专利名称：陶瓷复合缸套及其冷、热等静压法制取工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于复合陶瓷缸套制备方法，特别是涉及氧化铝陶瓷复合缸套及其冷热等静压法制取工艺。
石油钻井用的泥浆泵中的缸套是其关键部件，它长期经受着泥沙、岩石颗粒的冲击和介质腐蚀的考验。传统的泥浆泵缸套采用双金属浇注，使用寿命仅几百小时。随着石油工业的发展，尤其是由陆地向海洋的转移，苛刻的环境条件，要求必须尽可能地减少停机换套的次数，从而使得人们开始研究陶瓷复合缸套。另外在内燃发动机日益完善的今天，发动机内的缸套在承受高温、高压下，需保证其机械生能和一定的耐磨性能，目前世界工业发达国家也采用陶瓷材料做缸套。陶瓷以其高硬度和优异的耐磨性能，成为缸套复合材料的最佳选择。目前国内外复合缸套的制造均采用冷等静压成形后烧结，然后对其内、外圆磨削加工后，在于钢体外套过盈配合进行装配而得到复合的钢——陶瓷缸套，如1996年12月在西安召开的第七届全国耐磨材料会议论文集第45页中，黎谦发表的名为《新型“耐磨、耐高温、耐腐蚀”材料——铬刚玉陶瓷》的论文中所述的就是通过热装后使陶瓷内衬与金属套过盈配合而形成的复合管。该方法制造的缺点在于1．冷等静压得到的坯料，烧结变形不易控制，烧结后坯的加工难度大；首先装夹难度大，因为陶瓷材料很脆，装夹不好易碎，这样陶瓷管的厚度就需增大，用料量相应增多；其次磨削面增多，需加工内、外圆面及两端面，使得加工效率很低，成品率不易保证，造成成本高，不易工业化大规模生产。2．制成品密度低，与钢体外套热装时很容易碎裂，过盈量不好保证。3．由于采用过盈配合，在使用过程中，钢体外套与陶瓷复合层的过膨胀系数不同，很容易发生陶瓷复合层与钢体外套脱离现象即常说的脱套现象。
本发明的目的是提供一种可广泛用于汽车、石油等方面的硬度高、耐磨性能好，适合工业化生产的氧化铝陶瓷复合缸套及其冷、热压静压法制取工艺。
本发明的技术方案是一种陶瓷复合缸套，包括钢体外套、陶瓷内套，其特征在于在金属外套2的内表面通过热等静压复合有一层陶瓷层3；在金属外套2内表面的一端或两端可以有突起的金属端环1；金属端环1可以是与金属外套2为一体的圆环，也可以通过等静压复合于金属外套2内壁两端；采用冷、热等静压法制造陶瓷复合缸套的方法，其特征在于a．模具的设计与制作根据工件的形状设计相应的模具和金属外套；b．冷等静压包套组件装配；c．装粉根据需要在冷等静压包套组件的包套中装入相应的陶瓷粉；d．冷等静压将装好粉的组件放入冷等静压设备中采用内加压式冷等静压成形，压力为250MPa；e．整形将冷等静压成形后的组件除去密封环、胶帽和支撑套，对陶瓷层的内表面进行加工；f．热等静压组件的设计与装配配置薄壁金属内套，在金属外套和薄壁金属内套两端面加端盖密封固定，在端盖或金属内套或外套上固定有一抽气管；g．真空脱气通过抽气管对金属外套和金属内套之间的陶瓷层进行真空脱气，脱气温度为500-1000℃，脱气完成后，将抽气管封死；h．热等静压将真空脱气后的组件放入热等静压设备中进行热等静压烧结成形，烧结温度为1200℃-1400℃，压力为100MPa-200MPa，保温1-4小时；i．冷却后出炉；j．除内套；k．加工陶瓷复合管陶瓷内圆和金属外圆至需要尺寸；l．检验。
本发明的优点在于1．由于采用冷等静压成形，热等静压烧结的工艺，一次性将陶瓷层复合于钢体外套的内表面上，使陶瓷复合层不易脱套；在对其内表面和端面加工时，装卡简单、方便，并且也不会产生碎裂现象。2．采用冷、热等静压法制造出的复合管，陶瓷复合层密度高、硬度好，表面光滑，尺寸精确，机械加工量小，并且其耐磨、抗腐蚀性能均优于采用冷等静压后烧结的陶瓷管。
本发明的实施例结合附图详加说明。
附
图1为本发明冷等静压包套组件装配示意图。
附图2为本发明热等静压组件装配示意图。
附图3为本发明工艺流程图。
附图4为本发明陶瓷复合缸套结构Ⅰ示意图。
附图5为本发明陶瓷复合缸套结构Ⅱ示意图。
附图6为本发明陶瓷复合缸套结构Ⅲ示意图。
如图1、2、3所示，根据所需陶瓷复合缸套的形状及尺寸设计出相应的模具；组装时，在金属外套8的内孔中装入胶套6，在胶套内孔中套入冷压支承套7，冷压支承套7的中部开有数排孔9，在金属外套8和胶套6的下端之间装有密封环4，金属外套8和胶套6的下端通过胶帽3密封，胶帽3与金属外套8和胶套6的接触面可通过捆扎物2、10将其扎紧；通过上端金属外套8与胶套6之间的环形口，将粒度为1μm左右，纯度为99.8％的非团化α-氧化铝粉末装入环形空腔5内，装粉完毕后，将密封环4、胶帽3安装好，用捆扎物2、10将其扎紧密封，然后放入冷等静压设备中，采用内加压方式，压力在260MPa左右成形，这样就使非团化α-氧化铝粉均匀压至金属外套8的内壁；冷压完毕后，去掉胶帽3、密封环4和冷压支承套7、胶套6进行整形，即对非团化α-氧化铝粉层的内孔进行加工，以提高其形状精度，降低其表面粗糙度。整形后，配置与整形后内孔相应的薄壁金属内套14，在内套14和金属外套8的两端加端环11，使端环11与内、外套14、8密封，在内套14上安装有一抽气管12，抽气管12也可安装在端环11或外套8上；通过抽气管12对密封后的空腔进行真空脱气，脱气后将抽气管12封死；然后放入高压反应釜内进行热等静压烧结，热等静压的温度为1300℃，压力为150MPa，保温3小时，冷却后出炉，除去内套14后，就可得到内表面光滑、致密的陶瓷复合层13，其内孔不圆度和不垂直度可达±0.3mm，密度＞3.98g/cm3，硬度HRA＞92。根据需要的尺寸对内表面进行磨削，长度可根据不同的需要保留或去掉端环11，外圆加工到需要的尺寸和精度，检验合格后即可成为产品。
装粉时可根据不同工作状态的需要可加氧化物、碳化物、氮化物粉，如氧化锆、碳化硅、氮化铝粉。
如图4、5、6所示，金属外套2可采用厚壁钢管，在厚壁钢管内壁通过热等静压工艺复合一层陶瓷层3，陶瓷层3的厚度为2-5mm，内径不圆度可达±0.3mm左右，内径不垂直度为可达±0.3mm左右，这样一来陶瓷用量明显减少，并且大大减少了磨削加工的面，有效地提高了加工效率。在金属外套2的内表面的两端，如图1所示可加有端环1，端环1的使用，省去了陶瓷端面的磨削加工，而且可利用端环调整缸套的高度，很容易实现缸套端面的装配需要，并且端环1也具有防止使用过程中的脱套的作用。也可根据使用需要，在金属外套2的内表面的一端，如图2所示可加有端环1，也可在金属外套2的内表面的两端都不加金属端环，如图3所示。由于陶瓷层3是通过热等静压工艺复合于金属外套2上，在加工过程中，只需加工复合管的陶瓷内表面和金属外套2的外表面，使加工尺寸容易保证，加工难度降低，成品率可有效提高，使陶瓷金属复合缸套工业性生产成为可能。
权利要求
1．一种陶瓷复合缸套，包括钢体外套、陶瓷内套，其特征在于在金属外套(2)的内表面通过热等静压复合有一层陶瓷层(3)。
2．根据权利要求1所述的一种陶瓷金属复合缸套，其特征在于在金属外套(2)内表面的一端或两端可以有突起的金属端环(1)。
3．根据权利要求1所述的一种陶瓷金属复合缸套，其特征在于金属端环(1)可以是与金属外套(2)为一体的圆环，也可以通过等静压复合于金属外套(2)内壁两端。
4．一种采用冷、热等静压法制造权利要求1所述的陶瓷复合缸套的方法，其特征在于a．模具的设计与制作根据工件的形状设计相应的模具和金属外套；b．冷等静压包套组件装配；c．装粉根据需要在冷等静压包套组件的包套中装入相应的陶瓷粉；d．冷等静压将装好粉的组件放入冷等静压设备中采用内加压式冷等静压成形，压力为100-400MPa；e．整形将冷等静压成形后的组件除去密封环、胶帽和支撑套，对陶瓷层的内表面进行加工；f．热等静压组件的设计与装配配置薄壁金属内套，在金属外套和薄壁金属内套两端面加端盖密封固定，在端盖或金属内套或外套上固定有一抽气管；g．真空脱气通过抽气管对金属外套和金属内套之间的陶瓷层进行真空脱气，脱气温度500-1000℃，脱气完成后，将抽气管封死；h．热等静压将真空脱气后的组件放入热等静压设备中，进行热等静压烧结成形，烧结温度为1200℃-1400℃，压力为100MPa-200MPa，保温1-4小时；i．冷却后出炉；j．除内套；k．加工陶瓷复合管陶瓷内圆和金属外圆至需要尺寸；l．检验。
全文摘要
本发明属于复合陶瓷缸套及制备方法,特别是涉及一种陶瓷复合缸套及其冷、热等静压法制取工艺,其特征在于采用冷等静压法成形,热等静压法烧结的工艺,制备出的陶瓷复合缸套具有尺寸精度高,致密度好,耐磨性能优异,加工量小,可大批量工业生产,价格性能比高等优点,可广泛用于石油钻井、汽车工业等领域。
文档编号B28B1/00GK1310080SQ0110838
公开日2001年8月29日 申请日期2001年3月15日 优先权日2001年3月15日
发明者孙本双, 付晓旭, 夏洪先, 洪培根 申请人:西北稀有金属材料研究院