CN108396169B

CN108396169B - 一种铜基石墨复合密封材料

Info

Publication number: CN108396169B
Application number: CN201810076366.5A
Authority: CN
Inventors: 张永胜; 姜小芳; 宋俊杰; 苏云峰; 胡丽天; 樊恒中
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: CN108396169A

Abstract

本发明公开一种铜基石墨复合密封材料，该复合密封材料由铜或铜合金作为基体材料和分布在基体中的石墨颗粒组成，其中石墨颗粒的尺寸为100~750μm，含量体积分数为2%~35%。该铜基石墨复合密封材料具有优异的自润滑性能、热导性能及机械性能。

Description

一种铜基石墨复合密封材料

技术领域

本发明涉及一种铜基石墨复合密封材料，属于复合材料领域，特别是机械密封材料领域。

背景技术

机械密封是各种机械装备传动***中必不可少的部分，近年来，随着我国现代工业和高技术的飞速发展，机械部件的运行工况越来越苛刻、条件越来越复杂，对机械密封材料的可靠性和稳定性提出了更高的要求。据不完全统计，机械密封泄漏大约有80%~90%是由于密封端面摩擦副失效造成的，其主要是摩擦副材料的磨损问题。

石墨密封材料是应用最为广泛的一种动密封材料，特别是高纯石墨广泛应用于各种高端装备中作为密封材料，但目前还存在以下问题：由于石墨材料具有低的热导系数，使得装备在高速运转时易产生大的摩擦温升；纯石墨制品机械强度低、冲击韧性差，导致构件可靠性低。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明要解决的技术问题在于提供一种高冲击韧性、高导热效率和低摩擦磨损的铜基石墨复合密封材料。

一种铜基石墨复合密封材料，该材料以铜或铜合金作为基体材料，加入石墨作为润滑相组元，其特征在于：石墨在基体材料中呈非均一的、团簇颗粒分布；该材料通过以下步骤制备得到：

1）制备石墨颗粒：将石墨粉与质量浓度为3.5%的聚乙烯醇溶液混合，搅拌均匀后装入震动球磨机中摇晃，直至形成表面具有光泽且光滑的石墨颗粒；

2）制备铜基石墨复合密封材料坯体：将石墨颗粒与铜或铜合金粉混合均匀后，在钢模具中干压成型，压力为100~200 MPa，保压2~10 min；

3）铜基石墨复合密封材料坯体的脱胶与烧结：将所得复合密封材料坯体在真空环境中250~500 ℃下进行排胶；排胶后的样品经热压烧结得到所述复合材料，其中烧结温度为750~800 ℃，保温1~2 h，压力为10~25 MPa。

所述复合密封材料中石墨的体积分数为2%~35%。

所述石墨粉与聚乙烯醇溶液的质量比为1:0.5~1:1.5。

步骤2）中所述石墨颗粒的尺寸为100~750 μm，优选300~500 μm。

所述石墨颗粒呈球形或椭球型。

所述铜基石墨复合密封材料作为动密封材料的应用。

所述铜基石墨复合密封材料在制造机械动密封环中的应用。

本发明所述石墨在基体材料中呈非均一的、团簇颗粒分布，采用这种石墨的分布状态，可以使铜或铜合金基体材料连接为整体，一方面有助于耗散摩擦所产生的热量，另一方面很大程度的保留了基体材料的力学性能，暴露在材料表面的石墨则可以起到润滑效果。

本发明的优点是：

本发明所述铜基石墨复合密封材料中石墨呈颗粒状分布在铜或铜合金的基体中，使得基体材料连接为一个连贯的整体，可以实现优异的抗冲击性能和导热性能，石墨可以实现复合材料表面的有效润滑。该材料可作为机械动密封***的密封材料。

附图说明

图1 本发明所述石墨颗粒的显微照片。

图2 本发明所述铜基石墨复合密封材料的显微照片。

图3 本发明所述铜基石墨复合密封材料的位移载荷曲线。

图4 本发明所述铜基石墨复合密封材料的摩擦系数曲线。

具体实施方式

下面将本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将石墨粉与质量浓度为3.5%的聚乙烯醇溶液质量比1:1混合，搅拌均匀后装入震动球磨机中摇晃，直至形成表面具有光泽且光滑的石墨颗粒，经筛分得到不同粒径的石墨颗粒，石墨颗粒形貌如图1所示。取所述筛分的颗粒尺寸为100~200 μm的石墨颗粒与铜粉混合均匀，石墨体积分数为5%，在钢模具中干压成型，压力为150 MPa，保压5 min。然后在真空环境中450 ℃下进行排胶；排胶后的样品经热压烧结得到所述复合材料，其中烧结温度为800 ℃，保温1 h，压力为20 MPa。所制备的复合密封材料抗冲击韧性可达5.9 J·cm²。

实施例2

将石墨粉与质量浓度为3.5%的聚乙烯醇溶液质量比1:1混合，搅拌均匀后装入震动球磨机中摇晃，直至形成表面具有光泽且光滑的石墨颗粒，经筛分得到不同粒径的石墨颗粒。取所述筛分的颗粒尺寸为400~500 μm的石墨颗粒与青铜粉混合均匀，石墨体积分数为10%，在钢模具中干压成型，压力为200 MPa，保压10 min。然后在真空环境中450 ℃下进行排胶；排胶后的样品经热压烧结，其中烧结温度为800 ℃，保温2 h，压力为25 MPa，得到所述复合材料，图2为该复合密封材料的微观结构照片。经测试该复合密封材料具有优异的机械性能，抗冲击韧性可达9.2 J·cm²，弯曲强度可达352 MPa，断裂时位移-载荷曲线如图3所示。

实施例3

将石墨粉与质量浓度为3.5%的聚乙烯醇溶液质量比1:1混合，搅拌均匀后装入震动球磨机中摇晃，直至形成表面具有光泽且光滑的石墨颗粒，经筛分得到不同粒径的石墨颗粒。取所述筛分的颗粒尺寸为300~400 μm的石墨颗粒与青铜粉混合均匀，石墨体积分数为15%，在钢模具中干压成型，压力为100 MPa，保压2 min。然后在真空环境中250 ℃下进行排胶；排胶后的样品经热压烧结，其中烧结温度为750 ℃，保温1 h，压力为10 MPa，得到所述复合材料。采用美国UMT-3摩擦磨损试验机测试了该材料的自润滑性能，摩擦系数可低至0.1，其摩擦系数曲线如图4所示。

实施例4

将石墨粉与质量浓度为3.5%的聚乙烯醇溶液质量比1:1.5混合，搅拌均匀后装入震动球磨机中摇晃，直至形成表面具有光泽且光滑的石墨颗粒，经筛分得到不同粒径的石墨颗粒。取所述筛分的颗粒尺寸为500~600 μm，600~750 μm的石墨颗粒分别与黄铜和白铜粉混合均匀，石墨体积分数为20%~30%，在钢模具中干压成型，压力为150 MPa，保压5 min。然后在真空环境中500 ℃下烧结1 h，进行排胶；排胶后的样品经热压烧结，其中烧结温度为800 ℃，保温1 h，压力为20 MPa，同样得到相应具有优异性能的铜基石墨复合密封材料。

由于铜及其合金基体在复合材料中呈连续完整的块体结构，因此整体材料也表现出优异的导热性能，可作为机械密封材料，尤其是动密封环。

Claims

1.一种铜基石墨复合密封材料，该材料以铜或铜合金作为基体材料，加入石墨作为润滑相组元，其特征在于：石墨在基体材料中呈非均一的、团簇颗粒分布；该材料通过以下步骤制备得到：

1）制备石墨颗粒：将石墨粉与质量浓度为3.5%的聚乙烯醇溶液混合，搅拌均匀后装入震动球磨机中摇晃，直至形成表面具有光泽且光滑的石墨颗粒；所述石墨粉与聚乙烯醇溶液的质量比为1:0.5~1:1.5；

2）制备铜基石墨复合密封材料坯体：将石墨颗粒与铜或铜合金粉混合均匀后，在钢模具中干压成型，压力为100~200 MPa，保压2~10 min；所述石墨颗粒的尺寸为100~750 μm；

3）铜基石墨复合密封材料坯体的脱胶与烧结：将所得复合密封材料坯体在真空环境中250~500 ℃下进行排胶；排胶后的样品经热压烧结得到所述复合密封材料，其中烧结温度为750~800 ℃，保温1~2 h，压力为10~25 MPa ；

所述复合密封材料中石墨的体积分数为2%~35%。

2.如权利要求1所述的复合密封材料，其特征在于步骤2）中所述石墨颗粒的尺寸为300~500 μm。

3.如权利要求1所述的复合密封材料，其特征在于所述石墨颗粒呈球形或椭球型。

4.如权利要求1所述的复合密封材料，其特征在于所述铜基石墨复合密封材料作为动密封材料的应用。

5.如权利要求4所述的复合密封材料，其特征在于所述铜基石墨复合密封材料在制造机械动密封环中的应用。