制成板状或环状预制体,先将网胎与碳布通过针刺使之叠层复合成毡,再将毡与碳布通过针刺使之叠层复合成预制体中的摩擦面(1);然后在摩擦面(1)上将网胎与碳布通过针刺使之叠层复合成环体(2),摩擦面(1)与环体(2)之间设有缓渗层(3),所述的缓渗层(3)为膨胀石墨纸或硫酸纸,膨胀石墨纸或硫酸纸上设有孔,所述预制体中摩擦面(1)的表观密度0.5g/㎝3~0.7g/㎝3,环体(2)的表观密度0.3g/㎝3~0.5g/㎝3;
⑵增密:将步骤⑴所得的预制体经化学气相沉积增密,使预制体中摩擦面(1)与环体(2)的表观密度分别达到1.5g/㎝3~2.0g/㎝3、1.2g/㎝3~1.8g/㎝3后,经石墨化处理,制成坯体;
⑶机加工:将步骤⑵所得碳/碳复合材料坯体机加工成所需形状和尺寸的密封环成品。
2.根据权利要求1所述碳/碳复合材料密封环的生产方法,其特征是在步骤⑵中,化学气相沉积增密后进行浸渍固化增密:使摩擦面(1)与环体(2)的表观密度分别达到1.5g/㎝3~2.0g/㎝3、1.2g/㎝3~1.8g/㎝3,经石墨化处理,制成坯体。
3.根据权利要求2所述碳/碳复合材料密封环的生产方法,其特征是在步骤⑵的浸渍固化增密中,在环体(2)表面设有缓渗层(3),所述的缓渗层(3)为膨胀石墨纸或硫酸纸。
4.根据权利要求1所述碳/碳复合材料密封环的生产方法,其特征是在步骤⑴中,所述网胎的面密度为30 g/㎡~130g/㎡,碳布的面密度为180g/㎡~480g/㎡,叠层复合中,针刺深度为6㎜~25㎜;针刺密度3次/㎝2~10次/㎝2;层密度为5层/㎝~20层/㎝。
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