Способ изготовления уплотнительных изделий из порошков меди

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам изготовления уплотнительных изделий из порошков меди. Медный порошок послойно засыпают в пресс-форму с высотой слоя 0,5-10,0 мм, прессуют и спекают. Способ позволяет повысить равноплотность получаемого изделия, что приводит к повышению герметизирующей способности, снижению усилия затяжки болтов, увеличению выхода годного и повышению ресурса работы уплотняемого узла. 1 табл.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам изготовления уплотнительных изделий из порошков меди, которые применяются, например, в качестве уплотнения цилиндров дизелей локомотивов подвижного состава железнодорожного транспорта, уплотнений под трубопроводную арматуру и т.д.

Известен способ изготовления уплотнительных изделий (колец) по ТВ ЧСН 42.3005.10.42.3005.11, который приведен в альбоме чертежей ЧМЭ.3 (ЧДК, Прага, Механическая часть, стр.28-000) и включает операции прессования (листовой штамповки вырубкой), отжига и выравнивания (рихтовки) колец из листовой меди.

Недостатками этого способа является то, что при эксплуатации медных уплотнительных изделий (колец), выполненных по такому способу, из-за относительно высокого сопротивления деформации листовой меди наблюдается неплотное прилегание контактирующих уплотняемых поверхностей и, в связи с этим, недостаточная их герметизация, в результате чего может происходить протечка воды и масла, пробой газов. Высокое сопротивление деформации листовой меди компенсируют повышением усилий затяжки болтов, что может приводить к повреждению резьбовых соединений и нарушать герметизацию уплотняемых поверхностей, а также к уменьшению ресурса работы узлов в целом. Кроме того, учитывая низкий коэффициент использования металла при изготовлении колец по этому способу, очевидна и низкая экономическая эффективность этого способа.

Так, например, при производстве уплотнительного кольца с наружным и внутренним диаметрами, равными 374 и 344 мм соответственно, и толщиной кольца, равной 1,4 мм, коэффициент использования металла составляет 95% при его изготовлении из порошка меди и не более 10% при листовой штамповке. Таким образом, с учетом затрат на производство соотношение суммарных затрат этих двух способов составляет не менее 5:1 в пользу способа производства уплотнительных колец из порошка меди.

По способу, указанному в прототипе (патент Украины №50960, МКИ B22F 3/16, 1/00, бюл. №1, 2005 г.), изготовление уплотнительных изделий из порошка меди с пористостью 5-9% производится засыпкой порошка меди с насыпной плотностью 1,7-3,6 г/см³, прессованием заготовок при давлении 800-1000 МПа, а после спекания заготовки уплотняют при давлении 1000-1400 МПа.

Недостатком данного способа является неравномерность распределения плотности по объему изделия, связанная с неравномерностью заполнения порошком камеры засыпки перед прессованием как при автоматическом способе ее заполнения, так и путем ручной засыпки. Эта неравномерность засыпки увеличивается с уменьшением текучести порошка меди и с увеличением отношения высоты изделия к его ширине более чем 2,5:1, а также в случае изготовления изделий сложной формы.

Неравномерность распределения плотности по объему уплотнительных изделий определяет и неравномерность распределения прочностных, деформационных и эксплуатационных свойств. Неравномерная прочность сырой прессовки увеличивает вероятность ее разрушения при транспортировке, что приводит к увеличению брака (до 6-10%) при изготовлении изделий. Кроме того, неоднородность плотности и связанная с этим неоднородность сопротивления деформации по объему изделия ухудшает герметизацию уплотняемых поверхностей, что приводит к пробоям и утечке газов, воды, масла и т.д. В конечном итоге, существенно увеличивается объем ремонтно-восстановительных работ и снижается ресурс работы как уплотнительных изделий, так и герметизируемых узлов в целом.

Задача, которая решается изобретением, заключается в разработке способа изготовления уплотнительных изделий из порошков меди с повышенной равномерностью распределения плотности по объему, которое позволяет получать изделия с минимальным разбросом механических характеристик. Это приводит к повышению герметизирующей способности изделия, снижению усилия затяжки болтов, увеличению выхода годных изделий при их изготовлении и повышению ресурса работы уплотняемого узла.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления уплотнительных изделий из порошков меди, который включает засыпку порошка, прессование, спекание и уплотнение, согласно изобретению засыпку порошка производят послойно с высотой слоя, равной (0,5-10,0) мм.

Уменьшение неоднородности механических характеристик обеспечивается за счет повышения равномерности распределения плотности по объему изделия, которая является следствием послойной засыпки порошка.

По способу, указанному в прототипе, изготовление уплотнительных изделий производят засыпкой порошка, прессованием пористой заготовки, ее спеканием и последующем уплотнением.

В способе, который заявляется, засыпку порошка в пресс-форму производят послойно, с высотой слоя, равной (0,5-10,0) мм.

Послойная засыпка порошка увеличивает равномерность заполнения пресс-формы, обеспечивая повышенную равноплотность сырой прессовки и равномерность усадки при спекании, что приводит к минимальным разбросам остаточной плотности и механических характеристик в готовом изделии.

Общими признаками предлагаемого изобретения и прототипа являются засыпка порошка, прессование, спекание и уплотнение изделий из порошков меди.

Отличительными признаками от прототипа является то, что порошок засыпают послойно с высотой насыпанного слоя, равной (0,5-10,0) мм.

Критериями оценки материала и уплотняемых изделий, изготовляемых по заявляемому способу, являются плотность, твердость и угол загиба образцов до разрушения. Эти критерии определяют в 4-х точках изделия, равноудаленных друг от друга. Плотность материала определяют методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 18898-89, определение твердости по Бринеллю проводят на твердомере ТШ-2М по ГОСТ 9012-89, угол загиба образцов до разрушения измеряют после гиба на испытательной машине Р-05 по ГОСТ 14019-80.

Суть изобретения заключается в следующем:

Медный порошок с насыпной плотностью 1,7-3,6 г/см³ послойно засыпают в пресс-форму с высотой насыпаемого слоя, равной (0,5-10,0) мм, затем производят прессование при давлении (800-1000) МПа. Полученные заготовки спекают в засыпке глинозема при температуре 900+30°С, а затем спеченные изделия уплотняют при давлении (1000-1400) МПа. В результате осуществления изобретения получен материал с разбросом значений в пределах одного изделия - по плотности от 1,3 до 2,4%, по твердости от 2,2 до 4,5% и по углу загиба образцов до разрушения от 1,1 до 2,2%.

Пример осуществления изобретения:

Для получения кольца высотой 5 мм, медный порошок марки ПМС-1 ГОСТ 4960-86 с насыпной плотностью 1,9 г/см³ послойно засыпают в пресс-форму с высотой засыпаемого слоя равной 5 мм, при общей высоте засыпки 15 мм. Засыпанный таким образом порошок прессуют при давлении 800 МПА. Затем изделия спекают в засыпке глинозема при температуре 900+30°С в водороде и уплотняют при давлении 1200 МПа. Разброс значений в 4-х равноудаленных точках составляет по плотности 1,2%, по твердости НВ 2,3%, по углу загиба при радиусе изгибающего ножа, равного 5 мм, 1,1%, при условии, что угол загиба образцов для данного вида изделий должен быть не менее 90 град.

Примеры осуществления способа в других случаях приведены в таблице.

В примере 1 (таблица) показано, что изделия в случае малых значений высоты слоя засыпки порошка (0,3 мм) характеризуются большим разбросом всех физико-механических характеристик (по плотности 10,6%, по твердости НВ 16,0%, по углу загиба 11,3%), что связано с затруднением движения порошка из загрузочной камеры в матрицу.

В примере 5 разброс значений (по плотности 12%, по твердости 15,2%, по углу загиба 13,2%) и прототипе разброс значений (по плотности 14,2%, по твердости 17,4%, по углу загиба 12,5%), что можно объяснить неоднородностью сдвиговых деформаций в порошковом слое в момент засыпки.

Кроме того, в примерах 1, 5 и прототипе, значения угла загиба до разрушения меньше 90°, т.е. не выдерживаются требования, предъявляемые к материалу по условиям эксплуатации.

Более низкие значения разброса по физико-механическим характеристикам в примерах 2, 3 и 4 (разброс по плотности 2,4%; 1,2%; 1,3%; по твердости 4,5%; 2,3%; 2,2%, по углу загиба 1,1%; 1,1%; 2,2%) объясняются тем, что в случае засыпки медного порошка слоями, равными (0,5-10,0) мм, сдвиговые деформации в засыпаемом слое порошка носят монотонный характер и не приводят к появлению указанной неоднородности деформаций и пористости.

Технический и экономический эффект от изобретения, определяемый ресурсом работы уплотнительных изделий, в частности, колец для тепловозов и колеблющийся в зависимости от назначения от 100 до 200 тыс. км пробега тепловозов, подтверждается положительными результатами эксплуатационных испытаний медных колец, изготовленных по предлагаемому способу и испытанных на протяжении 3-х лет в головках цилиндров дизелей тепловозов ЧМЭ-2 и ЧМЭ-3, эксплуатируемых в Украине в Локомотивных депо Дарница (Юго-Западная железная дорога), Христиновка (Одесская железная дорога), тепловозоремонтном заводе (г.Днепропетровск) и т.д.

№ п/п	Высота засыпанного слоя, мм	Характеристики сырой, прессовки	Характеристики готового уплотнительного изделия
		Плотность, г/см3	% брака	Плотность, г/см3	Разброс плотности, %	Твердость НВ, МПа	Разброс твердости, %	Угол загиба, град	Разброс, %
max	min	max	min	max	min	max	min
1	0,3	7,92	6,46	4-5	8,5	7,6	10,6	45	38	16,0	80	71	11,3
2	0,5	7,14	6,95	-	8,4	8,2	2,4	45	43	4,5	94	93	1,1
3	5,0	6,90	6,88	-	8,2	8,1	1,2	44	43	2,3	95	94	1,1
4	10,0	6,80	6,71	-	8,0	7,9	1,3	46	45	2,2	94	92	2,2
5	15,0	7,14	6,29	5-6	8,4	7,4	12,0	46	39	15,2	81	70	13,6
Прототип	-	7,22	6,20	6-10	8,5	7,3	14,2	46	38	17,4	80	70	12,5

Способ изготовления уплотнительных изделий из порошков меди, включающий засыпку порошка, прессование, спекание и уплотнение, отличающийся тем, что засыпку порошка производят послойно с высотой слоя, равной 0,5-10,0 мм.