CN102337442B

CN102337442B - 一种金属陶瓷密封环材料及其制备方法

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Publication number: CN102337442B
Application number: CN2011102871268A
Authority: CN
Inventors: 熊计; 郭智兴; 杨梅; 万维财; 董广彪
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: CN102337442A

Abstract

本发明公开了一种金属陶瓷密封环材料及其制备方法，其特征是将（W,Cr）C和（W,Ti）C粉末经过预球磨作为主要添加剂，并与Ni、Co、Ti(C,N)混合后用粉末冶金方法制备成金属陶瓷密封环。本发明的金属陶瓷密封环克服了目前存在的诸如添加Ti、Al、不饱和CK料而引起脆性大，Fe、Mo金属对耐腐蚀性能有不利影响，TaC等添加物价格昂贵等问题。

Description

一种金属陶瓷密封环材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种瓷密封环材料及其制备方法，特别金属陶瓷轻质密封环材料及制备方法，属于粉末冶金和金属陶瓷领域。

背景技术

在石油、化工、水利水电等行业中，使用包括电潜(潜水、油)泵、泥浆泵、水泥泵、海水提升泵、水增压泵、注水泵、输油泵、消防泵、化学剂注入泵及计量泵等多种泵，用来将各种液体介质，例如石油、成品油、化工原料、中间产品和成品，输送到各个地方。为防止泵运行过程中液体从叶轮出口流向叶轮进口，或者从泵腔内通过外伸轴间隙处流向泵外，而导致泵的主要零件如泵体、叶轮和泵盖很快损坏,通常在间隙处设置一种承受摩擦和磨损的零件,这种零件被称为密封环,又称为口环,在国外常称耐磨环。密封环起到阻止液体从高压区向低压区泄漏、提高泵的效率、增强泵的运转可靠性的作用。由于这些行业输送的液体多具有强腐蚀性、毒性、易燃、易爆性，有较高的粘性、磨蚀性和易挥发性，有的包含固体颗粒，甚至存在常压、高压，常温、低温、高温，流量范围变化大等特点。因此对密封环的要求材质强度高，对密封性、耐腐蚀性、耐磨损性以及汽蚀性能都有较高的要求。

WC基硬质合金因具有高硬度、耐磨性和优异的耐腐蚀性能等优点而被广泛用于上述行业中的泵用密封环。由于传统的WC基硬质合金的主要原料WC属于稀缺的战略资源，价格昂贵，而Ti资源储量是W资源的70倍以上，因此以资源丰富价格相对低下的TiC为主要原料的金属陶瓷已经开始逐渐取代硬质合金用于制备密封环。金属陶瓷大量使用储量丰富的Ti、Ni，避免了传统WC硬质合金对昂贵稀缺的战略资源W，Co的依赖和大量消耗，具有极大的资源优势和成本优势。同时金属陶瓷具有低密度、低的摩擦系数、高硬度、高耐腐蚀性和耐磨性的优点，可用于高温和冲蚀磨损等场合。

200610155270.5发明了一种轻质硬质合金密封环，密封材料由碳化钛、镍、碳化钨和钛组成，其组成含量碳化钛粉为80～90％重量，镍粉为5～10％重量，碳化钨粉为3～5％重量，钛粉为2～5％重量。但是金属Ti的存在，一方面容易夺碳反应造成金属陶瓷体系脱碳，另一方面，Ti金属添加与金属陶瓷粘结剂在高温下容易形成Ni₃Ti等金属间化合物，这两种反应都会到导致金属陶瓷脆性增大，韧性下降。200410082961.8公开一种耐磨耐蚀金属陶瓷刀刃材料，其特征在于：所述刀刃材料以TiC 颗粒为基体，含有Ni粉25.0～40.0wt.％、Cr粉6.0～10.0wt.％、少量的 Al粉和Ti粉，Al粉和Ti粉的总含量低于3.0wt.％。本发明耐磨耐蚀金属陶瓷刀刃材料，具有耐磨性、耐蚀性、抗氧化性好，高温硬度、强度高，制造成本低等优点。用该材料制作的耐蚀耐磨金属陶瓷复合材料塑料切粒刀，适合于塑料、木材和造纸等行业的切削加工。也可用该材料制作模具、喷嘴和密封环等耐磨耐腐蚀机械零部件。该发明的金属陶瓷材料含有Al粉和Ti粉,因此同样存在脱碳和生成金属间化合物而产生脆性的问题。200910167995.X公开了一种轻质微晶硬质合金密封环材料由碳化钛、碳化钨、碳化铬、碳化钽和金属镍组成；制备方法主要是采用了预制的CK料(WC+TiC的固溶体)为原料主体，添加适量的难熔金属化合物Cr₃C₂、TaC为添加剂。但该法采用的含WC为5-50%的WC+TiC的固溶体属于未饱和固溶体，容易因成分梯度而出现环形结构并导致硬质合金脆性增大，TaC价格十分昂贵。200710048643.3公开了一种工程材料，是适用于泵类、阀类等机械密封用的碳氮化钛基金属陶瓷材料。是利用来源广泛、价格低廉的Ti(C，N)粉体为基本材料，辅以粘结剂、晶粒抑制剂及其它添加剂。其粘结剂为Fe、Co、Ni的一种或者他们的混合物；其晶粒抑制剂为Mo、Mo₂C、VC、Cr₃C₂的一种或者他们的混合物；其它添加剂包括WC、TaC、NbC、HfC、C、Y、Er、SiC晶须的一种或者他们的混合物，但未说明金属陶瓷的具体成分配方。该法中使用的Fe、Mo等金属对材料的耐腐蚀性能存在不利影响，而TaC、NbC、SiC晶须等原料的价格十分昂贵，不利于工业应用。

发明内容

目前，目前的轻质密封环制备中存在诸如添加Ti、Al、不饱和CK料而引起脆性大，Fe、Mo等金属对耐腐蚀性能有不利影响，TaC等添加物价格昂贵等问题。因此本发明针对目前存在的问题，发明了一种金属陶瓷轻质密封环材料及制备方法。

本发明的金属陶瓷密封环，其特征在于，其成分按重量百分比，粒度为0.8～1.5μm的（W,Cr）C占5～20%，粒度为1.0～2.5μm的（W,Ti）C占5～20%，粒度为0.8～2.0μm的Ni占5～20%，粒度为0.8～1.5μm的Co占5～20%，其余为粒度为0.8～2.5μm的Ti（C，N）。

本发明的金属陶瓷密封环的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：（1）混合料制备。按权利要求1的重量百分比称取（W,Cr）C与（W,Ti）C粉末及Ni、Co、Ti(C,N)粉，球磨过程中先将（W,Cr）C与（W,Ti）C粉末并加入到球磨机，同时加入油酸和PEG6000成型剂，并球磨12～24h；然后加入Ni、Co、Ti(C,N)粉再球磨24～48h,球磨结束后过滤、干燥后制成混合料。（2）压制成型与真空烧结。混合粉末在300～500MPa下压制成密封环生坯；生坯在真空炉中在500℃～600℃进行，保温2～4h，真空度为10～15Pa下脱除成型剂。在烧结温度为1350～1450℃，保温时间为1～3h, 真空度为1～5 Pa下完成烧结。（3）低压烧结。将烧结好的金属陶瓷密封环放入低压烧结炉中，低压烧结在1350℃～1400℃下进行，保温时间90～120min, 氩气压力为3～8MPa。

本发明的金属陶瓷密封环，其进一步的特征在于：Ti（C，N）粉末中的C:N原子比为7：3，（W,Cr）C粉末中W:Cr重量比为(95～99.5):(0.5～5)，（W,Ti）C粉末中WC:TiC重量比为7:3。

本发明的金属陶瓷密封环的制备方法，其进一步的特征在于：其进一步的特征在于：金属陶瓷混合粉末的球磨介质为无水乙醇，其加量为100～500ml，PEG6000成型剂的加入量为2～8wt%，油酸的加入量为0.5～2wt%,球磨速度为60～100r/min, 研磨球为Φ6mm的WC-6wt%Ni硬质合金球, 球料重量比为5：1～15：1；球磨最终结束后金属陶瓷料浆经400目过滤，真空干燥处理温度为85℃～120℃，真空度为1～5 Pa；在300～500MPa下压制成生坯。

本发明的优点在于：（1）以Ti(C,N)为基的金属陶瓷密封环具有比传统硬质合金更低的密度、重量；更好的耐腐蚀性和明显的资源优势。（2）制备的金属陶瓷密封环，不含有Ti、Al、且采用的是WC:TiC重量比为7:3的饱和（W,Ti）C，可避免脆性相的生成、提高材料的力学性能；不含TaC等成分，具有巨大的成本优势。（3）（W,Cr）C与（W,Ti）C粉末取代Mo作以形成Ti(C,N)和Ni之间的过渡环形相，改善润湿性，特别是球磨细化后具有高的烧结活性，而且能避免Mo的对耐腐蚀性的不利影响。

具体实施方式

实例1：按重量百分比称取原料制备无钼金属陶瓷，粒度为1.3μm的（W,Cr）C占5%，粒度为2.5μm的（W,Ti）C占10%，粒度为1.5μm的Ni占10%，粒度为1.2μm的Co占6%，其余为粒度为1.8μm的Ti（C，N），Ti（C，N）粉末中的C:N原子比为7：3，（W,Cr）C粉末中W:Cr重量比为98:2，（W,Ti）C粉末中WC:TiC重量比为7:3。球磨过程中先将（W,Cr）C与（W,Ti）C粉末并加入到球磨机，同时加入油酸和PEG6000成型剂，并球磨24h；然后加入Ni、Co、Ti(C,N)粉再球磨36h, 球磨介质为无水乙醇，其加量为280ml，PEG6000成型剂的加入量为2wt%，油酸的加入量为1wt%,球磨速度为65r/min, 研磨球为Φ6mm的WC-6wt%Ni硬质合金球, 球料重量比为5：1；球磨最终结束后金属陶瓷料浆经400目过滤，真空干燥处理温度为85℃，真空度为3 Pa；混合粉末在300MPa下压制成密封环生坯；生坯在真空炉中在550℃进行，保温2.5h，真空度为13Pa下脱除成型剂。在烧结温度为1450℃，保温时间为1.5h, 真空度为3 Pa下完成烧结。将烧结好的金属陶瓷密封环放入低压烧结炉中，低压烧结在1380℃下进行，保温时间90min, 氩气压力为6MPa。所制备的金属陶瓷密封环致密度达99.7%，硬度92.6HRA，抗弯强度1530MPa。

实例2：按重量百分比称取原料制备无钼金属陶瓷，粒度为0.8μm的（W,Cr）C占6%，粒度为2.0μm的（W,Ti）C占15%，粒度为1.6μm的Ni占8%，粒度为1.2μm的Co占15%，其余为粒度为1.9μm的Ti（C，N），Ti（C，N）粉末中的C:N原子比为7：3，（W,Cr）C粉末中W:Cr重量比为99:1，（W,Ti）C粉末中WC:TiC重量比为7:3。球磨过程中先将（W,Cr）C与（W,Ti）C粉末并加入到球磨机，同时加入油酸和PEG6000成型剂，并球磨16h；然后加入Ni、Co、Ti(C,N)粉再球磨48h, 球磨介质为无水乙醇，其加量为450ml，PEG6000成型剂的加入量为5wt%，油酸的加入量为0.5wt%,球磨速度为80r/min, 研磨球为Φ6mm的WC-6wt%Ni硬质合金球, 球料重量比为10：1；球磨最终结束后金属陶瓷料浆经400目过滤，真空干燥处理温度为100℃，真空度为5 Pa；混合粉末在500MPa下压制成密封环生坯；生坯在真空炉中在600℃进行，保温2h，真空度为15Pa下脱除成型剂。在烧结温度为1430℃，保温时间为1h, 真空度为5 Pa下完成烧结。将烧结好的金属陶瓷密封环放入低压烧结炉中，低压烧结在1400℃下进行，保温时间120min, 氩气压力为8MPa。所制备的金属陶瓷密封环致密度达99.8%，硬度91.8HRA，抗弯强度1660MPa。

Claims

1.一种金属陶瓷密封环材料，其特征在于，其成分按重量百分比，粒度为0.8～1.5μm的（W,Cr）C占5～20%，粒度为1.0～2.5μm的（W,Ti）C占5～20%，粒度为0.8～2.0μm的Ni占5～20%，粒度为0.8～1.5μm的Co占5～20%，其余为粒度为0.8～2.5μm的Ti（C，N）；Ti（C，N）粉末中的C:N原子比为7：3，（W,Cr）C粉末中W:Cr重量比为(95～99.5):(0.5～5)，（W,Ti）C粉末中WC:TiC重量比为7:3。

2.根据权利要求1所述的金属陶瓷密封环材料的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：

（1）混合料制备：按权利要求1的重量百分比称取（W,Cr）C与（W,Ti）C粉末及Ni、Co、Ti(C,N)粉，球磨过程中先将（W,Cr）C与（W,Ti）C粉末并加入到球磨机，同时加入油酸和PEG6000成型剂，并球磨12～24h；然后加入Ni、Co、Ti(C,N)粉再球磨24～48h,球磨结束后过滤、干燥后制成混合料；

（2）压制成型与真空烧结：混合粉末在300～500MPa下压制成密封环生坯；生坯在真空炉中在500℃～600℃进行，保温2～4h，真空度为10～15Pa下脱除成型剂；在烧结温度为1350～1450℃，保温时间为1～3h, 真空度为1～5 Pa下完成烧结；

（3）低压烧结：将烧结好的金属陶瓷密封环放入低压烧结炉中，低压烧结在1350℃～1400℃下进行，保温时间90～120min, 氩气压力为3～8MPa。

3.根据权利要求2所述的金属陶瓷密封环材料的制备方法，其进一步的特征在于：金属陶瓷混合粉末的球磨介质为无水乙醇，其加量为100～500ml，PEG6000成型剂的加入量为2～8wt%，油酸的加入量为0.5～2wt%,球磨速度为60～100r/min, 研磨球为Φ6mm的WC-6wt%Ni硬质合金球, 球料重量比为5：1～15：1；球磨最终结束后金属陶瓷料浆经400目过滤，真空干燥处理温度为85℃～120℃，真空度为1～5 Pa；在300～500MPa下压制成生坯。