专利名称：加碳硬质合金材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及机械密封用摩擦副技术领域，具体涉及一种适用于机械密封用摩擦副 的加碳硬质合金材料及其制备方法。
背景技术：
硬质合金是由难熔金属化合物(碳化钨等)和粘接金属(钴、镍等)组成，具有高 熔点、高弹性模量、高强度、高硬度，还耐磨损，具有较高的热导率和良好的耐腐蚀性，最早 作为工具材料出现，主要用于制作工具和切削刀具，现在机械密封的摩擦副材料领域应用 广泛。随着石油化工、化纤、化肥、原子能、宇航等工业的迅猛发展，机械密封使用范围日 渐广泛，而使用条件则日趋苛刻，对机械密封的密封性能和使用寿命要求也越来越高。提高机械密封的密封性能和使用寿命主要由设计、工艺和材料来保证，根据工况， 正确合理选择机械密封零件的材料，特别是动静环摩擦副材料尤为重要。作为摩擦副的材料，应满足下列要求(1)具有一定的耐磨性，动静环使用寿命大于8000小时；(2)与介质相容，能产生润滑膜，提高自润滑能力；(3)能经受短时间的干摩擦；(4)能耐介质的腐蚀和溶解；(5)热稳定性好；(6)导热快，摩擦热能迅速散发；(7)有一定的机械强度及刚度；(8)材料有来源，易加工，成本低。硬质合金作为摩擦副材料其优良物理机械性能的是毋庸置疑的，尤其是强度远远 高于其他硬质摩擦副材料。但是硬质合金也不是没有缺陷，特别是干摩擦性能相对较差，而 且成本很高。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供一种具有较好的干摩擦性能，且成本相对 低廉，并具有传统硬质合金良好的耐磨性、强度等性能的适用于机械密封用摩擦副的加碳 硬质合金材料。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为一种加碳硬质合金材料，该硬质 合金材料由以下配方比例的各原料制备碳化钨(WC)89 91份，镍(Ni)3. 7 4. 7份， 铬(Cr) 0. 35 0.45份，钴(Co)0. 35 0. 45份，石蜡(作为增塑剂)1. 0 2. 0份，石墨 (C)2. 0 5. 0份，航空汽油以上述的碳化钨、镍、铬、钴物料总量为标准，每千克物料加入 0.2 0.35升(L)的航空汽油。本发明上述的加碳硬质合金材料，该硬质合金材料优选为由以下配方比例的各原料制备碳化钨89 90份，镍4. 2 4. 7份，铬0. 4 0. 45份，钴0. 35 0. 45份，石蜡 1. 0 2. 0份，石墨2. 0 3. 5份，航空汽油以上述的碳化钨、镍、铬、钴物料总量为标准， 每千克物料加入0. 2 0. 35升的航空汽油。在上述限定的各种成分变化范围内，各种成分的变化对最终产品的物理机械性能 影响不大，但是加碳量的多少与成品含碳量及成品的密度有关系。对最后产品质量性能影 响较大的是材料的纯度与工艺条件的控制。本发明要解决的另一个技术问题是提供上述加碳硬质合金材料的制备方法，制备 步骤包括(1)先将碳化钨，镍，铬，钴按配方比例称取后混合，得到混合料；(2)球磨向步骤⑴所得的混合料中加入航空汽油作为研磨介质，每千克混合料 加入0. 2 0. 35升(L)的航空汽油，然后用球磨机进行48 60小时的球磨均化；(3)向步骤⑵所得的物料中按配方比例加入石蜡，然后球磨5 10小时，使得各 物料混合均勻；(4)干燥将步骤(4)所得的混合均勻的物料真空干燥，以使得航空汽油分离出 来，达到从物料中除去航空汽油的目的；(5)粉碎过筛将步骤⑷干燥除去航空汽油后的混合料粉碎，用60目分样筛过 筛，得到粉料；(6)加石墨；向步骤(5)过60目分样筛的粉料中按配方比例加入石墨，所述的石 墨粒径为75 100微米(行业公知常识认为目数X孔径(微米数)=15000，因此，石墨 粒径为75 100微米换算用目数表示即石墨颗粒大小满足可过150 200目分样筛)，然 后在混合机中混合均勻，用60目分样筛过筛得到粉料；(7)压制成型将步骤(6)过60目分样筛的粉料采用冷压模具成型，加压至80 llOMPa，得到密度为7. 5 士0. 03g/cm3的成型坯体；(8)脱蜡在真空条件下以80 100°C /小时的升温速率加温成型坯体到380 400°C，保温0. 8 1. 2小时将坯体中的石蜡脱除；(9)烧结在真空度小于20Pa下，以200 300°C /小时的升温速率加热步骤⑶ 已脱除石蜡后的坯体到1440 1480°C，以完成烧结，得到本发明的加碳硬质合金材料。为了获取相对复杂形状和需要尺寸，控制后续加工余量，还可以在上述步骤(7) 与步骤(8)之间增加对坯体进行车削加工的步骤。本发明的优点和有益效果1.本发明提供了一种含有一定量碳颗粒的烧结后密度在12. 00 13. 00g/cm3之 间的镍基硬质合金。其工作原理是，利用石墨(碳)的自润滑性能提高硬质合金材料承受干 摩擦的能力；在摩擦副工作状态处于边界摩擦时则可起到降低摩擦系数，减少磨损的作用。2.普通硬质合金密度在15. Og/cm3左右，而本发明加碳硬质合金的密度只有 12.0 13. Og/cm3，因此，制备同样体积大小的产品，采用本发明的硬质合金其用量(质量) 要大大减小，因此，其制作成本也相应减少了 14 20%;又由于含有碳(石墨)颗粒存在， 其干润滑性能大大增强，使硬质合金的承受干摩擦性能力大大增强。3.本发明加碳硬质合金的强度可达到700MPa以上，高于其他如99%氧化铝(JB/ T 10874-2008强度330MPa)、无压烧结碳化硅(JB/T 6374-2006强度400MPa)等摩擦副材 料的强度，因此，能够达到作为机械密封摩擦副所需要的强度。
4.由于本发明的加碳硬质合金其他物理机械性能指标基本没有变化，而干摩擦性 能却大大增强，因此，本发明的加碳硬质合金可以做一种很有特色的机械密封摩擦副。5.本发明的加碳硬质合金制备工艺简单、易于操作。
图1400倍加碳;硬质合金实施例1的晶相图片。
图2400倍加碳;硬质合金实施例2的晶相图片。
图3400倍加碳;硬质合金实施例3的晶相图片。
图中黑色为石墨相，白灰色为碳化钨和镍、铬、钴金属粘接相。
图4实施例1制备的加碳合金样本的运转时间与升温关系图。
图5普通硬质合金(YN6)运转时间与升温关系图。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。本发明制备过程使用的设备均为行业通用的设备，采用的各种原料均采用市售的 材料，制备出的最终的加碳硬质合金材料中不含有航空汽油和石蜡。实施例1称取如下配方比例的原料碳化钨(WC) 90重量份，镍(Ni) 4. 2重量份，铬(Cr) 0. 4 重量份，钴(Co) 0.4重量份，石蜡(作为增塑剂)2重量份，石墨(C)3重量份。按以下工艺生产(1)混合将WC、Ni、Cr、Co按上述重量份混合均勻；(2)球磨向步骤(1)得到的混合料中加入作为研磨介质的航空汽油，每千克混合 料加入0. 3升航空汽油，然后用球磨机对加了航空汽油的混合料进行48小时的球磨均化；(3)按上述重量组分加入石蜡作为增塑剂，然后球磨均化6小时，使得各物料混合 均勻；(4)干燥将步骤(3)球磨均化后的混合料真空干燥，使得作为研磨介质的航空汽 油与其他混合物料完全分离，从而除去航空汽油，得到混合粉料；(5)粉碎过筛将步骤(4)干燥后的混合粉料粉碎，然后用60目分样筛过筛上述 粉碎后的粉料，得到过60目分样筛的粉料；(6)加石墨；向步骤(6)过60目分样筛的粉料中加入3份粒径为75 100微米 的石墨，在混合机中均勻混合后，再用60目分样筛过筛后完成粉料制备；(7)压制成型采用行业通用的模具双向冷压成型，对步骤(6)过60目分样筛的 粉料加压至lOOMPa，得到密度为7. 516g/cm3的成型坯体；(8)脱蜡将步骤(7)所得坯体置于烧结炉中，烧结炉内抽真空，控制压力在2Pa 以下，按80 100°C /小时的升温速率加温坯体到400°C，保温1小时；(9)烧结15 20Pa压力下以200 300°C /小时的升温速率继续加热坯体到 1460°C，完成烧结，得到密度为12. 312g/cm3,晶相中含有碳颗粒的加碳硬质合金材料(见图 1)。将上述实施例1所得经过加碳硬质合金材料样品磨加工成为零件，与普通硬质合金(YN6)做运转升温与磨损试验。试验介质水；试验压力1. 2MPa ；试验转速2900rpm。运转升温关系图见图4、图5，从上述两幅关系图可见，本发明加碳硬质合金平均 温升为7. 48°C /小时，普通硬质合金的平均温升是8. 35°C /小时，加碳硬质合金的升温速 率低于普通硬质合金，从温升曲线看加碳硬质合金升温速率相对均勻，而普通硬质合金在 启动前期温度升高很快，随后趋于平稳。磨损试验见下表1表1本发明实施例1加碳硬质合金样品与普通硬质合金(YN6)磨损试验 从上表可得到，加碳硬质合金摩擦副组合的总磨损量0. 006mm略大与普通硬质合 金摩擦副组合的0. 00525mm，加碳硬质合金的磨损主要集中在窄面，而普通硬质合金的磨损 主要集中在宽面。这个试验证明了加碳硬质合金的石墨相在启动初期，润滑液膜没有形成的情况 下，有很好的抗干摩擦性能。当运转平稳，润滑化液膜形成后，加碳硬质合金与普通硬质合 金的润滑性能都依靠形成的液膜，基本是一致的。实施例2 称取如下配方比例的原料碳化钨(WC) 90重量份，镍(Ni) 4. 2重量份，铬(Cr) 0. 4 重量份，钴(Co) 0.4重量份，增塑剂(石蜡)2重量份，石墨(C)5重量份。制备工艺同实施例1，其中经过步骤(7)压制成型后得到的成型坯体的密度为 7. 482g/cm3 ；步骤(9)烧结后所得的硬质合金材料其密度为12. 107g/cm3。与实例1相比较，实例2除增加了碳的组分外，密度降低，另外明显的组织中碳颗 粒大幅度增加(见图2)。加工成零件后，经过1. 6MPa静压测试，无泄漏。
实施例3 称取如下配方比例的原料碳化钨(WC) 90重量份，镍(Ni) 4. 2重量份，铬(Cr) 0. 4 重量份，钴(Co) 0.4重量份，增塑剂(石蜡)2重量份，石墨(C)2重量份。制备工艺同实施例1，其中经过步骤(7)压制成型后得到成型坯体密度7. 521g/ cm3 ；步骤(9)烧结后所得的硬质合金材料其密度为12. 752g/cm3。实例3与实例1、2相比，其他没有变化，但是碳的组分减少为2份，密度有所增加， 晶相中碳的含量减少(见图3)，其他变化不明显。
权利要求
一种加碳硬质合金材料，其特征在于该硬质合金材料由以下配方比例的各原料制备碳化钨89～91重量份，镍3.7～4.7重量份，铬0.35～0.45重量份，钴0.35～0.45重量份，石蜡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钨、镍、铬、钴物料总量为标准，每千克物料加入0.2～0.35升的航空汽油。
2.根据权利要求1所述的加碳硬质合金材料，其特征在于该硬质合金材料由以下配 方比例的各原料制备碳化钨89 90重量份，镍4. 2 4. 7重量份，铬0. 4 0. 45重量 份，钴0. 35 0. 45重量份，石蜡1. 0 2. 0重量份，石墨2. 0 3. 5重量份，航空汽油以 上述的碳化钨、镍、铬、钴物料总量为标准，每千克物料加入0. 2 0. 35升的航空汽油。
3.—种权利要求1或2所述的加碳硬质合金材料的制备方法，其特征在于制备步骤 包括(1)先将碳化钨，镍，铬，钴按配方比例称取后混合，得到混合料；(2)球磨向步骤(1)所得的混合料中加入航空汽油作为研磨介质，每千克混合料加入 0. 2 0. 35升的航空汽油，然后用球磨机进行48 60小时的球磨均化；(3)向步骤(2)所得的物料中按配方比例加入石蜡，然后球磨5 10小时，使得各物料 混合均勻；(4)干燥将步骤(4)所得的混合均勻的物料真空干燥，以使得航空汽油分离出来，达 到从物料中除去航空汽油的目的；(5)粉碎过筛将步骤(4)干燥除去航空汽油后的混合料粉碎，用60目分样筛过筛，得 到可过60目分样筛的粉料；(6)加石墨；向步骤(5)过60目分样筛的粉料中按配方比例加入石墨，所述的石墨粒 径为75 100微米，在混合机中混合均勻后，然后用60目分样筛过筛，得到可过60目分样 筛的粉料；(7)压制成型将步骤(6)过60目分样筛的粉料采用冷压模具成型，加压至80 llOMPa，得到密度为7. 5 士0. 03g/cm3的成型坯体；(8)脱蜡在真空条件下以80 100°C/小时的升温速率加温坯体到380 400°C，保 温0. 8 1. 2小时将坯体中的石蜡脱除；(9)烧结在真空度小于20Pa下，以200 300°C/小时的升温速率加热步骤(8)已脱 除石蜡后的坯体到1440 1480°C，以完成烧结。
4.根据权利要求3所述的加碳硬质合金材料的制备方法，其特征在于制备步骤还包 括在上述步骤(7)与步骤(8)之间对压制成型的坯体进行的切削步骤。
全文摘要
本发明公开一种加碳硬质合金材料及其制备方法，该硬质合金材料由以下配方比例的各原料制备碳化钨89～91重量份，镍3.7～4.7重量份，铬0.35～0.45重量份，钴0.35～0.45重量份，石蜡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钨、镍、铬、钴物料总量为标准，每千克物料加入0.2～0.35升的航空汽油。本发明的硬质合金具有优于传统硬质合金的干摩擦性能，且制作成本相对低廉，并具有传统硬质合金良好的耐磨性、强度等性能，制备工艺简单，易操作等优点。
文档编号C22C29/08GK101851718SQ20101017916
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者邬国平 申请人:邬国平