陶瓷粉彌散增強的浮動油封及其鑄造毛坯的制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種陶瓷粉彌散增強的浮動油封，包括上、下結構對稱的一對密封環體，所述密封環體以金屬材料為主要材質制成，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量的5%，所述陶瓷材料為粉末狀，以彌散相的形態分布在金屬材料中。同時本發明還提供了采用鑄造（熔模、殼型精密鑄造或者壓力鑄造）方式制備上述浮動油封的方法。本發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、生產成本低廉。
【專利說明】
陶瓷粉彌散増強的浮動油封及其鑄造毛巧的制備方法
技術領域
[0001] 本發明設及機械領域，特別是設及一種用于機械設備中浮動端面密封的陶瓷粉彌 散增強的浮動油封及其鑄造毛巧的制備方法。
【背景技術】
[0002] 浮動油封應用于浮動端面密封，是一種用量大、用途廣（全國年需用量超過斤萬 件)的機械密封，運種密封是由兩個金屬浮動端面密封環(簡稱浮動油封)和兩個"爐型橡膠 密封圈安裝在中屯、軸上而構成的。具有耐磨、耐沖擊、一定的自適應性、壽命長、結構簡單、 價廉，維修保養更換方便等特點，在礦山、工程機械、建筑機械、農用機械、運輸機械、深井鉆 機、井下采掘機械的密封結構中得到廣泛使用。由于浮動油封的使用環境的特殊，因此其屬 于易損部件。外露的安裝位置，安裝調試人員的技能，環境溫度，潤滑油的性能等因素都對 它的使用壽命有直接影響。
[0003] 目前浮動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,理認壽命4000-600化，實際使用壽命大約 3000-4000h〇
[0004] 機械壓鑄型，即合金鑄鐵壓鑄成型，成品金相組織較細密，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，理認壽命4000-6000h，實際使用壽命大約 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，成品金相組織較細密， 成品表面硬度HRC60-68,亮帶Ra值為《0.化m，理認壽命4000-500化，實際使用壽命大約 2000-300化。
[0006] 粉末冶金熱鍛型，即粉末冶金粉粒經高溫熱鍛而成，工作面粗糖度Ra值為0 .化m， 理認壽命2000-400化，實際使用壽命大約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，理認壽命4000-600化，實際使用壽命大約3000-400化。該工藝節省稀有 金屬，但須受設備限制，生產率低，成本高。
[000引綜上所述，目前現有的各種成型方式的浮動油封，其在使用壽命、性能、生產率、成 本等方面存在各種各樣的不足和缺陷。

【發明內容】

[0009] 本發明所要解決的技術問題就是針對上述【背景技術】的不足，提供一種陶瓷粉彌散 增強的浮動油封及其鑄造毛巧制備方法，能夠有效提高浮動油封的耐磨損度、增加使用壽 命、并且易于加工、生產成本低廉。
[0010] 為解決上述技術問題，本發明提供的一種陶瓷粉彌散增強的浮動油封，包括上、下 結構對稱的一對密封環體，所述密封環體W金屬材料為主要材質制成，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量的5%，所述陶瓷材料為粉末 狀，W彌散相的形態分布在金屬材料中。
[0011] 在上述技術方案中，所述陶瓷材料的添加量優選占金屬材料總質量的0.05%~ 1.2% O
[0012] 在上述技術方案中，所述陶瓷材料的添加量最優選占金屬材料總質量的0.6%~ 0.8% O
[0013] 在上述技術方案中，所述陶瓷材料的顆粒粒度不超過60nm。
[0014] 在上述技術方案中，所述陶瓷材料的顆粒粒度優選10~30nm。
[001引在上述技術方案中，所述陶瓷材料為Al203、lll02、Y20澗瓷粉料。
[0016]在上述技術方案中，所述陶瓷材料為Al2〇3陶瓷粉料。
[0017]在上述技術方案中，所述陶瓷材料為純度在99%W上的納米級Al2〇澗瓷粉料。
[0018] 本發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 陶瓷粉彌散增強的浮動油封的方法，包括W下步驟： 1) 將用于鑄造浮動油封的金屬錠加熱融成液態； 2) 向鋼包中添加不超過金屬材料總質量的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，去應力退火得到成型的浮動油封毛巧。
[0019] 在上述技術方案中，所述陶瓷粉料的添加量優選占金屬材料總質量的0.05%~ 1.2% O
[0020] 在上述技術方案中，所述陶瓷粉料的添加量最優選占金屬材料總質量的0.6%~ 0.8% O
[0021] 在上述技術方案中，所述陶瓷粉料的顆粒粒度為10~30nm。
[0022] 在上述技術方案中，所述陶瓷粉料優選Al2化、Th〇2、Y2化陶瓷粉料。
[0023] 在上述技術方案中，所述陶瓷材料最優選純度在99%W上的納米級Al2〇3陶瓷粉料。
[0024] 與現有技術相比，本發明的有益效果在于:本發明在浮動油封中增加了彌散化的 陶瓷顆粒，能夠有效提高浮動油封的硬度，從而有效提高浮動油封的耐磨性能，有效提高浮 動油封的使用壽命，而且運種硬化狀態在高溫工作環境下而不產生回復，運一過程是提高 耐熱強度、減少蠕變的關鍵，因為一般加工硬化狀態是容易獲得的，但要保持到高溫不回復 則是不容易的；同時，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油 封工作面的光滑度，減小摩擦阻力提高浮動油封的密封性能;本發明加工難度低、制造成本 低廉，由于彌散強化劑不含任何稀有元素，因此原料獲取難度低，生產率高;本發明將陶瓷 顆粒W彌散化形態加入到浮動油封中，油封的主要材質還是金屬材料，有效解決陶瓷材料 散熱困難的問題。
【具體實施方式】
[0025] W下對本發明的具體實施例作進一步的詳細描述： 本發明所設計的陶瓷粉彌散增強的浮動油封，包括上、下結構對稱的一對密封環體，所 述密封環體W金屬材料為主要材質制成，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量的5%，所述陶瓷材料為粉末狀，W彌散相的形態分布在金 屬材料中。
[0026] 所述陶瓷材料的添加量優選為金屬材料總質量的0.05%~1.2%，最優選為金屬材料 總質量的0.6%~0.8〇/〇。
[0027] 所述陶瓷材料的顆粒粒度不超過60nm為宜，優選為10~30nm。
[002引所述陶瓷材料優選為Al203、化化、&化陶瓷粉料，最優選A12化陶瓷粉料。
[0029] 在選擇Al2〇3陶瓷粉料時，最優選純度在99%W上的納米級Al2〇3陶瓷粉料。
[0030] 浮動油封使用壽命短、易磨損運一問題一直是困擾本領域技術人員的一大難題。 對于如何提高浮動油封的使用壽命、增加其耐久度，本領域的技術人員一直在研究。目前對 于上述問題，一般有兩種改進的方向，第一種是從工藝上改進，另一種是對工作面材質改 性。工藝上的改進主要是利用先進的粉末冶金熱鍛工藝或者機械壓鑄工藝來制作浮動油 封，通過制造工藝來提高浮動油封的整體機械性能，提高其強度、硬度和耐磨性能，從而提 高其使用壽命。而材質改性則是在浮動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，從而提高浮動油封的使用壽命。不管是采用哪種方式，本領域技術人員 均沒有考慮用無機非金屬材質來改善提高浮動油封基體材料的機械性能。其核屯、原因是， 高硬度、高耐磨性能的非金屬材質，普遍易碎、易破裂，同時其導熱性能普遍較差，因為摩擦 產生高溫是影響耐磨性能的一個重要因素。而同時滿足硬度高、耐摩擦，同時又不易碎并且 具備一定導熱性能的材質，價格又極為高昂，對于浮動油封運種易損零部件而言，高昂的價 格意味著成倍地增加使用成本。考慮到上述因素，所W不管如何對浮動油封作改進，技術人 員一般都選用金屬材質制作浮動油封，不會采用陶瓷等無機非金屬材料來改善提高浮動油 封的機械性能。
[0031] 而本發明的發明人通過巧妙的構思，合理地解決了本領域的運一技術偏見。發明 人將彌散強化的原理引入到了浮動油封的設計中，創造性地想到了利用彌散化的陶瓷晶粒 來提高浮動油封的整體硬度和耐磨性能。采用運樣的設計，浮動油封的整體硬度得到了有 效地增強，而材質仍然W金屬為主，工作面仍然是兩個金屬面在摩擦，絲毫不會影響其導熱 性能。采用運種復合材料，在兼顧耐久度的同時，又能夠有效保證摩擦散熱的需要，合理的 克服了技術偏見。
[0032] 本發明中，陶瓷材料的添加量是核屯、，添加過多的陶瓷會很大程度改變成型后金 屬材料的內部應力，不但無法起到提高耐磨形成和強度的目的，還會使金屬材料的性能指 標降低，因而如何控制添加量是本發明的關鍵。發明人經過多年的摸索和試驗，最終意外地 發現陶瓷粉料添加量控制在5%W內，能夠使得金屬材料的機械性能和耐磨性能均能提高。 經過進一步長時間的實驗摸索，發明人發現陶瓷粉料添加量控制在0.05%~0.1.2%范圍內， 成型后的金屬材料機械性能和耐磨性能能提高30%W上;而進一步控制陶瓷粉料添加量，使 其控制在0.6%~0.8%范圍內，成型后的金屬材料機械性能和耐磨性能能提高50%W上。
[0033] 發明人還發現，陶瓷粉料的顆粒粒度對彌散效果同樣有作用，過大的顆粒會使得 金屬材料內部應力過大，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。經過長時間的實驗摸索，發明人發現陶瓷粉料的顆粒粒度需要控制在60nmW內，而 10~30nm的粒度是較優的范圍。
[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得出的。從熱力學來說， 要求彌散相的生成自由能負值大。因為物質生成自由能的大小反映物質的穩定性，生成自 由能負值越大，彌散相在合金中就越穩定。從運一點出發，一般認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。根據表呵知，選擇Al2〇3、化化、Y203陶瓷粉料，綜合性 能較好，最優選Al2〇3陶瓷粉料。為提高彌散強化效果，在選擇Al2〇3陶瓷粉料時，最優選純度 在99% W上的納米級Al 2〇3陶瓷粉料。
表1氧化物的生成自由能、烙點、莫氏硬度
[0035] 與傳統的浮動油封相比，本發明設計的浮動油封在制造成本上和現有普通浮動油 封基本相同，其使用壽命可W提局50%W上。在選擇優質陶瓷晶粒，巧制添加量在0.6%左右， 顆粒粒度在25nm左右時，制成的浮動油封的使用壽命可W提高一倍W上。
[0036] 本發明所設計的陶瓷粉彌散增強的浮動油封可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的浮 動油封的方法，包括W下步驟： 1) 將用于鑄造浮動油封的金屬錠加熱融成液態； 2) 向鋼包中添加不超過金屬材料總質量的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，去應力退火得到成型的浮動油封毛巧。
[0038] 所述陶瓷粉料的添加量優選占金屬材料總質量的0.05%~1.2%。
[0039] 所述陶瓷粉料的添加量最優選占金屬材料總質量的0.6%~0.8%。
[0040] 所述陶瓷粉料的顆粒粒度為10~30nm。
[0041 ] 所述陶瓷材料優選為Al2〇3、化化、&化陶瓷粉料，最優選A12化陶瓷粉料。
[0042] 在選擇Al2〇3陶瓷粉料時，最優選純度在99%W上的納米級Al2〇3陶瓷粉料。
[0043] 綜上所述，本發明的浮動油封在各項性能指標均能滿足浮動油封的使用要求的同 時，其使用壽命至少能夠達到7000小時W上。相比目前現有浮動油封而言，本發明在低成 本、易加工的同時，耐磨性能優異且使用壽命久，與現有浮動油封相比，使用壽命延長了50% 社。
[0044] 本發明的核屯、是利用在浮動油封金屬材質中引入彌散化形態分布的陶瓷晶粒，W 增加浮動油封的硬度，從而增加浮動油封的耐磨性和使用壽命，因此，本發明的保護范圍不 僅限于上述實施例，在本發明原理的基礎上，任何利用上述機理的改變或變形，均屬于本發 明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種陶瓷粉彌散增強的浮動油封，包括上、下結構對稱的一對密封環體，其特征在 于:所述密封環體以金屬材料為主要材質制成，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量的5%，所述陶瓷材料為粉末狀，以彌散相的形態分布 在金屬材料中。2. 根據權利要求1所述的陶瓷粉彌散增強的浮動油封，其特征在于:所述陶瓷材料的添 加量為金屬材料總質量的〇. 05%~1.2%。3. 根據權利要求2所述的陶瓷粉彌散增強的浮動油封，其特征在于:所述陶瓷材料的添 加量為金屬材料總質量的〇. 6%~0.8%。4. 根據權利要求1~3任意一項所述的陶瓷粉彌散增強的浮動油封，其特征在于:所述陶 瓷材料的顆粒粒度不超過60nm〇5. 根據權利要求4所述的陶瓷粉彌散增強的浮動油封，其特征在于:所述陶瓷材料的顆 粒粒度為10~30nm〇6. 根據權利要求4所述的陶瓷粉彌散增強的浮動油封，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. 根據權利要求5所述的陶瓷粉彌散增強的浮動油封，其特征在于：所述陶瓷材料為 AI2O3陶瓷粉料。8. 根據權利要求6所述的陶瓷粉彌散增強的浮動油封，其特征在于:所述陶瓷材料為純 度在99%以上的納米級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)方式制備權利要求1~8所述的陶瓷粉彌散增 強的浮動油封的方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 將用于鑄造浮動油封的金屬錠加熱融成液態； 2) 向鋼包中添加不超過金屬材料總質量的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，去應力退火得到成型的浮動油封毛坯。10. 根據權利要求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 總質量的0.05%~1.2%。11. 根據權利要求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 總質量的〇·6%~0·8%。12. 根據權利要求9~11任意一項所述的制備方法，其特征在于:所述陶瓷粉料的顆粒粒 度為10~30nm。13. 根據權利要求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. 根據權利要求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Al2O3陶瓷粉料。
【文檔編號】F16J15/28GK105909793SQ201510758804
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年11月10日
【發明人】李純
【申請人】李純