CN114278732A - 新型浮动油封及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型浮动油封及其制造方法，新型浮动油封包括橡胶环和沿密封面对置的浮动密封环，所述浮动密封环外壁上设置的橡胶环安装面为直斜面。本发明提供的新型浮动油封及其制造方法，通过将现有技术中常见的、浮动密封环外壁上设置的凹形背锥面填平，形成直斜面的橡胶环安装面，增加密封面端唇边的支撑体强度，减轻变形，促进密封面油膜的形成和稳定运行，同时也简化了浮动密封环截面轮廓形状，有效提高工艺性能；并且以高磷成分组织的铸铁为材质，可提高浮动密封环的强、韧指标和抗磨能力，进一步提高新型浮动油封的使用寿命。

Description

新型浮动油封及其制造方法

技术领域

本发明涉及机械密封件领域，特别是涉及一种新型浮动油封及其制造方法。

背景技术

浮动油封一般包括一对耐磨的浮动密封环(通常称为浮封环)和一对橡胶环相匹配，装配在两个专用的密封腔体(通常称为浮封座)内构成的组合件，两个浮动密封环互相紧贴的端面为密封面，密封面及其载体为唇边，两个密封面作相对旋转滑动。国家标准JB/T8293-2014中对浮动油封进行了一系列规定，对浮动油封的结构形状、类型和大小做出了限定。

然而，传统浮动密封环本身是大内径薄壁结构零件，截面尺寸并没有随着内径尺寸增大。并且由于通常在浮动密封环外壁设计了凹形背锥，如图1和图2所示，进一步削弱了密封面端唇边的支撑体强度，在密封面压紧力和橡胶环在背锥面的轴向分力共同作用下，产生弯矩，容易使得唇边在两个密封面间形成向外的豁口，使密封面面积减小，加剧意外的油膜失效、密封面磨损、密封系统的润滑油泄漏和外部杂质渗入，严重影响浮动油封的使用寿命。

另外，如果浮动密封环采用低成本的普通铸件毛坯，需要在小端径向筋处设置分型面，造型工艺较为复杂，产品的经济性较差；或者只能将小端径向筋与凹形背锥形成的凹槽填充成圆柱面，需要依靠机加工切削成型，增加了生产工序。

发明内容

基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种新型浮动油封及其制造方法。

第一个方面，本申请提供了一种新型浮动油封，包括橡胶环和沿密封面对置的浮动密封环，所述浮动密封环上设置的橡胶环安装面为直斜面。

在第一个方面的某些实现方式中，所述浮动密封环沿径向的横截面中，所述橡胶环安装面的直斜面与所述浮动密封环轴向直边的夹角为20～30°。

结合第一个方面和上述实现方式，在第一个方面的某些实现方式中，所述橡胶环的轴向截面为圆形或为直角梯形。

结合第一个方面和上述实现方式，在第一个方面的某些实现方式中，所述浮动密封环的材质为含磷2.05％～3.5％的高磷铸铁。

结合第一个方面和上述实现方式，在第一个方面的某些实现方式中，所述高磷铸铁的金相组织中存在质量分数超过20％的磷共晶组织。

结合第一个方面和上述实现方式，在第一个方面的某些实现方式中，所述磷共晶组织包括二元磷共晶和/或三元磷共晶。

第二个方面，本发明申请提供了一种新型浮动油封的制造方法，包括采用含磷量20％-26％的磷铁作为铸铁成分的磷元素加入剂，通过普通或精密铸造的方式制造如本发明申请第一个方面描述的新型浮动油封。

本发明的实施例中提供的技术方案带来如下有益技术效果：

本发明提供的新型浮动油封及其制造方法，通过将现有技术中常见的、浮动密封环外壁上设置的凹形背锥面填平，形成直斜面的橡胶环安装面，增加密封面端唇边的支撑体强度，减轻变形，促进密封面油膜的形成和稳定运行，同时也简化了浮动密封环截面轮廓形状，有效提高工艺性能；并且以高磷成分组织的铸铁为材质，可提高浮动密封环的强、韧指标和抗磨能力，进一步提高新型浮动油封的使用寿命。

本申请附加的方面和优点将在后续部分中给出，并将从后续的描述中详细得到理解，或通过对本发明的具体实施了解到。

附图说明

图1为现有技术中一种浮动油封装置的结构示意图；

图2为现有技术中一种浮封环的剖面结构示意图；

图3为本发明申请一实施例中包含新型浮动油封的浮动油封装置的结构示意图；

图4为本发明申请一实施例中新型浮动油封的剖面结构示意图；

图5为本发明申请一实施例中新型浮动油封的局部剖面结构示意图；

图6为本发明申请一实施例中浮动油封装置的剖面结构示意图；

图7为本发明申请另一实施例中浮动油封装置的剖面结构示意图。

附图标记说明：

10-浮封座；100-浮动油封；

110-浮动密封环，111-橡胶环安装面，112-密封面；

120-橡胶环。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的可能的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文已经通过附图描述的实施例。通过参考附图描述的实施例是示例性的，用于使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面，而不能解释为对本发明的限制。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本发明的特征是非必要技术的，则可能将这些技术细节予以省略。

相关领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

现有技术中的浮动密封环外壁上设置的凹形背锥，如同在外壁上挖走部分承载结构体，削弱了密封面端唇边的支撑体强度，是唇边产生变形的主要因素之一。又在密封面压紧力和橡胶环在背锥面产生的轴向分力共同作用下，更容易使得唇边在两个密封面间形成向外的豁口。

此外，在传统的铸铁领域中，碳C、硅Si、锰Mn、硫S、磷P是五大常见元素，其中，磷是需要降低含量的主要有害元素之一，在灰铸铁中质量分数将受到限制不能超过0.03％，超过0.03％后，除少量作为基体组织的间隙固溶体，剩下部分偏析在晶界中，生成低熔点的液态磷共晶，凝固后形成高硬度的磷共晶使铸铁的硬度、耐磨性提高，但同时也会增加材料的脆裂倾向和固态基体组织内部缩松。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及该技术方案如何解决上述的技术问题进行详细说明。

本发明申请第一个方面的实施例提供了一种新型浮动油封100，如图3和图4所示，包括橡胶环120和沿密封面112对置的浮动密封环110，浮动密封环110上设置橡胶环120的橡胶环安装面111为直斜面。由于浮动密封环110实际上是一种回转体，现有技术中通常在设置橡胶环处开设一凹形背锥面，形成一能够盛装橡胶环的凹槽，本发明申请提供的新型浮动油封100，则取消了这一凹槽，形成直斜面的橡胶环安装面111，直接使得橡胶环120套设在橡胶环安装面111上。可选的，橡胶环安装面的粗糙度小于或等于6.3，以便于橡胶环在安装时自动调整位置，并确保密封性。

实际安装使用时，新型浮动油封100装设到浮封座10中，通过浮动油封100所设置的密封面112压紧力，使橡胶环120在橡胶环安装面111与浮封座10内壁共同作用下产生挤压变形，实现浮动密封环110与浮封座10之间的密封并存储弹性能，补偿密封面112的磨损。另外，采用直斜面的橡胶环安装面111，橡胶环120受挤压后在橡胶环安装面111上的变形及沿安装面111上的移动，只受到橡胶环120与橡胶环安装面111倾斜夹角和浮封座10内壁形态尺寸相互匹配结果的控制，所以能相应取消原本浮封座10端面的径向筋及其对橡胶环120的限位作用，可以降低新型浮动油封100的装配难度，减少橡胶环120在受压进入浮封座10内腔过程中可能产生的不正确形态。

本发明提供的新型浮动油封，通过将现有技术中常见的、浮动密封环外壁的凹形背锥面填平，形成直斜面的橡胶环安装面，增加密封面端唇边的支撑体强度，减轻变形，促进密封面油膜的形成和稳定运行，有效提高浮动油封的使用寿命；同时也简化了浮动密封环的截面轮廓形状，有效提高工艺性能，为使用冲压、锻压工艺制备浮动密封环毛坯创造条件。

可选的，在本发明申请第一个方面实施例的一些实现方式中，如图5所示，浮动密封环110沿径向的横截面中直斜边与浮动密封环110轴向的直边的夹角α为20～30°。

可选的，在本发明申请第一个方面实施例的另一些实现方式中，如图3和图6所示，橡胶环120的轴向截面为圆形(O型圈)或为直角梯形。O型圈较为常见，使用成本更低，而采用横截面为直角梯形的橡胶环120，则能够增大橡胶环120的截面面积，提高变形储能以及抗老化能力，还能够提高密封性。当然，横截面为直角梯形的橡胶环120也可以根据实际的安装空间进行调整，使其更适应实际使用场景。例如，将橡胶环120外曲面与浮封座10内锥面匹配，如图6所示，内锥面与浮动密封环110直斜边面(外锥面)匹配，橡胶环120无障碍地进出浮封座10，在密封面112压紧力作用下变形，构成浮动密封环110与浮封座10之间的密封并存储弹性能，补偿密封面112的磨损。如图7所示，为了降低机加工难度，可取消浮封座10内腔的锥面和圆弧，使得橡胶环120的横截面形状更接近直角梯形。

可选的，结合第一个方面的实施例和上述实现方式，在第一个方面实施例的某些实现方式中，浮动密封环110的材质为含磷2.05％～3.5％的高磷铸铁。本发明申请采用的浮动密封环110的材质中含磷量很高，远远大于传统观念中铸铁应当含有的磷含量，将磷作为有益的合金元素，替代原本铸铁中的部分碳和硅元素，强化基体组织，促进石墨生成，既能够减磨助滑，又可以减少材料成本。

只有在铸铁中大幅度增加磷含量，使得铁液在冷却、凝固过程中产生的液态磷共晶，在最终凝固温度(950℃)线以上才能达到最低饱和量状态，偏析在固态晶粒缝隙(晶界)中的液态磷共晶才能形成贯通的补缩通道。在浇、冒口以及石墨膨胀的双重补缩作用下，凝固后的磷共晶与基体组织晶界密实相接，消除了基体组织的内部缩松使组织均匀性提高。高硬度的磷共晶得到基体组织的坚实依托使铸铁的韧性提高，能够消除铸铁材料的脆裂倾向。

磷对基体组织的固溶强化作用：虽然磷在灰铸铁的固态组织中的溶解度低于0.03％，但其所形成的固溶强化基体组织的强化作用不能被忽略。铸铁中铁、碳、磷的原子半径分别是0.1411nm、0.1281nm、0.1655nm，可见磷的原子半径最大，即便是铸铁基体固溶很少量的磷时，就会引起晶格畸变，增加基体组织抵抗外力产生变形的能力，组织的显微硬度提高，同时，铸铁的宏观硬度也提高。

磷的石墨化效应：磷是表面活性元素，其存在提高了铁液中碳的活性而游离在铁液中，在共晶凝固之前，磷能不断地干扰和阻挠相当一部分碳与铁的接触，客观地起着不断降低碳在铁液中的溶解度的作用，这些被干扰和阻挠的碳，将会依附铁液中的均质(石墨熔点高，未熔化的石墨呈现为微粒质点)或异质(高熔点化合物的微粒质点)形核核心，不得不自行相互结合形成石墨G(形核核心+游离碳)。也即，冷却过程中，首先结晶生成石墨G，说明磷是促进石墨化元素，能减少铁的白口倾向。而石墨数量的增多将在摩擦面加强新型浮动油封100的减磨助滑作用，同时提高其膨胀后补偿收缩的能力。

磷的细晶强化作用：在铁液冷却过程中，首先结晶生成石墨，而磷是促进石墨化元素，即磷能使石墨数量增加，石墨附近的贫碳铁液以石墨为形核核心开始结晶，生成初生奥氏体，两种共晶产物构成共晶团(即初生奥氏体+石墨)的数量当然也会增多。通过磷能有效增加共晶团的数量，达到细化晶粒的目的，能进一步增强基体组织强度。

磷共晶对铸铁组织的均匀性作用：磷的熔点低至44℃，生成的磷共晶，熔点低至950℃，能降低铸铁的熔点，提高铁液流动性，改善铁液的充型能力，利于铸件补缩和减少缩孔，减少铸造缺陷，提高铸铁的组织均匀性。

磷共晶对基体组织的晶间强化作用：磷共晶偏析在共晶团缝隙中构成抗磨硬质骨架，边界曲折，增加晶界间的滑移阻力(晶间强化)，能提高基体组织强度。

在晶界生成磷共晶硬质晶体组织的抗磨作用：，当磷含量超过一定值，极少量作为基体组织的间隙固溶体，剩下部分偏析在晶界生成低熔点的液态磷共晶，凝固后在晶界形成高硬度的磷共晶，构成抗摩擦磨损的硬质骨架，使铸铁的宏观硬度和耐磨性都得到提高。

再者，高含量的磷元素能够提高铸件毛坯表面光洁度。磷元素是表面活性物质，提高磷元素的含量能使铁液表面的磷元素进一步富集，并与铁液表面的氧化铁FeO发生反应，产生FeO·P₂O₂渣态薄膜，存在于铁液与铸型之间起隔离作用。当铸铁凝固时，石墨膨胀挤压渣态薄膜，阻塞铸型的砂粒孔隙，使金属渗入砂粒孔隙形成粘砂的缺陷减少，提高铸件的表面质量；当铸件冷却时，由于渣态薄膜与金属的收缩率不一致，铸型与铸件容易自行脱落，减轻工作量又能提高铸件毛坯表面光洁度。

可选的，结合第一个方面的实施例和上述实现方式，在第一个方面实施例的另一些实现方式中，浮动密封环110的材质中包含磷共晶组织。可选的，结合第一个方面的实施例和上述实现方式，在第一个方面实施例的某些具体实施方式中，磷共晶组织包括二元磷共晶和/或三元磷共晶。磷共晶组织对浮动密封环110铸件的性能益处前文已经描述，此处不赘述。磷共晶组织包括二元磷共晶、三元磷共晶和复合磷共晶等类别，二元磷共晶主要是奥氏体和磷化铁，三元磷共晶主要是奥氏体、磷化铁和渗碳铁(Fe₃C)，复合磷共晶包含渗碳铁和二元磷共晶或者是渗碳铁和三元磷共晶。

当铁液的冷却温度为1005℃时，析出二元磷共晶体，硬度范围为700～800HV；当冷却温度为950℃时，析出三元磷共晶体，硬度范围为850～950HV；磷共晶是硬质晶体组织，脆性较大。在现有的、限制磷含量的技术条件下，最终凝固温度(950℃)线以上的低温液态磷共晶，在金相组织的局部呈现为连续网状偏析在固态晶粒间的边界上，宏观上已没有补缩通道；液态磷共晶冷却过程中，呈孤立、断续网状凝固结晶在固态晶粒间的边界上，没有得到充分补缩的磷共晶，凝固收缩形成空隙，构成铸铁组织的薄弱节点，割裂了晶粒间的连续性，使铸铁的强度和塑性下降，应力提高，增加材料的脆裂倾向和固态基体组织的内部缩松。但磷共晶组织的高硬度具备较大的抗磨潜力。三元磷共晶中奥氏体的量相对少些，所以硬度高于二元磷共晶。磷共晶具有较低的凝固温度(三元磷共晶的析出温度只有950℃)，可提高灰铸铁铁水的流动性和可铸能力。

本发明申请第二个方面的实施例提供了一种新型浮动油封100的制造方法，包括采用含磷量20％-26％的磷铁，通过铸造的方式制造如本发明申请第一个方面实施例中描述的新型浮动油封110。铸造方式可具体采用普通铸造或精密铸造的方式。

添加磷铁作为铸铁中产生磷共晶的加入剂，磷铁是含磷20-26％，含硅0.1-6％的共生化合物。组分含有Fe₂P.FeP.FeSi，密度6.5g/cm³，熔点1320℃。

要使得铸铁组织中磷共晶数量达到最低饱和量20％，满足能形成贯通的补缩通道的技术条件，磷的最小添加量为2.05％，其计算过程如下：

铸铁熔炼过程中，磷的烧失量一般是1-3％，根据生产实践数据，取值2.5％；小于0.03％的磷固溶在基体组织中，取值0.02％；20％磷共晶数量对应的磷含量是2％。所以，磷的最小添加量X＝磷的烧失量X+磷固溶量X+20％磷共晶数量对应的磷含量＝2.5％X+0.02％X+2％

即：X＝0.025X+0.0002X+0.02

X＝0.02/(1-0.025-0.0002)

≈0.0205

＝2.05％

磷铁的添加量，(磷的最小添加量％-已有含量％)×铁液质量(KG)/磷铁的有效含量％。本发明申请的实施例选用廉价易得的磷铁FeP16、FeP18、FeP21、FeP24中的任意一个牌号作为磷的添加炉料。牌号中的数字表示磷铁中磷的有效含量。磷铁的粒度≤5mm，将磷铁随流冲入浇包，避免在包底粘接(生产实践中，因为磷铁密度：6.5g/cm3，熔点：1320℃，与灰铁铁液相近，容易产生包底粘接)。

本发明提供的新型浮动油封100以高磷铸铁为材质，使金相组织中存在质量分数超过20％的磷共晶组织，达到最低饱和量状态，偏析在固态晶粒缝隙(晶界)中的液态磷共晶形成贯通的补缩通道；凝固过程中，在浇、冒口以及石墨膨胀的双重补缩作用下，磷共晶与基体组织晶界密实相接，消除了基体组织的内部缩松使组织均匀性提高；晶界上高硬度的磷共晶得到基体组织的坚实依托，能够消除磷共晶对铸铁材料产生的脆裂倾向使铸铁的韧性提高，并构成抗磨骨架；基体组织中的石墨发挥减磨助滑作用，进一步提高新型浮动油封的使用寿命。再者，以高磷含量的铸铁为材质，可提高新型浮动油封100的硬度和抗磨能力，进一步提高使用寿命，将廉价易得的磷铁视为有益元素加入剂，替代碳、硅元素，强化铸铁的基体组织，还能降低材料成本。

本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型浮动油封，其特征在于，包括橡胶环和沿密封面对置的浮动密封环，所述浮动密封环外壁上设置的橡胶环安装面为直斜面。

2.根据权利要求1所述的新型浮动油封，其特征在于，所述浮动密封环沿径向的横截面中所述安装面的直斜面与所述浮动密封环轴向直边的夹角为20～30°。

3.根据权利要求1所述的新型浮动油封，其特征在于，所述橡胶环的轴向截面为圆形或为直角梯形。

4.根据权利要求1所述的新型浮动油封，其特征在于，所述浮动密封环的材质为含磷2.05％～3.5％的高磷铸铁。

5.根据权利要求4所述的新型浮动油封，其特征在于，所述高磷铸铁的金相组织中存在质量分数超过20％的磷共晶组织。

6.根据权利要求5所述的新型浮动油封，其特征在于，所述磷共晶组织包括二元磷共晶和/或三元磷共晶。

7.一种新型浮动油封的制造方法，其特征在于，包括采用含磷量20％-26％的磷铁作为铸铁成分的磷元素加入剂，通过普通或精密铸造的方式制造如权利要求1～6中任一项所述的新型浮动油封。

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