CN102383003B

CN102383003B - 一种煤油泵用铜合金密封材料及其制备方法

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Publication number: CN102383003B
Application number: CN 201110308165
Authority: CN
Inventors: 陈广志; 王飞; 郑毅; 陈蓓京; 任卫; 田玉清; 许庆森
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: CN102383003A

Abstract

本发明属于冶金材料领域，特别涉及以煤油为介质的液压泵用铜合金密封材料及其制备方法。一种生产煤油泵用铜合金密封材料的制备方法，该铜合金密封材料的化学组成成分重量％为：Sn 9.5-10.5％，Pb 3.5-4.5％，Zn 4.5-5.5％，Ni 1.0-2.0％，Al₂O₃ 1.0-2.0％，Cu余量，该制备方法包括以下工艺步骤：制备上述成分的铜合金原料混合粉、添加润滑剂、混合、压制和烧结，润滑剂添加量为铜合金原料混合粉重量的1-2％，添加润滑剂后充分混合，先进行模压，经氢气保护下烧结，然后进行复压。该密封材料具有摩擦性能稳定、抗干磨、自润滑、使用寿命长、安全性和可靠性得到保障等优点。

Description

一种煤油泵用铜合金密封材料及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金材料领域，特别涉及以煤油为介质的液压泵用铜合金密封材料及其制备方法。

背景技术

柱塞式液压泵轴尾密封装置广泛采用机械密封，以阻止泵轴尾与壳体间的液压介质泄漏。它主要是靠动、静密封环在弹簧力及介质压力作用下相互贴紧且相对滑动而保证动态密封，并在同样密封介质压力下经受静态密封试验考核。

轴尾密封的动、静密封材料，国内外大多采用浸铜石墨/钢或青铜/钢配对材料。但青铜材料自润滑性较差，不抗干磨，密封副在动态临界条件或无油润滑下会发生“粘铜”故障；而浸铜石墨虽具有优良的自润滑性，但存在磨合性差、不耐磨、泄漏量大、漏“黑油”、材质不稳定等问题。

针对轴尾密封的动、静密封故障问题，本申请的申请人申请了题目为‘一种含纳米颗粒的铜合金复合材料’的中国专利(专利号ZL200410086265.4)，它提供了一种含纳米颗粒、牌号为nm663的铜合金复合材料，通过在青铜中添加纳米氧化铝粒子、石墨和镍，并采用放电等离子烧结工艺，优化出以减摩软相为基，分布有耐磨硬相和多种自润滑相的复合材料。它具有承载能力强、抗干磨、导热性好等优点。还有一种牌号为PH17的烧结青铜自润滑减摩材料，采用雾化方法制备含铅量为17％左右的青铜合金粉末，压制、烧结后进行等静压处理，使材料组织晶粒细小，铅分布均匀，孔隙度小(0～0.15％)，保证了良好的自润滑性和易磨合性。这两种材料的动、静态密封性能均超过了浸铜石墨材料，在工作介质为液压油(红油)的条件下，取得了良好的实际使用效果。

但当工作介质由液压油改为煤油时，上述两种牌号材料耐磨性大大减低，从而使动、静态密封性能恶化。PH17材料在煤油中使用时，不仅工作面被磨掉，而且还向下磨出1mm深沟。同时，可看到对磨材料摩擦带已粘连了大量的青铜碎片及磨沟中嵌入的大量磨粒。表明该种材料在煤油介质中磨损严重，不适合作柱塞式液压泵轴尾密封材料。nm663材料在煤油介质中使用时出现了“粘铜”现象。所谓“粘铜”，就是nm663材料有铜元素转移到对磨材料碳钢上面，这是粘着磨损的表现。因此，也不适合作为以煤油为介质的液压泵密封材料。

上述问题表明，当液压泵工作介质由液压油改为煤油时，泵内机械摩擦学系统的润滑条件大大恶化。其原因是：

①煤油的运动粘度低。如20℃条件下运动粘度，液压油是21mm²/s，而煤油仅为1.25mm²/s。油粘度的剧烈下降，使油的内聚力减小，在同样的接触应力下油膜不稳定、易破裂，从而使金属直接接触，加快摩擦副的磨损。

②煤油的润滑性差。深度精制的泵用煤油中的天然润滑物质减少，润滑性差(表现在极压性、抗磨损性和摩擦特性较差)，致使摩擦副工作近乎处于干磨状态。这就使材料在煤油中的摩擦系数显著增加(约为液压油中的10倍)，造成煤油泵轴尾密封材料的严重磨损。

③煤油渗透性强，泄漏增大。滤纸做渗透性试验表明，煤油的渗透速度约为液压油的10倍。渗透性的增加，同样影响油膜的形成，增加材料干磨的机率，并对密封材料的密封性(磨合性)要求更高。

对于机械密封来说，两个密封面根本不接触的情况几乎是不存在的。在整个密封面上存在着粗糙不平的不连续迷宫凹隙，造成液压油的泄漏。

铜基合金密封材料必须解决以下两个技术难题，即既要具备易磨合、易充填特性，能在磨合期内填平密封面上微小的凹凸不平，克服表面不平度、粗糙度和不平行度，在密封面形成良好的密封带，减小密封面的间隙，堵塞泄漏通道；又要具备承载能力大、自润滑、抗干磨特性，能在磨合期以及工作期内不产生粘着磨损，不产生划伤、剥落等扩大密封面间隙、增加泄漏的表面缺陷。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能够满足以煤油为介质的液压泵轴尾密封性能要求，在煤油介质条件下具有良好耐磨减摩性能的煤油泵用铜合金密封材料。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

一种煤油泵用铜合金密封材料，其中，该铜合金密封材料的化学成分按重量％为：Sn 9.5-10.5％，Pb 3.5-4.5％，Zn 4.5-5.5％，Ni1.0-2.0％，Al₂O₃ 1.0-2.0％，Cu余量。

Cu、Sn、Pb、Zn、Ni以预合金化铜合金粉末形式加入，Al₂O₃以纳米α-Al₂O₃粉末形式添加。

本发明的另一目的是提供一种上述煤油泵用铜合金密封材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

一种生产煤油泵用铜合金密封材料的制备方法，它包括以下步骤：

制备铜合金原料混合粉、添加润滑剂、混合、压制和烧结，其中：

该铜合金原料混合粉的化学成分按重量％为：Sn 9.5-10.5％，Pb3.5-4.5％，Zn 4.5-5.5％，Ni 1.0-2.0％，Al₂O₃ 1.0-2.0％，Cu余量；

润滑剂添加量为铜合金原料混合粉重量的1-2％，添加润滑剂后充分混合，先进行模压得到压坯，经氢气保护下烧结，然后进行复压。

制备铜合金原料混合粉的步骤为：按所需成分配料后，先将Cu、Sn、Pb、Zn、Ni原料通过熔炼、雾化制成铜合金粉末，然后以纳米α-Al₂O₃粉末形式添加Al₂O₃。

模压和复压压力为400-600MPa，烧结温度为750-850℃，烧结时间为60-90分钟。

润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。

本发明的有益效果在于：

本发明与现有技术相比，在煤油介质条件下，煤油泵用铜合金密封材料具有摩擦性能稳定、抗干磨、自润滑、使用寿命长、安全性和可靠性得到保障等优点。

由煤油特性带来的材料剧烈磨损，要求铜合金材料在煤油介质条件下必须具备抗干磨性能、自润滑性能和足够的强度。本发明材料通过在铜合金基体中添加纳米α-Al₂O₃，提高材料的抗干磨性能；通过添加Sn、Pb、Zn等自润滑物质，并使之与Cu、Ni合金化在颗粒边界析出，提高材料的自润滑性能；通过添加Ni，产生Cu-Sn-Ni强化效果，提高材料的强度，从而满足了煤油介质对材料的要求。因此，本发明的材料适用在煤油介质条件下工作。

上述具体优点为：本发明材料在煤油介质条件下，与现有材料nm663相比，磨损量降低6倍；与PH17相比，磨损量降低20倍；在70h台架试验中，本发明材料动态密封泄漏量为0。

本发明材料含有Cu、Sn、Pb、Zn等软金属，具有易磨合、易充填、易贴合的优点，经过磨合后可形成良好的磨合带，在带压状态下，与对磨材料紧密贴合；当液压泵转入工作状态、特别是摩擦副处于干磨状态、需要减摩、耐磨时，本申请材料中的纳米α-Al₂O₃耐磨相和Sn、Pb、Zn集中、与Cu、Ni合金化的自润滑相以及Cu-Sn-Ni强化相将发挥作用，避免泄漏缺陷的产生，从而实现密封作用。

附图的简要说明

图1为在煤油介质条件下，本发明密封材料与其它材料磨损量的对比示意图。

图2为本发明密封材料组织结构示意图，图中白色部分是颗粒边界的自润滑合金分布形态。

图3为本发明密封材料在煤油中的摩擦系数曲线示意图。

图4为在煤油介质条件下，本发明材料密封环及对比材料密封环70h台架试验动态泄漏量示意图。

具体实施方式

该密封材料具体化学组成成分(重量％)为：Sn 9.5-10.5，Pb 3.5-4.5，Zn 4.5-5.5，Ni 1.0-2.0，Al₂O₃ 1.0-2.0，Cu余量。其中，Cu、Sn、Pb、Zn、Ni是以预合金化铜合金粉末形式加入的，采用雾化方法制备；Al₂O₃是以纳米α-Al₂O₃粉末形式添加的。将上述原料添加适量的润滑剂，充分混合后进行压制，然后在氢气保护下进行烧结，最后进行复压。

上述原料中润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。

上述技术方案的工作原理为：以预合金形式加入Cu、Sn、Pb、Zn、Ni，即先按规定比例将Cu、Sn、Pb、Zn、Ni等通过熔炼、雾化制成合金粉末，有利于使Pb均匀化，而且由于每个颗粒的化学组成都是一致的，因此合金组织均匀，有利于提高材料的强度和耐磨性；Cu、Sn、Pb、Zn、Ni通过烧结可在颗粒边界生成自润滑合金相，有利于提高铜合金材料的自润滑性能；在铜合金基体中添加纳米α-Al₂O₃，是为了获得优异的耐磨性能，因为纳米α-Al₂O₃具有颗粒增强金属基体作用和较高的仅次于金刚石的硬度，可提高材料表面硬度、承载能力及抗粘着能力；同时，由于其具有小尺寸效应，还可将对磨材料抛光，改善表面接触状态，提高摩擦副自润滑性能。

本申请的材料在颗粒边界存在Sn、Pb、Zn集中、与Cu、Ni合金化的自润滑相。而现有技术在材料颗粒边界则不含这种相组成。

本发明材料主要成分的作用和取值依据是：

Sn、Ni都是合金强化元素，Sn含量达到9.5％，Ni含量达到1.0％，Cu-Sn-Ni合金强化效果最佳，Sn超过10.5％，Ni超过2.0％，铜合金强度提高不明显；Pb含量达到3.5％，自润滑性能明显提高，超过4.5％，耐磨性能变差；Zn含量达到4.5％，提高自润滑性能和强度的效果明显，超过5.5％则不明显；Al₂O₃含量达到1.0％，耐磨性能提高明显，超过2.0％，铜合金强度变差。

本发明具体的工艺参数是：混合料中加入润滑剂按重量比为1-2％，进行充分混合，在液压机上进行模压得到压坯，在氢气炉中进行烧结(使得润滑剂能充分挥发去除)，然后进行复压。压制压坯的压力为400-600MPa，烧结温度为750-850℃，烧结时间为60-90分钟，复压压力为400-600MPa。

采用本发明材料具体化学组成成分和制备工艺，制得试样3批。表1为本发明样品具体化学组成成份(重量％)，其中批号1-3为本发明实施例，批号4、5为对比例，批号4为nm663材料，批号5为PH17材料；表2为制备本发明样品的工艺参数；表3本发明样品摩擦磨损性能与现有材料的对比。

表1本发明摩擦材料具体化学组成成份(重量％)

表2制备本发明样品的工艺参数

表3本发明样品摩擦磨损性能与现有材料的对比

采用上述表1中所示的批号为1的具体化学组成成份和表2中所示的批号为1的工艺参数，制得柱塞式煤油泵轴尾密封环，在煤油介质条件下进行70h台架试验。该批号1实施例密封环动密封泄漏量为0ml。与本发明密封环相比，同样在煤油介质条件下进行70h台架试验，nm663密封环的动密封泄漏量总计为0.95ml，PH17密封环的动密封泄漏量总计为10.08ml。

nm663材料含有石墨，本申请材料不含有石墨；PH17材料Pb含量17％左右，且不含有纳米α-Al₂O₃，本申请材料Pb含量3.5-4.5％，且含有纳米α-Al₂O₃。

Claims

1.一种煤油泵用铜合金密封材料，其特征在于：该铜合金密封材料的化学成分按重量％为：Sn 9.5-10.5%，Pb 3.5-4.5%，Zn 4.5-5.5%，Ni 1.0-2.0%，Al₂O₃ 1.0-2.0%，Cu余量；

其中，所述铜合金密封材料通过如下制备步骤制备：铜合金原料混合粉、添加润滑剂、混合、压制、烧结和复压。

2.根据权利要求1所述的煤油泵用铜合金密封材料，其特征在于，Cu、Sn、Pb、Zn、Ni以预合金化铜合金粉末形式加入，Al₂O₃以纳米α-Al₂O₃粉末形式添加。

3.一种生产煤油泵用铜合金密封材料的制备方法，它包括以下步骤：制备铜合金原料混合粉、添加润滑剂、混合、压制和烧结，其特征在于：

该铜合金原料混合粉的化学成分按重量％为：Sn 9.5-10.5%，Pb3.5-4.5%，Zn 4.5-5.5%，Ni 1.0-2.0%，Al₂O₃ 1.0-2.0%，Cu余量；

润滑剂添加量为铜合金原料混合粉重量的1-2%，添加润滑剂后充分混合，先进行模压得到压坯，经氢气保护下烧结，然后进行复压。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：制备铜合金原料混合粉的步骤为：按所需成分配料后，先将Cu、Sn、Pb、Zn、Ni原料通过熔炼、雾化制成铜合金粉末，然后以纳米α-Al₂O₃粉末形式添加Al₂O₃。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：模压和复压压力为400-600MPa，烧结温度为750-850℃，烧结时间为60-90分钟。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。