СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к технологии изготовления металлических уплотнительных элементов из беррилиевой бронзы БрБ2, используемых для герметизации разъемных соединений агрегатов энергетических установок, работоспособных в диапазоне температур - от криогенных до плюс 380^oC.

Уплотнительные элементы, применяемые в данной области техники, должны обладать высокой работоспособностью в экстремальных условиях - широком интервале температур и давлений, атмосфере окислительной среды, например, кислорода при обеспечении заданной степени герметичности. Такие элементы работают в упруго-пластической области, а это означает, что материал, из которого они выполняются, должен иметь высокие значения как прочности, так и пластичности. Для обеспечения большого ресурса работы уплотнительные элементы должны быть упругими и изготавливаться из высокопрочных материалов и сплавов.

Известен способ изготовления упругих металлических уплотнительных элементов, при котором на поверхность заготовки из высокопрочной стали после механической и химической обработок наносят полиэтиленовое покрытие (см. патент США N 3679613, кл. 156 - 309).

Однако данный способ не может быть использован для изготовления уплотнительных элементов разъемных соединений в энергетических установках, поскольку не удовлетворяет указанным выше требованиям, в особенности из-за негерметичности и пожароопасности.

Известны способы изготовления упругих уплотнительных элементов с фторопластовым покрытием, которые могут быть использованы для разъемных соединений агрегатов энергетических установок в диапазоне температур - от криогенных до +200^oC. Способ по авт. свид. СССР N 872875 предусматривает предварительную обработку покрываемых поверхностей кольцевых заготовок из высокопрочной стали, нанесение на них сначала слоя черного хрома, а затем - слоя фторопластового покрытия и термообработку каждого слоя. В способе по патенту России N 2054136 предусмотрено после предварительной обработки покрываемых поверхностей нанесение на них электролитическим методом сначала медно-фторопластового, а затем - никель-фторопластового слоев с последующей термообработкой полученного комбинированного покрытия.

Однако известный способ по авт. свид. СССР N 872875 не обеспечивает надежной работоспособности уплотнительных элементов в условиях воздействия на них агрессивных сред и значительных динамических нагрузок из-за возможного трещинообразования покрытия и его отслаивания от подложки. Указанный недостаток устранен при использовании другого способа (пат. России N 2054136) изготовления уплотнительных элементов за счет использования комбинированного металлофторопластового покрытия.

Однако использование таких элементов в энергетических установках ограничено в связи с возможным разрушением покрытия в условиях повышенной вибрации, высоких динамических нагрузок и температур выше +200^oC (350 - 380^oC), что может явиться источником нарушения требуемой герметичности агрегатов и возгорания разъемных соединений в атмосфере окислительной среды (кислорода).

Задача изобретения - создание технологии изготовления упругих металлических уплотнительных элементов, которая обеспечила бы повышение их работоспособности в экстремальных условиях и в окислительной среде.

Задача решена за счет того, что заготовки в виде кольцевых поковок изготавливают из беррилиевой бронзы БрБ2 осадкой исходного материала, вырубкой цельного отверстия и раскаткой сначала на оправке, а затем на раскатной машине, причем осадку и раскатку на оправке осуществляют на предварительно подогретом инструменте поэтапно при температурах, обеспечивающих достижение на каждом этапе деформации в пределах 30-50%, а раскатку на раскатной машине проводят при нагреве заготовок, обеспечивающем достижение требуемых размеров, с последующим их охлаждением в воде, полученные заготовки в процессе термической обработки подвергают отжигу при 400 ± 10^oC, закалке 790 ± 10^oC и старению при 400 ± 10^oC.

Технический результат - предотвращение возможности возгорания материала уплотнений - бронзы БрБ2, ввиду высокой стойкости ее окисной пленки, а также повышение выхода годной продукции до 95% за счет увеличения степени однородности и равномерности структуры бронзы.

Использование бронзы БрБ2 для других уплотнительных элементов обусловлено ее высокой стойкостью к возгоранию, а также высокими прочностными свойствами. Повышенная пластичность бронзы достигается за счет подбора режимов ее термической обработки.

Способ, согласно изобретению, осуществляют следующим образом.

Требуется изготовить заготовки для уплотнительных элементов из прутков, выполненных из бронзы БрБ2. Для этого прутки подвергают ковке (осадке) на предварительно подогретом ковочном инструменте. Подогрев необходим ввиду высокой теплопроводности бронзы. Процесс осуществляют поэтапно, причем на каждом этапе (проходе) степень деформации должна быть в пределах 30 - 50%. Количество проходов зависит от конечного размера поковок. Достижение указанного предела деформации необходимо для получения однородной, равномерной структуры металла. При превышении 50% степени деформации возможно получение крупного зерна в локальных объемах за счет ускорения процесса рекристаллизации. Осаженные поковки до требуемой высоты прошивают на прессе с получением кольцевых заготовок. Далее их раскатывают на предварительно подогретой оправке. Заготовки нагревают в печи и подвергают металл поперечной деформации поэтапно, обеспечивая на каждом этапе степень деформации в пределах 30 - 50%. Охлажденные заготовки вновь нагревают и раскатывают на раскатной машине до достижения требуемого размера диаметра кольца. Раскатанные заготовки охлаждают в воде для частичной закалки, при этом фиксируется структура бронзы БрБ2 с большим растворением бериллия в α-твердом растворе меди. Затем заготовки подвергают термообработке. Для этого проводят отжиг при температуре 400 ± 10^oC для выделения упрочняющей фазы по границам зерен, обеспечивающее стабилизацию мелкозернистой структуры металла, закалку в воду с температуры 790 ± 10^oC и старение при температуре 400 ± 10^oC для выделения необходимого количества упрочняющей γ-фазы. Выдержки при термообработке подбирают в зависимости от технологических требований.

Металлографические исследования показали, что заявленная технология позволила получить однородную и равномерную структуру бронзы БрБ2, а значит и однородность механических свойств по всему металлу заготовок. Сформированные из них упругие уплотнительные элементы прошли испытания в экстремальных условиях в атмосфере окислителя - кислорода. Возгорания изделий не наблюдалось. Выход годной продукции составил 93 - 95%.

Ниже приведен пример осуществления предложенного способа.

Изготавливали заготовки из БрБ2 для уплотнительных колец диаметром 500 мм из прутков диаметром 100 мм. Перед осадкой ковочные инструменты подогревали до температуры 200 - 250^oC. Прутки нагревали в печи до температуры 780^oC и ковали в интервале температур 780 - 650^oC в два этапа (прохода). Процесс на каждом этапе осуществляли до получения степени деформации, равной 35 - 40%. Поковки заданной высоты - 65 мм прошивали с получением кольцевых заготовок. Далее их раскатывали на предварительно подогретой до 200 - 250^oC оправке за один этап (проход). Процесс проводили при температуре 780 - 650^oC до получения степени деформации, равной 45%. Диаметр кольца составлял 210 мм. Далее заготовки нагревали до 700 ± 10^oC и переносили на раскатную машину, где доводили наружный диаметр до 500 мм. Полученные кольца охлаждали в воде с температуры не ниже 650^oC и подвергали термообработке. Для этого их отжигали при 400 ± 100^oC, проводили закалку с 790 ± 10^oC с последующим старением при 400 ± 10^oC.

Металлографические исследования показали однородную и равномерную структуру бронзы БрБ2 и отсутствие каких-либо дефектов.

Испытания механических свойств показали, что кратковременная прочность металла составила более 100 кгс/мм², относительное удлинение - более 6%, относительное сужение - более 11% и ударная вязкость на образцах с острым надрезом - более 1,2 кгм/см².

Сформированные из заготовок уплотнительные элементы прошли испытания в экстремальных условиях в атмосфере кислорода без возгорания и разрушения в температурном интервале - от криогенных до + 300^oC.