RU2639437C1

RU2639437C1 - Method for producing slip ring of end seal

Info

Publication number: RU2639437C1
Application number: RU2017102874A
Authority: RU
Inventors: Максим Николаевич Каченюк; Светлана Аркадьевна Оглезнева; Олег Васильевич Сомов
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2017-12-21

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: slip ring of an end seal is made by the method of spark-plasma sintering of a composite powder material based on titanium, silicon carbide and graphite, including the preparation of a powder mixture in a ratio of its components: 50 wt % Ti, 35 wt % SiC, 15 wt % C, preliminary mechanoactivation of the powder mixture in a planetary mill in intermittent operation for 180 min at a drum rotation frequency of 240-280 rpm, performing a plasma spark-sintering process of a powder mixture under vacuum at a temperature of 1300-1400°C, a pressure of 15-25 MPa and holding for 3-10 minutes.

EFFECT: improved surface quality of the slip ring of the end seal.

1 cl

Description

Изобретение используется в машиностроении, а именно в торцевых уплотнениях вращающихся валов насосов.The invention is used in mechanical engineering, namely in mechanical seals of rotating pump shafts.

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).A known pair of friction of the mechanical seal, one of the rings of which is made of technical ceramics TsM-332 (V. Melnik. Mechanical shaft seals. Handbook. M .: Engineering. 2008, p. 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.A disadvantage of the known mechanical seal is the unreliability of its operation. Technical ceramics, which have low thermal conductivity, are prone to thermal cracking during rapid heating in the event of a short interruption in the supply of cooling fluid to the mechanical seal by a centrifugal pump, which leads to leakage in the mechanical seal.

Известна пара трения торцевого уплотнения, в которой применяется кольцо из карбида кремния (Мельник В.А. Торцовые уплотнения валов. Справочник. М.: Машиностроение. 2008, с. 58).A known pair of friction mechanical seals in which a silicon carbide ring is used (V. Melnik. Mechanical shaft seals. Handbook. M .: Mechanical Engineering. 2008, p. 58).

При положительных эксплуатационных характеристиках карбида кремния, его высокой теплопроводности и износостойкости, недостатком карбида кремния является его хрупкость.With the positive operational characteristics of silicon carbide, its high thermal conductivity and wear resistance, the disadvantage of silicon carbide is its fragility.

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).The closest technical solution is a low friction slip ring having an economical diamond coating. The mechanical seal o-ring contains a diamond layer on the sliding surface of the base body, in particular of silicon carbide (SiC) or tungsten carbide (WC), with a minimum amount of additives and / or binders and / or possibly impurities (RF Patent No. 2531486, CL 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.The disadvantages of this slip ring is that the diamond layer is deposited by a chemical vapor deposition method onto the surface of the base body, while in order to ensure high adhesion of the coating with the base body, stringent requirements are imposed on the surface quality of the base body in terms of size, number and concentration of cracks and pore, as well as the requirements for roughness R _{a the} surface of the base body. This complicates the process of obtaining and reduces the yield of finished products due to the need to reject the base bodies, while there remains the risk of obtaining a coating with insufficient adhesion to the base body, which leads to delamination of the coating and lower surface quality.

Изобретение направлено на улучшение качества поверхности кольца скольжения торцевого уплотнения.The invention is aimed at improving the quality of the surface of the slip ring of the mechanical seal.

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.The specified technical result is achieved by obtaining a mechanical seal slip ring by plasma-spark sintering (IPS) of a powder composite material based on titanium, silicon carbide and graphite, including the preparation of a powder mixture in the ratio of its components: 50 wt. % Ti, 35 wt. % SiC, 15 wt. % C, preliminary mechanical activation of the powder mixture in a planetary mill in intermittent mode for 180 minutes at a rotational speed of the drum 240-280 rpm, the IPR process of the powder mixture in vacuum at a temperature of 1300-1400 ° C, pressure 15-25 MPa and exposure 3-10 minutes

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.The preparation of the powder mixture for the IPR process consists in the following: preparation of the powder mixture based on their predetermined proportion of components, the process of mechanically activating the powder mixture, including dry grinding and the conversion of its components to a highly nonequilibrium state in evacuated planetary mill cells.

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.An example embodiment of the invention. For the initial powder mixture, titanium powders with a particle size of less than 300 microns, silicon carbide with a particle size of less than 100 microns, graphite with a particle size of less than 4 microns are used. A powder mixture of titanium, silicon carbide, graphite (in a ratio of 50 wt.% Ti, 35 wt.% SiC, 15 wt.% C) is placed in a cuvette of a planetary mill together with grinding titanium balls in the ratio mixture: balls = 1: (7, 5 - 12), which is then vacuumized to a residual pressure of not more than 10 Pa.

Проводят процесс механоактивации в планетарной мельнице в течение 180 мин при частоте вращения барабана мельницы 260 об/мин в прерывистом режиме.The process of mechanical activation is carried out in a planetary mill for 180 min at a rotational speed of the mill drum 260 rpm in intermittent mode.

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.Then the powder mixture is removed from the cuvette, poured into a graphite mold and subjected to a high-temperature IPR process to obtain a composition of silicon carbide and titanium carbide. In the IPR process, the powder mixture is heated in vacuum (residual pressure of the order of 10 Pa) to a temperature of 1400 ° C with a heating rate of 80 deg / min, based on the transmission of high-power electric current pulses through the powder mixture in a graphite mold. In this case, simultaneously compressing the powder mixture with a force of 20 MPa. Upon reaching a temperature of 1400 ° C, exposure is carried out for 6 minutes at a pressure of 20 MPa.

После охлаждения и извлечения кольца из пресс-формы проводят шлифование его рабочей поверхности до требуемых параметров шероховатости поверхности колец пары трения торцевого уплотнения.After cooling and removing the ring from the mold, grinding of its working surface is carried out to the required surface roughness parameters of the rings of the friction pair of the mechanical seal.

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.The mechanical activation of the powder mixture in a rotating planetary mill allows to obtain such a degree of grinding powders, which provides increased reactivity of the interaction of the components of the powder mixture. In the IPR process, during the passage of high-power electric current pulses, high-density energy is concentrated in the contact between the particles of the powder mixture, which ensures uniformity of the sintered material.

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.In addition, the resulting composite material in the process of friction has a rubbing property, which provides a decrease in surface roughness and a decrease in the coefficient of friction. This, in turn, provides a more snug fit of the ring to the mating part of the friction pair and increases the tightness of the contact in the friction pair.

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.The present invention allows to obtain a slip ring mechanical seal based on silicon carbide and titanium with minimal porosity and the absence of cracks. The presence of titanium carbide increases the strength of the ring and reduces its fragility. The proposed composite material due to the grinding properties provides a decrease in surface roughness and coefficient of friction in contact.

Таким образом, изобретение обеспечивает улучшение качества поверхности кольца скольжения торцевого уплотнения.Thus, the invention provides improved surface quality of the sliding ring of the mechanical seal.

Claims

A method of obtaining a mechanical seal slip ring, comprising preliminary mechanical activation of a powder mixture of titanium, silicon carbide and graphite in a ratio of 50 wt. % Ti, 35 wt. % SiC, 15 wt. % C in a planetary mill in intermittent mode for 180 min at a drum rotation frequency of 240-280 rpm and subsequent plasma-spark sintering of the powder mixture in vacuum at 1300-1400 ° C, pressure 15-25 MPa, holding time 3-10 min .