专利名称：一种浸金属用炭/石墨材料的制备方法
技术领域：
本发明属于 一种浸金属用炭/石墨基体材料的制备方法。
背景技术：
炭/石墨材料具有良好的自润滑特性，摩擦系数小，线膨胀系数 低，因而在工业上被广泛用作机械密封材料。但是一般炭/石墨材料炭
化烧结而成后体密度小(1.4 1.5g/cm3)、强度低、结构疏松(内部 开孔率达20 30%)，难于用作高PV (压力和转速)值工况的机械密 封材料。若以该类材料为基体,利用高温高压将其它熔融金属物料浸 入其开放性气孔中，形成牢固的网状结构，则可大大提高其致密性、强 度和耐磨性。浸金属的炭石墨材料具有较高的机械强度(其机械性能 较基体炭/石墨材料可提高3 6倍)，较好的耐磨性和耐冲击韧性， 兼具石墨和金属的特性，因此，高PV值工况下的机械密封材料，大 多是利用炭/石墨材料经过熔融金属浸渍后，来作为高PV值工况下机 械密封材料。
研究表明，对于浸金属炭/石墨材料，金属在碳质坯体中的理想 分布状态是细网状结构均匀分布，这不仅能有效提高对碳质坯体的增 密补强效果，而且有利于改善材料的摩擦磨损性能；但就浸入量而言， 并非像浸渍可炭化有机物那样浸入量愈多愈好，这是因为金属的摩擦 系数一般较大，浸入量太大虽能更好地提高材料的强度和不透性，但 却使材料的摩擦系数增幅更大，使其摩擦学性能下降；此外，由于金 属的热膨胀系数大，摩擦系数高，浸入的金属必须以细网状均匀分布 于基体炭中，才能有效的提高材料的摩擦学性能。如果浸入炭/石墨 基体中的金属分布不均匀或有局部聚集状态，熔融金属在冷却固化过 程，会在基体炭中形成不均匀的内应力并使复合材料的局部摩擦系数 大大增加，也会导致其摩擦学性能大幅度降低；此外，局部聚集金属 区域由于摩擦系数大，在高旋转状态下，摩擦面瞬间温升很高，摩擦 付磨损严重，使摩擦付表面光洁度变差，进一步使其摩擦系数增加，摩擦学性能恶化，导致摩擦时间不平衡磨损加剧，泄漏现象愈来愈严 重，最终导致密封元件密封失效。因此，对于金属浸渍用的炭/石墨 基体，控制炭/石墨基体材料的孔大小和结构均匀程度，是决定最终 浸渍金属炭/石墨材料机械性能和摩擦学性能的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械强度高、孔径小且分布均匀的炭/ 石墨密封材料的制备方法。
M106炭/石墨，是工业上较早通用的机械密封材料，也是一种浸 渍型炭/石墨密封材料的基体，但由于其开孔尺寸较大，孔径分布不
匀，很难满足目前的使用要求。针对M106炭/石墨材料在应用过程中
暴露的问题，本发明通过对原料、原料配方及材料制备工艺的优化设 计来克服上述缺陷。
本发明的制备过程包括如下步骤
(1) 首先将平均粒径为10-50um的煅烧石油焦、天然石墨粉和 人造石墨粉按煅烧焦的含量为60—70 wt %，人造石墨粉为25—35wt %，天然石墨粉为5—10wty。在混合器充分混匀后预热至120-150°C， 得到混合填料；
(2) 将软化点为90—120。C，残碳率为48—55 wt %粘结剂沥青 加热熔化后，加入混合填料中于120-15(TC温度下进行混合l-3h，其 中粘结剂沥青占混合填料的30—42wt %;
(3) 混合完毕后，在120-15(TC温度下进行轧片，轧片次数为 6-10次，轧片的厚度在l腿以下，冷却后破碎至200um以下后制成 最终压粉；
(4) 压粉先在60-lOOMPa下模压成型后，置入惰性气氛的炭化 炉中，以5-10°C/h的升温速率至1300-1350°C，并在最高温度下恒 温1-2h;自然冷却到IO(TC以下后出炉，完成材料的制备。
所述的煅烧石油焦其煅烧温度在1200—130(TC。 所述的粘结剂沥青是指改性的煤焦油中温沥青，其中软化点为 90—120。C，残碳率为48—55 wt%。 本发明的优点如下
4(1) 从所用原料角度讲，本发明不使用特别限定的炭质原料，均为 市场上普售的原料，因此原料焦的成本较低。从制备工艺来讲，不需 要特殊条件， 一般碳素企业均可实现。
(2) M106机械密封材料在配方设计中以超细炭黑(平均粒径约20nm 左右)为主要填料和过量的沥青为粘结剂，所制备的成型压粉中易产 生超细粒子团聚和粘结剂分布不均，甚至局部富集，导致最终材料中 生成不均匀的超微细孔和局部的超大孔。本发明所用填料粒径尺寸相 对较大，混合过程中不易产生团聚；并通过优化粘结剂沥青用量也可 减少压粉中沥青局部聚集的几率。另外还在填料中引入石墨粉，减小 了最终炭/石墨基体材料的摩擦系数，提高其自身润滑性能。
(3) 在本发明的材料制备过程中，通过多次轧片工艺，使包覆在混 合填料粒子表面沥青渗入填料粒子的空隙，提高了沥青在糊料中的均
匀分散程度，且防止填料团聚和沥青局部集聚，从而大大改善了材料
的性能和微观结构。
具体实施例方式
实施例1
首先将经130(TC处理后、平均粒径为30 pm的煅烧石油焦和天 然石墨粉(平均粒径15"m)和人造石墨粉(平均粒径40um)按煅 烧焦的含量为65 wt %，人造石墨粉为28 wt 0/。，天然石墨粉为7wt% 在混合器充分混匀后，并将其倒入捏合机中预热至13(TC，得到混合 填料；然后将软化点为116°C，残碳率为52. 6wt %的粘结剂沥青加热 熔化后，倒入上述混合填料中于13(TC温度下进行混捏2h，其中粘结 剂沥青占混合填料的40wt %。混合完毕后，在13CTC温度下进行轧片， 轧片次数为6次，轧片的厚度在0. 9mm以下。冷却后将制成的片破碎 至75 u m以下后获得最终压粉。上述压粉先80MPa下模压成型，成型 坯体置入Ar气氛的炭化炉中，以10°C/h的升温速率至1300°C，并 在最高温度下恒温lh;自然冷却到IO(TC以下后出炉，完成材料的制 备。最终材料的基本物理性能见表l。 实施例2
首先将经130(TC处理后、平均粒径为45 um的煆烧石油焦和天然石墨粉(平均粒径13um)和人造石墨粉(平均粒径45um)按煅 烧焦的含量为60 wt %，人造石墨粉为32 wt %，天然石墨粉为8wt% 在混合器充分混匀后，并将其倒入捏合机中预热至12(TC，得到混合 填料；然后将软化点为102°C，残碳率为49. 6wt %的粘结剂沥青加热 熔化后，倒入上述混合填料中于12(TC温度下进行混捏2h，其中粘结 剂沥青占混合填料的38wt %。混合完毕后，在12CTC温度下进行轧片， 轧片次数为7次，轧片的厚度在lmm以下。冷却后将制成的片破碎至 200 ym以下后获得最终压粉。上述压粉先80MPa下模压成型，成型 坯体置入Ar气氛的炭化炉中，以8"C/h的升温速率至135(TC，并在 最高温度下恒温2h;自然冷却到IO(TC以下后出炉，完成材料的制备。 最终材料的基本物理性能见表1。 实施例3
将经125(TC处理后、平均粒径为40 um的煅烧石油焦和天然石 墨粉(平均粒径ll"m)和人造石墨粉(平均粒径45"m)按煅烧焦 的含量为62 wt %，人造石墨粉为32 wt %，天然石墨粉为6wt。/。在混 合器充分混匀后，并将其倒入捏合机中预热至130°C，得到混合填料； 然后将软化点为106"C，残碳率为50. 4wt %的粘结剂沥青加热熔化后， 倒入上述混合填料中于130。C温度下进行混捏1. 5h，其中粘结剂沥青 占混合填料的36wt。/c)。混合完毕后，在13(TC温度下进行轧片，轧片 次数为8次，轧片的厚度在0.8mm以下。冷却后将制成的片破碎至 150um以下后获得最终压粉。上述压粉先lOOMPa下模压成型，成型 坯体置入Ar气氛的炭化炉中，以5。C/h的升温速率至130(TC，并在 最高温度下恒温2h;自然冷却到IO(TC以下后出炉，完成材料的制备。 最终材料的基本物理性能见表1。 实施例4
首先将经120(TC处理后、平均粒径为30um的煅烧石油焦和天 然石墨粉(平均粒径8pm)和人造石墨粉(平均粒径50"m)按煅烧 焦的含量为58 wt %，人造石墨粉为32 wt %，天然石墨粉为10wt% 在混合器充分混匀后，并将其倒入捏合机中预热至125。C，得到混合 填料；然后将软化点为95。C，残碳率为48. 6wt %的粘结剂沥青加热熔化后，倒入上述混合填料中于125"C温度下进行混捏2h，其中粘结 剂沥青占混合填料的34wt %。混合完毕后，在125"C温度下进行轧片， 轧片次数为5次，轧片的厚度在0. 7皿以下。冷却后将制成的片破碎 至100u m以下后获得最终压粉。上述压粉先60MPa下模压成型，成 型坯体置入Ar气氛的炭化炉中，以5XVh的升温速率至130(TC，并 在最高温度下恒温2h;自然冷却到IO(TC以下后出炉，完成材料的制 备。最终材料的基本物理性能见表l。 实施例5
首先将经125(TC处理后、平均粒径为35nm的煅烧石油焦和天 然石墨粉(平均粒径12pm)和人造石墨粉(平均粒径40um)按煅 烧焦的含量为60 wt %，人造石墨粉为30 wt %，天然石墨粉为10wt% 在混合器充分混匀后，并将其倒入捏合机中预热至12(TC，得到混合 填料；然后将软化点为95"C，残碳率为48. 6wt %的粘结剂沥青加热 熔化后，倒入上述混合填料中于12(TC温度下进行混捏3h，其中粘结 剂沥青占混合填料的32wt %。混合完毕后，在12(TC温度下进行轧片， 轧片次数为10次，轧片的厚度在0.5mm以下。冷却后将制成的片破 碎至75 p m以下后获得最终压粉。上述压粉先80MPa下模压成型，成 型坯体置入Ar气氛的炭化炉中，以6°C/h的升温速率至1350°C，并 在最高温度下恒温lh;自然冷却到10(TC以下后出炉，完成材料的制 备。最终材料的基本物理性能见表l。
以上实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
编号密度弯强压强开孔率平均孔径肖氏摩擦石墨化
g/cmMPaMPa%尺寸(pm)硬度系数度(％)
实施例11.6547.8109.711.080.73620.2036.7
实施例21.6342.893.712.310.61590.1540.8
实施例31.6241.2卯.616.840.57580.1838.4
实施例41.6037.088.316.150,38540.1939.6
实施例51.5935.081.217.550.53550.1441.0
权利要求
1、一种浸金属用炭/石墨材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)首先将平均粒径为10-50μm的煅烧石油焦、天然石墨粉和人造石墨粉按煅烧焦的含量为60-70wt％，人造石墨粉为25-35wt％，天然石墨粉为5-10wt％在混合器充分混匀后预热至120-150℃，得到混合填料；(2)将软化点为90-120℃，残碳率为48-55wt％粘结剂沥青加热熔化后，加入混合填料中于120-150℃温度下进行混合1-3h，其中粘结剂沥青占混合填料的30-42wt％；(3)混合完毕后，在120-150℃温度下进行轧片，轧片次数为6-10次，轧片的厚度在1mm以下，冷却后破碎至200μm以下后制成最终压粉；(4)压粉先在60-100MPa下模压成型后，置入惰性气氛的炭化炉中，以5-10℃/h的升温速率至1300-1350℃，并在最高温度下恒温1-2h；自然冷却到100℃以下后出炉，完成材料的制备。
2、 如权利要求1所述的一种浸金属用炭/石墨材料的制备方法，其特 征在于所述的煅烧石油焦其煅烧温度在1200—130CTC 。
3、 如权利要求1所述的一种浸金属用炭/石墨材料的制备方法，其特 征在于所述的粘结剂沥青是改性的煤焦油中温沥青，其中软化点为 90—120°C，残碳率为48—55 wt%。
全文摘要
一种浸金属用炭/石墨材料的制备方法是将煅烧石油焦、天然石墨粉和人造石墨粉按煅烧焦的含量为60-70wt％，人造石墨粉为25-35wt％，天然石墨粉为5-10wt％在混合器充分混匀后预热至120-150℃，得到混合填料；将软化点为90-120℃，残碳率为48-55wt％粘结剂沥青加热熔化后，加入混合填料中于120-150℃温度下进行混合1-3h，混合完毕后，在120-150℃温度下进行轧片，轧片次数为6-10次，轧片的厚度在1mm以下，冷却后破碎至200μm以下后制成最终压粉；压粉先在60-100MPa下模压成型后，置入惰性气氛的炭化炉中，以5-10℃/h的升温速率至1300-1350℃，并在最高温度下恒温1-2h；自然冷却到100℃以下后出炉，完成材料的制备。本发明具有机械强度高、孔径小且分布均匀的优点。
文档编号C04B35/622GK101659550SQ20091007545
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者朗 刘, 刘占军, 宋进仁, 郭全贵 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所