CN105090513A - 陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，包括上、下结构对称的一对密封环体，所述密封环体工作面设置有一圈用于布设密封面的凹槽，所述密封环体由金属冲压而成，所述耐磨带装配槽内固定装配有一圈耐磨带，所述耐磨带采用添加有陶瓷粉料、且陶瓷粉料以弥散相的形态分布的金属材料制成，所述陶瓷粉料的添加量不超过金属材料总质量的5%，所述耐磨带的摩擦面与密封环体的工作面处于同一平面或较工作面外凸。本发明能够有效提高工作面的耐磨损度、增加使用寿命、并且易于加工、生产成本低廉。

Description

陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封

技术领域

本发明涉及机械领域，特别是涉及一种用于机械设备中浮动端面密封的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封。

背景技术

浮动油封应用于浮动端面密封，是一种用量大、用途广（全国年需用量近仟万件）的机械密封，如图1所示，这种密封是由两个金属浮动端面密封环（简称浮动油封）和两个“O”型橡胶密封圈安装在中心轴上而构成的。具有耐磨、耐冲击、一定的自适应性、寿命长、结构简单、价廉，维修保养更换方便等特点，在矿山、工程机械、建筑机械、农用机械、运输机械、深井钻机、井下采掘机械的密封结构中得到广泛使用。由于浮动油封的使用环境的特殊，因此其属于易损部件。外露的安装位置，安装调试人员的技能，环境温度，润滑油的性能等因素都对它的使用寿命有直接影响。

目前浮动油封一般采用下列工艺成型：

精密铸造型，即高铬钼合金铸铁采用失蜡壳模精密铸造，成品表面硬度HRC65-72，工作面粗糙度Ra值为0.2-0.4μm，亮带Ra值为0.1μm，理论寿命4000-6000h，实际使用寿命大约3000-4000h。

机械压铸型，即合金铸铁压铸成型，成品金相组织较细密，但成本略高，工作面粗糙度Ra值为0.2-0.4μm，亮带Ra值为0.09-0.15μm，理论寿命4000-6000h，实际使用寿命大约4000-5000h。

粉末冶金热锻型，即粉末冶金粉粒经高温热锻而成，工作面粗糙度Ra值为0.4μm，理论寿命2000-4000h，实际使用寿命大约1500-2000h。

金属锻造型，即以轴承钢为代表的合金钢模锻或碾锻成型，成品金相组织较细密，成品表面硬度HRC60-68，亮带Ra值为≤0.2μm，理论寿命4000-5000h，实际使用寿命大约2000-3000h。

热喷涂型，即基体材料为普通铸铁，在工作面上热喷涂0.05-0.20mm厚的高铬钼粉末，研磨加工而成，理论寿命4000-6000h，实际使用寿命大约3000-4000h。该工艺节省稀有金属，但须受设备限制，生产率低，成本高。

综上所述，目前现有的各种成型方式的浮动油封，其在使用寿命、性能、生产率、成本等方面存在各种各样的不足和缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是针对上述背景技术的不足，提供一种陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，能够有效提高工作面的耐磨损度、增加使用寿命、更利于浮动对心，并且易于加工、生产成本低廉。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属薄板冲压环体浮动油封，包括上、下结构对称的一对密封环体，所述密封环体工作面设置有一圈用于布设密封面的凹槽，所述密封环体由金属薄板冲压而成，所述耐磨带装配槽内固定装配有一圈耐磨带，所述耐磨带采用添加有陶瓷粉料、且陶瓷粉料以弥散相的形态分布的金属材料制成，所述陶瓷粉料的添加量不超过金属材料总质量的5%，所述耐磨带的摩擦面与密封环体的工作面处于同一平面或较工作面外凸。

在上述技术方案中，所述陶瓷材料的添加量优选占金属材料总质量的0.05%~1.2%。

在上述技术方案中，所述陶瓷材料的添加量最优选占金属材料总质量的0.6%~0.8%。

在上述技术方案中，所述陶瓷材料的颗粒粒度不超过60nm。

在上述技术方案中，所述陶瓷材料的颗粒粒度优选10~30nm。

在上述技术方案中，所述陶瓷材料为A1₂O₃、ThO₂、Y₂O₃陶瓷粉料。

在上述技术方案中，所述陶瓷材料为A1₂O₃陶瓷粉料。

在上述技术方案中，所述陶瓷材料为纯度在99%以上的纳米级A1₂O₃陶瓷粉料。

在上述技术方案中，所述耐磨带的摩擦面较密封环体的工作面外凸。

在上述技术方案中，所述密封环体由金属薄板冲压成型。

在上述技术方案中，所述密封环体由金属薄板至少经两次以上冲压而成。

在上述技术方案中，所述密封环体由金属薄板冲压成型后，表面还经过钝化、防锈处理。

在上述技术方案中，所述耐磨带粘接在耐磨带装配槽内，或者作为镶件、用铆接的方式固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用了陶瓷弥散增强的金属材料制成的耐磨带，能够有效提高浮动油封的耐磨性能，有效提高浮动油封的使用寿命；同时，能够有效提高浮动油封工作面的硬度、光滑度，减小摩擦阻力，降低工作过程中的发热量，提高浮动油封抗热损的能力；本发明密封环体采用金属冲压的方式制成，与传统金属环体相比，其价格低廉，更易于加工，能够节约大量人力，能够大幅降低生产成本，大幅提高生产效率；由于冲压成型的密封环体整体重量较之铸造、锻造、粉末冶金成型的金属环体重量大幅降低，更利于浮动对心，同时还能降低机械负荷，增大有用功，维修更换也更为方便；与传统金属环体加工工艺相比，省去了环体毛坯的尺寸余量机加工、热处理等工序，大幅提高生产效率的同时，还能大幅降低能耗，进一步降低成本。

附图说明

图1为现有浮动油封的结构示意图；

图2为本发明浮动油封的装配结构示意图；

图3为本发明实施例1的结构示意图；

图4为本发明实施例2的结构示意图；

图5为本发明实施例2的仰视结构示意图；

其中，1-密封环体、2-密封圈、3-凹槽、4-工作面，5-耐磨带装配槽、6-耐磨带、7-摩擦面、8-耐磨带卡槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

如图2所示，本发明所设计的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，包括上、下结构对称的一对密封环体1，所述密封环体1由金属冲压方式制成，所述密封环体1外侧设置有一圈用于布设密封圈2的凹槽3，密封圈2设置在凹槽内。所述密封环体1优选采用金属薄板冲压的方式制成，可采用两次以上的工艺冲压，一次冲压成预坯件，而后经过一次或多次冲压最终成型，可起到类似于机械锻造的效果，提高密封环体1的机械强度和刚度。所述密封环体1的工作面4上开设有一圈耐磨带装配槽5，所述耐磨带装配槽5内固定装配有一圈耐磨带6，所述耐磨带6采用添加有陶瓷粉料、且陶瓷粉料以弥散相的形态分布的金属材料制成，所述陶瓷粉料的添加量不超过金属材料总质量的5%，所述耐磨带6的摩擦面7与密封环体1的工作面4处于同一平面或较工作面4外凸。

浮动油封使用寿命短、易磨损这一问题一直是困扰本领域技术人员的一大难题。对于如何提高浮动油封的使用寿命、增加其耐久度，本领域的技术人员一直在研究。目前对于上述问题，一般有两种改进的方向，第一种是从工艺上改进，另一种是对工作面材质改性。工艺上的改进主要是利用先进的粉末冶金热锻工艺或者机械压铸工艺来制作浮动油封，通过制造工艺来提高浮动油封的整体机械性能，提高其强度、硬度和耐磨性能，从而提高其使用寿命。而材质改性则是在浮动油封的工作面上喷涂一些高铬钼粉末，以此来提高工作面的耐磨性能，从而提高浮动油封的使用寿命。不管是采用哪种方式，本领域技术人员均没有考虑用无机非金属材料来改善提高浮动油封耐磨带的抗磨性能。其核心原因是，高硬度、高耐磨性能的非金属材料，普遍易碎、易破裂，同时其导热性能普遍较差，因为摩擦产生高温是影响耐磨性能的一个重要因素。而同时满足硬度高、耐摩擦，同时又不易碎并且具备一定导热性能的材质，价格又极为高昂，对于浮动油封这种易损零部件而言，高昂的价格意味着成倍地增加使用成本。考虑到上述因素，所以不管如何对浮动油封作改进，技术人员一般都选用金属材料制作浮动油封，不会采用陶瓷等无机非金属材料来改善提高浮动油封基体材料的机械性能。

其次，本领域一直采用耐磨铸铁或者合金钢来制作浮动油封的密封环体1，也与上述难点有着一定的联系。之所以采用金属材质，一方面是考虑到金属机械强度高，具备一定耐磨性，另一方面则是金属材质导热性能较好，可以有效将摩擦热量导出。再加上浮动油封一般会在较恶劣的环境下工作，容易产生磨损失效，因而本领域只会选用机械性能较好、导热性和耐温性能都较为优异的金属材料来制备浮动油封的密封环体1。

而本发明的发明人通过巧妙的构思，合理地解决了本领域的这一技术偏见。首先，发明人在工作面上设置耐磨带装配槽5，装配耐磨带6，使得工作面4形成一种复合式的摩擦面；其次，发明人将第二相质点弥散强化的原理引入到了浮动油封的设计中，创造性地想到了利用弥散化的陶瓷晶粒来提高浮动油封的摩擦面的硬度和耐磨性能，采用这样的设计，浮动油封的耐磨带硬度得到了有效地增强，其硬度不会因摩擦产生的高温而生产蠕变，导热体材质仍然是金属，在兼顾耐久度的同时，又能够有效保证摩擦散热的需要。采用这种复合面的结构，不但合理地克服了技术偏见，还为密封环体1的改进创造了条件。本发明采用金属冲压成型的方式制备密封环体1，配合耐磨带6的设计，完美地克服了传统技术偏见，解决了现有技术难题，达到了意想不到的效果。

冲压件与铸件、锻件相比，具有薄、匀、轻、强的特点。冲压可制出其他方法难于制造的带有加强筋、肋、起伏或翻边的工件，以提高其刚性。由于采用精密模具，工件精度可达微米级，且重复精度高、规格一致，可以冲压出孔窝、凸台等。冷冲压件一般不再经切削加工，或仅需要少量的切削加工。热冲压件精度和表面状态低于冷冲压件，但仍优于铸件、锻件，切削加工量少。

冲压是高效的生产方法，采用复合模，尤其是多工位级进模，可在一台压力机（单工位或多工位的）上完成多道冲压工序，实现由带料开卷、矫平、冲裁到成形、精整的全自动生产。生产效率高，劳动条件好，生产成本低，一般每分钟可生产数百件。　与机械加工及塑性加工的其它方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。

1.特点主要表现如下。

1）.冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次，高速压力机每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。

2）.冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。

3）.冲压可加工出尺寸变化范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压件的强度和刚度均较高。

4）.冷冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。

由于冲压工艺具有如此优越性，冲压加工在国民经济各个领域应用范围相当广泛。例如，在宇航，航空，军工，机械，农机，电子，信息，铁道，邮电，交通，化工，医疗器具，日用电器及轻工等部门里都有冲压加工。不但整个产业界都用到它，而且每个人都直接与冲压产品发生联系。像飞机，火车，汽车，拖拉机上就有许多大，中，小型冲压件。小轿车的车身，车架及车圈等零部件都是冲压加工出来的。据有关调查统计，自行车，缝纫机，手表里有80%是冲压件；电视机，收录机，摄像机里有90%是冲压件；还有食品金属罐壳，钢精锅炉，搪瓷盆碗及不锈钢餐具，全都是使用模具的冲压加工产品；就连电脑的硬件中也缺少不了冲压件。

采用本发明技术方案后，浮动油封的整体重量得到了大幅降低，更利于浮动对心，其性能较之传统油封有了一定提高。而且原料成本降低、加工成本大幅下降。而浮动油封环体的传统生产方法：铸造、锻造、机加工、热处理等工艺步骤不但能耗极高，而且工艺复杂，能源成本和人力成本均很高。因而本发明的经济效益十分可观，还能节能降耗，降低环境污染。再者，本发明浮动油封的整体重量得到了大幅降低后，工作时的机械负荷也随之下降，有效功明显增加。同时，因为有纳米级A1₂O₃陶瓷粉料对金属基体材料的第二相质点弥散强化作用，提供了后续热处理工序能有效提高耐磨带材料表面硬度的潜力，为机加工工序能够制造出高硬度、低粗糙度的工作表面创造了条件，使摩擦系数大幅降低，大幅降低了工作时的摩擦生热，即使在较恶劣的条件下，其摩擦产生的热量也较小、完全能被密封油导出，大幅提高了产品性能和稳定性。

本发明的耐磨带6优选采用A1₂O₃、ThO₂、Y₂O₃陶瓷粉料作为第二相质点弥散强化剂，其中A1₂O₃成本最低，在兼顾性能和成本的情况下，最优选纯度在99%以上的纳米级A1₂O₃陶瓷粉料。

本发明中，陶瓷材料的添加量是核心，添加过多的陶瓷会很大程度改变成型后金属材料的内部应力，不但无法起到提高耐磨强度的目的，还会使金属材料的性能指标降低，因而如何控制添加量是本发明的关键。发明人经过多年的摸索和试验，最终意外地发现陶瓷粉料添加量控制在5%以内，能够使得金属材料的机械性能和耐磨性能均能提高。经过进一步长时间的实验摸索，发明人发现陶瓷粉料添加量控制在0.05%~1.2%范围内，成型后的金属材料机械性能和耐磨性能能提高15%以上；而进一步控制陶瓷粉料添加量，使其控制在0.6%~0.8%范围内，成型后的金属材料机械性能和耐磨性能能提高30%以上。

发明人还发现，陶瓷粉料的颗粒粒度对弥散效果同样有作用，过大的颗粒会使得金属材料内部应力过大，使得金属材料变脆、易断裂，而过小的颗粒粒度难以加工获取，成本较高。经过长时间的实验摸索，发明人发现陶瓷粉料的颗粒粒度需要控制在60nm以内，而10~30nm的粒度是较优的范围。

为了减少轴向压力冲击耐磨带，优选所述耐磨带6安装在工作面4的外缘边，让内孔的压力油在工作面形成的油膜减缓轴向冲击力。更优选地，为减少工作面4金属面的磨损形成磨削微粒进入耐磨带6的摩擦面，所述耐磨带6的摩擦面7凸出密封环体1的工作面4的距离优选控制在0.1~0.2mm范围内。而如果考虑散热，则优选所述耐磨带6安装在工作面4的内缘边，这样运行时相对的线速度小，发热量小。

实施例1

如图3所示，本实施例的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，包括上、下结构对称的一对密封环体1，所述密封环体1由金属薄板二次冲压成型，所述密封环体1外侧设置有一圈用于布设密封圈2的凹槽3，密封圈2设置在凹槽内。所述密封环体1的工作面4上开设有一圈耐磨带装配槽5，所述耐磨带装配槽5内固定装配有一圈耐磨带6。所述耐磨带6采用陶瓷弥散强化的金属材料制成，以耐磨铸铁为金属原料，选用纯度在75%以上、粒度为30nm的ThO₂陶瓷粉料，添加量控制在占金属质量的0.8%。所述耐磨带6的摩擦面7凸出密封环体1的工作面4，凸出高度在0.1~0.15mm的范围内。所述耐磨带6采用粘接的方式固定。

经检测，本实施例的浮动油封使用寿命能够达到6500小时以上，各项性能指标均能满足浮动油封的使用要求。

实施例2

如图4所示，本实施例的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，包括上、下结构对称的一对密封环体1，所述密封环体1由金属薄板经三次冲压成型，且表面进行了磷化处理，所述密封环体1外侧设置有一圈用于布设密封圈2的凹槽3，密封圈2设置在凹槽内。所述密封环体1的工作面4上开设有一圈耐磨带装配槽5，所述耐磨带装配槽5内固定装配有一圈耐磨带6。所述耐磨带6采用陶瓷弥散强化的金属材质制成，以耐磨铸铁为金属原料，选用纯度在99%以上、粒度为10nm的A1₂O₃陶瓷粉料，添加量控制在占金属质量的0.5%。所述耐磨带6的摩擦面7与密封环体1的工作面4处于同一平面。所述耐磨带6采用平面配合的方式镶嵌在耐磨带装配槽5内，铆接固定。所述耐磨带6周边设置有卡槽8，密封环体1上与之对应地冲有铆接桩，二者铆接。耐磨带6两端面外圆边设有45°倒角。

经检测，本实施例的浮动油封使用寿命能够达到6500小时以上，各项性能指标均能满足浮动油封的使用要求。

综合上述实施例可以看出，本发明的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，在各项性能指标均能满足浮动油封的使用要求的同时，其使用寿命至少能够达到6000小时以上。

相比目前现有浮动油封而言，本发明在低成本、易加工的同时，耐磨性能优异且使用寿命久，与现有浮动油封相比，实际使用寿命延长了30%以上。

本发明的核心是利用金属薄板冲压成型的密封环体1替代传统铸造件或锻造件作为浮动油封的密封环体1，同时在浮动油封工作面4上设置耐磨带6，形成复合工作面，以达到既增加耐磨性和使用寿命，又能大幅降低成本、节能降耗、大幅减轻浮动油封重量的目的，因此，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，在本发明原理的基础上，任何利用上述机理的改变或变形，均属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，包括上、下结构对称的一对密封环体（1），所述密封环体（1）工作面设置有一圈用于布设密封圈（2）的凹槽（3），其特征在于：所述密封环体（1）的工作面（4）上开设有一圈耐磨带装配槽（5），所述密封环体（1）由金属冲压而成，所述耐磨带装配槽（5）内固定装配有一圈耐磨带（6），所述耐磨带（6）采用添加有陶瓷粉料，且陶瓷粉料以弥散相的形态分布的金属材料制成，所述陶瓷粉料的添加量不超过金属材料总质量的5%，所述耐磨带（6）的摩擦面（7）与密封环体（1）的工作面（4）处于同一平面或较工作面（4）外凸。

2.根据权利要求1所述的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述陶瓷粉料的添加量为金属材料总质量的0.05%~1.2%。

3.根据权利要求2所述的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述陶瓷材料的添加量为金属材料总质量的0.6%~0.8%。

4.根据权利要求1所述的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述陶瓷材料的颗粒粒度不超过60nm。

5.根据权利要求4所述的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述陶瓷材料的颗粒粒度为10~30nm。

6.根据权利要求1所述的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述陶瓷材料为A1₂O₃、ThO₂、Y₂O₃陶瓷粉料。

7.根据权利要求6所述的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述陶瓷材料为A1₂O₃陶瓷粉料。

8.根据权利要求7所述的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述陶瓷材料为纯度在99%以上的纳米级A1₂O₃陶瓷粉料。

9.根据权利要求1~8所述的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述耐磨带（6）的摩擦面（7）较密封环体（1）的工作面（4）外凸。

10.根据权利要求1~8任意一项所述的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述密封环体（1）由金属薄板冲压成型。

11.根据权利要求10所述的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述密封环体（1）由金属薄板至少经两次以上冲压而成。

12.根据权利要求11所述的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述密封环体（1）由金属薄板冲压成型后，表面还经过钝化、防锈处理。

13.根据权利要求1~8所述的陶瓷弥散强化金属耐磨带、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述耐磨带（6）采用粘接或作为镶件、用铆接的固定方式装配在耐磨带装配槽（5）内。

14.根据权利要求1~8任意一项所述的陶瓷复合耐磨面、金属冲压环体浮动油封，其特征在于：所述耐磨带（6）采用铆接的固定方式装配在磨带装配槽（5）内，所述耐磨带（6）周边设置有卡槽（8），密封环体（1）上与之对应地冲有铆接槽，二者铆接固定。