專利名稱：一種煤油泵用銅合金密封材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金材料領(lǐng)域，特別涉及以煤油為介質(zhì)的液壓泵用銅合金密封材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
柱塞式液壓泵軸尾密封裝置廣泛采用機械密封，以阻止泵軸尾與殼體間的液壓介質(zhì)泄漏。它主要是靠動、靜密封環(huán)在彈簧力及介質(zhì)壓力作用下相互貼緊且相對滑動而保證動態(tài)密封，并在同樣密封介質(zhì)壓力下經(jīng)受靜態(tài)密封試驗考核。軸尾密封的動、靜密封材料，國內(nèi)外大多采用浸銅石墨/鋼或青銅/鋼配對材料。但青銅材料自潤滑性較差，不抗干磨，密封副在動態(tài)臨界條件或無油潤滑下會發(fā)生“粘銅”故障；而浸銅石墨雖具有優(yōu)良的自潤滑性，但存在磨合性差、不耐磨、泄漏量大、漏“黑油”、材質(zhì)不穩(wěn)定等問題。針對軸尾密封的動、靜密封故障問題，本申請的申請人申請了題目為‘一種含納米顆粒的銅合金復合材料，的中國專利(專利號ZL200410086265. 4)，它提供了一種含納米顆粒、牌號為nm663的銅合金復合材料，通過在青銅中添加納米氧化鋁粒子、石墨和鎳，并采用放電等離子燒結(jié)工藝，優(yōu)化出以減摩軟相為基，分布有耐磨硬相和多種自潤滑相的復合材料。它具有承載能力強、抗干磨、導熱性好等優(yōu)點。還有一種牌號為PH17的燒結(jié)青銅自潤滑減摩材料，采用霧化方法制備含鉛量為17%左右的青銅合金粉末，壓制、燒結(jié)后進行等靜壓處理，使材料組織晶粒細小，鉛分布均勻，孔隙度小(0 0. 15% )，保證了良好的自潤滑性和易磨合性。這兩種材料的動、靜態(tài)密封性能均超過了浸銅石墨材料，在工作介質(zhì)為液壓油(紅油)的條件下，取得了良好的實際使用效果。但當工作介質(zhì)由液壓油改為煤油時，上述兩種牌號材料耐磨性大大減低，從而使動、靜態(tài)密封性能惡化。PH17材料在煤油中使用時，不僅工作面被磨掉，而且還向下磨出Imm深溝。同時，可看到對磨材料摩擦帶已粘連了大量的青銅碎片及磨溝中嵌入的大量磨粒。表明該種材料在煤油介質(zhì)中磨損嚴重，不適合作柱塞式液壓泵軸尾密封材料。nm663材料在煤油介質(zhì)中使用時出現(xiàn)了“粘銅”現(xiàn)象。所謂“粘銅”，就是nm663材料有銅元素轉(zhuǎn)移到對磨材料碳鋼上面，這是粘著磨損的表現(xiàn)。因此，也不適合作為以煤油為介質(zhì)的液壓泵密封材料。上述問題表明，當液壓泵工作介質(zhì)由液壓油改為煤油時，泵內(nèi)機械摩擦學系統(tǒng)的潤滑條件大大惡化。其原因是①煤油的運動粘度低。如20°C條件下運動粘度，液壓油是21mm2/S，而煤油僅為1. 25mm2/s。油粘度的劇烈下降，使油的內(nèi)聚力減小，在同樣的接觸應力下油膜不穩(wěn)定、易破裂，從而使金屬直接接觸，加快摩擦副的磨損。②煤油的潤滑性差。深度精制的泵用煤油中的天然潤滑物質(zhì)減少，潤滑性差(表現(xiàn)在極壓性、抗磨損性和摩擦特性較差)，致使摩擦副工作近乎處于干磨狀態(tài)。這就使材料在煤油中的摩擦系數(shù)顯著增加(約為液壓油中的10倍)，造成煤油泵軸尾密封材料的嚴重
3磨損。③煤油滲透性強，泄漏增大。濾紙做滲透性試驗表明，煤油的滲透速度約為液壓油的10倍。滲透性的增加，同樣影響油膜的形成，增加材料干磨的機率，并對密封材料的密封性(磨合性)要求更高。對于機械密封來說，兩個密封面根本不接觸的情況幾乎是不存在的。在整個密封面上存在著粗糙不平的不連續(xù)迷宮凹隙，造成液壓油的泄漏。銅基合金密封材料必須解決以下兩個技術(shù)難題，即既要具備易磨合、易充填特性，能在磨合期內(nèi)填平密封面上微小的凹凸不平，克服表面不平度、粗糙度和不平行度，在密封面形成良好的密封帶，減小密封面的間隙，堵塞泄漏通道；又要具備承載能力大、自潤滑、抗干磨特性，能在磨合期以及工作期內(nèi)不產(chǎn)生粘著磨損，不產(chǎn)生劃傷、剝落等擴大密封面間隙、增加泄漏的表面缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種能夠滿足以煤油為介質(zhì)的液壓泵軸尾密封性能要求，在煤油介質(zhì)條件下具有良好耐磨減摩性能的煤油泵用銅合金密封材料。為了達到上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種煤油泵用銅合金密封材料，其中，該銅合金密封材料的化學成分按重量％為Sn 9. 5-10.5%，Pb 3. 5-4. 5%, Zn 4. 5-5. 5%, Nil. 0-2. 0%, Al2O3 1. 0-2. 0%，Cu 余量。Cu、Sn、Hk Zn、Ni以預合金化銅合金粉末形式加入，Al2O3以納米α -Al2O3粉末形式添力口。本發(fā)明的另一目的是提供一種上述煤油泵用銅合金密封材料的制備方法。為了達到上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種生產(chǎn)煤油泵用銅合金密封材料的制備方法，它包括以下步驟制備銅合金原料混合粉、添加潤滑劑、混合、壓制和燒結(jié)，其中該銅合金原料混合粉的化學成分按重量％為Sn 9. 5-10. 5%, Pb3. 5-4. 5%, Zn4.5-5.5%，Ni 1. 0-2. 0%, Al2O3 1· 0_2· 0%，Cu 余量； 潤滑劑添加量為銅合金原料混合粉重量的1-2 %，添加潤滑劑后充分混合，先進行模壓得到壓坯，經(jīng)氫氣保護下燒結(jié)，然后進行復壓。制備銅合金原料混合粉的步驟為按所需成分配料后，先將CU、Sn、mKZn、Ni原料通過熔煉、霧化制成銅合金粉末，然后以納米α -Al2O3粉末形式添加Al2O315模壓和復壓壓力為400_600MPa，燒結(jié)溫度為750_850°C，燒結(jié)時間為60-90分鐘。潤滑劑為硬脂酸鋅、硬脂酸鋰、石蠟、樹脂中的任一種或一種以上。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在煤油介質(zhì)條件下，煤油泵用銅合金密封材料具有摩擦性能穩(wěn)定、抗干磨、自潤滑、使用壽命長、安全性和可靠性得到保障等優(yōu)點。由煤油特性帶來的材料劇烈磨損，要求銅合金材料在煤油介質(zhì)條件下必須具備抗干磨性能、自潤滑性能和足夠的強度。本發(fā)明材料通過在銅合金基體中添加納米α-Al2O3，提高材料的抗干磨性能；通過添加Sn、Pb、Zn等自潤滑物質(zhì)，并使之與Cu、Ni合金化在顆粒邊界析出，提高材料的自潤滑性能；通過添加M，產(chǎn)生Cu-Sn-Ni強化效果，提高材料的強度，從而滿足了煤油介質(zhì)對材料的要求。因此，本發(fā)明的材料適用在煤油介質(zhì)條件下工作。上述具體優(yōu)點為本發(fā)明材料在煤油介質(zhì)條件下，與現(xiàn)有材料nm663相比，磨損量降低6倍；與PH17相比，磨損量降低20倍；在70h臺架試驗中，本發(fā)明材料動態(tài)密封泄漏量為0。本發(fā)明材料含有Cu、Sn、Pb、Si等軟金屬，具有易磨合、易充填、易貼合的優(yōu)點，經(jīng)過磨合后可形成良好的磨合帶，在帶壓狀態(tài)下，與對磨材料緊密貼合；當液壓泵轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)、特別是摩擦副處于干磨狀態(tài)、需要減摩、耐磨時，本申請材料中的納米α-Al2O3耐磨相和Sn、Pb、Zn集中、與Cu、Ni合金化的自潤滑相以及Cu-Sn-Ni強化相將發(fā)揮作用，避免泄漏缺陷的產(chǎn)生，從而實現(xiàn)密封作用。附圖的簡要說明

圖1為在煤油介質(zhì)條件下，本發(fā)明密封材料與其它材料磨損量的對比示意圖。圖2為本發(fā)明密封材料組織結(jié)構(gòu)示意圖，圖中白色部分是顆粒邊界的自潤滑合金分布形態(tài)。圖3為本發(fā)明密封材料在煤油中的摩擦系數(shù)曲線示意圖。圖4為在煤油介質(zhì)條件下，本發(fā)明材料密封環(huán)及對比材料密封環(huán)70h臺架試驗動態(tài)泄漏量示意圖。
具體實施例方式該密封材料具體化學組成成分(重量％ )為Sn 9. 5-10. 5，Pb 3. 5-4. 5，Zn4. 5-5. 5，Ni 1. 0-2. 0，Al2O3 1. 0-2. 0，Cu 余量。其中，Cu、Sn、Pb、Zn、Ni 是以預合金化銅合金粉末形式加入的，采用霧化方法制備；Al2O3是以納米α -Al2O3粉末形式添加的。將上述原料添加適量的潤滑劑，充分混合后進行壓制，然后在氫氣保護下進行燒結(jié)，最后進行復壓。上述原料中潤滑劑為硬脂酸鋅、硬脂酸鋰、石蠟、樹脂中的任一種或一種以上。上述技術(shù)方案的工作原理為以預合金形式加入Cu、Sn、Hk Zn、Ni，即先按規(guī)定比例將CU、Sn、mKZn、Ni等通過熔煉、霧化制成合金粉末，有利于使1 均勻化，而且由于每個顆粒的化學組成都是一致的，因此合金組織均勻，有利于提高材料的強度和耐磨性；Cu、Sn、Pb、Zn、Ni通過燒結(jié)可在顆粒邊界生成自潤滑合金相，有利于提高銅合金材料的自潤滑性能；在銅合金基體中添加納米α -Al2O3，是為了獲得優(yōu)異的耐磨性能，因為納米α -Al2O3具有顆粒增強金屬基體作用和較高的僅次于金剛石的硬度，可提高材料表面硬度、承載能力及抗粘著能力；同時，由于其具有小尺寸效應，還可將對磨材料拋光，改善表面接觸狀態(tài)，提高摩擦副自潤滑性能。本申請的材料在顆粒邊界存在Sn、Pb、Si集中、與Cu、Ni合金化的自潤滑相。而現(xiàn)有技術(shù)在材料顆粒邊界則不含這種相組成。本發(fā)明材料主要成分的作用和取值依據(jù)是SruNi都是合金強化元素，Sn含量達到9. 5%，Ni含量達到1. 0%, Cu-Sn-Ni合金強化效果最佳，Sn超過10. 5 %，Ni超過2. 0 %，銅合金強度提高不明顯；1 含量達到3.5%，自潤滑性能明顯提高，超過4. 5%，耐磨性能變差；Si含量達到4. 5%，提高自潤滑性能和強度的效果明顯，超過5. 5 %則不明顯；Al2O3含量達到1. 0 %，耐磨性能提高明顯，超過2. 0 %，
銅合金強度變差。
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本發(fā)明具體的工藝參數(shù)是混合料中加入潤滑劑按重量比為1_2%，進行充分混合，在液壓機上進行模壓得到壓坯，在氫氣爐中進行燒結(jié)(使得潤滑劑能充分揮發(fā)去除)，然后進行復壓。壓制壓坯的壓力為400-600MPa，燒結(jié)溫度為750_850°C，燒結(jié)時間為60-90分鐘，復壓壓力為400-600MPa。采用本發(fā)明材料具體化學組成成分和制備工藝，制得試樣3批。表1為本發(fā)明樣品具體化學組成成份(重量％ )，其中批號1-3為本發(fā)明實施例，批號4、5為對比例，批號4為匪663材料，批號5為PH17材料；表2為制備本發(fā)明樣品的工藝參數(shù)；表3本發(fā)明樣品摩擦磨損性能與現(xiàn)有材料的對比。表1本發(fā)明摩擦材料具體化學組成成份(重量％ )
權(quán)利要求
1.一種煤油泵用銅合金密封材料，其特征在于該銅合金密封材料的化學成分按重量％為:Sn 9. 5-10. 5%,Pb 3. 5-4. 5%,Zn 4. 5-5. 5%,Ni 1. 0-2. 0%,Al2O3 1. 0-2. 0%,Cu余里ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤油泵用銅合金密封材料，其特征在于，CU、Sn、mKZn、Ni以預合金化銅合金粉末形式加入，Al2O3以納米α -Al2O3粉末形式添加。
3.—種生產(chǎn)煤油泵用銅合金密封材料的制備方法，它包括以下步驟制備銅合金原料混合粉、添加潤滑劑、混合、壓制和燒結(jié)，其特征在于該銅合金原料混合粉的化學成分按重量％為Sn 9. 5-10.5%, Pb3. 5-4.5%, Zn4.5-5.5%，Ni 1. 0-2. 0%, Al2O3 1· 0_2· 0%，Cu 余量；潤滑劑添加量為銅合金原料混合粉重量的1-2 %，添加潤滑劑后充分混合，先進行模壓得到壓坯，經(jīng)氫氣保護下燒結(jié)，然后進行復壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于制備銅合金原料混合粉的步驟為按所需成分配料后，先將Cu、Sn、Pb、Zn、Ni原料通過熔煉、霧化制成銅合金粉末，然后以納米α -Al2O3粉末形式添加Α1203。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于模壓和復壓壓力為400-600MPa，燒結(jié)溫度為750-850°C，燒結(jié)時間為60-90分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于潤滑劑為硬脂酸鋅、硬脂酸鋰、石蠟、樹脂中的任一種或一種以上。
全文摘要
本發(fā)明屬于冶金材料領(lǐng)域，特別涉及以煤油為介質(zhì)的液壓泵用銅合金密封材料及其制備方法。一種生產(chǎn)煤油泵用銅合金密封材料的制備方法，該銅合金密封材料的化學組成成分重量％為Sn 9.5-10.5％，Pb 3.5-4.5％，Zn 4.5-5.5％，Ni 1.0-2.0％，Al2O3 1.0-2.0％，Cu余量，該制備方法包括以下工藝步驟制備上述成分的銅合金原料混合粉、添加潤滑劑、混合、壓制和燒結(jié)，潤滑劑添加量為銅合金原料混合粉重量的1-2％，添加潤滑劑后充分混合，先進行模壓，經(jīng)氫氣保護下燒結(jié)，然后進行復壓。該密封材料具有摩擦性能穩(wěn)定、抗干磨、自潤滑、使用壽命長、安全性和可靠性得到保障等優(yōu)點。
文檔編號C22C1/05GK102383003SQ20111030816
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者任衛(wèi), 王飛, 田玉清, 許慶森, 鄭毅, 陳廣志, 陳蓓京 申請人:鋼鐵研究總院