CN102146552B - 一种铜/石墨复合材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铜/石墨复合材料及其制造方法。该复合材料以碳质石墨为基体材料，以锡青铜合金为浸渍金属。该复合材料制造方法步骤为：(1)在热处理炉内将锡青铜合金熔化成熔融液，浸没碳质石墨料块，冷却后形成包覆石墨料块的铜包套；(2)将步骤(1)所得铜包套放进热等静压机内进行热等静压浸渍，温度在1100～1300℃，氩气气氛，压力在60～80MPa，并保温保压60～120min，之后带压冷却；(3)将步骤(2)所得的铜包套取出，采取机械加工方法解剖铜包套，即可脱模得到铜/石墨复合材料成品。本发明的铜/石墨复合材料适用于高参数(温度变化在-253～350℃、转速10000rpm以上)机械动密封或轴承。

Description

一种铜/石墨复合材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种铜/石墨复合材料及其制造方法，其制成的浸铜石墨用于机械动密封或轴承。
背景技术
浸银、浸铜石墨为机械用碳石墨里力学性能最高一类，一般用于高参数动密封工况。据资料报道，美国RL-10-A氢氧发动机采用了Pure Carbon公司生产的浸银石墨(P5Ag)作为液氢和气氢工况条件下的动密封材料。据查，PureCarbon公司已并入摩根集团公司，P5Ag为美(西)方军工用途石墨，我国难以获得。我国某型氢氧发动机涡轮泵动密封，其工况特点为液氢液氧超低温介质、高速与大跨度温度变化(-253～350℃)，普通石墨材料难以满足使用要求。美国已有浸银石墨(P5Ag)作为液氢和气氢工况动密封使用实例，依据Cu、Ag元素的化学相似性，并考虑成本因素，本发明提出了使用浸铜石墨的设想。但国产浸铜石墨机械性能偏低，而国外高性能浸铜石墨难以获得。
目前国内外生产、制造浸金属碳石墨材料的各种工艺方法大体过程如下表1，具体技术细节各公司均保密：
表1碳石墨材料浸金属工艺方法汇总
  序号   方法   工艺过程   特点
  1   压力釜式加压1   釜内加热、气体加压操纵浸渍   加热、加压一体，浸渍加压时间可长，热脱模，机械臂在釜内高温操作时间受限
  2   压力釜式加压2   釜外加热，釜内气体加压、操纵浸渍   加热、加压分开，无加热条件下金属熔融时段要完成加压和热脱模动作，浸渍加压时间很短
  3   钟罩式加压   罩外加热、操纵浸没，罩内气体   高温、高压分开，无加热条件下金属熔融时段要完成加压和热脱模动作，浸渍加压
  加压   时间很短
  4   机械加压法1   金属粉末通电熔化，机械加压   加热、加压一体，在空气中进行，高温机械动作，时间很短，热脱模
  5   机械加压法2   熔融金属表面冷却凝固，机械加压   加热、加压分开，无加热条件下金属熔融时段要完成加压和热脱模动作，浸渍加压时间很短
以上几种浸金属工艺，可分为气体加压法和机械加压法两大类，前者包括压力釜式加压和钟罩式加压两种方式，后者包括金属熔融加压和熔融金属表面凝固加压两种方式。这几种工艺的共同点是热出炉方式脱模，即趁热从金属中取出已浸的碳石墨料块或制品，这将需要高温机械动作；从材料复合的角度看，将产生两个负面作用：1.已浸入石墨基材气孔中的熔融金属液将渗出一部分；2.由于金属收缩系数大于碳石墨基体，冷却凝固过程中二者的异步收缩将产生微小间隙；可见这两个作用都将降低致密化效果。
对浸渍锡、锑、巴氏合金等中低熔点金属而言，这些方法大都可行；但浸渍铜、银合金等高熔点金属，对设备的要求更高，上述方法的浸渍复合效果还不够理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高参数(温度变化在-253～350℃、转速10000rpm以上)机械动密封或轴承的铜/石墨复合材料及其制造方法。
本发明所述的一种铜/石墨复合材料，其以碳质石墨为基体材料，以锡青铜合金为浸渍金属；所述的碳质石墨的密度在1.50～1.70g/cm3、开口气孔率≥15％、肖氏硬度≥50HS、抗压强度≥90MPa；所述的锡青铜合金组成包括质量百分比为3.5～7.0％的锡，质量百分比为93～96.5％的铜。
本发明所述的一种铜/石墨复合材料制造方法，其包括如下步骤：
(1)在热处理炉内将锡青铜合金熔化成熔融液，浸没碳质石墨料块，冷却后形成包覆石墨料块的铜包套；
(2)将步骤(1)所得铜包套放进热等静压机内进行热等静压浸渍，温度在1100～1300℃，氩气气氛，压力在60～80MPa，并保温保压60～120min，之后带压冷却；
(3)将步骤(2)所得的铜包套取出，采取机械加工方法解剖铜包套，即可脱模得到铜/石墨复合材料成品。
如上所述的一种铜/石墨复合材料制造方法，其所采用的碳质石墨的密度在1.50～1.70g/cm3、开口气孔率≥15％、肖氏硬度≥50HS、抗压强度≥90MPa；所述的锡青铜合金组成包括质量百分比为3.5～7.0％的锡，质量百分比为93～96.5％的铜。
如上所述的一种铜/石墨复合材料制造方法，其步骤(1)所述的碳质石墨料块先根据需要进行外形加工后再浸渍于熔融锡青铜液中。
如上所述的一种铜/石墨复合材料制造方法，其步骤(1)所述的在热处理炉内熔化锡青铜合金是在温度1100～1300℃下，保温10～20min。
本发明的效果在于：
本发明所述的铜/石墨复合材料为一种新型浸铜石墨，其气孔率很低而力学性能很高，例如典型产品性能：体积密度3.20g/cm3，气孔率0.8％，肖氏硬度(HS)83，抗压强度350MPa，抗折强度110Mpa；微观结构表现为浸入金属铜的连续性较好。该材料具有很高的机械强度和韧性、较好的摩擦润滑性能，满足了某型氢氧涡轮泵氢环境工况下高参数(温度变化在-253～350℃、转速10000rpm以上)的动密封要求。
本发明所述的一种铜/石墨复合材料制造方法，主要分为浇铸和热压两步进行，分别在热处理炉和热等静压机内进行，不需要高温机械动作，加压浸渍时间可以延长，有利熔融锡青铜液与碳质石墨基体充分浸润，提高致密化效果。加压浸渍保温结束之后，浸锡青铜石墨与熔融锡青铜液不分开，即铜包套带压冷却，由熔融态逐步冷却凝固过程中，包覆浸锡青铜的石墨的铜包套整体向心收缩，由于高压作用，铜合金将不断填充它与碳石墨基体异步收缩产生的间隙，因而不会产生新的微气孔，大大提高致密化效果，这就是该法制得的浸锡青铜石墨气孔率很低而力学性能很高的主要原因。出炉后，采取机械加工方法解剖铜包套，即可脱模得到铜/石墨复合材料成品型材。
附图说明
图1为本发明所述的铜/石墨复合材料制造方法工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种铜/石墨复合材料及其制造方法作进一步描述。
实施例1
本发明所述的一种铜/石墨复合材料，其以碳质石墨为基体材料，以锡青铜合金为浸渍金属。
如图1所示，上述铜/石墨复合材料制造方法如下：
(1)碳质石墨料块先根据需要进行外形加工；然后在热处理炉内将锡青铜合金熔化成熔融液，浸没碳质石墨料块，冷却后形成包覆石墨料块的铜包套。所采用的锡青铜合金组成包括质量百分比为5.2％的锡，其余为铜；熔化锡青铜合金是在温度1150℃下，保温12min。所采用的碳质石墨的密度在1.50g/cm3、开口气孔率22.9％、肖氏硬度55HS、抗压强度70MPa。
(2)将步骤(1)所得铜包套放进热等静压机内进行热等静压浸渍，温度在1200℃，氩气气氛，压力在70MPa，并保温保压100min；然后在70MPa下带压冷却。
(3))将步骤(2)所得的铜包套取出，采取机械加工方法解剖铜包套，即可脱模得到铜/石墨复合材料成品。
该铜/石墨复合材料成品性能：直径为Φ70mm，体积密度3.4g/cm3，气孔率0.5％，肖氏硬度86HS，抗压强度488MPa，抗折强度135Mpa；微观结构表现为浸入金属铜的连续性较好。综合而言，该材料具有很高的机械强度和韧性、较好的摩擦润滑性能，满足了某型氢氧涡轮泵氢环境工况下高参数(温度变化在-253～350℃、转速10000rpm以上)的动密封要求。
实施例2
本发明所述的一种铜/石墨复合材料，其以碳质石墨为基体材料，以锡青铜合金为浸渍金属。
如图1所示，上述铜/石墨复合材料制造方法如下：
(1)碳质石墨料块先根据需要进行外形加工；然后在热处理炉内将锡青铜合金熔化成熔融液，浸没碳质石墨料块，冷却后形成包覆石墨料块的铜包套。所采用的碳质石墨的密度在1.60g/cm3、开口气孔率18.9％、肖氏硬度55HS、抗压强度80MPa。所采用的锡青铜合金组成包括质量百分比为3％的锡，其余为铜；锡青铜合金熔化温度1100℃，保温20min。
(2)将步骤(1)所得铜包套放在热等静压机内进行热等静压浸渍，温度在1100℃，氩气气氛，压力在60MPa，并保温保压120min，之后带压冷却。
(3))将步骤(2)所得铜包套取出，采取机械加工方法解剖铜包套，即可脱模得到铜/石墨复合材料成品。
该铜/石墨复合材料成品性能：直径为Φ70mm，体积密度3.25g/cm3，气孔率0.6％，肖氏硬度87HS，抗压强度426MPa，抗折强度125Mpa；微观结构表现为浸入金属铜的连续性较好。综合而言，该材料具有很高的机械强度和韧性、较好的摩擦润滑性能，满足了某型氢氧涡轮泵氢环境工况下高参数(温度变化在-253～350℃、转速10000rpm以上)的动密封要求。
实施例3
本发明所述的一种铜/石墨复合材料，其以碳质石墨为基体材料，以锡青铜合金为浸渍金属。
如图1所示，上述铜/石墨复合材料制造方法如下：
(1)碳质石墨料块先根据需要进行外形加工；然后在热处理炉内将锡青铜合金熔化成熔融液，浸没碳质石墨料块，冷却后形成包覆石墨料块的铜包套。所采用的碳质石墨的密度在1.60g/cm3、开口气孔率18.9％、肖氏硬度55HS、抗压强度80MPa。所采用的锡青铜合金组成包括质量百分比为5.2％的锡，其余为铜。在热处理炉内将锡青铜合金熔化温度1200℃，保温15min。
(2)步骤(1)所得铜包套放进热等静压机内进行热等静压浸渍，温度在1200℃，氩气气氛，压力在70MPa，并保温保压90min；然后将铜包套在70MPa下带压冷却。
(3))将步骤(2)所得铜包套取出，采取机械加工方法解剖铜包套，即可脱模得到铜/石墨复合材料成品。
该铜/石墨复合材料成品性能：直径为Φ70mm，体积密度3.25g/cm3，气孔率0.6％，肖氏硬度87HS，抗压强度430MPa，抗折强度122Mpa；微观结构表现为浸入金属铜的连续性较好。综合而言，该材料具有很高的机械强度和韧性、较好的摩擦润滑性能，满足了某型氢氧涡轮泵氢环境工况下高参数(温度变化在-253～350℃、转速10000rpm以上)的动密封要求。
实施例4
本发明所述的一种铜/石墨复合材料，其以碳质石墨为基体材料，以锡青铜合金为浸渍金属。
如图1所示，上述铜/石墨复合材料制造方法如下：
(1)碳质石墨料块先根据需要进行外形加工；然后在热处理炉内将锡青铜合金熔化成熔融液，浸没碳质石墨料块，冷却后形成包覆石墨料块的铜包套。所采用的碳质石墨的密度在1.60g/cm3、开口气孔率18.9％、肖氏硬度55HS、抗压强度80MPa。所采用的锡青铜合金组成包括质量百分比为5.2％的锡，其余为铜。锡青铜合金熔化温度1300℃，保温10min。
(2)将步骤(1)所得铜包套放在热等静压机内进行热等静压浸渍，温度在1300℃，氩气气氛，压力在80MPa，并保温保压60min；然后铜包套在80MPa下带压冷却。
(3))将步骤(2)所得铜包套取出，采取机械加工方法解剖铜包套，即可脱模得到铜/石墨复合材料成品。
该铜/石墨复合材料成品性能：直径为Φ120mm，体积密度3.18g/cm3，气孔率0.7％，肖氏硬度85HS，抗压强度420MPa，抗折强度124Mpa；微观结构表现为浸入金属铜的连续性较好。综合而言，该材料具有很高的机械强度和韧性、较好的摩擦润滑性能，满足了某型氢氧涡轮泵氢环境工况下高参数(温度变化在-253～350℃、转速10000rpm以上)的动密封要求。
实施例5
本发明所述的一种铜/石墨复合材料，其以碳质石墨为基体材料，以锡青铜合金为浸渍金属。
如图1所示，上述铜/石墨复合材料制造方法如下：
(1)碳质石墨料块先根据需要进行外形加工；然后在热处理炉内将锡青铜合金熔化成熔融液，浸没碳质石墨料块，冷却后形成包覆石墨料块的铜包套。所采用的碳质石墨的密度在1.60g/cm3、开口气孔率18.9％、肖氏硬度55HS、抗压强度80MPa；所采用的锡青铜合金组成包括质量百分比为7％的锡，其余为铜。锡青铜合金熔化温度1100℃，保温20min。
(2)将步骤(1)所得铜包套放进热等静压机内进行热等静压浸渍，温度在1300℃，氩气气氛，压力在60MPa，并保温保压60min；之后在60MPa铜包套带压冷却。
(3))将步骤(2)所得铜包套取出，采取机械加工方法解剖铜包套，即可脱模得到铜/石墨复合材料成品。
该铜/石墨复合材料成品性能：直径为Φ70mm，体积密度3.2g/cm3，气孔率0.7％，肖氏硬度84HS，抗压强度416MPa，抗折强度126Mpa；微观结构表现为浸入金属铜的连续性较好。综合而言，该材料具有很高的机械强度和韧性、较好的摩擦润滑性能，满足了某型氢氧涡轮泵氢环境工况下高参数(温度变化在-253～350℃、转速10000rpm以上)的动密封要求。
实施例6
本发明所述的一种铜/石墨复合材料，其以碳质石墨为基体材料，以锡青铜合金为浸渍金属。
如图1所示，上述铜/石墨复合材料制造方法如下：
(1)碳质石墨料块先根据需要进行外形加工；然后在热处理炉内将锡青铜合金熔化成熔融液，浸没碳质石墨料块，冷却后形成包覆石墨料块的铜包套。所采用的碳质石墨的密度在1.70g/cm3、开口气孔率16.6％、肖氏硬度55HS、抗压强度100MPa；所采用的锡青铜合金组成包括质量百分比为5.2％的锡，其余为铜。在热处理炉内将锡青铜合金熔化温度1250℃，保温17min。
(2)将步骤(1)所得铜包套放进热等静压机内进行热等静压浸渍，温度在1250℃，氩气气氛，压力在65MPa，并保温保压80min；之后带压冷却。
(3))将步骤(2)所得铜包套取出，采取机械加工方法解剖铜包套，即可脱模得到铜/石墨复合材料成品。
该铜/石墨复合材料成品性能：直径为Φ70mm，体积密度3.05m3，气孔率0.5％，肖氏硬度84HS，抗压强度323MPa，抗折强度115Mpa；微观结构表现为浸入金属铜的连续性较好。综合而言，该材料具有很高的机械强度和韧性、较好的摩擦润滑性能，满足了某型氢氧涡轮泵氢环境工况下高参数(温度变化在-253～350℃、转速10000rpm以上)的动密封要求。

Claims (3)

1.一种铜/石墨复合材料制造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)在热处理炉内将锡青铜合金熔化成熔融液，浸没碳质石墨料块，冷却后形成包覆石墨料块的铜包套；所采用的碳质石墨的密度在1.50～1.70g/cm3、开口气孔率≥15％、肖氏硬度≥50HS、抗压强度≥90MPa；所述的锡青铜合金组成包括质量百分比为3.5～7.0％的锡，质量百分比为93～96.5％的铜；
(2)将步骤(1)所得铜包套放进热等静压机内进行热等静压浸渍，温度在1100～1300℃，氩气气氛，压力在60～80MPa，并保温保压60～120min，之后带压冷却；
(3)将步骤(2)所得的铜包套取出，采取机械加工方法解剖铜包套，即可脱模得到铜/石墨复合材料成品。
2.根据权利要求1所述的一种铜/石墨复合材料制造方法，其特征在于：步骤(1)所述的碳质石墨料块先根据需要进行外形加工后再浸渍于熔融锡青铜液中。
3.根据权利要求1所述的一种铜/石墨复合材料制造方法，其特征在于：步骤(1)所述的在热处理炉内熔化锡青铜合金是在温度1100～1300℃下，保温10～20min。
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