專利名稱：陶瓷復(fù)合缸套及其冷、熱等靜壓法制取工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合陶瓷缸套制備方法，特別是涉及氧化鋁陶瓷復(fù)合缸套及其冷熱等靜壓法制取工藝。
石油鉆井用的泥漿泵中的缸套是其關(guān)鍵部件，它長期經(jīng)受著泥沙、巖石顆粒的沖擊和介質(zhì)腐蝕的考驗。傳統(tǒng)的泥漿泵缸套采用雙金屬澆注，使用壽命僅幾百小時。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，尤其是由陸地向海洋的轉(zhuǎn)移，苛刻的環(huán)境條件，要求必須盡可能地減少停機換套的次數(shù)，從而使得人們開始研究陶瓷復(fù)合缸套。另外在內(nèi)燃發(fā)動機日益完善的今天，發(fā)動機內(nèi)的缸套在承受高溫、高壓下，需保證其機械生能和一定的耐磨性能，目前世界工業(yè)發(fā)達國家也采用陶瓷材料做缸套。陶瓷以其高硬度和優(yōu)異的耐磨性能，成為缸套復(fù)合材料的最佳選擇。目前國內(nèi)外復(fù)合缸套的制造均采用冷等靜壓成形后燒結(jié)，然后對其內(nèi)、外圓磨削加工后，在于鋼體外套過盈配合進行裝配而得到復(fù)合的鋼——陶瓷缸套，如1996年12月在西安召開的第七屆全國耐磨材料會議論文集第45頁中，黎謙發(fā)表的名為《新型“耐磨、耐高溫、耐腐蝕”材料——鉻剛玉陶瓷》的論文中所述的就是通過熱裝后使陶瓷內(nèi)襯與金屬套過盈配合而形成的復(fù)合管。該方法制造的缺點在于1．冷等靜壓得到的坯料，燒結(jié)變形不易控制，燒結(jié)后坯的加工難度大；首先裝夾難度大，因為陶瓷材料很脆，裝夾不好易碎，這樣陶瓷管的厚度就需增大，用料量相應(yīng)增多；其次磨削面增多，需加工內(nèi)、外圓面及兩端面，使得加工效率很低，成品率不易保證，造成成本高，不易工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。2．制成品密度低，與鋼體外套熱裝時很容易碎裂，過盈量不好保證。3．由于采用過盈配合，在使用過程中，鋼體外套與陶瓷復(fù)合層的過膨脹系數(shù)不同，很容易發(fā)生陶瓷復(fù)合層與鋼體外套脫離現(xiàn)象即常說的脫套現(xiàn)象。
本發(fā)明的目的是提供一種可廣泛用于汽車、石油等方面的硬度高、耐磨性能好，適合工業(yè)化生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷復(fù)合缸套及其冷、熱壓靜壓法制取工藝。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種陶瓷復(fù)合缸套，包括鋼體外套、陶瓷內(nèi)套，其特征在于在金屬外套2的內(nèi)表面通過熱等靜壓復(fù)合有一層陶瓷層3；在金屬外套2內(nèi)表面的一端或兩端可以有突起的金屬端環(huán)1；金屬端環(huán)1可以是與金屬外套2為一體的圓環(huán)，也可以通過等靜壓復(fù)合于金屬外套2內(nèi)壁兩端；采用冷、熱等靜壓法制造陶瓷復(fù)合缸套的方法，其特征在于a．模具的設(shè)計與制作根據(jù)工件的形狀設(shè)計相應(yīng)的模具和金屬外套；b．冷等靜壓包套組件裝配；c．裝粉根據(jù)需要在冷等靜壓包套組件的包套中裝入相應(yīng)的陶瓷粉；d．冷等靜壓將裝好粉的組件放入冷等靜壓設(shè)備中采用內(nèi)加壓式冷等靜壓成形，壓力為250MPa；e．整形將冷等靜壓成形后的組件除去密封環(huán)、膠帽和支撐套，對陶瓷層的內(nèi)表面進行加工；f．熱等靜壓組件的設(shè)計與裝配配置薄壁金屬內(nèi)套，在金屬外套和薄壁金屬內(nèi)套兩端面加端蓋密封固定，在端蓋或金屬內(nèi)套或外套上固定有一抽氣管；g．真空脫氣通過抽氣管對金屬外套和金屬內(nèi)套之間的陶瓷層進行真空脫氣，脫氣溫度為500-1000℃，脫氣完成后，將抽氣管封死；h．熱等靜壓將真空脫氣后的組件放入熱等靜壓設(shè)備中進行熱等靜壓燒結(jié)成形，燒結(jié)溫度為1200℃-1400℃，壓力為100MPa-200MPa，保溫1-4小時；i．冷卻后出爐；j．除內(nèi)套；k．加工陶瓷復(fù)合管陶瓷內(nèi)圓和金屬外圓至需要尺寸；l．檢驗。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1．由于采用冷等靜壓成形，熱等靜壓燒結(jié)的工藝，一次性將陶瓷層復(fù)合于鋼體外套的內(nèi)表面上，使陶瓷復(fù)合層不易脫套；在對其內(nèi)表面和端面加工時，裝卡簡單、方便，并且也不會產(chǎn)生碎裂現(xiàn)象。2．采用冷、熱等靜壓法制造出的復(fù)合管，陶瓷復(fù)合層密度高、硬度好，表面光滑，尺寸精確，機械加工量小，并且其耐磨、抗腐蝕性能均優(yōu)于采用冷等靜壓后燒結(jié)的陶瓷管。
本發(fā)明的實施例結(jié)合附圖詳加說明。
附

圖1為本發(fā)明冷等靜壓包套組件裝配示意圖。
附圖2為本發(fā)明熱等靜壓組件裝配示意圖。
附圖3為本發(fā)明工藝流程圖。
附圖4為本發(fā)明陶瓷復(fù)合缸套結(jié)構(gòu)Ⅰ示意圖。
附圖5為本發(fā)明陶瓷復(fù)合缸套結(jié)構(gòu)Ⅱ示意圖。
附圖6為本發(fā)明陶瓷復(fù)合缸套結(jié)構(gòu)Ⅲ示意圖。
如圖1、2、3所示，根據(jù)所需陶瓷復(fù)合缸套的形狀及尺寸設(shè)計出相應(yīng)的模具；組裝時，在金屬外套8的內(nèi)孔中裝入膠套6，在膠套內(nèi)孔中套入冷壓支承套7，冷壓支承套7的中部開有數(shù)排孔9，在金屬外套8和膠套6的下端之間裝有密封環(huán)4，金屬外套8和膠套6的下端通過膠帽3密封，膠帽3與金屬外套8和膠套6的接觸面可通過捆扎物2、10將其扎緊；通過上端金屬外套8與膠套6之間的環(huán)形口，將粒度為1μm左右，純度為99.8％的非團化α-氧化鋁粉末裝入環(huán)形空腔5內(nèi)，裝粉完畢后，將密封環(huán)4、膠帽3安裝好，用捆扎物2、10將其扎緊密封，然后放入冷等靜壓設(shè)備中，采用內(nèi)加壓方式，壓力在260MPa左右成形，這樣就使非團化α-氧化鋁粉均勻壓至金屬外套8的內(nèi)壁；冷壓完畢后，去掉膠帽3、密封環(huán)4和冷壓支承套7、膠套6進行整形，即對非團化α-氧化鋁粉層的內(nèi)孔進行加工，以提高其形狀精度，降低其表面粗糙度。整形后，配置與整形后內(nèi)孔相應(yīng)的薄壁金屬內(nèi)套14，在內(nèi)套14和金屬外套8的兩端加端環(huán)11，使端環(huán)11與內(nèi)、外套14、8密封，在內(nèi)套14上安裝有一抽氣管12，抽氣管12也可安裝在端環(huán)11或外套8上；通過抽氣管12對密封后的空腔進行真空脫氣，脫氣后將抽氣管12封死；然后放入高壓反應(yīng)釜內(nèi)進行熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓的溫度為1300℃，壓力為150MPa，保溫3小時，冷卻后出爐，除去內(nèi)套14后，就可得到內(nèi)表面光滑、致密的陶瓷復(fù)合層13，其內(nèi)孔不圓度和不垂直度可達±0.3mm，密度＞3.98g/cm3，硬度HRA＞92。根據(jù)需要的尺寸對內(nèi)表面進行磨削，長度可根據(jù)不同的需要保留或去掉端環(huán)11，外圓加工到需要的尺寸和精度，檢驗合格后即可成為產(chǎn)品。
裝粉時可根據(jù)不同工作狀態(tài)的需要可加氧化物、碳化物、氮化物粉，如氧化鋯、碳化硅、氮化鋁粉。
如圖4、5、6所示，金屬外套2可采用厚壁鋼管，在厚壁鋼管內(nèi)壁通過熱等靜壓工藝復(fù)合一層陶瓷層3，陶瓷層3的厚度為2-5mm，內(nèi)徑不圓度可達±0.3mm左右，內(nèi)徑不垂直度為可達±0.3mm左右，這樣一來陶瓷用量明顯減少，并且大大減少了磨削加工的面，有效地提高了加工效率。在金屬外套2的內(nèi)表面的兩端，如圖1所示可加有端環(huán)1，端環(huán)1的使用，省去了陶瓷端面的磨削加工，而且可利用端環(huán)調(diào)整缸套的高度，很容易實現(xiàn)缸套端面的裝配需要，并且端環(huán)1也具有防止使用過程中的脫套的作用。也可根據(jù)使用需要，在金屬外套2的內(nèi)表面的一端，如圖2所示可加有端環(huán)1，也可在金屬外套2的內(nèi)表面的兩端都不加金屬端環(huán)，如圖3所示。由于陶瓷層3是通過熱等靜壓工藝復(fù)合于金屬外套2上，在加工過程中，只需加工復(fù)合管的陶瓷內(nèi)表面和金屬外套2的外表面，使加工尺寸容易保證，加工難度降低，成品率可有效提高，使陶瓷金屬復(fù)合缸套工業(yè)性生產(chǎn)成為可能。
權(quán)利要求
1．一種陶瓷復(fù)合缸套，包括鋼體外套、陶瓷內(nèi)套，其特征在于在金屬外套(2)的內(nèi)表面通過熱等靜壓復(fù)合有一層陶瓷層(3)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷金屬復(fù)合缸套，其特征在于在金屬外套(2)內(nèi)表面的一端或兩端可以有突起的金屬端環(huán)(1)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷金屬復(fù)合缸套，其特征在于金屬端環(huán)(1)可以是與金屬外套(2)為一體的圓環(huán)，也可以通過等靜壓復(fù)合于金屬外套(2)內(nèi)壁兩端。
4．一種采用冷、熱等靜壓法制造權(quán)利要求1所述的陶瓷復(fù)合缸套的方法，其特征在于a．模具的設(shè)計與制作根據(jù)工件的形狀設(shè)計相應(yīng)的模具和金屬外套；b．冷等靜壓包套組件裝配；c．裝粉根據(jù)需要在冷等靜壓包套組件的包套中裝入相應(yīng)的陶瓷粉；d．冷等靜壓將裝好粉的組件放入冷等靜壓設(shè)備中采用內(nèi)加壓式冷等靜壓成形，壓力為100-400MPa；e．整形將冷等靜壓成形后的組件除去密封環(huán)、膠帽和支撐套，對陶瓷層的內(nèi)表面進行加工；f．熱等靜壓組件的設(shè)計與裝配配置薄壁金屬內(nèi)套，在金屬外套和薄壁金屬內(nèi)套兩端面加端蓋密封固定，在端蓋或金屬內(nèi)套或外套上固定有一抽氣管；g．真空脫氣通過抽氣管對金屬外套和金屬內(nèi)套之間的陶瓷層進行真空脫氣，脫氣溫度500-1000℃，脫氣完成后，將抽氣管封死；h．熱等靜壓將真空脫氣后的組件放入熱等靜壓設(shè)備中，進行熱等靜壓燒結(jié)成形，燒結(jié)溫度為1200℃-1400℃，壓力為100MPa-200MPa，保溫1-4小時；i．冷卻后出爐；j．除內(nèi)套；k．加工陶瓷復(fù)合管陶瓷內(nèi)圓和金屬外圓至需要尺寸；l．檢驗。
全文摘要
本發(fā)明屬于復(fù)合陶瓷缸套及制備方法,特別是涉及一種陶瓷復(fù)合缸套及其冷、熱等靜壓法制取工藝,其特征在于采用冷等靜壓法成形,熱等靜壓法燒結(jié)的工藝,制備出的陶瓷復(fù)合缸套具有尺寸精度高,致密度好,耐磨性能優(yōu)異,加工量小,可大批量工業(yè)生產(chǎn),價格性能比高等優(yōu)點,可廣泛用于石油鉆井、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。
文檔編號B28B1/00GK1310080SQ0110838
公開日2001年8月29日 申請日期2001年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月15日
發(fā)明者孫本雙, 付曉旭, 夏洪先, 洪培根 申請人:西北稀有金屬材料研究院