專利名稱：用于離心泵的碳化硅制品的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳化硅產(chǎn)品的制造，特別是一種用于離心泵內(nèi)部的碳化硅材質(zhì)的過流部分一即稱為襯體的制品的制造方法。
背景技術(shù)：
離心泵是利用葉輪在泵體腔體內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，進(jìn)行液體輸送的設(shè)備。由于葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)液體會(huì)對(duì)腔體和葉輪本身產(chǎn)生磨損，影響泵的使用壽命，尤其是料漿泵，工作在泥沙含量非常高的環(huán)境下，泥沙對(duì)泵的磨損非常強(qiáng)，惡劣條件下只能使用數(shù)百小時(shí)即告報(bào)廢。為此，采用各種高硬度的材料制造泵的過流部件，如不銹鋼、高強(qiáng)度塑料等，但成本高而且耐磨性能依然不高。另一方面，一種新型的陶瓷材料一碳化硅(SiC)被發(fā)現(xiàn)具有非常高的硬度，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦山料斗等耐磨要求高的設(shè)備上。由于它硬度高但是脆，所以成形困難，抗沖擊力差。碳化硅材料在泵的應(yīng)用中，現(xiàn)有一種先進(jìn)技術(shù)是將其做成內(nèi)襯部件，即保證過流部件都是碳化硅材料:包括泵體的腔體和葉輪。這種泵的所有過流材料都是碳化硅材料制成，硬度高、耐磨性能好，使用壽命能達(dá)到一般傳統(tǒng)的不銹鋼材料泵的數(shù)十倍甚至數(shù)百倍，大幅度降低了料漿泵的損耗。碳化硅在機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用中，一般采用涂敷燒結(jié)的方法。而在前述的離心泵襯體的制造中，這種方法無法適用。

還有一種常用的壓制工藝的碳化硅材料的方法是先壓制成型，然后進(jìn)行精加工，最后燒制。這種方法有兩大缺點(diǎn):一是廢品率較高，因?yàn)闊Y(jié)過程的可控性較低，容易出現(xiàn)各種無法預(yù)計(jì)的缺陷，比如產(chǎn)品開裂、變形等，只能報(bào)廢，不僅浪費(fèi)了產(chǎn)品本身，還浪費(fèi)了前道的加工工藝；二是加工困難，因?yàn)闊Y(jié)后的產(chǎn)品硬度非常高，一般的金加工刀具無法勝任，所以加工成本奇高，而且對(duì)于復(fù)雜形狀的產(chǎn)品更是難上加難?？傮w來說，這種制造工藝效率非常低下，成品的成本也居高不下。這種缺陷在大尺寸產(chǎn)品上尤為突出(燒結(jié)廢品率更高)，導(dǎo)致大尺寸產(chǎn)品無法大批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)背景技術(shù)所述的利用碳化硅材料作為襯體的離心泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)明一種全新的基于模壓工藝的碳化娃制品的制造方法。本發(fā)明的方法具體是這樣的:首先是準(zhǔn)備壓制粉料，所述的粉料中包括碳化硅微粉、酚醛和聚氨酯聚合劑；其中聚氨酯聚合劑含量在f 5% ;碳化硅微粉含量在7(Γ85% ;然后將充分混合的粉料放入模具中，以壓機(jī)壓制成形成為模壓坯件；第三步，將模壓坯件陰干放置以消除應(yīng)力；第四，對(duì)模壓坯件進(jìn)行真空預(yù)燒并冷卻；再進(jìn)行精確的尺寸加工；最后，配置一個(gè)游離硅反應(yīng)體，置于模壓坯件上方，采用反應(yīng)燒結(jié)、六段燒結(jié)工藝法進(jìn)行燒結(jié)。上述的方法中，優(yōu)選的粉料中的碳化硅微粉包括粒度為W14和粒度為WlO兩種，比例為 0.2 < WlO:W14 < 0.5。進(jìn)一步的優(yōu)選碳化娃微粉中，還包括石油焦,含量在2°/Γ5%之間；石油焦規(guī)格優(yōu)選為60 120目。粉料中還可以包含酚醛，含量在18 22%之間。所述的真空預(yù)燒工藝，具體是:采用真空燒結(jié)機(jī)，以75(T820°C的溫度燒制 Γ Ο小時(shí)，自然冷卻12 15小時(shí)。所述的反應(yīng)燒結(jié)、六段燒結(jié)工藝法，具體是指分6段，在擴(kuò)11小時(shí)內(nèi)將溫度平緩升溫至1600°C 1700°C，并在最高溫度保溫3飛小時(shí)，最后采用自然冷卻。所述的碳化硅制品包括碳化硅葉輪和碳化硅的腔體內(nèi)襯。一般的碳化硅制 品的制造工藝，燒結(jié)前加工中開裂和燒結(jié)后開裂是阻礙這類產(chǎn)品推廣的主要問題，本發(fā)明很好的解決了這個(gè)問題。本發(fā)明的方法改變了精加工的時(shí)機(jī)、重新設(shè)計(jì)了組分和燒結(jié)工藝，最終能夠大幅度提高產(chǎn)品的成品率——成品率能達(dá)到80%以上，是現(xiàn)有的一般工藝的5倍以上；燒結(jié)后的碳化硅制品中碳化硅、游離硅含量大于95%，產(chǎn)品硬度達(dá)到HRA8(T85，完全滿足碳化硅制品一尤其是離心泵襯體的硬度要求。制造成本大幅度降低，同時(shí)也能解決大尺寸的零件制造的技術(shù)瓶頸。
具體實(shí)施例方式下面列舉一個(gè)實(shí)施例的完整流程說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容。本實(shí)施例是制造一個(gè)離心泵的內(nèi)襯部件，包括葉輪、組合式的過流腔體，其中葉輪是整體部件，組合式過流腔體是有多片部件組合而成，目的是便于加工。一，配置壓制粉料
粉料的配料及優(yōu)選的一個(gè)比例如下:W14碳化硅微粉55%，WlO碳化硅微粉18%，酚醛(2123樹脂)19%，丙二醇0.5%，70目的石油焦4%，其余是聚氨酯聚合劑。將上述材料放入噴霧造粒塔中充分混合成混合物。第二個(gè)實(shí)施例，還可以采用以下比例:W14碳化硅微粉52%，WlO碳化硅微粉18%，酚醛(2123樹脂)20%，丙二醇0.3%，聚氨酯聚合劑5%，其余為100目的石油焦。這個(gè)壓制用的粉料中，碳化硅微粉依然是主要成分，酚醛、丙二醇和聚氨酯聚合劑是作為壓制粘合劑，石油焦的主要成分是碳，用于在燒結(jié)中和反應(yīng)的硅進(jìn)行反應(yīng)，生成的依然是碳化硅。二，壓制成形
根據(jù)要制造的產(chǎn)品形狀，按照一般的壓制工藝，準(zhǔn)備壓制模具。根據(jù)本實(shí)施例的要求，分別是葉輪模具和多個(gè)腔體組合件模具，當(dāng)然每個(gè)模具都能反復(fù)使用，生產(chǎn)多套產(chǎn)品。將配置好的粉料定量放入模具。根據(jù)產(chǎn)品大小，選擇合適的壓機(jī)進(jìn)行壓制成為模壓坯件，一般碳化硅產(chǎn)品的壓制壓力需要達(dá)到20(T280kg/Cm2。這個(gè)步驟和現(xiàn)有的壓制工藝相同，是本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員所熟知的。在這個(gè)工藝環(huán)節(jié)中，是一個(gè)物理變化，粉料被壓緊，在粘合劑的作用下能夠凝結(jié)而不松散。三，模壓坯件陰干消除應(yīng)力
陰干是行業(yè)內(nèi)可以理解的工藝，特別強(qiáng)調(diào)的是:濕度保持在80%左右，環(huán)境溫度20°C的理想情況下，需要5 10天，本實(shí)施例中選擇7天自然陰干。
四，預(yù)燒結(jié)
將模壓坯件放入真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行真空預(yù)燒，溫度820°C，燒制10小時(shí)，自然冷卻13小時(shí)。在預(yù)燒結(jié)的過程中，產(chǎn)品發(fā)生了化學(xué)變化，其中的酚醛、丙二醇和聚氨酯聚合劑已經(jīng)反應(yīng)后消失，由于其本身就是碳水化合物，所以經(jīng)過反應(yīng)后成為二氧化碳和水從模壓坯件中消除。整個(gè)產(chǎn)品達(dá)到的硬度在成品的10%以下，仍然處于一般加工設(shè)備的可加工范疇內(nèi)，而且結(jié)構(gòu)、形狀的穩(wěn)定性和強(qiáng)度都比較適于機(jī)械加工。五，機(jī)械加工至需要的尺寸
使用車床、刨床、加工中心等各種加工機(jī)械對(duì)預(yù)燒結(jié)的坯件進(jìn)行幾何加工。模具成形的模壓坯件的尺寸并不精確，并且經(jīng)過預(yù)燒結(jié)，誤差更大。此道工藝的目的是將產(chǎn)品加工至成品實(shí)際需要的精確尺寸，由于燒結(jié)后的產(chǎn)品坯件具有前述的性能指標(biāo)，所以此時(shí)的加工和一般的金屬加工無異，十分方便。六,反應(yīng)燒結(jié)
最后，將加工后的坯件放入真空燒結(jié)爐進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)。需要根據(jù)每個(gè)不同坯件的質(zhì)量，分別配置一塊同等規(guī)模的硅(游離硅)置于坯件上方接觸疊置。采用六段升溫法燒結(jié)，所述六段升溫法是行業(yè)內(nèi)常用的將整個(gè)升溫過程分成六個(gè)曲線分段、平緩進(jìn)行，最終達(dá)到燒結(jié)溫度。本實(shí)施例的燒結(jié)溫度設(shè)定為1600°C，整個(gè)升溫時(shí)間大概需要9小時(shí)。如果燒結(jié)溫度更高，比如1700°C，則升溫時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。溫度到達(dá)之后，保溫3飛小時(shí)，本實(shí)施例采用保溫5小時(shí)。冷卻過程有別于傳統(tǒng)方法，傳統(tǒng)方法是采用水冷，而本發(fā)明是自然冷卻，本實(shí)施例自然冷卻整個(gè)需要約20小時(shí)。反應(yīng)燒結(jié)之后，整個(gè)產(chǎn)品尺寸較之精加工之后、燒結(jié)之前沒有明顯變化，能滿足一般的精度要求，尤其是用于本實(shí)施例的離心泵的過流部件。此時(shí)的碳化硅制品是成品，其成分碳化硅(SiC)大于80%，游離硅填滿`碳化硅之間的分子空隙，含量超過15%，其他復(fù)雜成分難以高溫分解的雜質(zhì)少于5%，產(chǎn)品硬度達(dá)到HRA (洛氏硬度)8(Γ85，遠(yuǎn)高于一般的不銹鋼材料，這個(gè)硬度可以有效抵御料漿泵的使用中料漿對(duì)泵體的磨損，提高整個(gè)泵的使用壽命。經(jīng)實(shí)踐，本發(fā)明的工藝方法，由于配制的粉料成分的改進(jìn)，提高了模壓坯件的強(qiáng)度，可以有效的克服一般的碳化硅材料制品加工的燒結(jié)前就開裂的問題。而且對(duì)于模壓坯件的應(yīng)力在最終燒結(jié)前進(jìn)行了合理有效的消除，也是提高燒結(jié)成品率的有效技術(shù)手段之一。由此，本發(fā)明解決了現(xiàn)有碳化硅制品的生產(chǎn)技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了在成品率、加工尺寸和加工復(fù)雜度的三大方面突破，將大幅度促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步。經(jīng)試驗(yàn)，采用上述碳化硅材料制成的離心泵襯體、葉輪，外面以金屬、橡膠及近似材料進(jìn)行固定、密封，制成的碳化硅內(nèi)襯的離心泵，用于料漿泵的時(shí)候，使用壽命超過普通不銹鋼泵5 20倍，大幅度降低使用成本。
權(quán)利要求
1.用于離心泵的碳化硅制品的制造方法，其特征是:首先是準(zhǔn)備壓制粉料，所述的粉料中包括碳化硅微粉、酚醛和聚氨酯聚合劑；其中聚氨酯聚合劑含量在f 5%;碳化硅微粉含量在7(Γ85% ;然后將充分混合的粉料放入模具中，以壓機(jī)壓制成形成為模壓坯件；第三步，將模壓坯件陰干放置以消除應(yīng)力；第四，對(duì)模壓坯件進(jìn)行真空預(yù)燒并冷卻；再進(jìn)行精確的尺寸加工；最后，配置一個(gè)游離硅反應(yīng)體，置于預(yù)燒后的坯件上方，采用反應(yīng)燒結(jié)、六段燒結(jié)工藝法進(jìn)行燒結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于離心泵的碳化硅制品的制造方法，其特征是:所述的粉料中的碳化硅微粉包括粒度為W14和粒度為WlO兩種，兩者的比例為0.2 < WlO:W14< 0.5o
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于離心泵的碳化硅制品的制造方法，其特征是:所述的酚醛具體是2123樹脂，含量在18 22%之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于離心泵的碳化硅制品的制造方法，其特征是:所述的碳化娃微粉中，還包括石油焦，含量在2°/Γ5%之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于離心泵的碳化硅制品的制造方法，其特征是:所述的真空預(yù)燒是指，采用真空燒結(jié)機(jī)，以75(T820°C的溫度燒制擴(kuò)10小時(shí)，自然冷卻12 15小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于離心泵的碳化硅制品的制造方法，其特征是:所述的反應(yīng)燒結(jié)、六段燒結(jié)工藝法，具體是指分六段，在擴(kuò)11個(gè)小時(shí)內(nèi)將溫度平緩升溫至16000C 1700°C，并在最高溫度保溫3飛小時(shí)，最后采用自然冷卻。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于離心泵的碳化硅制品的制造方法，其特征是:所述的碳化硅制品包括碳化硅葉 輪和碳化硅的腔體內(nèi)襯。
全文摘要
用于離心泵的碳化硅制品的制造方法，首先是準(zhǔn)備壓制粉料，所述的粉料中包括碳化硅微粉(70~85%)、酚醛和聚氨酯聚合劑(1~5%)；將充分混合的粉料放入模具中，以壓機(jī)壓制成形成為模壓坯件；將模壓坯件陰干放置以消除應(yīng)力；然后對(duì)模壓坯件進(jìn)行真空預(yù)燒并冷卻；再進(jìn)行精確的尺寸加工；最后，配置一個(gè)游離硅反應(yīng)體，置于預(yù)燒后的坯件上方，采用反應(yīng)燒結(jié)、六段燒結(jié)工藝法進(jìn)行燒結(jié)。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)成品率低、無法加工尺寸產(chǎn)品和復(fù)雜形狀的缺陷，做成離心泵使用壽命長(zhǎng)，生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)F04D7/04GK103113111SQ201310040479
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月2日
發(fā)明者陳佰生, 高孟平 申請(qǐng)人:宜興市靈谷塑料設(shè)備有限公司