Спосіб обробки торцевої поверхні кільця з берилієвої бронзи брб2 імпульсного торцевого ущільнення, що працює в кріогенних середовищах

Реферат: Спосіб обробки торцевої поверхні кільця з берилієвої бронзи БрБ2 імпульсного торцевого ущільнення, що працює в кріогенних середовищах, включає обробку торцевої поверхні кільця методом електроерозійного легування графітовим електродом перед нанесенням на неї електроерозійного покриття і формування самого покриття. При цьому при формуванні покриття на торцеву поверхню кільця з берилієвої бронзи БрБ2 наносять електроерозійне покриття з хрому при енергії розряду Wu=0,4 Дж. UA 123189 U (12) UA 123189 U UA 123189 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Технічне рішення належить до області електрофізичної та електрохімічної обробки, зокрема до електроерозійного легування, і може застосовуватися для обробки поверхонь елементів імпульсних торцевих ущільнень (ІТУ). До останнього часу вважалося, що ІТУ працездатні тільки в рідких середовищах. Однак проведені теоретичні та експериментальні дослідження показали, що дані ущільнення працездатні в рідинах і в газах. Були виконані унікальні дослідження імпульсних ущільнень при надвисоких режимних параметрах pv > 400 МПа • м/с в кріогенній рідині (рідкий азот, t = 195 °C), які показали, що такі ущільнення малочутливі до теплофізичних властивостях і температури робочого середовища. Все це дозволяє зробити висновок про універсальність імпульсних ущільнень і їх велику практичну цінність [Громыко Б. М., Колпаков А. В., Чернов А. Е. Опыт разработки импульсных торцовых уплотнений для быстроходных турбонасосов // Труды 9-й Международной конференции "Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования". - Т.1.- Сумы. - 1999. - С. 151-159]. З огляду на те, що при високих і надвисоких тисках, екстремальних температурах (від високих до кріогенних), в агресивних середовищах і т.п., де застосування в роз'ємних сполученнях ущільнень з неметалічних матеріалів обмежено або неможливо, зміцнюється переконання в доцільності застосування металевих ущільнень, для яких практично немає обмежень, крім міцності самого матеріалу елементів ущільнень і термостійкості матеріалу покриттів [Громыко Б.М., Матвеев Е.М., Постников И.Д., Митюков Ю.В., Михалев И.А., Сорокин В.А., Петренко Р.И. Опыт разработки и эксплуатации металлических уплотняющих элементов для работы в широком диапазоне температур и давлений / Там же С. 38-51]. Як матеріали використовують, в тому числі, і берилієву бронзу БрБ2. При цьому слід зазначити, що ущільнення, що мають гумові ущільнювачі вторинного ущільнення, не працездатні в кріогенних середовищах. Для роторних машин, що перекачують кріогенні середовища, запропоновано ІТУ, здатне надійно працювати в кріогенних середовищах високого тиску при великих швидкостях обертання і на нестаціонарних режимах з малими протічками від 0,1 до 0,7 л / с, в залежності від геометричних розмірів торцової пари [Патент Российской Федерации на изобретение № 2187727 С2. 7 F 16 J 15/34. Торцовое импульсное уплотнение. /Громыко Б.М., Каторгин Б.И., Кириллов В.В., Колпаков А.В., Марцинковский В.А., Матвеев Е.М, Постников И.Д., Чернов А.Е., Степанова М.А./ Опубл. 20.08. 2002, Бюл. № 23.- с], (Прототип). Кільця зазначеного ущільнення виконані у тому числі з берилієвої бронзи БрБ2. Робочі торцеві поверхні кілець мають покриття з високотвердих матеріалів типу нітриду титану TiN або твердого сплаву ВК8. Такі технічні рішення спільно з іншими дозволяють застосовувати ІТУ в турбонасосних агрегатах (ТНА) рідинних ракетних двигунів (РРД). Однак слід зазначити, що нітрид титану TiN і твердий сплав ВК8 мають не тільки високу твердість, але й досить високий коефіцієнт тертя 0,4-0,7, тому небажано їх застосування в парах тертя без спеціальних покриттів. Розширення сфери застосування імпульсних ущільнень в сторону підвищення режимних параметрів спричинило необхідність створення нових, композиційних матеріалів типу "основа покриття", що поєднують захисні властивості покриттів з механічною міцністю основи. Перспективним способом підвищення зносостійкості кілець ІТУ є формування на робочих торцевих поверхнях методом ЕЕЛ комбінованих покриттів, які поєднують змащувальні та антизносні властивості. Такими покриттями є комбіновані електроерозійні покриття (КЕП), що включають в себе тверді зносостійкі і м'які антифрикційні матеріали. Для збільшення товщини і суцільності покриття були запропоновані квазібагатошарові КЕП, що формуються у послідовності ВК8 + Сu + ВК8. Відповідно до цього рішення, найбільш доцільним є КЕП, де перший і останній шари з твердого сплаву ВК8 наносять при Wu=0,2 Дж, а мідь - при Wu=0,08 Дж. У цьому випадку товщина зміцненого шару збільшується до 30-40 мкм, мікротвердість знаходиться на рівні 8740 МПа, а суцільність становить 100 % [Тарельник В. Б. Разработка технологии повышения качества поверхностных слоев импульсных торцовых уплотнений, работающих в различных средах, методом электроэрозионного легирования // Электронная обработка материалов.2000.- № 4.- С. 7-11], Прототип. Однак такі КЕП на зразках з берилієвої бронзи БрБ2 не забезпечують заданої мікротвердості в поверхневому шарі. Для забезпечення у поверхневих шарах ІТУ заданих триботехнічних і механічних властивостей створений спосіб обробки торцевих поверхонь кілець з берилієвої бронзи БрБ2, який забезпечує підвищення зносостійкості імпульсного торцевого ущільнення (ІТУ), що працює в кріогенних середовищах. 1 UA 123189 U 5 10 15 Заявляється спосіб, що, як і відповідні способи, відомі з рівня техніки, включає обробку торцевих поверхонь кілець методом електроерозійного легування графітовим електродом перед нанесенням на них електроерозійного покриття і формування самого покриття, але при якому, відповідно до технічного рішення, що заявляється, при формуванні покриття на торцеві поверхні кілець з берилієвої бронзи БрБ2 наносять електроерозійне покриття з хрому при енергії розряду Wu=0,4 Дж. Проводилися металографічні дослідження ЕЕЛ зразків з берилієвої бронзи БрБ2 з шорсткістю поверхні Ra=0,5 мм і твердістю після остаточної термообробки 370НВ. Аналіз технології формування покриття на берилієвій бронзі БрБ2 показав, що у разі ЕЕЛ бронзи БрБ2 твердим сплавом ВК8, мікротвердість поверхневого шару є істотно нижчою, ніж мікротвердість основного металу, і складає 1650 МПа. У міру поглиблення, мікротвердість плавно зростає і на глибині 15…20 мкм відповідає твердості основного металу. Суцільність шару невисока і складає ~ 70 %. При легуванні БрБ2 хромом при Wu=0,4 Дж отримують поверхневий шар товщиною 10…40 мкм і мікротвердістю до 11020 МПа. Нижче розташовується перехідна зона (~ 25 мкм) мікротвердістю 2100…2500 МПа. Суцільність шару досягає 100 %. Результати металографічних досліджень покриттів на берилієвій бронзі БрБ2 наведені у Таблиці. Таблиця Матеріал покриття ВК8 1М* Хром Товщина шару, Мікротвердість Нμ, Суцільність, % мкм МПа 15…20 1650 70 до 50 4500 75 До 40 11020 до 100 Шорсткість, Ra, мкм 2,3 2,7 1,2 * - 1М - 70 % хрому, 20 % нікелю, 5 % бору і 5 % кремнію. 20 25 30 Таким чином, запропоновано новий спосіб обробки торцевих поверхонь кілець ІТУ, виготовлених з берилієвої бронзи БрБ2, що працюють у кріогенних середовищах, який забезпечує підвищення їх якості, завдяки нанесенню на них електроерозійного покриття з хрому після обробки методом ЕЕЛ графітовим електродом. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб обробки торцевої поверхні кільця з берилієвої бронзи БрБ2 імпульсного торцевого ущільнення, що працює в кріогенних середовищах, який включає обробку торцевої поверхні кільця методом електроерозійного легування графітовим електродом перед нанесенням на неї електроерозійного покриття і формування самого покриття, який відрізняється тим, що при формуванні покриття на торцеву поверхню кільця з берилієвої бронзи БрБ2 наносять електроерозійне покриття з хрому при енергії розряду Wu=0,4 Дж. Комп'ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2