Obtaining friction pairs of mechanical seals made of composite material of the TiC-SiC system

Full Text

Введение Современный уровень развития техники выдвигает все более сложные требования к материалам изделий добывающей, химической, автомобильной и тракторной промышленности, работающих в условиях высоких температур и давлений, износа и коррозии в различных агрессивных средах. Поиск новых материалов для пар трения является актуальной задачей, решение которой направлено на снижение потерь энергии в узлах трения, снижение износа деталей пар трения и повышение ресурса работы узлов и механизмов различного оборудования. В настоящее время применяют различные материалы для пар трения. В большинстве современных конструкций пар трения торцевых уплотнений зарубежного производства, в частности, в торцевых уплотнениях центробежных насосов системы охлаждения дизельных двигателей в тракторостроении, используется техническая керамика на основе карбида кремния (пара трения: SiC-SiC). Детали пар трения из технической керамики обладают высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью, но при повышенных оборотах (более 3500 об/мин) и, особенно, в момент «сухого трения» возрастает риск растрескивания их рабочей поверхности, что приводит к появлению «течи» торцевого уплотнения и потере его работоспособности. Кроме того, получение изделий из карбида кремния является трудоемким и энергоемким процессом, а, при этом они обладают повышенной хрупкостью и низкой ударной прочностью [1]. В конструкции центробежного насоса 16-08-140СП системы охлаждения дизеля Д160 (180) отечественного трактора Т10 применяется торцевое уплотнение с парой трения сталь (бронза) - графит (силицированный графит). Применение пары «мягкая - по твердой» не всегда обеспечивает ресурс работы торцевого уплотнения в связи с влиянием мелких абразивных частей на износ «мягкой» поверхности, что приводит к течи охлаждающей жидкости в контакте пары трения. Более твердые тела в паре трения внедряются в мягкое контртело и выводят пару из строя при перегрузках. Кроме того, производство изделий из силицированного графита экологически вредно. Тугоплавкие материалы и покрытия с высокой прочностью и износостойкостью рассматриваются в настоящее время как перспективные для экстремальных условий эксплуатации [2]. Одним из новых и перспективных функциональных материалов для изготовления плотных и прочных деталей и изделий, подвергающихся интенсивному износу в процессе эксплуатации, является материал системы TiC-SiC-Al2O3. Выбор композиции обусловлен возможностью формирования многофазной системы из твердых карбидных зерен, соединенных между собой квазипластичным тернарным соединением Ti3SiC2, которое может сформироваться в процессе получения композиционного материала. При этом оксид алюминия увеличивает износостойкость всей композиции [3]. В настоящее время для получения плотных изделий применяют горячее прессование, которое требует высоких энерго- и трудозатрат. Перспективным энергосберегающим и более производительным способом получения плотных, прочных и износостойких изделий является механоактивация в высокоэнергетической мельнице порошковой смеси и ее последующее плазменно-искровое спекание (ПИС) [4-8]. Механоактивация позволяет создавать активные состояния в порошковой композиции и ускорения химических реакций между твердыми телами при получении материалов в высоко неравновесном состоянии. При плазменноискровом спекании через порошковый материал, находящийся под давлением в пресс-форме, пропускают электрические импульсы большой мощности, формируемые с помощью генератора постоянного тока, в свою очередь, вызывающие выделение тепла, которое разогревает спекаемый материал. Одновременное воздействие давления и высокой температуры, как и при горячем прессовании, приводит к интенсивному уплотнению материала. Однако, поскольку происходит внутренний разогрев порошкового материала, скорость нагрева может быть значительной, что снижает продолжительность обработки и затраты энергии. Цель работы Цель работы заключалась в получении и исследовании экспериментальных образцов пар трения, изготовленных из композиционного материала системы TiC-SiC методом механоактивации и ПИС. Поставленная цель направлена на решение задач по повышению ресурса работы торцевого уплотнения центробежного насоса 16-08-140СП системы охлаждения дизеля Д-160(180) для трактора Т10. Материалы, методы эксперимента и исследований В качестве исходных материалов для пар трения использовали порошки титана ТПП-7 фракции менее 325 мкм, порошок технического карбида кремния фракции менее 10 мкм, порошок углерода С-1, порошок измельченного глинозема фракции менее 0,3 мкм с преимущественной фазой γ-Al2O3 в необходимом соотношении и в количестве, не превышающем массу загрузки мельницы. Механоактивацию смесей Ti-16,7 % SiC-16,7 % C (A0) и Ti-16,7 % SiC-16,7 % C-10 % Al2O3 (A10) проводили на планетарной мельнице «САНД» при следующем режиме: - частота вращения барабана мельницы - 240 мин-1; - частота вращения кювет 615 мин-1; - суммарное время размола 3 ч (прерывистый режим для охлаждения оснастки: 20 мин размола, 60 мин охлаждения); - соотношение масс мелющих тел и обрабатываемого материала 7,5 : 1. Плазменно-искровое спекание проведено на установке SPS-1050b (Dr. Sinter) в следующих условиях. Нагрев велся за счет ступенчатого увеличения тока через оснастку со скоростью 100 А/мин, что соответствовало скорости нагрева 80 °С/мин. В участках образования контактных перешейков между частицами спекаемого материала концентрировалась энергия высокой плотности, которая обеспечивает пространственную точность прессовки и однородность компактного материла. После достижения нужной температуры производится выдержка. Высокотемпературная выдержка составляла 5 и 10 мин. После окончания высокотемпературной выдержки нагрузка снималась, образец охлаждался вместе с оснасткой в камере установки. Микротвердость определяли на микротвердомере ПМТ-3 по стандартной методике при нагрузке 0,1 и 1,0 кгс. Значения температурной усадки образцов определяли по изменению расстояния между токоподводами установки SPS-1050b в процессе сжатия порошковой смеси и ПИС. Предварительные испытания поверхности образцов на износ проводили на машине трения СМЦ-2 по схеме «колодка - диск». Результаты и обсуждение Материал колец должен обеспечивать работоспособность пары трения центробежного насоса системы охлаждения дизеля Д-160 при следующих условиях эксплуатации торцевого уплотнения: - частота вращения, мин-1: 500 (min) - 2285 (max); - усилие прижатия колец, Н: 175; - удельное давление, МПа: 0,12; - работа в жидкости ОЖ-40 (ОЖ-65) или тосол А-40 (65). Эскиз деталей пар трения представлен на рис. 1. а б Рис. 1. Эскиз деталей пар трения: а - кольцо 35х24х5,8; б - кольцо 41,8х16,8х4 Конструкция прессовой оснастки для ПИС с целью получения экспериментальных образцов выбрана исходя из принципов устройства пресс-форм для двустороннего одноосевого прессования порошковых материалов и с учетом усадки смеси при ПИС. Разработанная оснастка предназначена для ПИС на установке с площадью токоподводов не менее 50 см2, током не менее 4000 А, усилием прессования не менее 50 кН. В качестве материала всех деталей пресс-формы выбран графит МПГ-6. Графит используется для изготовления высокотемпературных пресс-форм, поскольку не подвержен высокотемпературной текучести и с увеличением температуры только увеличивает прочность в отличие от металлических материалов. Графит легко подвергается механической обработке, обладает хорошей электропроводностью, что является необходимым условием при разработке оснастки для ПИС. Среди различных марок графита выбирали МПГ-6 как мелкозернистый графит высокой прочности. Для разработки оснастки проводили расчет обоймы на прочность. Обойма представляет собой кольцо, нагруженное внутренним давлением на его внутреннюю поверхность. Осевое усилие прессования, КН, определяли по формуле (1): , (1) где q - удельное давление прессования, МПа; S - площадь сечения прессовки, расположенная перпендикулярно направлению прессования, м2. Для однослойных обойм должно выполняться условие прочности: σэквивал. ≤ [σрастяж.], (2) где σэквивал рассчитывается по формуле: , (3) где [σрастяж.] - допускаемое напряжение растяжения для материала обоймы, [σрастяж.] = = 32 МПа для графита МПГ-6; pбоков - внутреннее давление на боковую стенку матрицы, pбоков = (0,2…0,4)·q, МПа; rвнутр - внутренний радиус обоймы, мм; rнаружн - наружный радиус обоймы, мм. Результаты расчета прочности обоймы представлены в таблице 1. Из полученных данных следует, что для данных давлений прессования σэквивал меньше допустимой прочности графита. Следовательно, для всех видов оснастки выполняется условие прочности матрицы. Давление прессования выбирается исходя из прочности матрицы и составляет 10-11 МПа. На рис. 2 представлен эскиз пресс-формы в сборе для получения колец экспериментальных образцов пар трения. Изучение процессов консолидации экспериментальных образцов при ПИС показало, что введение Al2O3 не влияет на общий характер спекания (рис. 3). При сравнении консолидации образцов без добавки и содержащих 10 % Al2O3 видно, что усадка протекает в одних тех же температурных интервалах. На начальной стадии (до 570 °С) спекания происходит усадка образца, обусловленная испарением остаточной влаги и началом образования шеек между частицами. На второй стадии (570-775 °С) усадка образца практически не наблюдается, т.к. происходит диффузионный обмен и массоперенос между частицами. Третья стадия (775-1100 °С) отличается значительной усадкой образца, связанной с релаксацией напряжений, полиморфным превращением в титане и, возможно, образованием новых фаз. И наконец, при температурах более 1100 °С происходят фазовые превращения, приводящие к формированию карбида титана. В конечном продукте композиционный материал состоит из карбида титана, карбида кремния и в небольшом количестве карбосилицида титана. Добавка Al2O3, как видно из рис. 3, препятствует усадочным процессам. Это хорошо видно также при анализе усадки в процессе окончательного плазменно-искрового спекания (рис. 4). В зависимости от состава и времени выдержки усадка заканчивается при различных температурах (рис. 4). При 5 минутах выдержки при температуре выше 1350 °С усадка образца А10 незначительна, а при 10 минутах (при такой же температуре) наблюдается небольшое расширение образцов. Образец А10 демонстрирует усадку вплоть до 1400 оС. Следовательно, для образцов, содержащих Al2O3, необходима более высокая температура ПИС для получения минимальной пористости. Исходя из анализа процессов консолидации материала, далее при изготовлении натурных образцов температура ПИС была не ниже 1350 °С. На рис. 5 представлены полученные экспериментальные образцы пары трения «Кольцо 41,8х16,8х4» - «Кольцо 35х24х5,8». Материал, который использован для изготовления колец, обладает следующими механическими характеристиками: - твердость по Виккерсу 14 ГПа; - интенсивность износа при сухом трении 4,49∙10-9 мм износа/мм пути трения. Анализ поверхности детали «Кольцо 35х24х5,8» после испытаний на износ показал, что шероховатость поверхности уменьшается в процессе работы пары трения за счет приработки поверхностей (рис. 6). Рис. 6. Микроизображение поверхности детали «Кольцо 35х24х5,8» после испытаний на износ На микроскопических снимках детали после испытаний наблюдается гладкая, практически зеркальная поверхность, где отчетливо видна матрица карбида титана с зернами карбида кремния. Наиболее темные области представляют собой поры размером до 5 мкм. Заключение Предложен материал системы TiC-SiC для пар трения, полученный методами механоактивации и плазменно-искрового спекания. Исследованы закономерности его консолидации и влияния добавки оксида алюминия на плотность конечного продукта. Установлено, что введение оксида алюминия препятствует усадке материала. Из зависимости усадки от температуры спекания следует, что оптимальной температурой спекания материала TiC-SiC является 1350 °С. Полученный материал обладает твердостью HV 14 ГПа. На основе разработанных чертежей деталей центробежного насоса системы охлаждения дизеля Д-160 трактора Т10 изготовлены прессоснастка и экспериментальные образцы деталей пары трения. Испытания деталей на машине трения показали, что интенсивность износа при сухом трении составляет 4,49∙10-9 мм износа/мм пути трения. При работе в паре трения наблюдается приработка деталей, что приведет к снижению коэффициент трения и уменьшению износа, к повышению герметичности торцевого уплотнения. Таблица Результаты расчета прочности обоймы Деталь Площадь поперечного сечения, см2 Боковое давление, МПа Внутренний радиус обоймы, rвнутр, мм Наружный радиус обоймы, rнаружн, мм σэквивал, МПа Кольцо 35х24х5,8 мм 16,3 10 27,5 45 31,9 < [sрастяж.] Кольцо 41,8х16,8х4 мм 11,5 11 25 45 31,8 < [sрастяж.] Рис. 2. Эскиз пресс-формы в сборе для получения кольца 41,8х16,8х4: 1 - обойма; 2 - матрица; 3 - пуансон; 4 - центральный стержень; 5, 6 - обечайка; * - размеры для справок Рис. 3. Зависимость усадки от температуры при ПИС для материалов с 10 % Al2O3 и без добавки Рис. 4. Зависимость усадки КМ при различных температурах окончательного плазменно-искрового спекания а б Рис. 5. Экспериментальные образцы деталей пар трения: а - «Кольцо 35х24х5,8»; б - «Кольцо 41,8х16,8х4» Исследования проводились при финансовой поддержке РФФИ, грант № 17-48-590547 р_а.

About the authors

M. N Kachenyuk

Perm National Research Polytechnic University

Email: max@pm.pstu.ru
PhD in Engineering Perm, Russia

A. A Smetkin

Perm National Research Polytechnic University

Email: max@pm.pstu.ru
PhD in Engineering Perm, Russia

O. V Somov

Perm National Research Polytechnic University

Email: max@pm.pstu.ru
PhD in Engineering Perm, Russia

References

Supplementary files