CN105909794A - 陶瓷粉弥散增强的浮动油封及其粉末冶金毛坯制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种陶瓷粉弥散增强的浮动油封，包括上、下结构对称的一对密封环体，所述密封环体以金属材料为主要材质制成，所述金属材料中掺杂有陶瓷材料，所述陶瓷材料的添加量不超过金属材料总质量的5%，所述陶瓷材料为粉末状，以弥散相的形态分布在金属材料中。同时本发明还提供了采用粉末冶金方式制备上述浮动油封毛坯的方法。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

陶瓷粉弥散增强的浮动油封及其粉末冶金毛坯制备方法

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粉弥散增强的浮动油封及其粉末冶金毛坯制备方法。

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（全国年需用量超过仟万件）的机械密封，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熔模、壳型精密铸造，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，理认寿命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，理认寿命4000-6000h，实际使用寿命大约4000-5000h。

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，理认寿命4000-5000h，实际使用寿命大约2000-3000h。

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，理认寿命2000-4000h，实际使用寿命大约1500-2000h。

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，理认寿命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，提供一种陶瓷粉弥散增强的浮动油封及其粉末冶金毛坯制备方法，能够有效提高浮动油封的耐磨损度、增加使用寿命、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粉弥散增强的浮动油封，包括上、下结构对称的一对密封环体，所述密封环体以金属材料为主要材质制成，所述金属材料中掺杂有陶瓷材料，所述陶瓷材料的添加量不超过金属材料总质量的5%，所述陶瓷材料为粉末状，以弥散相的形态分布在金属材料中。

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。

本发明还提供了一种通过粉末冶金方式制备上述陶瓷粉弥散增强的浮动油封的方法，包括以下步骤：

1）按照浮动油封的金属材料配比配置粉末冶金金属粉粒；

2）向金属粉粒中添加不超过金属材料总质量的5%的陶瓷粉料；

3）将步骤2）配得的粉料充分混合搅拌，使之混合均匀；

4）将步骤3）混匀后的粉料预压成型压坯；

5）将步骤4）预压成型的压坯直接经高温热锻，或者烧结后高温热锻，得到陶瓷粉弥散增强的浮动油封毛坯。

在上述技术方案中，所述陶瓷粉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，所述陶瓷粉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，所述热锻温度为1000~1200℃。

在上述技术方案中，所述陶瓷粉料的颗粒粒度为10~30nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在浮动油封中增加了弥散化的陶瓷颗粒，能够有效提高浮动油封的硬度，从而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，而且这种硬化状态在高温工作环境下而不产生回复，这一过程是提高耐热强度、减少蠕变的关键，因为一般加工硬化状态是容易获得的，但要保持到高温不回复则是不容易的；同时，由于工程陶瓷材料硬度较高、光滑度极高，因此能够有效改善浮动油封工作面的光滑度，减小摩擦阻力提高浮动油封的密封性能；本发明加工难度低、制造成本低廉，由于弥散强化剂不含任何稀有元素，因此原料获取难度低，生产率高；本发明将陶瓷颗粒以弥散化形态加入到浮动油封中，油封的主要材质还是金属材料，有效解决陶瓷材料散热困难的问题。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

本发明所设计的陶瓷粉弥散增强的浮动油封，包括上、下结构对称的一对密封环体，所述密封环体以金属材料为主要材质制成，所述金属材料中掺杂有陶瓷材料，所述陶瓷材料的添加量不超过金属材料总质量的5%，所述陶瓷材料为粉末状，以弥散相的形态分布在金属材料中。

所述陶瓷材料的添加量优选为金属材料总质量的0.05%~1.2%，最优选为金属材料总质量的0.6%~0.8%。

所述陶瓷材料的颗粒粒度不超过60nm为宜，优选为10~30nm。

所述陶瓷材料优选为A1₂O₃、ThO₂、Y₂O₃陶瓷粉料，最优选A1₂O₃陶瓷粉料。

在选择A1₂O₃陶瓷粉料时，最优选纯度在99%以上的纳米级A1₂O₃陶瓷粉料。

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质来改善提高浮动油封基体材料的机械性能。其核心原因是，高硬度、高耐磨性能的非金属材质，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质制作浮动油封，不会采用陶瓷等无机非金属材料来改善提高浮动油封的机械性能。

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。发明人将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整体硬度和耐磨性能。采用这样的设计，浮动油封的整体硬度得到了有效地增强，而材质仍然以金属为主，工作面仍然是两个金属面在摩擦，丝毫不会影响其导热性能。采用这种复合材料，在兼顾耐久度的同时，又能够有效保证摩擦散热的需要，合理的克服了技术偏见。

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形成和强度的目的，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%~0.1.2%范围内，成型后的金属材料机械性能和耐磨性能能提高30%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50%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。

而陶瓷材料的选择则是充分考虑到了弥散化的要求总结得出的。从热力学来说，要求弥散相的生成自由能负值大。因为物质生成自由能的大小反映物质的稳定性，生成自由能负值越大，弥散相在合金中就越稳定。从这一点出发，一般认为选用氧化物作弥散相比碳化物、氯化物、硼化物、硅化物较好。根据表1可知，选择A1₂O₃、ThO₂、Y₂O₃陶瓷粉料，综合性能较好，最优选A1₂O₃陶瓷粉料。为提高弥散强化效果，在选择A1₂O₃陶瓷粉料时，最优选纯度在99%以上的纳米级A1₂O₃陶瓷粉料。

表1 氧化物的生成自由能、熔点、莫氏硬度

与传统的浮动油封相比，本发明设计的浮动油封在制造成本上和现有普通浮动油封基本相同，其使用寿命可以提高50%以上。在选择优质陶瓷晶粒，控制添加量在0.6%左右，颗粒粒度在25nm左右时，制成的浮动油封的使用寿命可以提高一倍以上。

本发明所设计的陶瓷粉弥散增强的浮动油封可以采用粉末冶金工艺制备。

通过粉末冶金方式制备上述陶瓷粉弥散增强的浮动油封的方法，包括以下步骤：

1）按照浮动油封的金属材料配比配置粉末冶金金属粉粒；

2）向金属粉粒中添加不超过金属材料总质量的5%的陶瓷粉料；

3）将步骤2）配得的粉料充分混合搅拌，使之混合均匀；

4）将步骤3）混匀后的粉料预压成型压坯；

5）将步骤4）预压成型的压坯直接经高温热锻，或者烧结后高温热锻，得到陶瓷粉弥散增强的浮动油封毛坯。

所述陶瓷粉料的添加量优选占金属材料总质量的0.05%~1.2%。

所述陶瓷粉料的添加量最优选占金属材料总质量的0.6%~0.8%。

所述热锻温度优选控制在1000~1200℃。

所述陶瓷粉料的颗粒粒度优选为10~30nm。

所述陶瓷材料优选为A1₂O₃、ThO₂、Y₂O₃陶瓷粉料，最优选A1₂O₃陶瓷粉料。

在选择A1₂O₃陶瓷粉料时，最优选纯度在99%以上的纳米级A1₂O₃陶瓷粉料。

综上所述，本发明的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7000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，使用寿命延长了50%以上。

本发明的核心是利用在浮动油封金属材质中引入弥散化形态分布的陶瓷晶粒，以增加浮动油封的硬度，从而增加浮动油封的耐磨性和使用寿命，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 (15)

1.一种陶瓷粉弥散增强的浮动油封，包括上、下结构对称的一对密封环体，其特征在于：所述密封环体以金属材料为主要材质制成，所述金属材料中掺杂有陶瓷材料，所述陶瓷材料的添加量不超过金属材料总质量的5%，所述陶瓷材料为粉末状，以弥散相的形态分布在金属材料中。

2.根据权利要求1所述的陶瓷粉弥散增强的浮动油封，其特征在于：所述陶瓷材料的添加量为金属材料总质量的0.05%~1.2%。

3.根据权利要求2所述的陶瓷粉弥散增强的浮动油封，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1~3任意一项所述的陶瓷粉弥散增强的浮动油封，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所述的陶瓷粉弥散增强的浮动油封，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4所述的陶瓷粉弥散增强的浮动油封，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5所述的陶瓷粉弥散增强的浮动油封，其特征在于：所述陶瓷材料为A1₂O₃陶瓷粉料。

8.根据权利要求6所述的陶瓷粉弥散增强的浮动油封，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。

9.一种通过粉末冶金方式制备权利要求1~8所述的陶瓷粉弥散增强的浮动油封的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）按照浮动油封的金属材料配比配置粉末冶金金属粉粒；

2）向金属粉粒中添加不超过金属材料总质量的5%的陶瓷粉料；

3）将步骤2）配得的粉料充分混合搅拌，使之混合均匀；

4）将步骤3）混匀后的粉料预压成型；

5）将步骤4）预压成型的粉料经高温热锻，得到陶瓷粉弥散增强的浮动油封毛坯。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉料的添加量占金属材料总质量的0.05%~1.2%。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉料的添加量占金属材料总质量的0.6%~0.8%。

12.根据权利要求9~11任意一项所述的制备方法，其特征在于：所述热锻温度为1000~1200℃。

13.根据权利要求9~11任意一项所述的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉料的颗粒粒度为10~30nm。

14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉料为A1₂O₃、ThO₂、Y₂O₃陶瓷粉料。

15.根据权利要求14所述的制备方法，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。