CN108102262B - 一种高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于机械高速高压液压油缸密封领域，公开了一种高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料及其制备方法和应用。该密封材料由以下按质量百分比计的成分组成：39～55％的化学改性悬浮PTFE树脂，40～60％的青铜粉，1～5％的自润滑助剂。此材料可以用于制备高速高压液压油缸用的密封件，具体制备方法为：将化学改性悬浮PTFE、青铜粉和自润滑助剂高速混合，冷压成型，烧结冷却，淬火处理，最后机械加工。该密封材料具有耐磨损、耐高温、耐高压、低蠕变、低摩擦系数、韧性好等特点，特别适用于往复速度0.3～1.0m/s，工作压力30～40MPa的高速高压油缸用密封件，能大大提高密封件的使用寿命。

Description

一种高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料及其制备方法 和应用
技术领域
本发明属于机械高速高压液压油缸密封领域，具体涉及到一种高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着机械行业的飞速发展，对机械装备的使用要求越来越高，机械里面液压系统趋向高速化、高压化和轻量化。高速高压液压油缸由于压力较高、速度较快，在往复运动过程中摩擦生热严重，密封件材料容易磨损疲劳导致密封失效。为了提高密封件的使用寿命和可靠性，对高速高压油缸密封材料提出了耐磨损、耐高温、耐高压、低蠕变、低摩擦系数的性能要求。一般橡胶材料和聚氨酯弹性体由于耐高温性较差，摩擦系数较大，耐高压性不好等限制了它们在高速高压油缸密封中的应用。
聚四氟乙烯(PTFE)密封材料由于具有耐高温、低摩擦系数、耐油、自润滑等特点，广泛应用于油缸密封领域。然而，其耐磨损性差、耐蠕变性差、抗压强度不高等缺点限制了其应用。
目前广泛应用的是采用填充无机、有机或金属填料的方法来提高PTFE密封材料的耐磨损性、耐蠕变性、抗压缩强度、硬度等，比如玻璃纤维、碳粉、碳纤维、石墨、二硫化钼、聚苯酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、青铜粉等。然而，这个方法需要填料的填充量较大，会大大降低PTFE密封材料的韧性，从而降低密封件的密封性能和使用效果，如何平衡材料的耐磨损性、耐蠕变性、抗压缩强度和韧性是关键。
中国专利CN 102875941 A公开了一种高耐磨油缸用聚四氟乙烯密封材料及其制备与应用。该材料包括如下按重量份计的组分：35～79.9份聚四氟乙烯树脂、20～60份青铜粉和0.1～5份三氧化二铬。通过将聚四氟乙烯树脂、青铜粉和三氧化二铬高速机械混合均匀，进行模压加工、烧结，制得高耐磨工程油缸用聚四氟乙烯密封材料。该材料能应用于工程油缸，具有良好的抗挤出变形能力，优秀的抗磨损性能，很好的安装回弹性，使用寿命能大大提高。该发明专利没有考虑材料的韧性如何，且采用的基体树脂蠕变性较大。
中国专利CN 105017697 A公开了一种耐高温蠕变、低磨损可注塑的含氟热塑性密封材料及低泄漏密封环的制备方法。该密封材料由以下按质量比计的成分组成：60～98％的全氟热塑性树脂、1～20％的聚醚醚酮、0.5～10％的碳纤维、0.2～5％的PTFE微粉、0.2～1％的相容剂、0.1～4％的稀土改性剂。所述的耐高温蠕变、低磨损可注塑的含氟热塑性密封材料在制备密封环中的应用。含氟热塑性低泄漏密封环的制备方法为：将粒料置于注射机中注射成型为密封环即可。该发明制备的密封材料具有良好耐高温蠕变、低磨损、可熔融注射加工的优点，用该材料制备的密封环与传统的模压聚四氟乙烯密封环相比，泄漏大大降低，具有较好的应用效果。该发明采用注塑的方法加工材料及密封件，模具成本较高，不适合小批量多规格的密封件生产。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料；该材料耐磨损、耐高温、耐高压、耐油、低蠕变、低摩擦系数、韧性好，特别适用于往复速度0.3～1.0m/s，工作压力30～40MPa的高速高压油缸密封件长寿命、高可靠性要求。
本发明另一目的在于提供一种上述高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料的制备方法；该方法是通过高速混合、冷压成型、高温烧结、淬火处理、机械加工进行制备。
本发明再一目的在于提供一种上述高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料，该材料是由以下按质量百分比计的组分组成：
化学改性悬浮PTFE树脂 39～55％
青铜粉 40～60％
自润滑助剂 1～5％。
化学改性悬浮PTFE树脂为基体树脂，青铜粉为耐磨填料，自润滑助剂为减磨填料。
所述的化学改性悬浮PTFE树脂，此树脂用摩尔百分数99～99.999％的四氟乙烯单体和摩尔百分数0.001～1％的全氟乙烯基醚单体共聚合而成，其平均粒径为15～50微米。此基体树脂与普通的悬浮PTFE树脂相比，具有结晶度低、耐蠕变性好、耐高温压缩性好、韧性好等特点，基本不影响耐高温性、耐油性和低摩擦特性，并且可以用普通的冷压烧结方法加工。
所述的全氟乙烯基醚单体为全氟甲基乙烯基醚、全氟乙基乙烯基醚和全氟丙基乙烯基醚中的一种，优选全氟丙基乙烯基醚。
所述的青铜粉为铜、锡、锌和铅的合金粉末，平均粒径为15～60微米，其中铜含量为85～90wt％，锡含量为3～6wt％，锌含量为3～6wt％，铅含量为1～3wt％。用此青铜粉填充，可以明显提高PTFE密封材料的耐磨损性、抗压缩强度、导热性，并且保持了良好的拉伸性能和液压油中的摩擦特性，从而大大提高往复油缸密封件的使用寿命。
所述的自润滑助剂为石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯微粉中的一种，平均粒径1～10微米，优选二硫化钼。用此自润滑助剂填充，可以降低PTFE密封材料的摩擦系数，从而降低往复油缸密封件的摩擦阻力，使油缸往复运动无爬行，起动平稳。
上述的一种高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将质量百分比39～55％的化学改性悬浮PTFE树脂、质量百分比40～60％的青铜粉和质量百分比1～5％的自润滑助剂在高速混合机中进行高速混合，混合速度为1000～2000r/min，混合时间为1～5min；
(2)将上述混合后的材料室温下冷压成型，成型压力30～60MPa，保压时间1～30min，成型速度为0.1～5mm/s；
(3)将上述成型好的坯料放到烧结炉中烧结，升温速率10～50℃/小时，保温温度360～390℃，保温时间1～10小时，降温速率10～50℃/小时；
(4)将上述烧结后的坯料重新进行热处理，热处理温度为360～390℃，热处理时间为1～5h，热处理后取出淬火处理；
(5)将热处理和淬火处理后的坯料进行机械加工，切削速度为90～225m/min，进给量为0.05～0.2mm/r，切削深度为0.12～0.5mm。
步骤(4)中所述的淬火处理为水中淬火处理、空气中淬火处理或者冰水中淬火处理。
步骤(1)中所述的高速混合是在温度≤19℃，湿度≤70％的环境下进行，高速混合机的混合速度为1500～2000r/min，，混合时间为60s～90s，混合温度为≤40℃；
步骤(2)所述的冷压成型是在温度21～26℃，湿度≤70％的环境下进行，成型压力为40～60MPa；
步骤(4)所述的热处理是在温度360～380℃下热处理1～3小时；所述的淬火处理为水中淬火处理。将烧结后的毛坯淬火处理后的PTFE密封材料，具有结晶度低、韧性好、硬度低等特点，有利于提高密封件的密封性能。
步骤(5)所述的机械加工，包括车、铣、钻、刨、磨等加工。
上述的聚四氟乙烯密封材料在高速高压油缸密封领域的应用，所述的密封材料是应用在往复速度0.3～1.0m/s，工作压力30～40MPa的往复油缸密封。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
本发明通过选用韧性好的化学改性的悬浮PTFE，添加青铜粉和自润滑助剂提高耐磨损性、抗压缩性、自润滑性，并通过淬火处理降低其结晶度，制备了具有韧性好、耐磨损性好、低蠕变、低摩擦系数、耐油、耐高温的PTFE密封材料，特别适用于高速高压油缸密封件，可以大大延长密封件的使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
以下实施例中使用的化学改性悬浮PTFE树脂，是用摩尔百分数99～99.999％的四氟乙烯单体和摩尔百分数1～0.001％的全氟丙基乙烯基醚单体共聚合而成，其平均粒径为15～50微米。
实施例1
将质量百分比55％化学改性的悬浮PTFE(基体树脂)，质量百分比40％的青铜粉，质量百分比5％的二硫化钼在高速混合机中以1500r/min的速度混合，混合时间60s，混合温度≤40℃；混合后在21～26℃下放置24小时后，加入模具中冷压成型，成型压力50MPa，保压时间5min，成型速度0.5mm/s；冷压成型后放到高温烧结炉中烧结，升温速率50℃/小时，烧结温度380℃，烧结时间3小时，烧结后冷却，降温速率30℃/小时；烧结后将毛坯在380℃保温2小时，取出后放到水中淬火处理；淬火后取出机械加工，切削速度为120m/min，进给量为0.1mm/r，切削深度为0.2mm，得到PTFE密封材料或密封件，材料性能测试和密封件寿命测试如表1所示。
实施例2
将实施例1中的质量比例改为质量百分比50％化学改性的悬浮PTFE，质量百分比45％的青铜粉，质量百分比5％的二硫化钼，其它工艺条件不变，得到PTFE密封材料或密封件，材料性能测试和密封件寿命测试如表1所示。
实施例3
将实施例1中的质量比例改为质量百分比40％化学改性的悬浮PTFE，质量百分比55％的青铜粉，质量百分比5％的二硫化钼，其它工艺条件不变，得到PTFE密封材料或密封件，材料性能测试和密封件寿命测试如表1所示。
实施例4
将实施例1中的水中淬火处理改为空气中淬火处理，其它工艺条件不变，得到PTFE密封材料或密封件，材料性能测试和密封件寿命测试如表1所示。
实施例5
将实施例1中的水中淬火处理改为冰水中淬火处理，其它工艺条件不变，得到PTFE密封材料或密封件，材料性能测试和密封件寿命测试如表1所示。
对比例1
将实施例1的基体树脂改为普通悬浮PTFE，烧结后没有经过淬火处理，其它条件不变，制备得到PTFE密封材料或密封件，材料性能测试和密封件寿命测试如表1所示。
对比例2
将实施例2的基体树脂改为普通悬浮PTFE，烧结后没有经过淬火处理，其它条件不变，制备得到PTFE密封材料或密封件，材料性能测试和密封件寿命测试如表1所示。
对比例3
将实施例3的基体树脂改为普通悬浮PTFE，烧结后没有经过淬火处理，其它条件不变，制备得到PTFE密封材料或密封件，材料性能测试和密封件寿命测试如表1所示。
表1材料物理机械性能和样品测试结果
Figure GDA0001619751710000061
Figure GDA0001619751710000071
表1中实施例1～5为本发明的材料，与对比例相比，可以发现其硬度较低，高温下压缩强度较大，压缩蠕变率较小，泄漏量较低，使用寿命较长。这是因为本发明采用的基体树脂为化学改性的悬浮PTFE树脂，其韧性较好，耐蠕变性好，并且通过淬火处理降低了其结晶度，其硬度较低，密封性能好，使用寿命延长。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料，其特征在于：该材料是由以下按质量百分比计的组分组成：
化学改性悬浮PTFE树脂 39～55％
青铜粉 40～60％
自润滑助剂 1～5％；
所述的化学改性悬浮PTFE树脂，此树脂用摩尔百分数99～99.999％的四氟乙烯单体和摩尔百分数1～0.001％的全氟乙烯基醚单体共聚合而成，其平均粒径为15～50微米；所述的青铜粉为铜、锡、锌和铅的合金粉末，平均粒径为15～60微米，其中铜含量为85～90wt％，锡含量为3～6wt％，锌含量为3～6wt％，铅含量为1～3wt％；所述的自润滑助剂为石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯微粉中的一种，平均粒径1～10微米；
所述的高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将质量百分比39～55％的化学改性悬浮PTFE树脂、质量百分比40～60％的青铜粉和质量百分比1～5％的自润滑助剂在高速混合机中进行高速混合，混合速度为1000～2000r/min，混合时间为1～5min；
(2)将上述混合后的材料室温下冷压成型，成型压力30～60MPa，保压时间1～30min，成型速度为0.1～5mm/s；
(3)将上述成型好的坯料放到烧结炉中烧结，升温速率10～50℃/小时，保温温度360～390℃，保温时间1～10小时，降温速率10～50℃/小时；
(4)将上述烧结后的坯料重新进行热处理，热处理温度为360～390℃，热处理时间为1～5h，热处理后取出淬火处理；
(5)将热处理和淬火处理后的坯料进行机械加工，切削速度为90～225m/min，进给量为0.05～0.2mm/r，切削深度为0.12～0.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料，其特征在于：所述的全氟乙烯基醚单体为全氟甲基乙烯基醚、全氟乙基乙烯基醚和全氟丙基乙烯基醚中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料，其特征在于：所述的自润滑助剂为二硫化钼。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种高速高压液压油缸用聚四氟乙烯密封材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将质量百分比39～55％的化学改性悬浮PTFE树脂、质量百分比40～60％的青铜粉和质量百分比1～5％的自润滑助剂在高速混合机中进行高速混合，混合速度为1000～2000r/min，混合时间为1～5min；
(2)将上述混合后的材料室温下冷压成型，成型压力30～60MPa，保压时间1～30min，成型速度为0.1～5mm/s；
(3)将上述成型好的坯料放到烧结炉中烧结，升温速率10～50℃/小时，保温温度360～390℃，保温时间1～10小时，降温速率10～50℃/小时；
(4)将上述烧结后的坯料重新进行热处理，热处理温度为360～390℃，热处理时间为1～5h，热处理后取出淬火处理；
(5)将热处理和淬火处理后的坯料进行机械加工，切削速度为90～225m/min，进给量为0.05～0.2mm/r，切削深度为0.12～0.5mm。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的淬火处理为水中淬火处理或者空气中淬火处理。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述水中淬火处理为冰水中淬火处理。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的高速混合是在温度≤19℃，湿度≤70％的环境下进行，高速混合机的混合速度为1500～2000r/min，混合时间为60s～90s，混合温度为≤40℃；
步骤(2)所述的冷压成型是在温度21～26℃，湿度≤70％的环境下进行，成型压力为40～60MPa；
步骤(4)所述的热处理是在温度360～380℃下热处理1～3小时；所述的淬火处理为水中淬火处理。
8.根据权利要求1～3任一项所述的聚四氟乙烯密封材料在高速高压油缸密封领域的应用，其特征在于：所述的密封材料是应用在往复速度0.3～1.0m/s，工作压力30～40MPa的往复油缸密封。
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