FR2480893A1 - Sealing ring, esp. for floating or sliding seals where mild steel ring coated with tungsten carbide by plasma spraying is used to replace expensive abrasion-resistant cast iron ring - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé pour fabriquer une bague d'étanchéité destinée à un assemblage à joint flottant et assemblage équipé d'une telle bague.Method for manufacturing a sealing ring intended for a floating joint assembly and assembly equipped with such a ring.
La présente invention concerne un procédé pour produire une bague d'étanchéité pour un assemblage à joint flottant conçu pour etre monté sur les chenilles d'engins de chantier. The present invention relates to a method for producing a sealing ring for a floating joint assembly designed to be mounted on the tracks of construction machines.
L'assemblage à joint flottant de ce type est conçu de telle sorte que deux bagues d'étanchéité annulaires butent l'une contre l'autre sous l'effet de deux joints toriques qui y sont montés. Les côtés périphériques extérieurs des bagues d'étanchéité sur leurs surfaces latérales intérieures opposées forment des surfaces lisses comportant des évidements dans leurs parties moyennes et les côtés périphériques intérieurs forment des faces inclinées. Lorsqu'on laisse des parties des surfaces lisses buter l'une contre l'autre, elles forment une portion d'étanchéité empêchant la pénétration du sable et de la boue par l'enté rieur et empêchant la fuite de l'huile lubrifiante contenue. The floating joint assembly of this type is designed so that two annular sealing rings abut against each other under the effect of two O-rings which are mounted therein. The outer peripheral sides of the sealing rings on their opposite inner side surfaces form smooth surfaces having recesses in their middle parts and the inner peripheral sides form inclined faces. When parts of the smooth surfaces are allowed to abut against each other, they form a sealing portion preventing the penetration of sand and mud from the inside and preventing the escape of the lubricating oil contained.
Lorsqu'on utilise un tel joint flottant pendant une durée prolongée, les faces en contact étanche de la portion d'étanchéité sont usées par la pénétration de particules fines de terre et de sable, ce qui réduit la largeur du contact étanche. Par conséquent, la pression des faces s'accroit et l'usure des faces en contact étanche s'accélère si bien que les faces en contact étanche rapprochent progressivement les portions inclinées sur les côtés périphériques intérieurs. En résumé, la largeur d'étanchéité résiduelle effective des faces en contact étanche indique la durée de vie restante de l'assemblage à joint flottant. When such a floating seal is used for an extended period of time, the sealing contact faces of the sealing portion are worn by the penetration of fine particles of earth and sand, which reduces the width of the sealing contact. Consequently, the pressure of the faces increases and the wear of the faces in sealed contact is accelerated so that the faces in sealed contact progressively bring the inclined portions on the inner peripheral sides closer together. In summary, the effective residual sealing width of the faces in sealing contact indicates the remaining life of the floating joint assembly.
Pour cette raison, il est nécessaire que les bagues d'étanchéité de l'assemblage à joint flottant soient très dures. For this reason, it is necessary that the sealing rings of the floating joint assembly be very hard.
Donc, à ce jour, on forme les bagues d'étanchéité à partir d'ébauches en fonte spéciale antiabrasion ayant une grande dureté (HRC 65-70) dont les constituants principaux sont le fer, le chrome, le tungstène, le molybdène, le nickel, le vanadium, le manganèse, etc. Therefore, to date, the sealing rings are formed from blanks of special anti-abrasion cast iron having a high hardness (HRC 65-70) whose main constituents are iron, chromium, tungsten, molybdenum, nickel, vanadium, manganese, etc.
En résumé, pour produire une base pour bague d'é-1 tanchéité, on coule une fonte antiabrasion et après avoir usiné le côté de la base pour bague d'étanchéité opposé à la surface d'étanchéité, on usine la face d'étanchéité pour former une surface lisse. De plus, on forme par usinage des rainures annulaires dans la base pour bague d'é- tanchéité, puis on effectue des opérations de rodage conique sur la face inclinée du côté périphérique intérieur puis sur la face d'étanchéité pour obtenir une bague d'étanchéité de forme prédéterminée. In summary, to produce a base for a sealing ring, an anti-abrasion cast iron is poured and after having machined the side of the base for a sealing ring opposite the sealing surface, the sealing face is machined. to form a smooth surface. In addition, annular grooves are formed in the base for the sealing ring by machining, then conical lapping operations are carried out on the inclined face of the inner peripheral side and then on the sealing face to obtain a sealing ring. sealing of predetermined shape.
Donc, pour obtenir une bague d'étanchéité finie, on soumet une base coulée pour bague d'étanchéité ayant une grande dureté à de nombreuses opérations d'usinage, et l'usinage de l'ébauche est compliqué et difficile, ce qui accroit le coût de fabrication des bagues d'étanchéité. Therefore, to obtain a finished sealing ring, a casting base for a sealing ring having a high hardness is subjected to numerous machining operations, and the machining of the blank is complicated and difficult, which increases the cost of manufacturing sealing rings.
L'invention a pour objets
- un procédé pour produire une bague d'étanchéité pour un assemblage à joint flottant permettant de réduire considérablement le coût de production
- un procédé pour produire une bague d'étanchéité pour un assemblage à joint flottant facile à mettre en oeuvre et permettant de produire une bague d'étanchéité d'excellente longévité ; et
- un assemblage à joint flottant présentant une excellente étanchéité et une excellente longévité.The subject of the invention is
- a process for producing a sealing ring for a floating joint assembly making it possible to considerably reduce the production cost
- A process for producing a sealing ring for a floating joint assembly which is easy to implement and which makes it possible to produce a sealing ring with excellent longevity; and
- a floating joint assembly with excellent sealing and excellent longevity.
Selon un de ses aspects, l'invention concerne un procédé pour produire une bague d'étanchéité pour un assemblage à joint flottant qui consiste
- à former une base pour joint d'étanchéité à partir d'un acier à faible teneur en carbone, cette base pour joint d'étanchéité comportant une portion d'étanchéité
- à appliquer par pulvérisation avec un chalumeau à plasma un cermet contenant du carbure de tungstène et du nickel sur la portion d'étanchéité de la base pour bague d'étanchéité pour y former une couche de revêtement du cermet , et
- à roder la couche de revêtement pour obtenir une bague d' étanchéité finie comportant un revêtement de cermet appliqué par pulvérisation au chalumeau à plasma et rodé sur sa portion d'étanchéité.According to one of its aspects, the invention relates to a method for producing a sealing ring for a floating joint assembly which consists
- To form a base for a seal from a low carbon steel, this base for a seal having a seal portion
- to apply by spraying with a plasma torch a cermet containing tungsten carbide and nickel on the sealing portion of the base for sealing ring to form a coating layer of the cermet there, and
- to run in the coating layer to obtain a finished sealing ring comprising a cermet coating applied by spraying with a plasma torch and running in on its sealing portion.
Il est avantageux de grenailler la portion d'étanchéité de la base pour joint d'étanchéité pour la nettoyer avant le stade de pulvérisation avec un chalumeau à plasma. It is advantageous to blast the sealing portion of the seal base to clean it before the spraying stage with a plasma torch.
L'épaisseur du revêtement de cermet doit être de préférence comprise entre 0,07 mm et 0,15 mm et mieux entre 0,09 mm et 0,12 mm. The thickness of the cermet coating should preferably be between 0.07 mm and 0.15 mm and better still between 0.09 mm and 0.12 mm.
Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne un assemblage à joint flottant constitué de deux bagues d'étanchéité rigides, de deux éléments de maintien élastomères disposés de façon à repousser les bagues d'étanchéité en contact étanche mutuel dans leur portion d'étanchéité et à maintenir cette étanchéité lors de la rotation relative des bagues d'étanchéité, la portion d'étanchéité de chacune des bagues d'étanchéité comportant un revetement appliqué par pulvérisation avec un chalumeau à plasma d'un cermet contenant du carbure de tungstène et du nickel épais d'environ 0,07 mm à 0,15 mm. According to another of its aspects, the invention relates to a floating joint assembly consisting of two rigid sealing rings, of two elastomeric holding elements arranged so as to push the sealing rings into mutual sealed contact in their portion of sealing and to maintain this sealing during the relative rotation of the sealing rings, the sealing portion of each of the sealing rings comprising a coating applied by spraying with a plasma torch of a cermet containing tungsten carbide and thick nickel from about 0.07 mm to 0.15 mm.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit faite en regard des dessins annexes sur lesquels
- la figure 1 est une coupe d'un assemblage à joint flottant monté sur ld chenille d'un tracteur, cet assemblage d'étanchéité comportant deux bagues d'étanchéité produites selon le procédé de l'invention ;
- la figure 2 est une coupe de bagues d'étanchéité dont la portion d'étanchéité extérieure a été usée et dont l'angle d'inclinaison est quelque peu exagéré
- la figure 3 est une coupe schématique d'une machine à pulvérisation avec un chalumeau à plasma utilisée dans le procédé de l'invention ; et
- la figure 4 est un diagramme permettant de comparer la longévité de bagues d'étanchéité produites selon le procédé de l'invention et de bagues d'étanchéité produites selon un procédé classique de coulée.Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows given with reference to the accompanying drawings in which
- Figure 1 is a section of a floating joint assembly mounted on the track of a tractor, this sealing assembly comprising two sealing rings produced according to the method of the invention;
- Figure 2 is a section of sealing rings whose outer sealing portion has been worn and whose angle of inclination is somewhat exaggerated
- Figure 3 is a schematic section of a spraying machine with a plasma torch used in the method of the invention; and
- Figure 4 is a diagram for comparing the longevity of sealing rings produced according to the process of the invention and of sealing rings produced according to a conventional casting process.
La figure 1 représente un assemblage lO à joint flottant bien connu constitué de deux bagues d'étanchéité 12, 12 en fonte antiabrasion et de deux éléments de main tien élastomères 14, 14 tels que des joints toriques montés de façon à ce qu'une des bagues d'étanchéité puisse tourner par rapport à l'autre tout en étant en contact mutuel étanche. Cet assemblage d'étanchéité est conçu pour être monté sur un essieu ou pont ou engrenage de réduction, etc d'engin de chantier tel qu'un bulldozer, bouteur ou excavateur, etc, et sert à empêcher les fuites d'huile lubrifiante dans les bagues d'étanchéité et à y empêcher la pénétration de terre, de sable ou d'autres particules abrasives.Comme on utilise généralement cet assemblage 10 à joint flottant dans des conditions très sévères, les bagues d'étanchéité 12 sont faites d'une fonte antiabrasion très dure constituée de fer, chrome, tungstène, molybdène, nickel, vanadium, manganèse, etc, comme précédemment indiqué. Figure 1 shows a well-known floating joint assembly 10 consisting of two sealing rings 12, 12 made of abrasion-resistant cast iron and two elastomeric hand elements 14, 14 such as O-rings mounted so that one of the sealing rings can rotate relative to each other while being in sealed mutual contact. This sealing assembly is designed to be mounted on an axle or bridge or reduction gear, etc. of a construction machine such as a bulldozer, bulldozer or excavator, etc., and serves to prevent the leakage of lubricating oil in the sealing rings and to prevent the penetration of earth, sand or other abrasive particles. As this assembly 10 with floating joint is generally used in very severe conditions, the sealing rings 12 are made of a cast iron very hard abrasion resistance consisting of iron, chromium, tungsten, molybdenum, nickel, vanadium, manganese, etc., as previously indicated.
L'invention repose sur le fait qu'il suffit qu'une couche très mince des bagues abrasives à partir de leur surface d'étanchéité ait des propriétés antiabrasives. On peut calculer l'épaisseur approximative que doit posséder la couche. La figure 2 illustre sous une forme exagérée l'état où les premières portions d'étanchéité 16, 16 des bagues d'étanchéité 12 sont usées par la terre et le sable qui se sont introduits entre elles et les secondes portions d'étanchéité 18 sont en contact étanche. Comme le montre. la figure 2, l'épaisseur D de la couche qui doit être très dure peut être calculée à partir de la formule
D = t sin a où t est la largeur des bagues d'étanchéité en contact étanche et a est l'angle d'inclinaison des portions inclinées 20, 20.The invention is based on the fact that it is sufficient for a very thin layer of the abrasive rings from their sealing surface to have anti-abrasive properties. We can calculate the approximate thickness that the layer must have. FIG. 2 illustrates in an exaggerated form the state where the first sealing portions 16, 16 of the sealing rings 12 are worn by the earth and the sand which have entered between them and the second sealing portions 18 are in tight contact. As indicated. Figure 2, the thickness D of the layer which must be very hard can be calculated from the formula
D = t sin a where t is the width of the sealing rings in sealed contact and a is the angle of inclination of the inclined portions 20, 20.
Par exemple, la largeur de contact étanche d'une bague d'étanchéité classique ayant un diamètre de 100 mm est de l'ordre de 1,0 mm à 2,0 mm et l'angle d'inclinaison a des portions inclinées 20, 20 est de l'ordre de 1 à 20. For example, the sealing contact width of a conventional sealing ring having a diameter of 100 mm is of the order of 1.0 mm to 2.0 mm and the angle of inclination has inclined portions 20, 20 is in the range of 1 to 20.
Donc, si t est égal à 2,0 mm et a est égal à 20, la formule ci-dessus indique que D est égal à 0,07 mm. Par conséquent, la bague d'étanchéité doit présenter une grande dureté uniquement sur une épaisseur d'environ 0,1 mm à partir des faces d'étanchéité. So, if t is equal to 2.0 mm and a is equal to 20, the above formula indicates that D is equal to 0.07 mm. Consequently, the sealing ring must have a high hardness only over a thickness of approximately 0.1 mm from the sealing faces.
L'invention concerne un procédé pour produire une bague d'étanchéité pour un assemblage à joint flottant qui consiste à former une base pour joint d'étanchéité à partir d'un acier à faible teneur en carbone par forgeage à froid et usinage, à appliquer un métal très dur (dureté HRC supérieure à 65) par pulvérisation avec un chalumeau à plasma sur la portion d'étanchéité de cette base pour bague d'étanchéité, puis à roder la couche appliquée par pulvérisation avec un chalumeau à plasma pour obtenir un revêtement fini très dur épais d'environ 0,07 mm à 0,15 mm. De préférence, l'épaisseur du revêtement obtenu est comprise entre 0,09 mm et 0,12 mm. De plus, il est souhaitable d'effectuer un traitement de grenaillage avant la pulvérisation avec un chalumeau à plasma.La principale caractéristique de l'invention est la formation d'un revêtement très dur et très résistant à l'abrasion sur les portions d'étanchéité des bagues d'étanchéité par pulvérisation avec un chalumeau à plasma. The invention relates to a method for producing a sealing ring for a floating joint assembly, which consists in forming a base for a joint from a low carbon steel by cold forging and machining, to be applied. a very hard metal (HRC hardness greater than 65) by spraying with a plasma torch on the sealing portion of this base for sealing ring, then lapping the applied layer by spraying with a plasma torch to obtain a coating very hard finish about 0.07 mm to 0.15 mm thick. Preferably, the thickness of the coating obtained is between 0.09 mm and 0.12 mm. In addition, it is desirable to carry out a shot peening treatment before spraying with a plasma torch. The main characteristic of the invention is the formation of a very hard and very abrasion resistant coating on the portions of sealing of the sealing rings by spraying with a plasma torch.
Un dispositif d'application par pulvérisation avec un chalumeau à plasma est décrit ci-après en référence à la figure 3. A device for application by spraying with a plasma torch is described below with reference to FIG. 3.
Le dispositif d'application par pulvérisation avec un chalumeau à plasma comporte un logement 22 d'insonorisation et de récolte des poussières fait en tôle d'acier et en laine de verre, ce logement ayant un fond 24, un plateau 28 monté sur le fond 24 de façon à tourner horizontalement sous l'action d'un moteur 26, ce plateau 28 portant un aimant annulaire 30 qui lui est assujetti de façon à attirer et maintenir une bague d'étanchéité 12, et un chalumeau à plasma 32 fixé de façon à pouvoir osciller librement en regard de la face d'étanchéité de la bague d'étanchéité, ce chalumeau à plasma 32 étant réuni par un mécanisme 34 à un moteur 36. L'ensemble est conçu de façon que l'oscillation du chalumeau à plasma 32 provoque une pulvérisation sur la face d'étanchéité de la bague d'étanchéité 12 qui tourne. The spray application device with a plasma torch comprises a housing 22 for soundproofing and dust collection made of sheet steel and glass wool, this housing having a bottom 24, a plate 28 mounted on the bottom 24 so as to rotate horizontally under the action of a motor 26, this plate 28 carrying an annular magnet 30 which is fixed thereto so as to attract and hold a sealing ring 12, and a plasma torch 32 fixed so able to oscillate freely opposite the sealing face of the sealing ring, this plasma torch 32 being joined by a mechanism 34 to a motor 36. The assembly is designed so that the oscillation of the plasma torch 32 causes spraying on the sealing face of the rotating sealing ring 12.
La figure 3 montre également un tuyau souple d'alimentation en gaz 38, une canalisation d'alimentation en eau de refroidissement 40 servant également d'électrode, une canalisation d'évacuation d'eau de refroidissement 42, une conduite 44 raccordée à un collecteur de poussière et une base 46 d'alimentation en matière à pulvériser. FIG. 3 also shows a flexible gas supply pipe 38, a cooling water supply pipe 40 also serving as an electrode, a cooling water discharge pipe 42, a pipe 44 connected to a manifold of dust and a base 46 for supplying material to be sprayed.
Le gaz amené par le tuyau souple d'alimentation en gaz 38 contient de l'azote et de l'hydrogène. L'azote et l'hydrogène sont chauffés par le chalumeau à plasma 32 à une température élevée et sont ionisés sous forme d'un plasma si bien que la buse à la sortie du chalumeau à plasma 32 peut émettre un plasma ayant une température de plusieurs milliers de degrés centigrades. De ce fait, la poudre à pulvériser apportée par la buse 46 d'alimentation en poudre est fondue par le plasma et pulvérisée sur la portion d'étanchéité de la bague d'étanchéité 12. De préférence, la poudre pulvérisée est un cermet à base de carbure de tungstène et de nickel. The gas supplied by the flexible gas supply pipe 38 contains nitrogen and hydrogen. The nitrogen and hydrogen are heated by the plasma torch 32 to a high temperature and are ionized in the form of a plasma so that the nozzle at the outlet of the plasma torch 32 can emit a plasma having a temperature of several thousands of degrees centigrade. Therefore, the powder to be sprayed brought by the nozzle 46 for supplying powder is melted by the plasma and sprayed on the sealing portion of the sealing ring 12. Preferably, the powder sprayed is a cermet based tungsten carbide and nickel.
Un exemple non limitatif préféré de l'invention est décrit en détail ci-après. A preferred nonlimiting example of the invention is described in detail below.
EXEMPLE
On soumet à un forgeage à froid et à un usinage une ébauche ayant la forme d'un tube ou d'une plaque plate en acier SS 41 (norme japonaise JIS) qui est un acier à faible teneur en carbone pour former une base pour bague d'étanchéité ayant une forme prédéterminée de 100 mm de diamètre.EXAMPLE
A blank in the form of a tube or flat plate made of SS 41 steel (Japanese standard JIS) which is a low carbon steel is subjected to cold forging and machining to form a ring base. sealing having a predetermined shape of 100 mm in diameter.
Ensuite, on soumet la portion d'étanchéité de cette base pour bague d'étanchéité à un grenaillage avec des matières de grenaillage WR nO 20 à 24 pour que la surface de la portion d'étanchéité ait un degré de ruqosité d'environ 30 microns. Après avoir vérifié que la portion d'étanchéité est dépourvue de matières huileuses, de rouille, etc, on place la base pour bague d'étanchéité sur le plateau 28 (figure 3) de façon qu'elle soit attirée par l'aimant 30. La machine de pulvérisation avec chalumeau à plasma utilisée dans ce cas est le 7 M System de METCO Inc., et la poudre à pulvériser utilisée est du 439 NS-2, qui est un produit de METCO Inc.La poudre 43 9 NS-2 est un cermet dont les composants principaux sont le carbure de tungstène et le nickel. Le débit d'alimentation de la poudre à pulvériser est de 0,95 à 1,0 g/s et on effectue la pulvérisation avec un chalumeau à plasma pendant 10 secondes en maintenant la distance entre l'extrémité du chalumeau à plasma 32 et la base 12 pour bague d'étanchéité à environ 75 mm et en faisant tourner la base 12 pour bague d'étanchéité à la vitesse de 930 tours/min. Pendant la pulvérisation, le chalumeau à plasma 32 a un mouvement ondulant ayant une amplitude de 4 mm et une fréquence de 0,5 Hz. On mesure l'épaisseur du revetement pulvérisé avec un chalumeau à plasma, qui est d'environ 0,15 mm.Ensuite, on soumet la portion d'étanchéité revetue par pulvérisation avec un chalumeau à plasma à un rodage pour obtenir une bague d'étanchéité finie dont la portion d'étanchéité porte un revêtement très dur d'environ 0,09 mm.Then, the sealing portion of this sealing ring base is subjected to a shot blasting with shot blasting materials WR nO 20 to 24 so that the surface of the sealing portion has a degree of roughness of about 30 microns. . After having checked that the sealing portion is free of oily materials, rust, etc., the base for the sealing ring is placed on the plate 28 (FIG. 3) so that it is attracted by the magnet 30. The plasma torch spraying machine used in this case is the 7 M System from METCO Inc., and the spray powder used is 439 NS-2, which is a product of METCO Inc. 43 9 NS-2 powder is a cermet whose main components are tungsten carbide and nickel. The feed rate of the powder to be sprayed is from 0.95 to 1.0 g / s and the spraying is carried out with a plasma torch for 10 seconds while maintaining the distance between the end of the plasma torch 32 and the base 12 for seal ring at approximately 75 mm and rotating base 12 for seal ring at a speed of 930 rpm. During spraying, the plasma torch 32 has an undulating movement having an amplitude of 4 mm and a frequency of 0.5 Hz. The thickness of the coating sprayed with a plasma torch is measured, which is approximately 0.15 Then, the spray-coated sealing portion is subjected to a plasma torch with a running-in to obtain a finished sealing ring, the sealing portion of which has a very hard coating of approximately 0.09 mm.
La figure 4 illustre les résultats d'essais de longévité d'une bague d'étanchéité produite selon le procédé de pulvérisation avec un chalumeau à plasma de l'invention et selon un procédé classique de coulée, dans les mêmes conditions. Le diamètre extérieur et le diamètre intérieur des bagues d'étanchéité sont respectivement de 100 mm et 80 mm. Sur la figure qui représente en ordonnées le service résiduel (mm) et en abscisses le temps de rotation (heures) les traits continus correspondent à des bagues d'étanchéité produites selon le procédé de l'invention tandis que la région entourée de traits discontinus correspond aux bagues d'étanchéité produites selon le procédé classique. FIG. 4 illustrates the results of longevity tests of a sealing ring produced according to the spraying method with a plasma torch of the invention and according to a conventional casting method, under the same conditions. The outside diameter and the inside diameter of the sealing rings are 100 mm and 80 mm respectively. In the figure which represents the residual service on the ordinate (mm) and the rotation time on the abscissa (hours) the continuous lines correspond to sealing rings produced according to the method of the invention while the region surrounded by broken lines corresponds to the sealing rings produced according to the conventional process.
Ces résultats montrent de façon évidente que la longévité des bagues d'étanchéité produites selon le procédé de l'invention est légèrement supérieure à celle des bagues d'étanchéité produites selon le procédé classique. These results clearly show that the longevity of the sealing rings produced according to the method of the invention is slightly greater than that of the sealing rings produced according to the conventional method.
Comme précédemment décrit en détail, du fait que selon l'invention, on peut, pour produire la base pour bague d'étanchéité, soumettre un acier relativement doux à un forgeage à froid et à un usinage, le travail est facilité et le coût de production devient extremement faible par rapport à celui des bagues d'étanchéité produites selon le procédé classique de coulée. De plus, comme la portion d'étanchéité de la base pour bague d'étanchéité peut hêtre revetue d'une matière très dure par pulvérisation avec un chalumeau à plasma, le travail peut être réalisé rapidement et de façon efficace. As previously described in detail, since according to the invention, it is possible, in order to produce the base for a sealing ring, to subject a relatively soft steel to cold forging and to machining, the work is facilitated and the cost of production becomes extremely low compared to that of the sealing rings produced according to the conventional casting process. In addition, since the sealing portion of the base for the sealing ring can be coated with a very hard material by spraying with a plasma torch, the work can be carried out quickly and efficiently.
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Also Published As
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