專利名稱：一種浸金屬用炭/石墨材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于 一種浸金屬用炭/石墨基體材料的制備方法。
背景技術(shù)：
炭/石墨材料具有良好的自潤滑特性，摩擦系數(shù)小，線膨脹系數(shù) 低，因而在工業(yè)上被廣泛用作機械密封材料。但是一般炭/石墨材料炭
化燒結(jié)而成后體密度小(1.4 1.5g/cm3)、強度低、結(jié)構(gòu)疏松(內(nèi)部 開孔率達20 30%)，難于用作高PV (壓力和轉(zhuǎn)速)值工況的機械密 封材料。若以該類材料為基體,利用高溫高壓將其它熔融金屬物料浸 入其開放性氣孔中，形成牢固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，則可大大提高其致密性、強 度和耐磨性。浸金屬的炭石墨材料具有較高的機械強度(其機械性能 較基體炭/石墨材料可提高3 6倍)，較好的耐磨性和耐沖擊韌性， 兼具石墨和金屬的特性，因此，高PV值工況下的機械密封材料，大 多是利用炭/石墨材料經(jīng)過熔融金屬浸漬后，來作為高PV值工況下機 械密封材料。
研究表明，對于浸金屬炭/石墨材料，金屬在碳質(zhì)坯體中的理想 分布狀態(tài)是細網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)均勻分布，這不僅能有效提高對碳質(zhì)坯體的增 密補強效果，而且有利于改善材料的摩擦磨損性能；但就浸入量而言， 并非像浸漬可炭化有機物那樣浸入量愈多愈好，這是因為金屬的摩擦 系數(shù)一般較大，浸入量太大雖能更好地提高材料的強度和不透性，但 卻使材料的摩擦系數(shù)增幅更大，使其摩擦學(xué)性能下降；此外，由于金 屬的熱膨脹系數(shù)大，摩擦系數(shù)高，浸入的金屬必須以細網(wǎng)狀均勻分布 于基體炭中，才能有效的提高材料的摩擦學(xué)性能。如果浸入炭/石墨 基體中的金屬分布不均勻或有局部聚集狀態(tài)，熔融金屬在冷卻固化過 程，會在基體炭中形成不均勻的內(nèi)應(yīng)力并使復(fù)合材料的局部摩擦系數(shù) 大大增加，也會導(dǎo)致其摩擦學(xué)性能大幅度降低；此外，局部聚集金屬 區(qū)域由于摩擦系數(shù)大，在高旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，摩擦面瞬間溫升很高，摩擦 付磨損嚴重，使摩擦付表面光潔度變差，進一步使其摩擦系數(shù)增加，摩擦學(xué)性能惡化，導(dǎo)致摩擦?xí)r間不平衡磨損加劇，泄漏現(xiàn)象愈來愈嚴 重，最終導(dǎo)致密封元件密封失效。因此，對于金屬浸漬用的炭/石墨 基體，控制炭/石墨基體材料的孔大小和結(jié)構(gòu)均勻程度，是決定最終 浸漬金屬炭/石墨材料機械性能和摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種機械強度高、孔徑小且分布均勻的炭/ 石墨密封材料的制備方法。
M106炭/石墨，是工業(yè)上較早通用的機械密封材料，也是一種浸 漬型炭/石墨密封材料的基體，但由于其開孔尺寸較大，孔徑分布不
勻，很難滿足目前的使用要求。針對M106炭/石墨材料在應(yīng)用過程中
暴露的問題，本發(fā)明通過對原料、原料配方及材料制備工藝的優(yōu)化設(shè) 計來克服上述缺陷。
本發(fā)明的制備過程包括如下步驟
(1) 首先將平均粒徑為10-50um的煅燒石油焦、天然石墨粉和 人造石墨粉按煅燒焦的含量為60—70 wt %，人造石墨粉為25—35wt %，天然石墨粉為5—10wty。在混合器充分混勻后預(yù)熱至120-150°C， 得到混合填料；
(2) 將軟化點為90—120。C，殘?zhí)悸蕿?8—55 wt %粘結(jié)劑瀝青 加熱熔化后，加入混合填料中于120-15(TC溫度下進行混合l-3h，其 中粘結(jié)劑瀝青占混合填料的30—42wt %;
(3) 混合完畢后，在120-15(TC溫度下進行軋片，軋片次數(shù)為 6-10次，軋片的厚度在l腿以下，冷卻后破碎至200um以下后制成 最終壓粉；
(4) 壓粉先在60-lOOMPa下模壓成型后，置入惰性氣氛的炭化 爐中，以5-10°C/h的升溫速率至1300-1350°C，并在最高溫度下恒 溫1-2h;自然冷卻到IO(TC以下后出爐，完成材料的制備。
所述的煅燒石油焦其煅燒溫度在1200—130(TC。 所述的粘結(jié)劑瀝青是指改性的煤焦油中溫瀝青，其中軟化點為 90—120。C，殘?zhí)悸蕿?8—55 wt%。 本發(fā)明的優(yōu)點如下
4(1) 從所用原料角度講，本發(fā)明不使用特別限定的炭質(zhì)原料，均為 市場上普售的原料，因此原料焦的成本較低。從制備工藝來講，不需 要特殊條件， 一般碳素企業(yè)均可實現(xiàn)。
(2) M106機械密封材料在配方設(shè)計中以超細炭黑(平均粒徑約20nm 左右)為主要填料和過量的瀝青為粘結(jié)劑，所制備的成型壓粉中易產(chǎn) 生超細粒子團聚和粘結(jié)劑分布不均，甚至局部富集，導(dǎo)致最終材料中 生成不均勻的超微細孔和局部的超大孔。本發(fā)明所用填料粒徑尺寸相 對較大，混合過程中不易產(chǎn)生團聚；并通過優(yōu)化粘結(jié)劑瀝青用量也可 減少壓粉中瀝青局部聚集的幾率。另外還在填料中引入石墨粉，減小 了最終炭/石墨基體材料的摩擦系數(shù)，提高其自身潤滑性能。
(3) 在本發(fā)明的材料制備過程中，通過多次軋片工藝，使包覆在混 合填料粒子表面瀝青滲入填料粒子的空隙，提高了瀝青在糊料中的均
勻分散程度，且防止填料團聚和瀝青局部集聚，從而大大改善了材料
的性能和微觀結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
實施例1
首先將經(jīng)130(TC處理后、平均粒徑為30 pm的煅燒石油焦和天 然石墨粉(平均粒徑15"m)和人造石墨粉(平均粒徑40um)按煅 燒焦的含量為65 wt %，人造石墨粉為28 wt 0/。，天然石墨粉為7wt% 在混合器充分混勻后，并將其倒入捏合機中預(yù)熱至13(TC，得到混合 填料；然后將軟化點為116°C，殘?zhí)悸蕿?2. 6wt %的粘結(jié)劑瀝青加熱 熔化后，倒入上述混合填料中于13(TC溫度下進行混捏2h，其中粘結(jié) 劑瀝青占混合填料的40wt %。混合完畢后，在13CTC溫度下進行軋片， 軋片次數(shù)為6次，軋片的厚度在0. 9mm以下。冷卻后將制成的片破碎 至75 u m以下后獲得最終壓粉。上述壓粉先80MPa下模壓成型，成型 坯體置入Ar氣氛的炭化爐中，以10°C/h的升溫速率至1300°C，并 在最高溫度下恒溫lh;自然冷卻到IO(TC以下后出爐，完成材料的制 備。最終材料的基本物理性能見表l。 實施例2
首先將經(jīng)130(TC處理后、平均粒徑為45 um的煆燒石油焦和天然石墨粉(平均粒徑13um)和人造石墨粉(平均粒徑45um)按煅 燒焦的含量為60 wt %，人造石墨粉為32 wt %，天然石墨粉為8wt% 在混合器充分混勻后，并將其倒入捏合機中預(yù)熱至12(TC，得到混合 填料；然后將軟化點為102°C，殘?zhí)悸蕿?9. 6wt %的粘結(jié)劑瀝青加熱 熔化后，倒入上述混合填料中于12(TC溫度下進行混捏2h，其中粘結(jié) 劑瀝青占混合填料的38wt %。混合完畢后，在12CTC溫度下進行軋片， 軋片次數(shù)為7次，軋片的厚度在lmm以下。冷卻后將制成的片破碎至 200 ym以下后獲得最終壓粉。上述壓粉先80MPa下模壓成型，成型 坯體置入Ar氣氛的炭化爐中，以8"C/h的升溫速率至135(TC，并在 最高溫度下恒溫2h;自然冷卻到IO(TC以下后出爐，完成材料的制備。 最終材料的基本物理性能見表1。 實施例3
將經(jīng)125(TC處理后、平均粒徑為40 um的煅燒石油焦和天然石 墨粉(平均粒徑ll"m)和人造石墨粉(平均粒徑45"m)按煅燒焦 的含量為62 wt %，人造石墨粉為32 wt %，天然石墨粉為6wt。/。在混 合器充分混勻后，并將其倒入捏合機中預(yù)熱至130°C，得到混合填料； 然后將軟化點為106"C，殘?zhí)悸蕿?0. 4wt %的粘結(jié)劑瀝青加熱熔化后， 倒入上述混合填料中于130。C溫度下進行混捏1. 5h，其中粘結(jié)劑瀝青 占混合填料的36wt。/c)。混合完畢后，在13(TC溫度下進行軋片，軋片 次數(shù)為8次，軋片的厚度在0.8mm以下。冷卻后將制成的片破碎至 150um以下后獲得最終壓粉。上述壓粉先lOOMPa下模壓成型，成型 坯體置入Ar氣氛的炭化爐中，以5。C/h的升溫速率至130(TC，并在 最高溫度下恒溫2h;自然冷卻到IO(TC以下后出爐，完成材料的制備。 最終材料的基本物理性能見表1。 實施例4
首先將經(jīng)120(TC處理后、平均粒徑為30um的煅燒石油焦和天 然石墨粉(平均粒徑8pm)和人造石墨粉(平均粒徑50"m)按煅燒 焦的含量為58 wt %，人造石墨粉為32 wt %，天然石墨粉為10wt% 在混合器充分混勻后，并將其倒入捏合機中預(yù)熱至125。C，得到混合 填料；然后將軟化點為95。C，殘?zhí)悸蕿?8. 6wt %的粘結(jié)劑瀝青加熱熔化后，倒入上述混合填料中于125"C溫度下進行混捏2h，其中粘結(jié) 劑瀝青占混合填料的34wt %。混合完畢后，在125"C溫度下進行軋片， 軋片次數(shù)為5次，軋片的厚度在0. 7皿以下。冷卻后將制成的片破碎 至100u m以下后獲得最終壓粉。上述壓粉先60MPa下模壓成型，成 型坯體置入Ar氣氛的炭化爐中，以5XVh的升溫速率至130(TC，并 在最高溫度下恒溫2h;自然冷卻到IO(TC以下后出爐，完成材料的制 備。最終材料的基本物理性能見表l。 實施例5
首先將經(jīng)125(TC處理后、平均粒徑為35nm的煅燒石油焦和天 然石墨粉(平均粒徑12pm)和人造石墨粉(平均粒徑40um)按煅 燒焦的含量為60 wt %，人造石墨粉為30 wt %，天然石墨粉為10wt% 在混合器充分混勻后，并將其倒入捏合機中預(yù)熱至12(TC，得到混合 填料；然后將軟化點為95"C，殘?zhí)悸蕿?8. 6wt %的粘結(jié)劑瀝青加熱 熔化后，倒入上述混合填料中于12(TC溫度下進行混捏3h，其中粘結(jié) 劑瀝青占混合填料的32wt %。混合完畢后，在12(TC溫度下進行軋片， 軋片次數(shù)為10次，軋片的厚度在0.5mm以下。冷卻后將制成的片破 碎至75 p m以下后獲得最終壓粉。上述壓粉先80MPa下模壓成型，成 型坯體置入Ar氣氛的炭化爐中，以6°C/h的升溫速率至1350°C，并 在最高溫度下恒溫lh;自然冷卻到10(TC以下后出爐，完成材料的制 備。最終材料的基本物理性能見表l。
以上實例制得材料的基本物理性能均列于下表
表1材料的基本物理性能
編號密度彎強壓強開孔率平均孔徑肖氏摩擦石墨化
g/cmMPaMPa%尺寸(pm)硬度系數(shù)度(％)
實施例11.6547.8109.711.080.73620.2036.7
實施例21.6342.893.712.310.61590.1540.8
實施例31.6241.2卯.616.840.57580.1838.4
實施例41.6037.088.316.150,38540.1939.6
實施例51.5935.081.217.550.53550.1441.0
權(quán)利要求
1、一種浸金屬用炭/石墨材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)首先將平均粒徑為10-50μm的煅燒石油焦、天然石墨粉和人造石墨粉按煅燒焦的含量為60-70wt％，人造石墨粉為25-35wt％，天然石墨粉為5-10wt％在混合器充分混勻后預(yù)熱至120-150℃，得到混合填料；(2)將軟化點為90-120℃，殘?zhí)悸蕿?8-55wt％粘結(jié)劑瀝青加熱熔化后，加入混合填料中于120-150℃溫度下進行混合1-3h，其中粘結(jié)劑瀝青占混合填料的30-42wt％；(3)混合完畢后，在120-150℃溫度下進行軋片，軋片次數(shù)為6-10次，軋片的厚度在1mm以下，冷卻后破碎至200μm以下后制成最終壓粉；(4)壓粉先在60-100MPa下模壓成型后，置入惰性氣氛的炭化爐中，以5-10℃/h的升溫速率至1300-1350℃，并在最高溫度下恒溫1-2h；自然冷卻到100℃以下后出爐，完成材料的制備。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種浸金屬用炭/石墨材料的制備方法，其特 征在于所述的煅燒石油焦其煅燒溫度在1200—130CTC 。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種浸金屬用炭/石墨材料的制備方法，其特 征在于所述的粘結(jié)劑瀝青是改性的煤焦油中溫瀝青，其中軟化點為 90—120°C，殘?zhí)悸蕿?8—55 wt%。
全文摘要
一種浸金屬用炭/石墨材料的制備方法是將煅燒石油焦、天然石墨粉和人造石墨粉按煅燒焦的含量為60-70wt％，人造石墨粉為25-35wt％，天然石墨粉為5-10wt％在混合器充分混勻后預(yù)熱至120-150℃，得到混合填料；將軟化點為90-120℃，殘?zhí)悸蕿?8-55wt％粘結(jié)劑瀝青加熱熔化后，加入混合填料中于120-150℃溫度下進行混合1-3h，混合完畢后，在120-150℃溫度下進行軋片，軋片次數(shù)為6-10次，軋片的厚度在1mm以下，冷卻后破碎至200μm以下后制成最終壓粉；壓粉先在60-100MPa下模壓成型后，置入惰性氣氛的炭化爐中，以5-10℃/h的升溫速率至1300-1350℃，并在最高溫度下恒溫1-2h；自然冷卻到100℃以下后出爐，完成材料的制備。本發(fā)明具有機械強度高、孔徑小且分布均勻的優(yōu)點。
文檔編號C04B35/622GK101659550SQ20091007545
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者朗 劉, 劉占軍, 宋進仁, 郭全貴 申請人:中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所