本发明涉及一种粉末冶金密封环，特别涉及一种用于动密封的粉末冶金密封环及制备方法与应用。
背景技术：
有润滑的滑动摩擦副有可能出现三种润滑状态：边界润滑、流体动压润滑和干摩擦状态。边界润滑状态是介于流体动压润滑和干摩擦（摩擦副表面直接接触）之间的临界状态，微观不光滑的接触面上，部分表面直接接触的状态。所谓边界润滑是指在摩擦界面上存在着一层与介面性质不同、不连续的膜，在摩擦过程起着一定的润滑作用，称为边界润滑膜。但是，边界润滑膜的形成和保持是有条件的。由于摩擦副的工作条件、润滑状态不同，油膜在摩擦界面的分布不一样；随着润滑油膜厚度的变化，磨损量也会发生变化。当摩擦面足够光滑，润滑油充裕而有一定的黏度，接触面相对运动速度较高，摩擦界面能被流体动压油膜完全隔开；此时的界面存在连续、厚度较大的流体动压膜，系统的摩擦系数、磨损率很低。若摩擦表面上的载荷增大，温度增高，润滑剂不充分或者粘度减小，油膜厚度也会减薄；此时在摩擦面间的油膜易发生破裂，形成局部的干摩擦，系统摩擦系数增高，磨损现象加剧。这就是边界润滑状态，表面膜即为边界润滑膜。有些边界膜是油性剂的活性基在金属表面产生物理吸附和化学吸附，形成较牢固的油膜；有些是固体润滑剂粘附在摩擦界面形成一层摩擦膜，保护摩擦界面少受损伤。如果摩擦副上的负荷较大，表面不平，表面微凸体峰部压力很大，膜的强度小于滑动接触处的摩擦力时，便会导致边界膜的破裂，产生金属直接接触。
当前所用的常规减摩材料主要有下述几种：
第一是软基体上弥散硬质点—铅基、锡基巴氏合金（sn,78-93%;sb,4-14%;cu,3-8%）；铅基巴氏合金以铅为主，加入sn,0-20%;sb,10-18%;巴氏合金承载能力不强，适用于速度低、温度不高的场合。铅对环境、对人体有害，一般少用或禁用。
第二是在强基体上分布软相—锡青铜，铅青铜，铝锡合金，铝铅合金；锡青铜含sn5-15%;还含zn，pb，ni等；铅青铜含铅量达到30－45%；还有多元青铜，则在上述材料的基础上加入ni，sn等。铜、铅铸造合金中，铅是以分散的纯铅存在。铅青铜承载能力较强，耐疲劳性能好，机械性能受温度的影响小；除了含铅的青铜之外，其他材料的顺应性、嵌藏性不好，耐磨性较差。
铝基轴承合金al60-95%，sn5－40%。良好的导热性，疲劳强度高，高温硬度较高。但是材料的热膨胀系数高，预留间隙要大，否则易咬死。
第三是聚合物，以固体润滑剂做填充剂的润滑聚合物复合材料、纤维增强聚合物材料。其耐化学腐蚀胜过金属材料。无润滑滑动摩擦系数低；有润滑时比较容易实现弹性流体润滑。强度、弹性模量、蠕变阻力、膨胀系数等方面不如金属。聚合物吸收液体，零件尺寸变化大，形状保持性不太好。
第四是镶嵌式自润滑轴承材料，是由金属底材做骨架，在底材的孔或槽中嵌入固体润滑剂，该润滑剂是一种新型的抗挤压固体润滑剂。在摩擦过程中，金属底材承担绝大部分负荷。摩擦过程中，孔或槽中的固体润滑剂向摩擦面转移或反转移，在摩擦面上形成润滑良好、牢固附着并均匀覆盖的固体转移膜，从而降低摩擦磨损。随摩擦的进行，嵌入的固体润滑剂不断提供于摩擦面，保证了长期运行时对摩擦副的良好润滑。
密炼机端面动密封的一般解决方案，是在动密封环和静密封环的摩擦面上堆焊铁基耐磨合金，为保护动环少受损伤，动环表面堆焊铁合金的含铬量高于静环表面堆焊铁合金的含铬量。通过采用硬面对硬面的摩擦副，来保证动环和静环的耐磨性和密封可靠性。为了冷却和减低磨损，需往摩擦面上注入较大量的润滑油。由于密炼室工作介质的外泄物会污染润滑油，润滑油是一次性使用。污染过的润滑油从密封环导槽排出，必需认真收集和慎重填埋处理。这种做法沿用多年，该摩擦副是视情维修，静环有用到一年以上再更换，也有不到半年就失效，不得不更换的情况。该摩擦副更换麻烦，工作量大，停车周期长。有时动环和静环全部损坏，更换、维修需要数十小时，维护费用高，停车损失很大。大、中型密炼机，单台日耗润滑油达200l，设备营运费用高，废油常常需要深埋作填，处理费用高，环境负担重。
当前的技术方案有如下不足：
1）硬面对硬面，摩擦副可能存在磨合困难；两个面都顺应性差，嵌藏性差，异物或者磨屑进到摩擦界面，很容易造成磨粒磨损；铁基合金对铁基合金，还可能由于两摩擦面材料的互溶性好，有可能出现粘着磨损；
2）端面动密封可靠性不高，寿命长短不一；密封更换引起停机损失较大；
3）油料消耗高，提高营运成本，给环境造成较重负担；
4）摩擦环面堆焊铁基合金，容易引起产品开裂；堆焊工艺复杂，摩擦环制备流程长，成本高；表面合金裂纹劣化产品的使用性能。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于不容许加油或只容许少量加入润滑油的自润滑工作条件；可以提高摩擦副的使用性能，实现环保节能，降低消耗的用于动密封的粉末冶金密封环及其制备方法与应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于动密封的粉末冶金密封环，由以下原料制成：
基体相：铜粉，重量百分比55～80%；
强化相：铁粉、钴粉、镍粉、锡粉中的至少一种，强化相加入量为重量百分比0.5～5%；
固体润滑相：石墨粉，重量百分比10～30%；二硫化钼粉，重量百分比1～6%；二硫化钨粉，重量百分比0.2～3%；氮化硼粉，重量百分比0.2～2%；所述各组份重量百分比之和为100%。
进一步，所述铜粉为电解铜粉或还原铜粉，所述铜粉的粒度≥200目；优选所述铜粉的粒度为200～400目。
进一步，所述强化相粉末的粒度≥300目。
进一步，所述石墨粉为天然石墨粉和/或人造颗粒石墨粉。
进一步，所述天然石墨粉的粒度为30～100目；所述人造颗粒石墨粉的粒度为50～150目。
本发明之用于动密封的粉末冶金密封环的制备方法，包括以下步骤；
（1）配料：按预定重量百分配比称取各组分原料，备用；
（2）混料：将步骤（1）所称取的各组分原料置于混料机中混合2～6小时，得混合料；
（3）压型：对步骤（2）所得混合料进行模具压型，压型的压力为250～700mpa，保证压块的密度达到4.3～4.7g/cm3，压制成的坯体固定于基座上；
（4）加压烧结：将步骤（3）所得坯体连同所述基座置于烧结炉内，采用液压装置和工装对坯体加压，烧结压力维持在1.0～2.5mpa，升温时通氢气或氮气保护，烧结温度控制在850～1050℃（优选860～1020℃），保温1.0～4.5小时（优选1.5～4.0小时）；然后将烧结炉的加热罩移开，对烧结罩喷淋冷却水，罩内坯体冷却至200℃以下，出炉，得半成品；
（5）精加工：将步骤（4）所得烧结过的半成品按设计图纸进行机械加工，即得用于动密封的粉末冶金密封环。
本发明制得的用于动密封的粉末冶金密封环的粉末冶金层与所述基座的粘结强度≥30mpa。
本发明制得的用于动密封的粉末冶金密封环的粉末冶金层表面硬度为10～60hbw/10/250/30。
本发明还包括所述用于动密封的粉末冶金密封环在密炼机端面动密封的应用。
一种密炼机轴端动密封，所述密炼机轴端动密封含有本发明的用于动密封的粉末冶金密封环。
密炼机端面动密封转速很低，线速度通常为1m/s左右；静环上用弹簧施加机械压力或者液压压力，两个摩擦面在相对运动之前通过预压力靠紧。其运转条件决定该摩擦副无法进入流体动压润滑状态；即该摩擦副处于边界润滑状态。为了提高该摩擦副的可靠性，一是要保证润滑剂能够进入摩擦界面；二是要摩擦副能够迅速磨合，进入磨损率较小的稳定工作阶段。由于该摩擦副缺乏形成流体动压的条件，润滑油较难进入摩擦界面。泵入的润滑油无法形成动压油膜而起到有效润滑作用。采用本发明用于密封的粉末冶金自润滑材料密封环会有利一些。
本发明用于动密封的粉末冶金密封环，选择对钢铁互溶性较小的铜金属材料作为基体；该基体能够通过加入其他金属材料适当强化，兼有强度和耐磨性能；铜与合金结构钢或者高铬铁基合金对偶材料互溶性小，具备较好的抗粘着性能；材料具有多相显微组织结构，硬基体相和软润滑相搭配；摩擦过程可以形成减小微凸体直接接触的边界润滑膜，这层边界膜能减小磨粒产生的犁削阻力，降低摩擦系数；为减小磨粒磨损，材料中的非金属相的体积含量，几乎占到体积的一半，可以嵌藏外来磨粒或硬的磨屑；为实现自润滑，材料中均布的自润滑材料，摩擦过程中持续实现自润滑；材料组分几乎不含低熔点物质，具备耐高温性能；材料导热性能好，可防止局部高温和防止咬死和非正常磨损。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的粉末冶金密封环与摩擦对偶材料不相溶，动环的摩擦面是钢或者铁合金，静环的摩擦面是以铜作为主要基体材料的多相合金，还有石墨作为主要的固体润滑材料；铜与铁二者基本不相溶，材料间基本不会产生粘着；石墨和其他固体润滑材料，摩擦时在界面形成一层摩擦膜，进一步减少粘着趋势；这层摩擦膜也保护了表面，降低了发生磨粒磨损的风险；
（2）本发明的粉末冶金密封环的铜基减摩材料硬度低于对偶，顺应性好，对异物的嵌藏性好，使摩擦副易于磨合；控制好磨合，就能降低或者杜绝出现先期异常磨损和先期失效的可能性。该减摩自润滑材料的设计，固体润滑剂均匀分布在该减摩材料之中，从而使摩擦副的接触界面上一直有摩擦膜的保护。不注润滑油，摩擦膜能起润滑保护的作用；注入少量的润滑油，其减摩、润滑性能提升，有利于进一步降低摩擦副的工作温度和材料的磨损率。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
本实施例用于动密封的粉末冶金密封环，由以下原料制成：
基体相：电解铜粉，电解铜粉的粒度为200目，重量百分比68%；
强化相：铁粉，铁粉的粒度为300目，铁粉加入量为重量百分比5%；
固体润滑相：天然石墨粉，天然石墨粉的粒度为100目，重量百分比20%；二硫化钼粉，重量百分比4%；二硫化钨粉，重量百分比1%；氮化硼粉，重量百分比2%；所述各组份重量百分比之和为100%。
本实施例之用于动密封的粉末冶金密封环的制备方法，包括以下步骤；
（1）配料：按上述预定重量百分配比称取各组分原料，备用；
（2）混料：将步骤（1）所称取的各组分原料置于混料机中混合4小时，得混合料；
（3）压型：对步骤（2）所得混合料进行模具压型，压型的压力为700mpa，保证压块的密度达到4.7g/cm3，压制成的坯体固定于基座上；
（4）加压烧结：将步骤（3）所得坯体连同所述基座置于烧结炉内，采用液压装置和工装对坯体加压，烧结压力维持在1.5mpa，升温时通氢气保护，烧结温度控制在920℃，保温4小时；然后将烧结炉的加热罩移开，对烧结罩喷淋冷却水，罩内坯体冷却至200℃以下，出炉，得半成品；
（5）精加工：将步骤（4）所得烧结过的半成品按设计图纸进行机械加工，即得用于动密封的粉末冶金密封环。
本实施例产品，用于动密封的粉末冶金密封环的粉末冶金层表面硬度为35hbw/10/250/30；粉末冶金层与所述基座的粘结强度为45mpa。
本实施例产品应用于密炼机轴端动密封，与现有钢-钢动密封比较，其摩擦系数仅为钢-钢摩擦系数的1/2，密封性良好；使用寿命延长2倍。
实施例2
本实施例用于动密封的粉末冶金密封环，由以下原料制成：
基体相：还原铜粉，还原铜粉的粒度为400目，重量百分比80%；
强化相：钴粉，钴粉的粒度为400目，钴粉加入量为重量百分比0.5%；
固体润滑相：人造颗粒石墨粉的粒度为150目，重量百分比17%；二硫化钼粉，重量百分比1%；二硫化钨粉，重量百分比0.2%；氮化硼粉，重量百分比1.3%；所述各组份重量百分比之和为100%。
本实施例之用于动密封的粉末冶金密封环的制备方法，包括以下步骤；
（1）配料：按上述预定重量百分配比称取各组分原料，备用；
（2）混料：将步骤（1）所称取的各组分原料置于混料机中混合2小时，得混合料；
（3）压型：对步骤（2）所得混合料进行模具压型，压型的压力为250mpa，保证压块的密度达到4.3g/cm3，压制成的坯体固定于基座上；
（4）加压烧结：将步骤（3）所得坯体连同所述基座置于烧结炉内，采用液压装置和工装对坯体加压，烧结压力维持在2.5mpa，升温时通氮气保护，烧结温度控制在860℃，保温1.5小时；然后将烧结炉的加热罩移开，对烧结罩喷淋冷却水，罩内坯体冷却至200℃以下，出炉，得半成品；
（5）精加工：将步骤（4）所得烧结过的半成品按设计图纸进行机械加工，即得用于动密封的粉末冶金密封环。
本实施例产品，用于动密封的粉末冶金密封环的粉末冶金层表面硬度为10hbw/10/250/30，粉末冶金层与所述基座的粘结强度为35mpa。
本实施例产品应用于密炼机端面动密封，与现有钢-钢动密封比较，其摩擦系数仅为钢-钢摩擦系数的1/2，密封性良好；使用寿命延长2.3倍。
实施例3
本实施例用于动密封的粉末冶金密封环，由以下原料制成：
基体相：电解铜粉，电解铜粉的粒度为500目，重量百分比55%；
强化相：450目的铁粉、镍粉、锡粉，铁粉加入量为重量百分比1.5%，镍粉加入量为重量百分比1.5%，锡粉加入量为重量百分比1.5%；强化相加入量合计为4.5%；
固体润滑相：天然石墨粉和人造颗粒石墨粉，天然石墨粉的粒度为80目，重量百分比15%，人造颗粒石墨粉的粒度为100目，重量百分比15%；石墨粉加入量合计为30%；二硫化钼粉，重量百分比6%；二硫化钨粉，重量百分比3%；氮化硼粉，重量百分比1.5%；所述各组份重量百分比之和为100%。
本实施例之用于动密封的粉末冶金密封环的制备方法，包括以下步骤；
（1）配料：按上述预定重量百分配比称取各组分原料，备用；
（2）混料：将步骤（1）所称取的各组分原料置于混料机中混合3小时，得混合料；
（3）压型：对步骤（2）所得混合料进行模具压型，压型的压力为600mpa，保证压块的密度达到4.6g/cm3，压制成的坯体固定于基座上；
（4）加压烧结：将步骤（3）所得坯体连同所述基座置于烧结炉内，采用液压装置和工装对坯体加压，烧结压力维持在1.0mpa，升温时通氢气保护，烧结温度控制在1020℃，保温2.5小时；然后将烧结炉的加热罩移开，对烧结罩喷淋冷却水，罩内坯体冷却至200℃以下，出炉，得半成品；
（5）精加工：将步骤（4）所得烧结过的半成品按设计图纸进行机械加工，即得用于动密封的粉末冶金密封环。
本实施例，用于动密封的粉末冶金密封环的粉末冶金层表面硬度为13hbw/10/250/30，粉末冶金层与所述基座的粘结强度为30mpa。
本实施例应用于密炼机端面动密封，与现有钢-钢动密封比较，其摩擦系数仅为钢-钢摩擦系数的35%，密封性良好；使用寿命延长1.8倍。
实施例4
本实施例一种用于动密封的粉末冶金密封环，由以下原料制成：
基体相：还原铜粉，电解铜粉的粒度为300目，重量百分比75.5%；
强化相：500目的镍粉、锡粉，镍粉加入量为重量百分比2%，锡粉加入量为重量百分比2%；强化相加入量合计为4%；
固体润滑相：天然石墨粉和人造颗粒石墨粉，天然石墨粉的粒度为30目，重量百分比5%，人造颗粒石墨粉的粒度为50目，重量百分比10%；石墨粉加入量合计为15%；二硫化钼粉，重量百分比3.5%；二硫化钨粉，重量百分比1.8%；氮化硼粉，重量百分比0.2%；所述各组份重量百分比之和为100%。
本实施例之用于动密封的粉末冶金密封环的制备方法，包括以下步骤；
（1）配料：按上述预定重量百分配比称取各组分原料，备用；
（2）混料：将步骤（1）所称取的各组分原料置于混料机中混合6小时，得混合料；
（3）压型：对步骤（2）所得混合料进行模具压型，压型的压力为500mpa，保证压块的密度达到4.5g/cm3，压制成的坯体固定于基座上；
（4）加压烧结：将步骤（3）所得坯体连同所述基座置于烧结炉内，采用液压装置和工装对坯体加压，烧结压力维持在2.0mpa，升温时通氢气保护，烧结温度控制在980℃，保温3小时；然后将烧结炉的加热罩移开，对烧结罩喷淋冷却水，罩内坯体冷却至200℃以下，出炉，得半成品；
（5）精加工：将步骤（4）所得烧结过的半成品按设计图纸进行机械加工，即得用于动密封的粉末冶金密封环。
本实施例，用于动密封的粉末冶金密封环的粉末冶金层表面硬度为60hbw/10/250/30，粉末冶金层与所述基座的粘结强度为55mpa。
本实施例应用于密炼机端面动密封，与现有钢-钢动密封比较，其摩擦系数仅为钢-钢摩擦系数的40%，密封性良好；使用寿命延长2.2倍。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何修改、变更以及等同变换，均仍属本发明的保护范围。