一種金屬陶瓷密封環材料及其製備方法

2023-07-05 09:24:41

專利名稱：一種金屬陶瓷密封環材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種瓷密封環材料及其製備方法，特別金屬陶瓷輕質密封環材料及製備方法，屬於粉末冶金和金屬陶瓷領域。
背景技術：
在石油、化工、水利水電等行業中，使用包括電潛(潛水、油)泵、泥漿泵、水泥泵、 海水提升泵、水增壓泵、注水泵、輸油泵、消防泵、化學劑注入泵及計量泵等多種泵，用來將各種液體介質，例如石油、成品油、化工原料、中間產品和成品，輸送到各個地方。為防止泵運行過程中液體從葉輪出口流向葉輪進口，或者從泵腔內通過外伸軸間隙處流向泵外，而導致泵的主要零件如泵體、葉輪和泵蓋很快損壞，通常在間隙處設置一種承受摩擦和磨損的零件，這種零件被稱為密封環，又稱為口環，在國外常稱耐磨環。密封環起到阻止液體從高壓區向低壓區洩漏、提高泵的效率、增強泵的運轉可靠性的作用。由於這些行業輸送的液體多具有強腐蝕性、毒性、易燃、易爆性，有較高的粘性、磨蝕性和易揮發性，有的包含固體顆粒，甚至存在常壓、高壓，常溫、低溫、高溫，流量範圍變化大等特點。因此對密封環的要求材質強度高，對密封性、耐腐蝕性、耐磨損性以及汽蝕性能都有較高的要求。WC基硬質合金因具有高硬度、耐磨性和優異的耐腐蝕性能等優點而被廣泛用於上述行業中的泵用密封環。由於傳統的WC基硬質合金的主要原料WC屬於稀缺的戰略資源， 價格昂貴，而Ti資源儲量是W資源的70倍以上，因此以資源豐富價格相對低下的TiC為主要原料的金屬陶瓷已經開始逐漸取代硬質合金用於製備密封環。金屬陶瓷大量使用儲量豐富的Ti、Ni，避免了傳統WC硬質合金對昂貴稀缺的戰略資源W，Co的依賴和大量消耗，具有極大的資源優勢和成本優勢。同時金屬陶瓷具有低密度、低的摩擦係數、高硬度、高耐腐蝕性和耐磨性的優點，可用於高溫和衝蝕磨損等場合。200610155270. 5發明了一種輕質硬質合金密封環，密封材料由碳化鈦、鎳、碳化鎢和鈦組成，其組成含量碳化鈦粉為80 90%重量，鎳粉為5 10%重量，碳化鎢粉為3 5%重量，鈦粉為2 5%重量。但是金屬Ti的存在，一方面容易奪碳反應造成金屬陶瓷體系脫碳，另一方面，Ti金屬添加與金屬陶瓷粘結劑在高溫下容易形成Ni3Ti等金屬間化合物，這兩種反應都會到導致金屬陶瓷脆性增大，韌性下降。200410082961. 8公開一種耐磨耐蝕金屬陶瓷刀刃材料，其特徵在於所述刀刃材料以TiC顆粒為基體，含有Ni粉25.0 40. Owt. %、Cr粉6. 0 10. Owt. %、少量的Al粉和Ti粉，Al粉和Ti粉的總含量低於 3. Owt. %。本發明耐磨耐蝕金屬陶瓷刀刃材料，具有耐磨性、耐蝕性、抗氧化性好，高溫硬度、強度高，製造成本低等優點。用該材料製作的耐蝕耐磨金屬陶瓷複合材料塑料切粒刀， 適合於塑料、木材和造紙等行業的切削加工。也可用該材料製作模具、噴嘴和密封環等耐磨耐腐蝕機械零部件。該發明的金屬陶瓷材料含有Al粉和Ti粉，因此同樣存在脫碳和生成金屬間化合物而產生脆性的問題。200910167995. X公開了一種輕質微晶硬質合金密封環材料由碳化鈦、碳化鎢、碳化鉻、碳化鉭和金屬鎳組成；製備方法主要是採用了預製的CK料 (WC+TiC的固溶體)為原料主體，添加適量的難熔金屬化合物Cr3C2、TaC為添加劑。但該法採用的含WC為5-50%的WC+TiC的固溶體屬於未飽和固溶體，容易因成分梯度而出現環形結構並導致硬質合金脆性增大，TaC價格十分昂貴。200710048643. 3公開了一種工程材料， 是適用於泵類、閥類等機械密封用的碳氮化鈦基金屬陶瓷材料。是利用來源廣泛、價格低廉的Ti (C，N)粉體為基本材料，輔以粘結劑、晶粒抑制劑及其它添加劑。其粘結劑為Fe、Co、 Ni的一種或者他們的混合物；其晶粒抑制劑為Mo、Mo2C, VC、Cr3C2的一種或者他們的混合物；其它添加劑包括WC、TaC、NbC、HfC、C、Y、Er、SiC晶須的一種或者他們的混合物，但未說明金屬陶瓷的具體成分配方。該法中使用的 ^、Μο等金屬對材料的耐腐蝕性能存在不利影響，而TaC、NbC、SiC晶須等原料的價格十分昂貴，不利於工業應用。

發明內容
目前，目前的輕質密封環製備中存在諸如添加Ti、Al、不飽和CK料而引起脆性大， ^、Μο等金屬對耐腐蝕性能有不利影響，TaC等添加物價格昂貴等問題。因此本發明針對目前存在的問題，發明了一種金屬陶瓷輕質密封環材料及製備方法。本發明的金屬陶瓷密封環，其特徵在於，其成分按重量百分比，粒度為0.8 1.5μπι的(W, Cr)C佔5 20%，粒度為1. 0 2. 5 μ m的(W, Ti )C佔5 20%，粒度為0. 8 2. 0 μ m的Ni佔5 20%，粒度為0. 8 1. 5 μ m的Co佔5 20%，其餘為粒度為0. 8 2. 5 μ m 的 Ti (C，N)。本發明的金屬陶瓷密封環的製備方法，其特徵在於依次包含以下步驟(1)混合料製備。按權利要求1的重量百分比稱取(1，&)(與(1，11)(粉末及附、&)、11((，沁粉， 球磨過程中先將(W，Cr) C與(W，Ti) C粉末並加入到球磨機，同時加入油酸和PEG6000成型劑，並球磨12 24h ；然後加入Ni、Co、Ti (C, N)粉再球磨M 48h，球磨結束後過濾、乾燥後製成混合料。(2)壓製成型與真空燒結。混合粉末在300 500MI^下壓製成密封環生坯； 生坯在真空爐中在500°C 600°C進行，保溫2 4h，真空度為10 151 下脫除成型劑。 在燒結溫度為1350 1450°C，保溫時間為1 汕，真空度為1 5 1 下完成燒結。(3) 低壓燒結。將燒結好的金屬陶瓷密封環放入低壓燒結爐中，低壓燒結在1350°C 1400°C下進行，保溫時間90 120min，氬氣壓力為3 8MPa。本發明的金屬陶瓷密封環，其進一步的特徵在於Ti (C，N)粉末中的C:N原子比為 7 3, (W, Cr) C 粉末中 W:Cr 重量比為(95 99. 5) (0. 5 5)，(W，Ti) C 粉末中 WC:TiC 重量比為7:3。本發明的金屬陶瓷密封環的製備方法，其進一步的特徵在於其進一步的特徵在於金屬陶瓷混合粉末的球磨介質為無水乙醇，其加量為100 500ml，PEG6000成型劑的加入量為2 8wt%，油酸的加入量為0. 5 2wt9i)，球磨速度為60 100r/min，研磨球為 Φ 6mm的WC-6wt%Ni硬質合金球，球料重量比為5 :1 15 :1 ；球磨最終結束後金屬陶瓷料漿經400目過濾，真空乾燥處理溫度為85°C 120°C，真空度為1 5 Pa ；在300 500MPa 下壓製成生坯。本發明的優點在於(1)以Ti(C，N)為基的金屬陶瓷密封環具有比傳統硬質合金更低的密度、重量；更好的耐腐蝕性和明顯的資源優勢。(2)製備的金屬陶瓷密封環，不含有Ti、Al、且採用的是WC:TiC重量比為7:3的飽和(W，Ti) C，可避免脆性相的生成、提高材料的力學性能；不含TaC等成分，具有巨大的成本優勢。(3)⑶，&冗與⑶，打冗粉末取代Mo作以形成Ti (C, N)和Ni之間的過渡環形相，改善潤溼性，特別是球磨細化後具有高的燒結活性，而且能避免Mo的對耐腐蝕性的不利影響。
具體實施例方式
實例1 按重量百分比稱取原料製備無鉬金屬陶瓷，粒度為1. 3μπι的(W，Cr)C佔5%，粒度為2. 5μπι的(W，Ti)C佔10%，粒度為1.5μπι的Ni佔10%，粒度為1.2μπι的Co佔6%，其餘為粒度為1.8μπι的Ti (C，N)，Ti (C，N)粉末中的C:N原子比為7 :3，(W，Cr) C粉末中 W:Cr重量比為98:2，(1，11)(粉末中1(:11(重量比為7:3。球磨過程中先將(W，Cr) C與 (W, Ti)C粉末並加入到球磨機，同時加入油酸和PEG6000成型劑，並球磨Mh ；然後加入Ni、 Co、Ti (C, N)粉再球磨36h，球磨介質為無水乙醇，其加量為^Oml，PEG6000成型劑的加入量為2wt%，油酸的加入量為IwtA球磨速度為65r/min，研磨球為Φ 6mm的WC_6wt%Ni硬質合金球，球料重量比為5 1 ；球磨最終結束後金屬陶瓷料漿經400目過濾，真空乾燥處理溫度為85°C，真空度為3 Pa ；混合粉末在300MPa下壓製成密封環生坯；生坯在真空爐中在550°C進行，保溫2.證，真空度為13 下脫除成型劑。在燒結溫度為1450°C，保溫時間為 1.5h,真空度為3 1 下完成燒結。將燒結好的金屬陶瓷密封環放入低壓燒結爐中，低壓燒結在1380°C下進行，保溫時間90min，氬氣壓力為6MPa。所製備的金屬陶瓷密封環緻密度達 99. 7%，硬度 92. 6HRA，抗彎強度 1530MPa。實例2 按重量百分比稱取原料製備無鉬金屬陶瓷，粒度為0.8ym&(W，Cr)CA 6%，粒度為2. 0 μ m的(W，Ti) C佔15%，粒度為1. 6 μ m的Ni佔8%，粒度為1. 2 μ m的Co佔 15%，其餘為粒度為1.9μπι的Ti (C,N),Ti (C，N)粉末中的C:N原子比為7 :3，(W，Cr)C粉末中W:Cr重量比為99:1，(1，11)(粉末中1(:11(重量比為7:3。球磨過程中先將(W，Cr) C與(W，Ti )C粉末並加入到球磨機，同時加入油酸和PEG6000成型劑，並球磨16h ；然後加入 Ni、Co、Ti (C, N)粉再球磨48h，球磨介質為無水乙醇，其加量為450ml,PEG6000成型劑的加入量為5wt%，油酸的加入量為0. 5wt%,球磨速度為80r/min，研磨球為Φ 6mm的WC_6wt%Ni 硬質合金球，球料重量比為10 1 ；球磨最終結束後金屬陶瓷料漿經400目過濾，真空乾燥處理溫度為100°C，真空度為5 Pa ；混合粉末在500MI^下壓製成密封環生坯；生坯在真空爐中在600°C進行，保溫池，真空度為15 下脫除成型劑。在燒結溫度為1430°C，保溫時間為 Ih,真空度為5 1 下完成燒結。將燒結好的金屬陶瓷密封環放入低壓燒結爐中，低壓燒結在1400°C下進行，保溫時間120min，氬氣壓力為8MPa。所製備的金屬陶瓷密封環緻密度達 99. 8%，硬度 91. 8HRA，抗彎強度 1660MPa。
權利要求
1.一種金屬陶瓷密封環材料，其特徵在於，其成分按重量百分比，粒度為0.8 1.5μπι 的(W，Cr)C 佔5 20%，粒度為 1.0 2.5ym&(W，Ti)C 佔 5 20%，粒度為 0. 8 2. 0 μ m 的Ni佔5 20%，粒度為0. 8 1. 5 μ m的Co佔5 20%，其餘為粒度為0. 8 2. 5 μ m的 Ti (C，N)。
2.根據權利要求1所述的金屬陶瓷密封環材料的製備方法，其特徵在於依次包含以下步驟(1)混合料製備按權利要求1的重量百分比稱取(W，0)(與(111)(粉末及附、&)、 Ti (C, N)粉，球磨過程中先將(W，Cr) C與(W，Ti) C粉末並加入到球磨機，同時加入油酸和 PEG6000成型劑，並球磨12 24h ；然後加入Ni、Co、Ti (C, N)粉再球磨24 48h,球磨結束後過濾、乾燥後製成混合料；(2)壓製成型與真空燒結混合粉末在300 500MPa下壓製成密封環生坯；生坯在真空爐中在500°C 600°C進行，保溫2 4h，真空度為10 151 下脫除成型劑；在燒結溫度為1350 1450°C，保溫時間為1 3h，真空度為1 5 Pa下完成燒結；(3)低壓燒結將燒結好的金屬陶瓷密封環放入低壓燒結爐中，低壓燒結在1350°C 1400°C下進行，保溫時間90 120min，氬氣壓力為3 8MPa。
3.根據權利要求1所述的金屬陶瓷密封環材料，其進一步的特徵在於Ti(C，N)粉末中的C:N原子比為7 3, (W, Cr)C粉末中W:Cr重量比為(95 99. 5) (0. 5 5)，(W, Ti)C 粉末中WC:TiC重量比為7:3。
4.根據權利要求2所述的金屬陶瓷密封環材料的製備方法，其進一步的特徵在於金屬陶瓷混合粉末的球磨介質為無水乙醇，其加量為100 500ml，PEG6000成型劑的加入量為2 8wt%，油酸的加入量為0. 5 2wt%,球磨速度為60 100r/min，研磨球為Φ6_ 的WC-6wt%Ni硬質合金球，球料重量比為5 :1 15 :1 ；球磨最終結束後金屬陶瓷料漿經 400目過濾，真空乾燥處理溫度為85°C 120°C，真空度為1 5 Pa ；在300 500MPa下壓製成生坯。
全文摘要
本發明公開了一種金屬陶瓷密封環材料及其製備方法，其特徵是將(W,Cr)C和(W,Ti)C粉末經過預球磨作為主要添加劑，並與Ni、Co、Ti(C,N)混合後用粉末冶金方法製備成金屬陶瓷密封環。本發明的金屬陶瓷密封環克服了目前存在的諸如添加Ti、Al、不飽和CK料而引起脆性大，Fe、Mo金屬對耐腐蝕性能有不利影響，TaC等添加物價格昂貴等問題。
文檔編號C22C1/05GK102337442SQ20111028712
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者萬維財, 楊梅, 熊計, 董廣彪, 郭智興 申請人:四川大學