книги из ГПНТБ / Голубев, А. И. Торцовые уплотнения вращающихся валов

Недостатками бронзовых колец являются их низкая корро­ зионная стойкость и дефицитность олова.

Бронзы не имеют удовлетворительной износостойкости при трении на воде и водных растворах. На этих средах, а также на нефтепродуктах, маслах и других химически нейтральных жидко­ стях, широко применяют пары трения пластмасса — металл, кера­ мика и углеграфит — металл, керамика. Используют различные термореактивные смолы с наполнителями (кокс, графит, твердые смазки, стекло, асбест и т. д.), а также термопластичные мате­ риалы.

Пластмассовые кольца уплотнений изготовляют в пресс-фор­ мах. Окончательная механическая обработка колец невелика.

Основные преимущества таких композиционных материалов — низкая стоимость, технологичность изготовления и высокая износо­ стойкость. Так, например, износ кольца из пластмассы АМС-1 при трении на керосине с давлением 4 кгс/см2, температурой 100° С и скоростью скольжения 10 м/с за 1200 ч работы составил всего 0,01—0,02 мм [1]. Свойства материалов пар трения приведены в табл. 3.

За рубежом наибольшее распространение для изготовления колец торцовых уплотнений получили пластмассы на основе фенол­ формальдегидной смолы.

К недостаткам пластмасс следует отнести их низкую теплопро­ водность, сравнительно низкую термостойкость, которая опре­ деляется свойствами связующей смолы, невысокие механические характеристики и большой коэффициент температурного расши­ рения.

Вследствие низкой теплопроводности и сравнительно невысо­ кой термостойкости пластмасс даже при кратковременном сухом трении пары наблюдается обугливание (почернение) трущейся по­ верхности пластмассового кольца (рис. 84).

В качестве материалов колец, работающих в паре с кольцами из пластмасс, применяют стали (углеродистые, хромистые, не­ ржавеющие) и керамику (на основе А120 3).

Из-за отмеченных недостатков пластмассовых колец уплотне­ ния с такими парами трения пригодны для работы в наиболее лег­ ких по рабочим параметрам условиях (см. табл. 1, группа I).

Наиболее широко эти уплотнения используют в насосах охла­ ждения двигателей внутреннего сгорания.

При более высоких параметрах работы (по давлению и скорости скольжения) в большинстве случаев применяют кольца из угле­ графитовых материалов. Их делят на обожженные и графитированные. Состав тех и других примерно одинаков, термическая обработка различна. В качестве исходных материалов при произ­ водстве углеграфитов используют кокс, сажу, графит и пек. После заключительного прессования заготовок колец производят обжиг и получают обожженные углеграфитовые материалы. Если после обжига применяют дополнительную выдержку в печи с темпера-

114

попеременно давление (4—5 атм) и вакуум (750—760 мм рт. ст.), чтобы извлечь из пор углеграфита воздух и заполнить их смолой. Пропитанные изделия сушат и подвергают полимеризации при 130— 140° С и давлении 4—5 атм в том же автоклаве.

Из углеграфитов, пропитанных металлами, в торцовых уплот­ нениях НМЗ хорошо зарекомендовал себя графитированный углеграфит, пропитанный сплавом (95% свинца, 5% олова) марки АГ-1500-С06 [с м . табл. 3].

Пропитку металлами производят в автоклавах при давлении в несколько десятков атмосфер и температуре приблизительно на 150° С выше температуры плавления металлов. Применяют также пропитку бронзой, сурьмой и другими металлами.

Глубина проникновения пропитывающего вещества зависит как от его свойств, так и от плотности углеграфитового материала (объем пор, процент закрытых пор и т. д.). Поэтому в каждом кон­ кретном случае нужно знать глубину пропитки, чтобы последую­ щей обработкой кольца не снять наиболее плотный наружный слой материала. Во всех случаях, если это возможно, следует применять пропитку обработанных колец с минимальными при­ пусками на окончательную обработку.

В парах трения с кольцами из углеграфитов 2П-1000-Ф и АГ-1500-С06 на химически нейтральных жидкостях с параметрами, соответствующими группам I, II и частично III (см. табл. 1), главным образом применяют сталь 9X18, закаленную до HRC 50— 60, а также наплавки стеллита и сормайта.

Пары трения с кольцами из 2П-1000-Ф более пригодны для работы в водных средах и нефтепродуктах. Например, хорошие результаты получены при эксплуатации в течение 5 лет торцовых уплотнений с парой трения 2П-1000-Ф — стеллит В2К в грузовых насосах танкеров, перекачивавших морскую воду и нефтепродукты (ВНИИГидромаш).

Пары трения с кольцами из АГ-1500-С05 пригодны для нефте­ продуктов, особенно в тех случаях, когда возможна кратковремен­ ная работа уплотнения всухую. Кроме отмеченных материалов в последнее время применяют новые углеграфитовые материалы марок УГ-20Г, УКМ, НИГРАН, Химанит и др.

При небольших удельных нагрузках и скоростях скольжения (группа I) пары трения АГ-1500-С05 по металлу могут длительно работать и при недостаточной смазке и охлаждении (например, на консистентной смазке). Однако пары трения с кольцами, про­ питанными металлами, не должны при трении нагреваться до температуры плавления металлической пропитки. При наступле­ нии такого момента пропитка выплавляется из углеграфита, что сопровождается большим его износом и разгерметизацией уплотне­ ния вследствие переноса металла на контактирующую поверх­ ность.

При перегреве пар трения с кольцами, пропитанными смолой, происходит сгорание смолы в поверхностном слое кольца. При

116

этом наблюдается повышенный износ и иногда разгерметизация уплотнения, однако в отличие от колец на основе термореактив­ ных смол, углеграфитовые кольца не разрушаются.

Сухое трение и резкое охлаждение пары при ухудшении ее герметичности описаны для металлических колец из стали 9X18 и стеллита, склонных к терморастрескиванию. Поскольку вероят­ ность таких режимов возрастает с увеличением давления и ско­ рости скольжения в парах трения, то описанные выше пары не­ достаточно надежно работают на параметрах групп IV и ча­ стично III (см. табл. 1). Использование углеграфитовых материа­ лов марок 2П-1000-Ф, АГ-1500-С05 для пар трения гидродинами­ ческого и гидростатического типа с целью повышения рабочих параметров уплотнений не дало удовлетворительных результатов. Рабочие поверхности углеграфитовых колец сравнительно быстро повреждались из-за эрозионного воздействия воды в зазорах уплотнений.

рекомендовать пары трения: силицированный графит по силицированному графиту, силицированный графит или другие специаль­ ные твердые графиты по твердым металлокерамическим сплавам на основе карбидов металлов.

В зависимости от степени силицирования и исходных мате­ риалов силицированные графиты содержат различное количество карбида кремния. С увеличением его содержания твердость и из­ носостойкость углеграфитов повышается, но одновременно воз­ растает хрупкость и склонность к трещинообразованию. Наиболее широко в парах трения торцовых уплотнений применяют сили­ цированный графит ПГ-50С (другое обозначение марки этого графита-СГ-Т). Применяют также более мягкие силицированные графиты марок СГП (разработан в «Союзуглероде»), УМС (раз­ работан в ГОСНИИЭП) и ПРОГ-2400С (другое обозначение — СГ-М).

Важно отметить, что силицированные графиты относятся к не­ многим материалам, которые хорошо работают на трение сами по себе при смазке различными жидкостями. Так, например, пара трения ПГ-50С по ПГ-50С работает практически без износа при давлении воды 60 атм и более в гидравлически неразгружен­ ных уплотнениях (данные ВНИИГидромаша).

При испытаниях гидравлически неразгруженного уплотнения с парой трения УМС по УМС на масле с давлением 30 атм, темпера­ турой 150° С при скорости скольжения 20 м/с утечка масла через пару трения составила около одной капли в 5 мин, а износ колец за 700 ч был не более 1 мкм.

Высокую износостойкость и надежность работы указанных пар трения, а также пар трения СГ-П по СГ-П, ПГ-50С по УМС, ПРОГ-2400С по ПРОГ-2400С и других можно объяснить особой структурой, высокой микротвердостью отдельных компонентов

117

материалов, отсутствием у них свойства схватываемости и высо­ кой теплопроводностью силицированных графитов (см. табл. 3).

Силицированный графит состоит в основном из твердых зерен карбида кремния, перемежающихся с более мягкими включениями кремния и углерода (рис. 85).

Можно предполагать, что при трении силицированного гра­ фита по силицированному графиту, когда трущиеся поверхности разделены тонким слоем жидкости, температурное расширение отдельных микроучастков поверхности различно из-за неоднород­ ности их состава и неравномерности нагрева теплом трения. В ре­ зультате должна происходить неоднородная деформация поверх­

в разделе «Теория термогидродинамического расклинивания пары трения».

Подтверждением гидродинамического характера трения пар из силицированного графита является их неудовлетворительные антифрикционные характеристики при трении всухую. Проис­ ходит интенсивный износ трущихся поверхностей без следов при­ работки. Однако при последующей работе на жидкости пара тре­ ния опять прирабатывается до блеска.

Сказанное относится к твердым материалам типа ПГ-50С. Повидимому, с уменьшением содержания карбида кремния в графите его антифрикционные свойства в режиме сухого трения должны улучшаться, но при этом износостойкость и антифрикционные характеристики при работе на жидкостях ухудшаются.

Как показали эксперименты во ВНИИГидромаше, уплотне­ ния с парами трения ПГ-50С по ПГ-50С работают всухую лишь кратковременно (в течение 10—20 с). С повышением давления жидкости до 100—200 кгс/см2 и более и скорости скольжения до 20 м/с и более рекомендуется вместо обыкновенных применять термогидродинамические пары трения (см. рис. 40, в). В качестве материала колец термогидродинамической пары хорошо зареко­ мендовал себя графит ПГ-50С (для колец с диаметром до 150 мм). Для изготовления колец большого диаметра (более 150—-200 мм) можно использовать графиты СГ-П и ПРОГ-2400С.

Использование силицированных графитов для пар трения с гид­ ростатическим расклиниванием поверхностей также весьма перс­ пективно, однако требуется проработка технологии их изготовле­ ния в связи со сложностью форм поверхностей, хрупкостью мате­ риалов и трудностью их механической обработки.

Кроме силицированных графитов, для работы при высоком давлении и скорости скольжения применяют твердые металло­ керамические сплавы на основе карбидов вольфрама, хрома, ти­ тана и др. Кольца из этих сплавов изготовляют в пресс-формах и затем спекают (при этом происходит значительная усадка колец).

В качестве связующих материалов для зерен карбидов метал­ лов используются кобальт, никель, платина и другие металлы.

118

Пример, одна и та же среда в зависимости от исходного сырья мо­ жет содержать примеси, резко изменяющие ее химические свойства. Поэтому для пар трения торцовых уплотнений следует выбирать наиболее химически стойкие и универсальные материалы. К ним в первую очередь следует отнести углеграфиты, пропитанные различными смолами и другими химически стойкими веществами, фторопласт-4 с различными наполнителями, силицированный гра­ фит, минералокерамику на основе окиси алюминия и другие мате­ риалу.

Для отечественных торцовых уплотнений, работающих в агрес­ сивных средах, широко применяют пару углеграфит 2П-1000-Ф по силицированному графиту ПГ-50С. Эта пара, кроме высокой химической стойкости, имеет также и удовлетворительные анти­ фрикционные характеристики.

В тех случаях, когда силицированный графит оказывается не­ достаточно химически стойким (среды с окислительными свой­ ствами — концентрированная азотная и серная кислоты, среды с содержанием кремнефтористоводородной и плавиковой кислот, щелочные среды), применяют пары углеграфит 2П-1000-Ф и фторо- пласт-4 с наполнителями по минералокерамике марки ЦМ332 (см. табл. 3). При трении на щелочных средах для пропитки углеграфита 2П-1000 вместо фенолформальдегидной смолы рекомен­ дуется применять эмульсионную или фурфуролацитоновую смолы.

Минералокерамика ЦМ332, содержащая 99% окиси алюминия (корунд), изготовляется в пресс-формах из порошка со связую­ щим с последующим высокотемпературным обжигом. При этом происходит значительная (—25%) усадка колец. Из-за хрупкости и сравнительно невысокого коэффициента теплопроводности кера­ мика ЦМ332 склонна к терморастрескиванию, поэтому для таких пар трения режимы сухого трения недопустимы.

Минералокерамика, являясь окислом, имеет высокую стой­ кость в средах с сильными окислительными свойствами. Угле­ графиты не обладают такой стойкостью, поэтому в пару с кера­ микой для сильных окислителей можно рекомендовать материалы на основе фторопласта-4, весьма стойкие и во многих других агрес­ сивных средах [35]. Для улучшения механических и антифрик­ ционных свойств этих материалов во фторопласт-4 вводят различ­ ные наполнители: кокс, ситалл, дисульфид молибдена и др. К та­ ким материалам относится, например, упоминавшийся ранее АМИП-ЗОМ (фторопласт-4 с наполнением ситаллом и дисульфи­ дом молибдена), разработанный НИИПЛАСТМАСС. В табл. 3 даны характеристики материалов Ф4к20 и ФКМ-105 с содержа­ нием кокса, хорошо зарекомендовавших себя при трении по кера­ мике в агрессивных средах.

Материалы на основе фторопласта-4 имеют весьма низкую теп­ лопроводность и значительно меньшую, чем у углеграфитов, термо­ стойкость (максимальная температура при эксплуатации не должна превышать 260° С [35 ]), поэтому сухое трение для пар трения тор­

120