專利名稱：加碳硬質(zhì)合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械密封用摩擦副技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于機(jī)械密封用摩擦副 的加碳硬質(zhì)合金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)合金是由難熔金屬化合物(碳化鎢等)和粘接金屬(鈷、鎳等)組成，具有高 熔點(diǎn)、高彈性模量、高強(qiáng)度、高硬度，還耐磨損，具有較高的熱導(dǎo)率和良好的耐腐蝕性，最早 作為工具材料出現(xiàn)，主要用于制作工具和切削刀具，現(xiàn)在機(jī)械密封的摩擦副材料領(lǐng)域應(yīng)用 廣泛。隨著石油化工、化纖、化肥、原子能、宇航等工業(yè)的迅猛發(fā)展，機(jī)械密封使用范圍日 漸廣泛，而使用條件則日趨苛刻，對機(jī)械密封的密封性能和使用壽命要求也越來越高。提高機(jī)械密封的密封性能和使用壽命主要由設(shè)計、工藝和材料來保證，根據(jù)工況， 正確合理選擇機(jī)械密封零件的材料，特別是動靜環(huán)摩擦副材料尤為重要。作為摩擦副的材料，應(yīng)滿足下列要求(1)具有一定的耐磨性，動靜環(huán)使用壽命大于8000小時；(2)與介質(zhì)相容，能產(chǎn)生潤滑膜，提高自潤滑能力；(3)能經(jīng)受短時間的干摩擦；(4)能耐介質(zhì)的腐蝕和溶解；(5)熱穩(wěn)定性好；(6)導(dǎo)熱快，摩擦熱能迅速散發(fā)；(7)有一定的機(jī)械強(qiáng)度及剛度；(8)材料有來源，易加工，成本低。硬質(zhì)合金作為摩擦副材料其優(yōu)良物理機(jī)械性能的是毋庸置疑的，尤其是強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn) 高于其他硬質(zhì)摩擦副材料。但是硬質(zhì)合金也不是沒有缺陷，特別是干摩擦性能相對較差，而 且成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種具有較好的干摩擦性能，且成本相對 低廉，并具有傳統(tǒng)硬質(zhì)合金良好的耐磨性、強(qiáng)度等性能的適用于機(jī)械密封用摩擦副的加碳 硬質(zhì)合金材料。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種加碳硬質(zhì)合金材料，該硬質(zhì) 合金材料由以下配方比例的各原料制備碳化鎢(WC)89 91份，鎳(Ni)3. 7 4. 7份， 鉻(Cr) 0. 35 0.45份，鈷(Co)0. 35 0. 45份，石蠟(作為增塑劑)1. 0 2. 0份，石墨 (C)2. 0 5. 0份，航空汽油以上述的碳化鎢、鎳、鉻、鈷物料總量為標(biāo)準(zhǔn)，每千克物料加入 0.2 0.35升(L)的航空汽油。本發(fā)明上述的加碳硬質(zhì)合金材料，該硬質(zhì)合金材料優(yōu)選為由以下配方比例的各原料制備碳化鎢89 90份，鎳4. 2 4. 7份，鉻0. 4 0. 45份，鈷0. 35 0. 45份，石蠟 1. 0 2. 0份，石墨2. 0 3. 5份，航空汽油以上述的碳化鎢、鎳、鉻、鈷物料總量為標(biāo)準(zhǔn)， 每千克物料加入0. 2 0. 35升的航空汽油。在上述限定的各種成分變化范圍內(nèi)，各種成分的變化對最終產(chǎn)品的物理機(jī)械性能 影響不大，但是加碳量的多少與成品含碳量及成品的密度有關(guān)系。對最后產(chǎn)品質(zhì)量性能影 響較大的是材料的純度與工藝條件的控制。本發(fā)明要解決的另一個技術(shù)問題是提供上述加碳硬質(zhì)合金材料的制備方法，制備 步驟包括(1)先將碳化鎢，鎳，鉻，鈷按配方比例稱取后混合，得到混合料；(2)球磨向步驟⑴所得的混合料中加入航空汽油作為研磨介質(zhì)，每千克混合料 加入0. 2 0. 35升(L)的航空汽油，然后用球磨機(jī)進(jìn)行48 60小時的球磨均化；(3)向步驟⑵所得的物料中按配方比例加入石蠟，然后球磨5 10小時，使得各 物料混合均勻；(4)干燥將步驟(4)所得的混合均勻的物料真空干燥，以使得航空汽油分離出 來，達(dá)到從物料中除去航空汽油的目的；(5)粉碎過篩將步驟⑷干燥除去航空汽油后的混合料粉碎，用60目分樣篩過 篩，得到粉料；(6)加石墨；向步驟(5)過60目分樣篩的粉料中按配方比例加入石墨，所述的石 墨粒徑為75 100微米(行業(yè)公知常識認(rèn)為目數(shù)X孔徑(微米數(shù))=15000，因此，石墨 粒徑為75 100微米換算用目數(shù)表示即石墨顆粒大小滿足可過150 200目分樣篩)，然 后在混合機(jī)中混合均勻，用60目分樣篩過篩得到粉料；(7)壓制成型將步驟(6)過60目分樣篩的粉料采用冷壓模具成型，加壓至80 llOMPa，得到密度為7. 5 士0. 03g/cm3的成型坯體；(8)脫蠟在真空條件下以80 100°C /小時的升溫速率加溫成型坯體到380 400°C，保溫0. 8 1. 2小時將坯體中的石蠟脫除；(9)燒結(jié)在真空度小于20Pa下，以200 300°C /小時的升溫速率加熱步驟⑶ 已脫除石蠟后的坯體到1440 1480°C，以完成燒結(jié)，得到本發(fā)明的加碳硬質(zhì)合金材料。為了獲取相對復(fù)雜形狀和需要尺寸，控制后續(xù)加工余量，還可以在上述步驟(7) 與步驟(8)之間增加對坯體進(jìn)行車削加工的步驟。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果1.本發(fā)明提供了一種含有一定量碳顆粒的燒結(jié)后密度在12. 00 13. 00g/cm3之 間的鎳基硬質(zhì)合金。其工作原理是，利用石墨(碳)的自潤滑性能提高硬質(zhì)合金材料承受干 摩擦的能力；在摩擦副工作狀態(tài)處于邊界摩擦?xí)r則可起到降低摩擦系數(shù)，減少磨損的作用。2.普通硬質(zhì)合金密度在15. Og/cm3左右，而本發(fā)明加碳硬質(zhì)合金的密度只有 12.0 13. Og/cm3，因此，制備同樣體積大小的產(chǎn)品，采用本發(fā)明的硬質(zhì)合金其用量(質(zhì)量) 要大大減小，因此，其制作成本也相應(yīng)減少了 14 20%;又由于含有碳(石墨)顆粒存在， 其干潤滑性能大大增強(qiáng)，使硬質(zhì)合金的承受干摩擦性能力大大增強(qiáng)。3.本發(fā)明加碳硬質(zhì)合金的強(qiáng)度可達(dá)到700MPa以上，高于其他如99%氧化鋁(JB/ T 10874-2008強(qiáng)度330MPa)、無壓燒結(jié)碳化硅(JB/T 6374-2006強(qiáng)度400MPa)等摩擦副材 料的強(qiáng)度，因此，能夠達(dá)到作為機(jī)械密封摩擦副所需要的強(qiáng)度。
4.由于本發(fā)明的加碳硬質(zhì)合金其他物理機(jī)械性能指標(biāo)基本沒有變化，而干摩擦性 能卻大大增強(qiáng)，因此，本發(fā)明的加碳硬質(zhì)合金可以做一種很有特色的機(jī)械密封摩擦副。5.本發(fā)明的加碳硬質(zhì)合金制備工藝簡單、易于操作。


圖1400倍加碳;硬質(zhì)合金實施例1的晶相圖片。
圖2400倍加碳;硬質(zhì)合金實施例2的晶相圖片。
圖3400倍加碳;硬質(zhì)合金實施例3的晶相圖片。
圖中黑色為石墨相，白灰色為碳化鎢和鎳、鉻、鈷金屬粘接相。
圖4實施例1制備的加碳合金樣本的運(yùn)轉(zhuǎn)時間與升溫關(guān)系圖。
圖5普通硬質(zhì)合金(YN6)運(yùn)轉(zhuǎn)時間與升溫關(guān)系圖。
具體實施例方式
下面通過實施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但本發(fā)明不僅僅局限于以下實施例。本發(fā)明制備過程使用的設(shè)備均為行業(yè)通用的設(shè)備，采用的各種原料均采用市售的 材料，制備出的最終的加碳硬質(zhì)合金材料中不含有航空汽油和石蠟。實施例1稱取如下配方比例的原料碳化鎢(WC) 90重量份，鎳(Ni) 4. 2重量份，鉻(Cr) 0. 4 重量份，鈷(Co) 0.4重量份，石蠟(作為增塑劑)2重量份，石墨(C)3重量份。按以下工藝生產(chǎn)(1)混合將WC、Ni、Cr、Co按上述重量份混合均勻；(2)球磨向步驟(1)得到的混合料中加入作為研磨介質(zhì)的航空汽油，每千克混合 料加入0. 3升航空汽油，然后用球磨機(jī)對加了航空汽油的混合料進(jìn)行48小時的球磨均化；(3)按上述重量組分加入石蠟作為增塑劑，然后球磨均化6小時，使得各物料混合 均勻；(4)干燥將步驟(3)球磨均化后的混合料真空干燥，使得作為研磨介質(zhì)的航空汽 油與其他混合物料完全分離，從而除去航空汽油，得到混合粉料；(5)粉碎過篩將步驟(4)干燥后的混合粉料粉碎，然后用60目分樣篩過篩上述 粉碎后的粉料，得到過60目分樣篩的粉料；(6)加石墨；向步驟(6)過60目分樣篩的粉料中加入3份粒徑為75 100微米 的石墨，在混合機(jī)中均勻混合后，再用60目分樣篩過篩后完成粉料制備；(7)壓制成型采用行業(yè)通用的模具雙向冷壓成型，對步驟(6)過60目分樣篩的 粉料加壓至lOOMPa，得到密度為7. 516g/cm3的成型坯體；(8)脫蠟將步驟(7)所得坯體置于燒結(jié)爐中，燒結(jié)爐內(nèi)抽真空，控制壓力在2Pa 以下，按80 100°C /小時的升溫速率加溫坯體到400°C，保溫1小時；(9)燒結(jié)15 20Pa壓力下以200 300°C /小時的升溫速率繼續(xù)加熱坯體到 1460°C，完成燒結(jié)，得到密度為12. 312g/cm3,晶相中含有碳顆粒的加碳硬質(zhì)合金材料(見圖 1)。將上述實施例1所得經(jīng)過加碳硬質(zhì)合金材料樣品磨加工成為零件，與普通硬質(zhì)合金(YN6)做運(yùn)轉(zhuǎn)升溫與磨損試驗。試驗介質(zhì)水；試驗壓力1. 2MPa ；試驗轉(zhuǎn)速2900rpm。運(yùn)轉(zhuǎn)升溫關(guān)系圖見圖4、圖5，從上述兩幅關(guān)系圖可見，本發(fā)明加碳硬質(zhì)合金平均 溫升為7. 48°C /小時，普通硬質(zhì)合金的平均溫升是8. 35°C /小時，加碳硬質(zhì)合金的升溫速 率低于普通硬質(zhì)合金，從溫升曲線看加碳硬質(zhì)合金升溫速率相對均勻，而普通硬質(zhì)合金在 啟動前期溫度升高很快，隨后趨于平穩(wěn)。磨損試驗見下表1表1本發(fā)明實施例1加碳硬質(zhì)合金樣品與普通硬質(zhì)合金(YN6)磨損試驗 從上表可得到，加碳硬質(zhì)合金摩擦副組合的總磨損量0. 006mm略大與普通硬質(zhì)合 金摩擦副組合的0. 00525mm，加碳硬質(zhì)合金的磨損主要集中在窄面，而普通硬質(zhì)合金的磨損 主要集中在寬面。這個試驗證明了加碳硬質(zhì)合金的石墨相在啟動初期，潤滑液膜沒有形成的情況 下，有很好的抗干摩擦性能。當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，潤滑化液膜形成后，加碳硬質(zhì)合金與普通硬質(zhì)合 金的潤滑性能都依靠形成的液膜，基本是一致的。實施例2 稱取如下配方比例的原料碳化鎢(WC) 90重量份，鎳(Ni) 4. 2重量份，鉻(Cr) 0. 4 重量份，鈷(Co) 0.4重量份，增塑劑(石蠟)2重量份，石墨(C)5重量份。制備工藝同實施例1，其中經(jīng)過步驟(7)壓制成型后得到的成型坯體的密度為 7. 482g/cm3 ；步驟(9)燒結(jié)后所得的硬質(zhì)合金材料其密度為12. 107g/cm3。與實例1相比較，實例2除增加了碳的組分外，密度降低，另外明顯的組織中碳顆 粒大幅度增加(見圖2)。加工成零件后，經(jīng)過1. 6MPa靜壓測試，無泄漏。
實施例3 稱取如下配方比例的原料碳化鎢(WC) 90重量份，鎳(Ni) 4. 2重量份，鉻(Cr) 0. 4 重量份，鈷(Co) 0.4重量份，增塑劑(石蠟)2重量份，石墨(C)2重量份。制備工藝同實施例1，其中經(jīng)過步驟(7)壓制成型后得到成型坯體密度7. 521g/ cm3 ；步驟(9)燒結(jié)后所得的硬質(zhì)合金材料其密度為12. 752g/cm3。實例3與實例1、2相比，其他沒有變化，但是碳的組分減少為2份，密度有所增加， 晶相中碳的含量減少(見圖3)，其他變化不明顯。
權(quán)利要求
一種加碳硬質(zhì)合金材料，其特征在于該硬質(zhì)合金材料由以下配方比例的各原料制備碳化鎢89～91重量份，鎳3.7～4.7重量份，鉻0.35～0.45重量份，鈷0.35～0.45重量份，石蠟1.0～2.0重量份，石墨2.0～5.0重量份，航空汽油以上述的碳化鎢、鎳、鉻、鈷物料總量為標(biāo)準(zhǔn)，每千克物料加入0.2～0.35升的航空汽油。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加碳硬質(zhì)合金材料，其特征在于該硬質(zhì)合金材料由以下配 方比例的各原料制備碳化鎢89 90重量份，鎳4. 2 4. 7重量份，鉻0. 4 0. 45重量 份，鈷0. 35 0. 45重量份，石蠟1. 0 2. 0重量份，石墨2. 0 3. 5重量份，航空汽油以 上述的碳化鎢、鎳、鉻、鈷物料總量為標(biāo)準(zhǔn)，每千克物料加入0. 2 0. 35升的航空汽油。
3.—種權(quán)利要求1或2所述的加碳硬質(zhì)合金材料的制備方法，其特征在于制備步驟 包括(1)先將碳化鎢，鎳，鉻，鈷按配方比例稱取后混合，得到混合料；(2)球磨向步驟(1)所得的混合料中加入航空汽油作為研磨介質(zhì)，每千克混合料加入 0. 2 0. 35升的航空汽油，然后用球磨機(jī)進(jìn)行48 60小時的球磨均化；(3)向步驟(2)所得的物料中按配方比例加入石蠟，然后球磨5 10小時，使得各物料 混合均勻；(4)干燥將步驟(4)所得的混合均勻的物料真空干燥，以使得航空汽油分離出來，達(dá) 到從物料中除去航空汽油的目的；(5)粉碎過篩將步驟(4)干燥除去航空汽油后的混合料粉碎，用60目分樣篩過篩，得 到可過60目分樣篩的粉料；(6)加石墨；向步驟(5)過60目分樣篩的粉料中按配方比例加入石墨，所述的石墨粒 徑為75 100微米，在混合機(jī)中混合均勻后，然后用60目分樣篩過篩，得到可過60目分樣 篩的粉料；(7)壓制成型將步驟(6)過60目分樣篩的粉料采用冷壓模具成型，加壓至80 llOMPa，得到密度為7. 5 士0. 03g/cm3的成型坯體；(8)脫蠟在真空條件下以80 100°C/小時的升溫速率加溫坯體到380 400°C，保 溫0. 8 1. 2小時將坯體中的石蠟脫除；(9)燒結(jié)在真空度小于20Pa下，以200 300°C/小時的升溫速率加熱步驟(8)已脫 除石蠟后的坯體到1440 1480°C，以完成燒結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的加碳硬質(zhì)合金材料的制備方法，其特征在于制備步驟還包 括在上述步驟(7)與步驟(8)之間對壓制成型的坯體進(jìn)行的切削步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開一種加碳硬質(zhì)合金材料及其制備方法，該硬質(zhì)合金材料由以下配方比例的各原料制備碳化鎢89～91重量份，鎳3.7～4.7重量份，鉻0.35～0.45重量份，鈷0.35～0.45重量份，石蠟1.0～2.0重量份，石墨2.0～5.0重量份，航空汽油以上述的碳化鎢、鎳、鉻、鈷物料總量為標(biāo)準(zhǔn)，每千克物料加入0.2～0.35升的航空汽油。本發(fā)明的硬質(zhì)合金具有優(yōu)于傳統(tǒng)硬質(zhì)合金的干摩擦性能，且制作成本相對低廉，并具有傳統(tǒng)硬質(zhì)合金良好的耐磨性、強(qiáng)度等性能，制備工藝簡單，易操作等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C22C29/08GK101851718SQ20101017916
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者鄔國平 申請人:鄔國平