CN116102354B - 一种用于主泵轴瓦的组合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于核技术领域，具体涉及一种用于主泵轴瓦的组合物及其制备方法。该组合物，包括：石墨、SiC和游离Si三相；其中，所述石墨的含量大于或等于40wt％；所述SiC的含量大于或等于40wt％；所述游离Si的含量小于或等于20wt％，满足该配方成分的渗硅石墨材料能够满足轴向载荷较大的主泵基本运行要求。

Description

一种用于主泵轴瓦的组合物及其制备方法
技术领域
本申请属于核技术领域，具体涉及一种用于主泵轴瓦的组合物及其制备方法。
背景技术
核主泵具有安全无泄露，运转平稳，噪音低，自润滑，结构紧凑等特点，轴瓦是主泵的易损构件，其质量优劣对泵的平稳性、可靠性、使用寿命起到重要影响。
目前核电机组主泵推力轴承采用的材料主要有三类：金属材料，聚合物，以及陶瓷非金属材料。其中，合金类轴瓦机械强度高，耐腐蚀，但是硬度低耐磨性较差，需要使用油润滑，不适用于当前高温高速运行环境；聚合物材料质轻、绝缘、耐磨、耐腐蚀，是不错的轴承耐磨材料，如工程塑料，聚醚醚酮(PEEK)，具有不错的耐磨性能和机械性能，但是其物理性能无法满足高比压核主泵推力轴瓦的使用要求；陶瓷非金属材料，如硅化石墨，纯石墨轴承具有高导热性，耐磨损、耐化学腐蚀的特点，但机械强度比较低，不适用于轴向载荷较大的主泵。
发明内容
本申请目的是提供一种用于主泵轴瓦的组合物及其制备方法，解决现有技术中目前核电机组主泵推力轴承采用的材料无法满足要求的问题。
实现本申请目的的技术方案：
本申请实施例提供了一种用于主泵轴瓦的组合物，所述组合物，包括：石墨、SiC和游离Si三相；
其中，所述石墨的含量大于或等于40wt％；所述SiC的含量大于或等于40wt％；所述游离Si的含量小于或等于20wt％。
可选的，所述石墨为直径100～500μm的颗粒结构。
可选的，所述石墨的含量为40wt％-45wt％。
可选的，所述SiC的含量为40wt％-50wt％。
可选的，所述游离Si的含量为10wt％-20wt％。
可选的，所述组合物的材料密度达到2.5～2.8g/cm3。
可选的，所述组合物的摩擦系数小于0.03。
可选的，所述组合物的抗压强度大于500MPa。
本申请实施例还提供了一种用于主泵轴瓦的组合物制备方法，用于制备上述实施例提供的用于主泵轴瓦的组合物中的任意一种；所述方法，包括：
通过真空反应熔渗方法制备所述组合物。
可选的，所述方法，还包括：
通过控制原材料中石墨含量，使得所述组合物中的石墨比例大于40wt％；
通过控制硅化反应时间，使得所述组合物中的SiC比例大于40wt％；
通过控制高温排Si步骤，使得所述组合物中的游离Si比例小于20wt％。
本申请的有益技术效果在于：
本申请实施例提供的一种用于主泵轴瓦的组合物及其制备方法，属于陶瓷类石墨基复合材料，应用于摩擦材料领域，通过制备一系列不同成分配方的渗硅石墨材料，并进行全面的性能检测与实际应用验证，获得了石墨、SiC、游离Si三相含量对渗硅石墨材料性能的影响规律，当渗硅石墨中的三相成分含量满足石墨比例大于或等于40wt％，SiC比例大于或等于40wt％，游离Si比例小于或等于20wt％时，满足该配方成分的渗硅石墨材料密度能够达到2.5～2.8g/cm3，摩擦系数小于0.03，抗压强度大于500MPa，拥有石墨的自润滑性及碳化硅的高强度、耐化学腐蚀的特点，能够满足轴向载荷较大的主泵基本运行要求。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚-完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本申请实施例中的一部分，而不是全部。基于本申请记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本申请保护的范围内。
为了现有技术问题，本申请实施例的发明人在研究中发现，经渗硅处理后的硅化石墨材料兼具石墨的自润滑性及碳化硅的高强度、耐化学腐蚀的特点，能够适用于高轴向载荷的主泵运行环境，目前国内尚无成熟应用的渗硅石墨类轴承产品。
基于上述内容，为了清楚、详细的说明本申请的上述优点，下面对本申请的具体实施方式进行说明。
本申请实施例提供的一种用于主泵轴瓦的组合物，包括：石墨、SiC和游离Si三相；
其中，石墨的含量大于或等于40wt％；SiC的含量大于或等于40wt％；游离Si的含量小于或等于20wt％，填充该组合物的剩余空间。此时，材料密度达到2.5～2.8g/cm3，摩擦系数小于0.03，抗压强度大于500MPa，利用这种组合物制造的轴瓦能够满足核主泵的基本运行要求。
需要说明的是，该组合物为渗硅石墨材料，作为一种复合材料，主要含有SiC、石墨、游离Si三相，最终性能与三者比例息息相关：石墨起导热、润滑功能，含量过低会导致材料摩擦系数增加，无法形成自润滑效果，含量过高则会导致材料力学性能降低；SiC硬度高、强度高，起结构支撑和降低磨损量的作用，但其含量过高会导致摩擦系数增加；游离硅为制备过程残留相，需要控制在一个较低的程度，否则会导致材料磨损量增大和耐腐蚀性能降低。通过控制石墨比例大于或等于40wt％，SiC比例大于或等于40wt％，游离Si比例小于或等于20wt％时，材料密度达到2.5～2.8g/cm3，摩擦系数小于0.03，抗压强度大于500MPa，利用这种组合物制造的轴瓦能够满足核主泵的基本运行要求。
实施例1
石墨含量40wt％，SiC相含量45wt％，游离Si含量15wt％，该样品密度2.63g/cm3，摩擦系数0.025，抗压强度560MPa。
实施例2
在实施例1基础上，调整三相含量，使石墨含量42wt％，SiC相含量47wt％，游离Si含量11wt％，得到的渗硅石墨密度2.62g/cm3，摩擦系数0.029，抗压强度600MPa。
实施例3
在实施例1基础上，调整三相含量，使石墨含量45％，SiC相含量45％，游离Si含量10wt％，得到的渗硅石墨密度2.60g/cm3，摩擦系数0.020，抗压强度530MPa。
实施例4
在实施例1基础上，调整三相含量，使石墨含量45wt％，SiC相含量40wt％，游离Si含量15wt％，得到的渗硅石墨密度2.59g/cm3，摩擦系数0.03，孔隙率0.1，抗压强度505MPa。
实施例5
在实施例1基础上，调整三相含量，使石墨含量40wt％，SiC相含量40wt％，游离Si含量20wt％，得到的渗硅石墨密度2.54g/cm3，摩擦系数0.028，孔隙率0.05，抗压强度515MPa。
实施例6
通过筛选石墨颗粒粒径，选取粒径105μm的石墨颗粒，在实施例1基础上，得到石墨含量40wt％，SiC相含量45wt％，游离Si含量15wt％，渗硅石墨密度2.58g/cm3，摩擦系数0.03，孔隙率0.1，抗压强度510MPa。
实施例7
通过筛选石墨颗粒粒径，选取粒径495μm的石墨颗粒，在实施例1基础上，得到石墨含量40wt％，SiC相含量45wt％，游离Si含量15wt％，渗硅石墨密度2.60g/cm3，摩擦系数0.029，孔隙率0.9，抗压强度520MPa。
基于上述实施例提供的一种用于主泵轴瓦的组合物，本申请实施例还提供了一种用于主泵轴瓦的组合物制备方法，用于制备上述实施例提供的一种用于主泵轴瓦的组合物中的任意一种。
本申请实施例提供的一种用于主泵轴瓦的组合物制备方法，包括：通过真空反应熔渗方法制备组合物。
需要说明的是，大尺寸渗硅石墨材料容易开裂，导致开裂主要有两个原因：多孔石墨坯体的开裂和渗硅过程开裂。因此需研究坯体成型机理，以避免碳素原料热解收缩时因体积急剧变化而导致的坯体开裂；同时研究熔渗机理，确定渗硅过程中的C、Si反应部位、反应速率，避免因多孔炭坯体的骨架过度反应而导致的坯体坍塌与开裂。此外，明确熔渗机理还有利于控制渗硅石墨材料中各相成分的比例和分布均匀性，是材料性能以及制备工艺稳定性的保证。
(一)混料过程
为保证全尺寸渗硅石墨材料轴瓦制备原材料混合均匀，需要优化材料配方、延长混料时间并调整混料机转动速率，以确保各成分充分混合均匀；
(二)成型工艺过程
将制粒后的材料进行模压成型，获得具有一定强度的生坯。
(三)脱胶工艺过程
将成型制得的生坯进行脱胶，获得孔隙分布均匀的多孔坯体；
(四)渗硅过程
为保证坯体在渗硅过程中成分渗透，需逐步调整硅颗粒放置方法及渗硅时间。
在本申请实施例一些可能的实现方式中，该方法，还包括：
通过控制原材料中石墨含量，使得组合物中的石墨比例大于40wt％；
通过控制硅化反应时间，使得组合物中的SiC比例大于40wt％；
通过控制高温排Si步骤，使得组合物中的游离Si比例小于20wt％。
上面结合实施例对本申请作了详细说明，但是本申请并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。本申请中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (9)

1.一种用于主泵轴瓦的组合物，其特征在于，所述组合物，包括：石墨、SiC和游离Si三相；
其中，所述石墨的含量大于或等于40wt%；所述SiC的含量大于或等于40wt%；所述游离Si的含量为10wt%-20wt%。
2.根据权利要求1所述的用于主泵轴瓦的组合物，其特征在于，所述石墨为直径100~500μm的颗粒结构。
3.根据权利要求1所述的用于主泵轴瓦的组合物，其特征在于，所述石墨的含量为40wt%-45wt%。
4.根据权利要求1所述的用于主泵轴瓦的组合物，其特征在于，所述SiC的含量为40wt%-50wt%。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于主泵轴瓦的组合物，其特征在于，所述组合物的材料密度达到2.5~2.8g/cm3。
6.根据权利要求1-4任一项所述的用于主泵轴瓦的组合物，其特征在于，所述组合物的摩擦系数小于0.03。
7.根据权利要求1-4任一项所述的用于主泵轴瓦的组合物，其特征在于，所述组合物的抗压强度大于500MPa。
8.一种用于主泵轴瓦的组合物制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-7任一项所述的用于主泵轴瓦的组合物；所述方法，包括：
通过真空反应熔渗方法制备所述组合物。
9.根据权利要求8所述的用于主泵轴瓦的组合物制备方法，其特征在于，所述方法，还包括：
通过控制原材料中石墨含量，使得所述组合物中的石墨比例大于40wt%；
通过控制硅化反应时间，使得所述组合物中的SiC比例大于40wt%；
通过控制高温排Si步骤，使得所述组合物中的游离Si比例为10wt%-20wt%。
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