8_Gnilitsa.doc Дослідження впливу технологічних параметрів процесу одержання силіційованих графітів для виготовлення кілець торцьових … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 39 Гнилиця І.Д., Криль Я.А., Цап І.В. Івано-Франківський національний техніч- ний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, Україна ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСУ ОДЕРЖАННЯ СИЛІЦІЙОВАНИХ ГРАФІТІВ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ КІЛЕЦЬ ТОРЦЬОВИХ УЩІЛЬНЕНЬ ВІДЦЕНТРОВИХ НАСОСІВ НА ЇХ ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ Вступ В магістральних відцентрових насосах типу НМ отримали розповсюдження одинарні торцьові ущільнення типу ТМ. У залежності від діаметру ущільнюючого вала виготовляються торцьові ущільнен- ня ТМ-85, ТМ-105, ТМ-120, ТМ-140 (цифра вказує діаметр вала). Торцьові ущільнення ТМ відносять до типу ущільнень з не обертовим пружнім елементом. Дане ущільнення гідравлічно розвантажене. Контак- тні кільця ущільнення виготовляються з карбіду кремнію або силіційованого графіту. Торцьові ущільнення ТМ згідно технічним умовам мають протікання не більше 300 см ³/год. та середнє напрацювання до відмови 5 тис. год. при середньому ресурсі 8 тис. год. Ці дані гарантуються, якщо тиск в камері не більше 2,5 МПа, а в перекачуваному середовище вміст включень не більше 0,2 % при розмірі частинок не більше 0,2 мм., при швидкості ковзання пар тертя 20 м/с. Сила тиску пружин то- рцьового ущільнення знаходиться в межах 250 - 300 Н. Робота торцьового ущільнення залежить від контактного тиску, швидкості ковзання, температу- ри, режиму тертя, умов гідро абразивного зношування. Робота торцьових ущільнень сильно залежить від тиску середовища. З підвищенням тиску знижу- ється напрацювання до відмови, підвищуються вимоги до якості деталей, вибору їх матеріалів. В більш ва- жких умовах працюють насоси при послідовних з’єднаннях. В цих умовах робочий тиск становить до 4 МПа і при цьому ресурс роботи торцьових ущільнень необхідно підвищувати до 10 - 15 тис. год. Постановка задачі У промисловості використовують силіційований графіт марок: СГ-М, СГ-Т, СГ-П, ГАКК 30/63, ГАКК 55/40 (табл. 1). Таблиця 1 Хімічний склад силіційованих графітів Хімічний склад, % СГ-М СГ-Т СГ-П ГАКК 30/63 ГАКК 55/40 SiC 27 55-70 50-70 45 44 C 58 5-33 25-47 35 55 Si+SiO2 15 12-25 3-5 20 1 Силіційовані графіти отримують насиченням вихідного графіту по всьому об’єму рідким кремні- єм при температурі вище 2000 °С, при цьому проходить реакція з утворенням карбіду кремнію [1]. Однак не весь кремній реагує з вуглецем, а тому вільний кремній обмежує хімічну стійкість цих матеріалів (ма- рки СГ-Т, СГ-П не стійкі при роботі в лужних середовищах). Порівнюючи кільця пари тертя з силіційованого графіту із зарубіжними виробниками, можна ві- дмітити нижчу якість і недоліки вітчизняних виробів. Тому необхідно поставити задачу про отримання якісного матеріалу, тобто розглянути процес виготовлення контактних кілець з силіційованого графіту, розглянути причини виникнення браку, а також максимізувати фізико-механічні властивості виробу. Серед методів формування виробів із порошків одним із най розповсюджених є пресування в ме- талевих прес-формах [2 - 5]. У процесі пресування, порошкової заготовки не тільки надається необхідна форма, але і проходить формування властивостей матеріалу. Отримання спресованого виробу з найбільш рівномірною щільністю по об’єму є важливою зада- чею, оскільки ділянки з різною щільністю у процесі спікання дадуть різну величину усадки, що може призвести до значної зміни форми і розмірів спеченого виробу. Найбільш проста схема одностороннього пресування застосовується для формування виробів типу пластин, кілець, втулок, для яких співвідношення висоти до діаметру не більше одиниці. Більш рівномірний розподіл щільності в спресованому виробі можна досягнути застосувавши схему двохстороннього пресування. Однак і у цьому випадку центральна зона спресованого виробу во- лодіє зниженою щільністю і особливо великі труднощі виникають при отриманні рівно щільних спресо- ваних виробів без тріщин при пресуванні виробів складної форми. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження впливу технологічних параметрів процесу одержання силіційованих графітів для виготовлення кілець торцьових … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 40 У зв’язку з цим ведуться роботи пов’язані з вдосконаленням методів пресування у металевих прес-формах за трьома основними напрямками: 1) створення ізостатичних тисків у прес-формі з використанням еластичних оболонок. Відсут- ність зовнішнього тертя і прикладання усесторонніх стискаючих напружень дозволяє отримати спресо- ваного виробу з рівномірним розподілом щільності. Стійкість оболонок із гуми з натурального каучуку складає при цьому більше 1000 пресувань. До недоліку методу слід віднести малі розміри пресованих виробів; 2) пресування з прикладанням до пресованої порошкової маси вібраційної дії [6]. Створення зна- козмінних імпульсів з амплітудою 5 - 30 мкм і частотою 10 - 500 Гц придає дисперсній системі велику рухливість і може зменшити тертя об стінки прес-форми практично до нуля. Це призводить до хорошого заповнення форми, руйнуванню утворень типу “арок” і значному зниженню тиску пресування. Метод до- зволяє формувати великогабаритні вироби з великим відношенням висоти до діаметру (> 10) і практично рівномірним розподілом щільності. Велике значення при цьому методі пресуванні має форма порошко- вих частинок і гранулометричний склад. Підбираючи їх таких чином, щоб більш мілкі фракції заповняли пустоти, що утворюються крупнішою фракцією, можна отримувати спресовані вироби з низькою порис- тістю; 3) застосування вакуумованої порошкової маси, що створює умови для підвищення рівномірнос- ті розподілу щільності брикетів і зниження небезпеки утворення розшарованих тріщин при підвищених тисках пресування. Короткий огляд приведений в роботі [1], результати яких свідчать про те, що одною із основних причин утворення розшарування при пресуванні є запресоване повітря. Метою даної роботи є дослідження впливу запресованого повітря на механічні властивості та експлуатаційні характеристики силіційованого графіту. Зміст і результати досліджень Для вивчення впливу повітря на щільність і міцність пресованих зразків проводилось порівняння результатів пресування на повітрі і у розробленій установці, що забезпечує можливість пресування у ва- куумі порядку 1,3 Па (рис. 1). Рис. 1 – Схема установки для пресування з вакуумуванням на гідравлічному пресі: 1 – основа преса; 2 – рухома траверса; 3 – штамп преса; 4 – вакуумний ковпак; 5 – плаваюча прес-форма; 6 – нижній штамп; 7 – плита; 8 – пружини; 9 – з’єднувальні тяги; 10 – гідропривід; 11 – дросель; 12 – насос; 13 – штанга; 14 – ущільнення Для формування спресованих виробів використовували електродний графіт фракцій 5 - 8 мкм і 50 - 100 мкм. У якості зв’язки використовували 15 % розчин бакеліту в етиловому спирті. При пресуван- ні на повітрі порошку мілкої фракції зразки без тріщин отримати не вдалося (рис. 2). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження впливу технологічних параметрів процесу одержання силіційованих графітів для виготовлення кілець торцьових … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 41 Рис. 2 – Розшарування зразків при пресуванні на повітрі графітового порошку фракції 5 - 8 мкм Пресуванням на повітрі цілісні зразки були отримані лише при зменшенні вмісту мілкої фракції до 15 - 20 мас. % (решту фракція 50 - 100 мкм). При пресуванні у вакуумі формування зразків без тріщин можливе у всьому діапазоні співвідношень мілкої і крупної фракцій. На основі аналізу результатів проведених експериментів, а також у відповідності з наявними лі- тературними даними і практичним досвідом слід відзначити, що від’ємний вплив запресованого повітря при пресуванні порошкоподібних мас збільшується при наступних умовах: 1) якщо процес ведеться до щільності близько до критичної. Це положення характерне головним чином для порошків з високим вмістом технологічної зв’язки, але може спостерігатися і при відносно невисоких вмістах зв’язки, якщо пресований матеріал допускає упаковку частинок з мінімальною порис- тістю. 2) якщо особливості пресованого матеріалу (визначається формою, розміром частинок, змочува- ністю вибраної зв’язки і т.д.) зумовлюють його підвищене пружне розширення і схильність до пере пре- сування. У спресованому виробі із подібних порошків значні тиски запресованого повітря особливо не- безпечні, оскільки їх дія поєднується з дією інших негативних факторів. 3) якщо процес стискання проходить в умовах, що утруднюють видаленню повітря, а також ви- кликають його нерівномірний розподіл по об’єму спресованого виробу. Крім високого вмісту дрібних фракцій, які значно знижують повітропроникність стискуваної системи, в цьому напрямі діють великі об’єми або невдалі конфігурації пресованих виробів і високі швидкості пресування. У залежності від поєднання перерахованих факторів, а також з урахуванням вимог, пред’явлених до конкретних виробів, виникає необхідність застосування тих чи інших спеціальні заходів для змен- шення вмісту газів в матеріалі у процесі пресування. До таких заходів відносяться: 1) підвищення газопроникності вихідних порошків. Може здійснюватись шляхом підбору грану- лометричного складу з практично повним виключенням мілкої фракції в порошках. 2) вибір режимів пресування, що сприяють витісненню повітря і його більш рівномірному роз- поділу в прес-формі. Збільшення рівномірності розподілу забезпечують шляхом зниження швидкості пресування, а також застосуванням ступінчатих режимів (головним чином, при умові відводу пуансонів під час пауз). Як показують дані випробовувань, у ряді випадків доцільне зниження попереднього тиску при ступінчатому пресуванні, оскільки вже при тисках пресування на рівні 10-20 % від кінцевого, повіт- ропроникність пресованого матеріалу стає досить незначною. 3) створення зазорів між пуансонами і матрицею, а також різного роду щілин або отворів в пуан- сонах. Однак можлива ефективність цього нерідко рекомендованого прийому обмежена, оскільки голо- вною перешкодою, що лімітує інтенсивність видалення повітря, є внутрішній гідравлічний опір стисну- того порошку. При спіканні у вакуумі спресованих виробів з вмістом порошку дрібних фракцій 20 - 100 % утворення тріщин спостерігали у 80 - 90 % зразків. Цілісні зразки після спікання були отримані при вміс- ті мілкої фракції у спресованих виробах на рівні 10 - 15 %. Для приготування шліфів обробку площинності проводили на універсально-заточному верстаті моделі 3Б456. при цьому взірець закріплювався у спеціальній оправці і послідовно шліфувався чашкови- ми алмазними кругами з розмірами зерен 60/40, 20/14, 7/5, 3/2 мкм із застосуванням водоемульсійної охолоджуючої рідини. Металографічні дослідження структури отриманого силіційованого графіту виконувалось на ме- талографічних мікроскопах ПМТ і «NeoPhot» у відбитому світлі при збільшенні до 500 разів (рис. 3). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження впливу технологічних параметрів процесу одержання силіційованих графітів для виготовлення кілець торцьових … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 42 Рис. 3 – Структура отриманого силіційованого графіту (×500) Хімічний склад всіх зразків сформованих і спечених на повітрі з застосуванням засипки з ZrO2 і сформованих і спечених у вакуумі знаходився в межах: SiC – 45 – 52 %, C – 35 - 50 %, Si – 5 – 13 %. Вимірювання твердості проводили за допомогою твердоміра ТП-7Р-1 з індентором Віккерса при навантаженні 100 Н. Розміри відбитків і довжини тріщин вимірювали на оптичному мікроскопі твердо- міра ПМТ-3. На кожен зразок наносили 8 - 10 відбитків, а для одержання середнього значення тріщино- стійкості матеріалу випробовували 5 зразків. Межу міцності при згині визначали навантаженням зразків розміром 3,5×5,0×35 мм за 3-х точко- вою схемою з базовою довжиною 30 мм на машині ГР-10. При навантаженні зразка міцність при згині визначали за формулою: згσ bhP 2/45= , (1) де Р – зусилля руйнування, Н; h і b – висота і ширина зразка; м. Визначення K1C проводили за величиною тріщин з вершин відбитка алмазної піраміди при нава- нтаженні 100 Н за формулою: 2 31 0,075 C P K c ⋅= , (2) де P – навантаження на інденторі, Н; С – половина розмаху тріщини, м. Густину виробів визначали згідно ГОСТ 20018-74 методом зважування зразка на повітрі і у воді (при глибині занурення не менше 10 мм) за формулою: )/( 211 mmm в −ρ⋅=ρ (3) дe 1m і 2m – маса зразка на повітрі і у воді; вρ – щільність води, що залежить від температури. Фізико-механічні властивості силіційованого графіту спресованого і спеченого у вакуумі на 10 - 15 % відсотків вищі за пресований і спечений на повітрі (табл. 2), і пари тертя торцьових ущільнень з цього матеріалу демонструють на 15 - 20 % вищу зносостійкість (рис. 4). Таблиця 2 Властивості силіційованого графіту для виготовлення торцьових ущільнень при формуванні на повітрі і у вакуумі Силіційований графіт Характеристика Формування на повітрі Формування та спікання у вакуумі Густина, г/см3 2,41 - 2,43 2,57 - 2,59 Межа міцності при згині, МПа 100 - 120 110 - 135 Твердість HV10, ГПа 11 - 12 11,5 - 12 Тріщиностійкість К1С10, МПа·м 1/2 3,0 - 3,5 3,2 - 3,8 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження впливу технологічних параметрів процесу одержання силіційованих графітів для виготовлення кілець торцьових … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 43 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Швидкість взаємного переміщення елементів пари тертя торцьового ущільнення, м/с Ін те нс ив ні ст ь зн ош ув ан н я, м км /к м пресування та спікання у вакуумі пресування на повітрі лінії тренду Рис. 4 – Порівняльна інтенсивність зношування кілець торцьових ущільнень з силіційованого графіту Висновки Обґрунтовано і практично досліджено негативний вплив запресованого повітря, а саме розшару- вання спресованого виробу після зняття навантаження, при пресуванні пар тертя із силіційованого графіту. Розглянуто методи пресування, які мінімізують вплив запресованого повітря. На основі експе- риментальних результатів і наявних літературних даних зроблено висновок про доцільність впроваджен- ня вакуумування при формуванні виробів. Встановлено, що отримання силіційованого графіту без порушення цілісності можливе при вміс- ті порошку графіту мілкої фракції 5-8 мкм не більше 10-15 % (решту фракція 50-100 мкм). При дослідженні фізико-механічних властивостей силіційованого графіту, що формувався і спі- кався у вакуумі, виявлено, що механічні характеристики на 10-15 % вищі за матеріал сформований на повітрі і спечений без застосування вакууму. Література 1. Русанова Л.Н., Горчакова Л.И., Ромашин А.Г. Реакционное спекание.– Порошковая металлур- гия, 1979, № 12. – С. 52-56. 2. Большин М.Ю. Порошковая металлургия. – М.: Машгиз, 1948, 285 с. 3. Жданович Г.М. Теория прессования металлических порошков. – М.: Металлургия, 1969. – 262 с. 4. Попильский Р.А., Кондрашов Ф.В. Прессование керамических порошков.– М.: Металлургия, 1968. – 272 с. 5. Дрофеев Ю.Г., Горшков С.А., Егоров С.Н. Некоторые особенности прессования порошков в вакууме.– Порошковая металлургия, 1979, № 8. – С. 17-21. 6. Шаталова И.Г., Горбунов И.С., Лихтман В.И. Физико-механические основы вибрационного уплотнения порошковых материалов.– М.: Наука, 1965. Надійшла 25.05.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com