陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封及其鑄造毛坯的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封，包括上、下結(jié)構(gòu)對(duì)稱的一對(duì)密封環(huán)體，所述密封環(huán)體以金屬材料為主要材質(zhì)制成，所述金屬材料中摻雜有陶瓷材料，所述陶瓷材料的添加量不超過金屬材料總質(zhì)量的5%，所述陶瓷材料為粉末狀，以彌散相的形態(tài)分布在金屬材料中。同時(shí)本發(fā)明還提供了采用鑄造（熔模、殼型精密鑄造或者壓力鑄造）方式制備上述浮動(dòng)油封的方法。本發(fā)明能夠有效提高工作面的耐磨損度、增加使用壽命、并且易于加工、生產(chǎn)成本低廉。
【專利說明】
陶瓷粉彌散増強(qiáng)的浮動(dòng)油封及其鑄造毛巧的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及機(jī)械領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種用于機(jī)械設(shè)備中浮動(dòng)端面密封的陶瓷粉彌 散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封及其鑄造毛巧的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 浮動(dòng)油封應(yīng)用于浮動(dòng)端面密封，是一種用量大、用途廣（全國年需用量超過斤萬 件)的機(jī)械密封，運(yùn)種密封是由兩個(gè)金屬浮動(dòng)端面密封環(huán)(簡稱浮動(dòng)油封)和兩個(gè)"爐型橡膠 密封圈安裝在中屯、軸上而構(gòu)成的。具有耐磨、耐沖擊、一定的自適應(yīng)性、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、 價(jià)廉，維修保養(yǎng)更換方便等特點(diǎn)，在礦山、工程機(jī)械、建筑機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、深井鉆 機(jī)、井下采掘機(jī)械的密封結(jié)構(gòu)中得到廣泛使用。由于浮動(dòng)油封的使用環(huán)境的特殊，因此其屬 于易損部件。外露的安裝位置，安裝調(diào)試人員的技能，環(huán)境溫度，潤滑油的性能等因素都對(duì) 它的使用壽命有直接影響。
[0003] 目前浮動(dòng)油封一般采用下列工藝成型： 精密鑄造型，即高銘鋼合金鑄鐵采用烙模、殼型精密鑄造，成品表面硬度皿C65-72，工 作面粗糖度Ra值為0.2-0.化m，亮帶Ra值為0.1 ym,理認(rèn)壽命4000-600化，實(shí)際使用壽命大約 3000-4000h〇
[0004] 機(jī)械壓鑄型，即合金鑄鐵壓鑄成型，成品金相組織較細(xì)密，但成本略高，工作面粗 糖度Ra值為0.2-0.化m，亮帶Ra值為0.09-0.15ym，理認(rèn)壽命4000-6000h，實(shí)際使用壽命大約 4000-500化。
[0005] 金屬鍛造型，即W軸承鋼為代表的合金鋼模鍛或娠鍛成型，成品金相組織較細(xì)密， 成品表面硬度HRC60-68,亮帶Ra值為《0.化m，理認(rèn)壽命4000-500化，實(shí)際使用壽命大約 2000-300化。
[0006] 粉末冶金熱鍛型，即粉末冶金粉粒經(jīng)高溫?zé)徨懚?，工作面粗糖度Ra值為0 .化m， 理認(rèn)壽命2000-400化，實(shí)際使用壽命大約1500-200化。
[0007] 熱噴涂型，即基體材料為普通鑄鐵，在工作面上熱噴涂0.05-0.20mm厚的高銘鋼粉 末，研磨加工而成，理認(rèn)壽命4000-600化，實(shí)際使用壽命大約3000-400化。該工藝節(jié)省稀有 金屬，但須受設(shè)備限制，生產(chǎn)率低，成本高。
[000引綜上所述，目前現(xiàn)有的各種成型方式的浮動(dòng)油封，其在使用壽命、性能、生產(chǎn)率、成 本等方面存在各種各樣的不足和缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是針對(duì)上述【背景技術(shù)】的不足，提供一種陶瓷粉彌散 增強(qiáng)的浮動(dòng)油封及其鑄造毛巧制備方法，能夠有效提高浮動(dòng)油封的耐磨損度、增加使用壽 命、并且易于加工、生產(chǎn)成本低廉。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封，包括上、下 結(jié)構(gòu)對(duì)稱的一對(duì)密封環(huán)體，所述密封環(huán)體W金屬材料為主要材質(zhì)制成，所述金屬材料中滲 雜有陶瓷材料，所述陶瓷材料的添加量不超過金屬材料總質(zhì)量的5%，所述陶瓷材料為粉末 狀，W彌散相的形態(tài)分布在金屬材料中。
[0011] 在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷材料的添加量優(yōu)選占金屬材料總質(zhì)量的0.05%~ 1.2% O
[0012] 在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷材料的添加量最優(yōu)選占金屬材料總質(zhì)量的0.6%~ 0.8% O
[0013] 在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷材料的顆粒粒度不超過60nm。
[0014] 在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷材料的顆粒粒度優(yōu)選10~30nm。
[001引在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷材料為Al203、lll02、Y20澗瓷粉料。
[0016]在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷材料為Al2〇3陶瓷粉料。
[0017]在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷材料為純度在99%W上的納米級(jí)Al2〇澗瓷粉料。
[0018] 本發(fā)明還提供了一種通過鑄造(烙模、殼型精密鑄造或者壓力鑄造)方式制備上述 陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封的方法，包括W下步驟： 1) 將用于鑄造浮動(dòng)油封的金屬錠加熱融成液態(tài)； 2) 向鋼包中添加不超過金屬材料總質(zhì)量的5%的陶瓷粉料； 3) 將步驟1)得到的金屬液沖入鋼包中； 4) 將步驟3)得到的混有陶瓷粉料的金屬液誘鑄或者壓鑄在型腔中； 5) 將步驟4)得到的鑄巧件拋丸后，去應(yīng)力退火得到成型的浮動(dòng)油封毛巧。
[0019] 在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷粉料的添加量優(yōu)選占金屬材料總質(zhì)量的0.05%~ 1.2% O
[0020] 在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷粉料的添加量最優(yōu)選占金屬材料總質(zhì)量的0.6%~ 0.8% O
[0021] 在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷粉料的顆粒粒度為10~30nm。
[0022] 在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷粉料優(yōu)選Al2化、Th〇2、Y2化陶瓷粉料。
[0023] 在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷材料最優(yōu)選純度在99%W上的納米級(jí)Al2〇3陶瓷粉料。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明在浮動(dòng)油封中增加了彌散化的 陶瓷顆粒，能夠有效提高浮動(dòng)油封的硬度，從而有效提高浮動(dòng)油封的耐磨性能，有效提高浮 動(dòng)油封的使用壽命，而且運(yùn)種硬化狀態(tài)在高溫工作環(huán)境下而不產(chǎn)生回復(fù)，運(yùn)一過程是提高 耐熱強(qiáng)度、減少蠕變的關(guān)鍵，因?yàn)橐话慵庸び不癄顟B(tài)是容易獲得的，但要保持到高溫不回復(fù) 則是不容易的；同時(shí)，由于工程陶瓷材料硬度較高、光滑度極高，因此能夠有效改善浮動(dòng)油 封工作面的光滑度，減小摩擦阻力提高浮動(dòng)油封的密封性能;本發(fā)明加工難度低、制造成本 低廉，由于彌散強(qiáng)化劑不含任何稀有元素，因此原料獲取難度低，生產(chǎn)率高;本發(fā)明將陶瓷 顆粒W彌散化形態(tài)加入到浮動(dòng)油封中，油封的主要材質(zhì)還是金屬材料，有效解決陶瓷材料 散熱困難的問題。
【具體實(shí)施方式】
[0025] W下對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述： 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封，包括上、下結(jié)構(gòu)對(duì)稱的一對(duì)密封環(huán)體，所 述密封環(huán)體W金屬材料為主要材質(zhì)制成，所述金屬材料中滲雜有陶瓷材料，所述陶瓷材料 的添加量不超過金屬材料總質(zhì)量的5%，所述陶瓷材料為粉末狀，W彌散相的形態(tài)分布在金 屬材料中。
[0026] 所述陶瓷材料的添加量優(yōu)選為金屬材料總質(zhì)量的0.05%~1.2%，最優(yōu)選為金屬材料 總質(zhì)量的0.6%~0.8〇/〇。
[0027] 所述陶瓷材料的顆粒粒度不超過60nm為宜，優(yōu)選為10~30nm。
[002引所述陶瓷材料優(yōu)選為Al203、化化、&化陶瓷粉料，最優(yōu)選A12化陶瓷粉料。
[0029] 在選擇Al2〇3陶瓷粉料時(shí)，最優(yōu)選純度在99%W上的納米級(jí)Al2〇3陶瓷粉料。
[0030] 浮動(dòng)油封使用壽命短、易磨損運(yùn)一問題一直是困擾本領(lǐng)域技術(shù)人員的一大難題。 對(duì)于如何提高浮動(dòng)油封的使用壽命、增加其耐久度，本領(lǐng)域的技術(shù)人員一直在研究。目前對(duì) 于上述問題，一般有兩種改進(jìn)的方向，第一種是從工藝上改進(jìn)，另一種是對(duì)工作面材質(zhì)改 性。工藝上的改進(jìn)主要是利用先進(jìn)的粉末冶金熱鍛工藝或者機(jī)械壓鑄工藝來制作浮動(dòng)油 封，通過制造工藝來提高浮動(dòng)油封的整體機(jī)械性能，提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性能，從而提 高其使用壽命。而材質(zhì)改性則是在浮動(dòng)油封的工作面上噴涂一些高銘鋼粉末，W此來提高 工作面的耐磨性能，從而提高浮動(dòng)油封的使用壽命。不管是采用哪種方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員 均沒有考慮用無機(jī)非金屬材質(zhì)來改善提高浮動(dòng)油封基體材料的機(jī)械性能。其核屯、原因是， 高硬度、高耐磨性能的非金屬材質(zhì)，普遍易碎、易破裂，同時(shí)其導(dǎo)熱性能普遍較差，因?yàn)槟Σ?產(chǎn)生高溫是影響耐磨性能的一個(gè)重要因素。而同時(shí)滿足硬度高、耐摩擦，同時(shí)又不易碎并且 具備一定導(dǎo)熱性能的材質(zhì)，價(jià)格又極為高昂，對(duì)于浮動(dòng)油封運(yùn)種易損零部件而言，高昂的價(jià) 格意味著成倍地增加使用成本。考慮到上述因素，所W不管如何對(duì)浮動(dòng)油封作改進(jìn)，技術(shù)人 員一般都選用金屬材質(zhì)制作浮動(dòng)油封，不會(huì)采用陶瓷等無機(jī)非金屬材料來改善提高浮動(dòng)油 封的機(jī)械性能。
[0031] 而本發(fā)明的發(fā)明人通過巧妙的構(gòu)思，合理地解決了本領(lǐng)域的運(yùn)一技術(shù)偏見。發(fā)明 人將彌散強(qiáng)化的原理引入到了浮動(dòng)油封的設(shè)計(jì)中，創(chuàng)造性地想到了利用彌散化的陶瓷晶粒 來提高浮動(dòng)油封的整體硬度和耐磨性能。采用運(yùn)樣的設(shè)計(jì)，浮動(dòng)油封的整體硬度得到了有 效地增強(qiáng)，而材質(zhì)仍然W金屬為主，工作面仍然是兩個(gè)金屬面在摩擦，絲毫不會(huì)影響其導(dǎo)熱 性能。采用運(yùn)種復(fù)合材料，在兼顧耐久度的同時(shí)，又能夠有效保證摩擦散熱的需要，合理的 克服了技術(shù)偏見。
[0032] 本發(fā)明中，陶瓷材料的添加量是核屯、，添加過多的陶瓷會(huì)很大程度改變成型后金 屬材料的內(nèi)部應(yīng)力，不但無法起到提高耐磨形成和強(qiáng)度的目的，還會(huì)使金屬材料的性能指 標(biāo)降低，因而如何控制添加量是本發(fā)明的關(guān)鍵。發(fā)明人經(jīng)過多年的摸索和試驗(yàn)，最終意外地 發(fā)現(xiàn)陶瓷粉料添加量控制在5%W內(nèi)，能夠使得金屬材料的機(jī)械性能和耐磨性能均能提高。 經(jīng)過進(jìn)一步長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)摸索，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)陶瓷粉料添加量控制在0.05%~0.1.2%范圍內(nèi)， 成型后的金屬材料機(jī)械性能和耐磨性能能提高30%W上;而進(jìn)一步控制陶瓷粉料添加量，使 其控制在0.6%~0.8%范圍內(nèi)，成型后的金屬材料機(jī)械性能和耐磨性能能提高50%W上。
[0033] 發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，陶瓷粉料的顆粒粒度對(duì)彌散效果同樣有作用，過大的顆粒會(huì)使得 金屬材料內(nèi)部應(yīng)力過大，使得金屬材料變脆、易斷裂，而過小的顆粒粒度難W加工獲取，成 本較高。經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)摸索，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)陶瓷粉料的顆粒粒度需要控制在60nmW內(nèi)，而 10~30nm的粒度是較優(yōu)的范圍。
[0034] 而陶瓷材料的選擇則是充分考慮到了彌散化的要求總結(jié)得出的。從熱力學(xué)來說， 要求彌散相的生成自由能負(fù)值大。因?yàn)槲镔|(zhì)生成自由能的大小反映物質(zhì)的穩(wěn)定性，生成自 由能負(fù)值越大，彌散相在合金中就越穩(wěn)定。從運(yùn)一點(diǎn)出發(fā)，一般認(rèn)為選用氧化物作彌散相比 碳化物、氯化物、棚化物、娃化物較好。根據(jù)表呵知，選擇Al2〇3、化化、Y203陶瓷粉料，綜合性 能較好，最優(yōu)選Al2〇3陶瓷粉料。為提高彌散強(qiáng)化效果，在選擇Al2〇3陶瓷粉料時(shí)，最優(yōu)選純度 在99% W上的納米級(jí)Al 2〇3陶瓷粉料。
表1氧化物的生成自由能、烙點(diǎn)、莫氏硬度
[0035] 與傳統(tǒng)的浮動(dòng)油封相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的浮動(dòng)油封在制造成本上和現(xiàn)有普通浮動(dòng)油 封基本相同，其使用壽命可W提局50%W上。在選擇優(yōu)質(zhì)陶瓷晶粒，巧制添加量在0.6%左右， 顆粒粒度在25nm左右時(shí)，制成的浮動(dòng)油封的使用壽命可W提高一倍W上。
[0036] 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封可W采用鑄造(烙模、殼型精密鑄造 或者壓力鑄造)的方式制備毛巧。
[0037] 通過鑄造(烙模、殼型精密鑄造或者壓力鑄造)方式制備上述陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮 動(dòng)油封的方法，包括W下步驟： 1) 將用于鑄造浮動(dòng)油封的金屬錠加熱融成液態(tài)； 2) 向鋼包中添加不超過金屬材料總質(zhì)量的5%的陶瓷粉料； 3) 將步驟1)得到的金屬液沖入鋼包中； 4) 將步驟3)得到的混有陶瓷粉料的金屬液誘鑄或者壓鑄在型腔中； 5) 將步驟4)得到的鑄巧件拋丸后，去應(yīng)力退火得到成型的浮動(dòng)油封毛巧。
[0038] 所述陶瓷粉料的添加量優(yōu)選占金屬材料總質(zhì)量的0.05%~1.2%。
[0039] 所述陶瓷粉料的添加量最優(yōu)選占金屬材料總質(zhì)量的0.6%~0.8%。
[0040] 所述陶瓷粉料的顆粒粒度為10~30nm。
[0041 ] 所述陶瓷材料優(yōu)選為Al2〇3、化化、&化陶瓷粉料，最優(yōu)選A12化陶瓷粉料。
[0042] 在選擇Al2〇3陶瓷粉料時(shí)，最優(yōu)選純度在99%W上的納米級(jí)Al2〇3陶瓷粉料。
[0043] 綜上所述，本發(fā)明的浮動(dòng)油封在各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足浮動(dòng)油封的使用要求的同 時(shí)，其使用壽命至少能夠達(dá)到7000小時(shí)W上。相比目前現(xiàn)有浮動(dòng)油封而言，本發(fā)明在低成 本、易加工的同時(shí)，耐磨性能優(yōu)異且使用壽命久，與現(xiàn)有浮動(dòng)油封相比，使用壽命延長了50% 社。
[0044] 本發(fā)明的核屯、是利用在浮動(dòng)油封金屬材質(zhì)中引入彌散化形態(tài)分布的陶瓷晶粒，W 增加浮動(dòng)油封的硬度，從而增加浮動(dòng)油封的耐磨性和使用壽命，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍不 僅限于上述實(shí)施例，在本發(fā)明原理的基礎(chǔ)上，任何利用上述機(jī)理的改變或變形，均屬于本發(fā) 明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封，包括上、下結(jié)構(gòu)對(duì)稱的一對(duì)密封環(huán)體，其特征在 于:所述密封環(huán)體以金屬材料為主要材質(zhì)制成，所述金屬材料中摻雜有陶瓷材料，所述陶瓷 材料的添加量不超過金屬材料總質(zhì)量的5%，所述陶瓷材料為粉末狀，以彌散相的形態(tài)分布 在金屬材料中。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封，其特征在于:所述陶瓷材料的添 加量為金屬材料總質(zhì)量的〇. 05%~1.2%。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封，其特征在于:所述陶瓷材料的添 加量為金屬材料總質(zhì)量的〇. 6%~0.8%。4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3任意一項(xiàng)所述的陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封，其特征在于:所述陶 瓷材料的顆粒粒度不超過60nm〇5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封，其特征在于:所述陶瓷材料的顆 粒粒度為10~30nm〇6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封，其特征在于：所述陶瓷材料為 Al2〇3、Th〇2、Y2〇3 陶瓷粉料。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封，其特征在于：所述陶瓷材料為 AI2O3陶瓷粉料。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的陶瓷粉彌散增強(qiáng)的浮動(dòng)油封，其特征在于:所述陶瓷材料為純 度在99%以上的納米級(jí)Al 2〇3陶瓷粉料。9. 一種通過鑄造(精密鑄造或者壓力鑄造)方式制備權(quán)利要求1~8所述的陶瓷粉彌散增 強(qiáng)的浮動(dòng)油封的方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 將用于鑄造浮動(dòng)油封的金屬錠加熱融成液態(tài)； 2) 向鋼包中添加不超過金屬材料總質(zhì)量的5%的陶瓷粉料； 3) 將步驟1)得到的金屬液沖入鋼包中； 4) 將步驟3)得到的混有陶瓷粉料的金屬液澆鑄或者壓鑄在型腔中； 5) 將步驟4)得到的鑄坯件拋丸后，去應(yīng)力退火得到成型的浮動(dòng)油封毛坯。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于:所述陶瓷粉料的添加量占金屬材料 總質(zhì)量的0.05%~1.2%。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的制備方法，其特征在于:所述陶瓷粉料的添加量占金屬材料 總質(zhì)量的〇·6%~0·8%。12. 根據(jù)權(quán)利要求9~11任意一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于:所述陶瓷粉料的顆粒粒 度為10~30nm。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的制備方法，其特征在于:所述陶瓷粉料為Al2〇3、Th02、Y 2〇3陶 瓷粉料。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的制備方法，其特征在于:所述陶瓷材料為純度在99%以上的 納米級(jí)Al2O3陶瓷粉料。
【文檔編號(hào)】F16J15/28GK105909793SQ201510758804
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2015年11月10日
【發(fā)明人】李純
【申請(qǐng)人】李純