专利名称：用于离心泵的碳化硅制品的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种碳化硅产品的制造，特别是一种用于离心泵内部的碳化硅材质的过流部分一即称为衬体的制品的制造方法。
背景技术：
离心泵是利用叶轮在泵体腔体内旋转产生离心力，进行液体输送的设备。由于叶轮的高速旋转，带动液体会对腔体和叶轮本身产生磨损，影响泵的使用寿命，尤其是料浆泵，工作在泥沙含量非常高的环境下，泥沙对泵的磨损非常强，恶劣条件下只能使用数百小时即告报废。为此，采用各种高硬度的材料制造泵的过流部件，如不锈钢、高强度塑料等，但成本高而且耐磨性能依然不高。另一方面，一种新型的陶瓷材料一碳化硅(SiC)被发现具有非常高的硬度，已经广泛应用于矿山料斗等耐磨要求高的设备上。由于它硬度高但是脆，所以成形困难，抗冲击力差。碳化硅材料在泵的应用中，现有一种先进技术是将其做成内衬部件，即保证过流部件都是碳化硅材料:包括泵体的腔体和叶轮。这种泵的所有过流材料都是碳化硅材料制成，硬度高、耐磨性能好，使用寿命能达到一般传统的不锈钢材料泵的数十倍甚至数百倍，大幅度降低了料浆泵的损耗。碳化硅在机械设备上的应用中，一般采用涂敷烧结的方法。而在前述的离心泵衬体的制造中，这种方法无法适用。
还有一种常用的压制工艺的碳化硅材料的方法是先压制成型，然后进行精加工，最后烧制。这种方法有两大缺点:一是废品率较高，因为烧结过程的可控性较低，容易出现各种无法预计的缺陷，比如产品开裂、变形等，只能报废，不仅浪费了产品本身，还浪费了前道的加工工艺；二是加工困难，因为烧结后的产品硬度非常高，一般的金加工刀具无法胜任，所以加工成本奇高，而且对于复杂形状的产品更是难上加难。总体来说，这种制造工艺效率非常低下，成品的成本也居高不下。这种缺陷在大尺寸产品上尤为突出(烧结废品率更高)，导致大尺寸产品无法大批量生产。
发明内容
本发明的目的是根据背景技术所述的利用碳化硅材料作为衬体的离心泵的结构特点，发明一种全新的基于模压工艺的碳化娃制品的制造方法。本发明的方法具体是这样的:首先是准备压制粉料，所述的粉料中包括碳化硅微粉、酚醛和聚氨酯聚合剂；其中聚氨酯聚合剂含量在f 5% ;碳化硅微粉含量在7(Γ85% ;然后将充分混合的粉料放入模具中，以压机压制成形成为模压坯件；第三步，将模压坯件阴干放置以消除应力；第四，对模压坯件进行真空预烧并冷却；再进行精确的尺寸加工；最后，配置一个游离硅反应体，置于模压坯件上方，采用反应烧结、六段烧结工艺法进行烧结。上述的方法中，优选的粉料中的碳化硅微粉包括粒度为W14和粒度为WlO两种，比例为 0.2 < WlO:W14 < 0.5。进一步的优选碳化娃微粉中，还包括石油焦,含量在2°/Γ5%之间；石油焦规格优选为60 120目。粉料中还可以包含酚醛，含量在18 22%之间。所述的真空预烧工艺，具体是:采用真空烧结机，以75(T820°C的温度烧制 Γ Ο小时，自然冷却12 15小时。所述的反应烧结、六段烧结工艺法，具体是指分6段，在扩11小时内将温度平缓升温至1600°C 1700°C，并在最高温度保温3飞小时，最后采用自然冷却。所述的碳化硅制品包括碳化硅叶轮和碳化硅的腔体内衬。一般的碳化硅制 品的制造工艺，烧结前加工中开裂和烧结后开裂是阻碍这类产品推广的主要问题，本发明很好的解决了这个问题。本发明的方法改变了精加工的时机、重新设计了组分和烧结工艺，最终能够大幅度提高产品的成品率——成品率能达到80%以上，是现有的一般工艺的5倍以上；烧结后的碳化硅制品中碳化硅、游离硅含量大于95%，产品硬度达到HRA8(T85，完全满足碳化硅制品一尤其是离心泵衬体的硬度要求。制造成本大幅度降低，同时也能解决大尺寸的零件制造的技术瓶颈。
具体实施例方式下面列举一个实施例的完整流程说明本发明的技术内容。本实施例是制造一个离心泵的内衬部件，包括叶轮、组合式的过流腔体，其中叶轮是整体部件，组合式过流腔体是有多片部件组合而成，目的是便于加工。一，配置压制粉料
粉料的配料及优选的一个比例如下:W14碳化硅微粉55%，WlO碳化硅微粉18%，酚醛(2123树脂)19%，丙二醇0.5%，70目的石油焦4%，其余是聚氨酯聚合剂。将上述材料放入喷雾造粒塔中充分混合成混合物。第二个实施例，还可以采用以下比例:W14碳化硅微粉52%，WlO碳化硅微粉18%，酚醛(2123树脂)20%，丙二醇0.3%，聚氨酯聚合剂5%，其余为100目的石油焦。这个压制用的粉料中，碳化硅微粉依然是主要成分，酚醛、丙二醇和聚氨酯聚合剂是作为压制粘合剂，石油焦的主要成分是碳，用于在烧结中和反应的硅进行反应，生成的依然是碳化硅。二，压制成形
根据要制造的产品形状，按照一般的压制工艺，准备压制模具。根据本实施例的要求，分别是叶轮模具和多个腔体组合件模具，当然每个模具都能反复使用，生产多套产品。将配置好的粉料定量放入模具。根据产品大小，选择合适的压机进行压制成为模压坯件，一般碳化硅产品的压制压力需要达到20(T280kg/Cm2。这个步骤和现有的压制工艺相同，是本领域内技术人员所熟知的。在这个工艺环节中，是一个物理变化，粉料被压紧，在粘合剂的作用下能够凝结而不松散。三，模压坯件阴干消除应力
阴干是行业内可以理解的工艺，特别强调的是:湿度保持在80%左右，环境温度20°C的理想情况下，需要5 10天，本实施例中选择7天自然阴干。
四，预烧结
将模压坯件放入真空烧结炉内进行真空预烧，温度820°C，烧制10小时，自然冷却13小时。在预烧结的过程中，产品发生了化学变化，其中的酚醛、丙二醇和聚氨酯聚合剂已经反应后消失，由于其本身就是碳水化合物，所以经过反应后成为二氧化碳和水从模压坯件中消除。整个产品达到的硬度在成品的10%以下，仍然处于一般加工设备的可加工范畴内，而且结构、形状的稳定性和强度都比较适于机械加工。五，机械加工至需要的尺寸
使用车床、刨床、加工中心等各种加工机械对预烧结的坯件进行几何加工。模具成形的模压坯件的尺寸并不精确，并且经过预烧结，误差更大。此道工艺的目的是将产品加工至成品实际需要的精确尺寸，由于烧结后的产品坯件具有前述的性能指标，所以此时的加工和一般的金属加工无异，十分方便。六,反应烧结
最后，将加工后的坯件放入真空烧结炉进行反应烧结。需要根据每个不同坯件的质量，分别配置一块同等规模的硅(游离硅)置于坯件上方接触叠置。采用六段升温法烧结，所述六段升温法是行业内常用的将整个升温过程分成六个曲线分段、平缓进行，最终达到烧结温度。本实施例的烧结温度设定为1600°C，整个升温时间大概需要9小时。如果烧结温度更高，比如1700°C，则升温时间也会相应增加。温度到达之后，保温3飞小时，本实施例采用保温5小时。冷却过程有别于传统方法，传统方法是采用水冷，而本发明是自然冷却，本实施例自然冷却整个需要约20小时。反应烧结之后，整个产品尺寸较之精加工之后、烧结之前没有明显变化，能满足一般的精度要求，尤其是用于本实施例的离心泵的过流部件。此时的碳化硅制品是成品，其成分碳化硅(SiC)大于80%，游离硅填满`碳化硅之间的分子空隙，含量超过15%，其他复杂成分难以高温分解的杂质少于5%，产品硬度达到HRA (洛氏硬度)8(Γ85，远高于一般的不锈钢材料，这个硬度可以有效抵御料浆泵的使用中料浆对泵体的磨损，提高整个泵的使用寿命。经实践，本发明的工艺方法，由于配制的粉料成分的改进，提高了模压坯件的强度，可以有效的克服一般的碳化硅材料制品加工的烧结前就开裂的问题。而且对于模压坯件的应力在最终烧结前进行了合理有效的消除，也是提高烧结成品率的有效技术手段之一。由此，本发明解决了现有碳化硅制品的生产技术瓶颈，实现了在成品率、加工尺寸和加工复杂度的三大方面突破，将大幅度促进行业进步。经试验，采用上述碳化硅材料制成的离心泵衬体、叶轮，外面以金属、橡胶及近似材料进行固定、密封，制成的碳化硅内衬的离心泵，用于料浆泵的时候，使用寿命超过普通不锈钢泵5 20倍，大幅度降低使用成本。
权利要求
1.用于离心泵的碳化硅制品的制造方法，其特征是:首先是准备压制粉料，所述的粉料中包括碳化硅微粉、酚醛和聚氨酯聚合剂；其中聚氨酯聚合剂含量在f 5%;碳化硅微粉含量在7(Γ85% ;然后将充分混合的粉料放入模具中，以压机压制成形成为模压坯件；第三步，将模压坯件阴干放置以消除应力；第四，对模压坯件进行真空预烧并冷却；再进行精确的尺寸加工；最后，配置一个游离硅反应体，置于预烧后的坯件上方，采用反应烧结、六段烧结工艺法进行烧结。
2.根据权利要求1所述的用于离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为W14和粒度为WlO两种，两者的比例为0.2 < WlO:W14< 0.5o
3.根据权利要求1所述的用于离心泵的碳化硅制品的制造方法，其特征是:所述的酚醛具体是2123树脂，含量在18 22%之间。
4.根据权利要求1或2所述的用于离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，还包括石油焦，含量在2°/Γ5%之间。
5.根据权利要求1所述的用于离心泵的碳化硅制品的制造方法，其特征是:所述的真空预烧是指，采用真空烧结机，以75(T820°C的温度烧制扩10小时，自然冷却12 15小时。
6.根据权利要求1所述的用于离心泵的碳化硅制品的制造方法，其特征是:所述的反应烧结、六段烧结工艺法，具体是指分六段，在扩11个小时内将温度平缓升温至16000C 1700°C，并在最高温度保温3飞小时，最后采用自然冷却。
7.根据权利要求1所述的用于离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叶 轮和碳化硅的腔体内衬。
全文摘要
用于离心泵的碳化硅制品的制造方法，首先是准备压制粉料，所述的粉料中包括碳化硅微粉(70~85%)、酚醛和聚氨酯聚合剂(1~5%)；将充分混合的粉料放入模具中，以压机压制成形成为模压坯件；将模压坯件阴干放置以消除应力；然后对模压坯件进行真空预烧并冷却；再进行精确的尺寸加工；最后，配置一个游离硅反应体，置于预烧后的坯件上方，采用反应烧结、六段烧结工艺法进行烧结。本发明克服了现有技术成品率低、无法加工尺寸产品和复杂形状的缺陷，做成离心泵使用寿命长，生产成本低。
文档编号F04D7/04GK103113111SQ201310040479
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月2日 优先权日2013年2月2日
发明者陈佰生, 高孟平 申请人:宜兴市灵谷塑料设备有限公司