Способ получения кольца скольжения торцевого уплотнения

Изобретение относится к способу получения кольца скольжения торцевого уплотнения вращающихся валов насосов. Кольцо скольжения торцевого уплотнения получают методом плазменно-искрового спекания порошкового композиционного материала на основе титана, карбида кремния и графита, включающем приготовление порошковой смеси в соотношении ее компонентов: 50 мас. % Ti, 35 мас. % SiC, 15 мас. % C, предварительную механоактивацию порошковой смеси в планетарной мельнице в прерывистом режиме в течение 180 мин при частоте вращения барабана 240-280 об/мин, проведение процесса плазменно-искрового спекания порошковой смеси в вакууме при температуре 1300-1400°C, давлении 15-25 МПа и выдержке 3-10 мин. Изобретение обеспечивает улучшение качества поверхности кольца скольжения торцевого уплотнения.

 

Изобретение используется в машиностроении, а именно в торцевых уплотнениях вращающихся валов насосов.

Известна пара трения торцевого уплотнения, одно из колец которой изготовлено из технической керамики ЦМ-332 (Мельник В.А. Торцовые уплотнения валов. Справочник. М.: Машиностроение. 2008, с. 59).

Недостатком известного торцевого уплотнения является ненадежность его работы. Техническая керамика, обладающая низкой теплопроводностью, склонна к терморастрескиванию при быстром нагреве в случае кратковременного прекращения подачи центробежным насосом охлаждающей жидкости к торцевому уплотнению, что приводит к появлению течи в торцевом уплотнении.

Известна пара трения торцевого уплотнения, в которой применяется кольцо из карбида кремния (Мельник В.А. Торцовые уплотнения валов. Справочник. М.: Машиностроение. 2008, с. 58).

При положительных эксплуатационных характеристиках карбида кремния, его высокой теплопроводности и износостойкости, недостатком карбида кремния является его хрупкость.

Наиболее близким техническим решением является кольцо скольжения низкого трения, имеющее экономичное алмазное покрытие. Уплотнительное кольцо для механического уплотнения содержит алмазный слой на поверхности скольжения базового тела, в частности, из карбида кремния (SiC) или карбида вольфрама (WC), с минимальным количеством добавок, и/или связующих материалов и/или возможно содержащихся примесей (Патент РФ №2531486, кл. F16J 15/34, 2014).

Недостатками указанного кольца скольжения является то, что алмазный слой наносится посредством способа химического осаждения из паровой фазы на поверхность базового тела, при этом для обеспечения высокой адгезии покрытия с базовым телом предъявляются жесткие требования к качеству поверхности базового тела по допустимым размерам, количеству и концентрации трещин и пор, а также требования к шероховатости R_a поверхности базового тела. Тем самым усложняется процесс получения и уменьшается выход годных готовых изделий из-за необходимости проведения отбраковки базовых тел, при этом остается риск получения покрытия с недостаточной адгезией к базовому телу, что приводит к отслоению покрытия и снижению качества поверхности.

Изобретение направлено на улучшение качества поверхности кольца скольжения торцевого уплотнения.

Указанный технический результат достигается получением кольца скольжения торцевого уплотнения методом плазменно-искрового спекания (ПИС) порошкового композиционного материала на основе титана, карбида кремния и графита, включающем приготовление порошковой смеси в соотношении ее компонентов: 50 мас. % Ti, 35 мас. % SiC, 15 мас. % C, предварительную механоактивацию порошковой смеси в планетарной мельнице в прерывистом режиме в течение 180 мин при частоте вращения барабана 240-280 об/мин, проведение процесса ПИС порошковой смеси в вакууме при температуре 1300-1400°C, давлении 15-25 МПа и выдержке 3-10 мин.

Подготовка порошковой смеси к процессу ПИС заключается в следующем: приготовление порошковой смеси, исходя из их заданной пропорции компонентов, процесс механоактивации порошковой смеси, включающий сухое измельчение и перевод ее компонентов в высоконеравновесное состояние в вакуумированных кюветах планетарной мельницы.

Пример осуществления изобретения. Для исходной порошковой смеси используют порошки титана с размером частиц менее 300 мкм, карбида кремния с размером частиц менее 100 мкм, графита с размером частиц менее 4 мкм. Порошковую смесь титана, карбида кремния, графита (в соотношении 50 мас. % Ti, 35 мас. % SiC, 15 мас. % C) помещают в кювету планетарной мельницы совместно с мелющими титановыми шарами в соотношении смесь : шары = 1:(7,5 - 12), которую потом вакуумируют до остаточного давления не более 10 Па.

Проводят процесс механоактивации в планетарной мельнице в течение 180 мин при частоте вращения барабана мельницы 260 об/мин в прерывистом режиме.

Затем порошковую смесь извлекают из кюветы, засыпают в графитовую пресс-форму и подвергают высокотемпературному процессу ПИС до получения композиции карбида кремния и карбида титана. В процесс ПИС осуществляют нагрев в вакууме (остаточное давление порядка 10 Па) порошковой смеси до температуры 1400°C со скоростью нагрева 80 град/мин, основанный на пропускании через порошковую смесь в графитовой пресс-форме импульсов электрического тока большой мощности. При этом одновременно осуществляют сдавливание порошковой смеси с усилием 20 МПа. При достижении температуры 1400°C осуществляют выдержку в течение 6 мин при давлении 20 МПа.

После охлаждения и извлечения кольца из пресс-формы проводят шлифование его рабочей поверхности до требуемых параметров шероховатости поверхности колец пары трения торцевого уплотнения.

Механоактивация порошковой смеси во вращающейся планетарной мельнице позволяет получить такую степень измельчения порошков, которая обеспечивает повышенную реакционную способность взаимодействия компонентов порошковой смеси. В процессе ПИС при прохождении импульсов электрического тока большой мощности в контакте между частицами порошковой смеси концентрируется энергия высокой плотности, обеспечивающая однородность спекаемого материала.

Кроме того, получаемый композиционный материал в процессе трения имеет свойство притирания, которое обеспечивает снижение шероховатости поверхности и понижение коэффициента трения. Это, в свою очередь, обеспечивает более плотное прилегание кольца к ответной детали пары трения и повышает герметичность контакта в паре трения.

Предлагаемое изобретение позволяет получить кольцо скольжения торцевого уплотнения на основе карбидов кремния и титана с минимальной пористостью и отсутствием трещин. Наличие карбида титана повышает прочность кольца и снижает его хрупкость. Предлагаемый композиционный материал за счет свойства притирания обеспечивает снижение шероховатости поверхности и коэффициента трения в контакте.

Таким образом, изобретение обеспечивает улучшение качества поверхности кольца скольжения торцевого уплотнения.

Способ получения кольца скольжения торцевого уплотнения, включающий предварительную механоактивацию порошковой смеси титана, карбида кремния и графита в соотношении 50 мас. % Ti, 35 мас. % SiC, 15 мас. % C в планетарной мельнице в прерывистом режиме в течение 180 мин при частоте вращения барабана 240-280 об/мин и последующее плазменно-искровое спекание порошковой смеси в вакууме при 1300-1400°C, давлении 15-25 МПа, выдержке 3-10 мин.