СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПЛОТНЯЮЩИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1996 года по МПК F16J15/08 

Изобретение относится к уплотнительной технике, а именно к способам изготовления тонкостенных металлических уплотняю- щих элементов сложной конфигурации с герметизирующим покрытием, обеспечивающих герметичность разъемных соединений в широком диапазоне температур от криогенных до плюс 200^оС, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, энергетики, химии и в других отраслях народного хозяйства.

Известен способ изготовления металлических тонкостенных уплотняющих элементов сложной конфигурации с фторопластовым покрытием, включающий предварительную обработку покрываемых поверхностей путем нанесения на них электролитического слоя черного хрома с последующим нанесением фторопласта методом окунания или пульверизации и термообработкой каждого слоя покрытия [1]
Металлические уплотняющие элементы сложной конфигурации применяются для герметизации разъемных соединений, работающих в особо сложных условиях при воздействии на них криогенных и повышенных температур, агрессивных сред и динамических и термоциклических нагрузок. С учетом этого наносимое на такие элементы покрытие должно: иметь высокую прочность сцепления с основным металлом, иметь высокую коррозионную стойкость, быть сплошным, беспористым, обладать высокой пластичностью и способностью выдерживать динамические и циклические нагрузки без трещинообразования и отслаивания от основы, позволять нанесение достаточно толстых слоев (в диапазоне 30-100 мкм) для компенсации различного рода отклонений сопрягаемых поверхностей разъемных соединений; иметь в зависимости от функционального назначения либо низкое значение микротвердости либо быть износостойким с повышенной микротвердостью.

Известный способ изготовления не позволяет обеспечить надежную работоспособность изготовленных по нему уплотняющих элементов и герметичность разъемных соединений, использующих эти элементы, в условиях воздействия на них агрессивных сред, высоких динамических и термоциклических нагрузок (в том числе климатических) из-за трещинообразования покрытия и его отслаивания от подложки в местах повышенных деформаций. Склонность к трещинообразованию и отслаиванию покрытия от основы, а также наличие характерной для черного хрома сетки трещин в его слое и микронесплошностей в слое фторопласта приводит к возникновению коррозии уплотняющего элемента при работе в агрессивных средах, что также обусловливает недостаточную надежность уплотняющих элементов, изготовленных по известному способу.

Задачей изобретения является обеспечение надежной работоспособности и герметичности при эксплуатации уплотняющих элементов в агрессивных средах в условиях воздействия на них динамических и термоциклических нагрузок.

Способ реализован при изготовлении упругих металлических уплотняющих элементов и ниппелей шарнирных соединений. Последовательность выполнения технологических операций при изготовлении уплотнений из высокопрочной нержавеющей стали приводится ниже.

Покрываемые поверхности обезжиривают органическими растворителями (например, тетрахлорэтиленом) и просушивают на воздухе. Затем проводят электрохимическое обезжиривание, промывку в теплой и холодной воде, предварительное никелирование толщиной 1.2 мкм для получения технологической подложки и вновь промывку холодной водой. После завершения операций по предварительной обработке покрываемых поверхностей наносят первый композиционный меднофторопластовый слой из суспензии на основе сульфатного электролита, приготовленного на дистиллированной воде, в состав которой кроме сульфата меди и серной кислоты входит порошок фторопласта и катионное фторуглеродное поверхностно-активное вещество (КФПАВ) в предлагаемой технологии выбрана четвертичная аммониевая соль ЧАС-76, в максимальной степени обеспечивающая устойчивость суспензии и улучшение физико-механических свойств покрытия. Скорость осаждения покрытия 0,2 мкм/мин при плотности тока 100 А/м². После нанесения меднофторопластового слоя и промывки в холодной воде проводят нанесение второго композиционного никельфторопластового слоя. В состав суспензии вводят сульфат никеля, хлорид никеля, борную кислоту, порошок фторопласта, КФПАВ (ЧАС-76). Скорость осаждения покрытия 0,2 мкм/мин при плотности тока 100 А/м². После промывки в теплой воде и сушки, выполняют термообработку покрытия в инертной атмосфере или в вакууме при температуре 280. 320^оС в течение 180.240 мин с охлаждением уплотняющего элемента на воздухе.

Режимы термообработки выбраны с учетом обеспечения оплавления фторопласта в обоих слоях покрытия, причем время соответствует необходимости продолжительности обезводораживающего отжига. Увеличение температуры выше 320^оС приводит к дестpукции фторопласта, а уменьшение не обеспечивает оплавления фторопласта в слоях.

Сравнительные испытания в сильно агрессивной среде (36%-ной азотной кислоты) покрытия в сравнении с чисто металлическими (медным, никелевым, медноникелевым) и композиционными однослойными (меднофторопластовым, никельфторопластовым) покрытиями показали, что коррозионная стойкость композиционного двухслойного покрытия (меднофторопласт + никельфторопласт), прошедшего термообработку по выбранному режиму, в несколько раз выше стойкости перечисленных покрытий (о недостаточной стойкости фторопластового покрытия по прототипу сказано выше). Высокая коррозионная стойкость данного покрытия объясняется образованием между внутренним и наружным композиционными слоями в результате взаимной диффузии коррозионностойкой переходной зоны, которая дополнительно к наружному коррозионностойкому слою защищает внутренний "мягкий" слой и сам уплотнительный элемент от воздействия агрессивной среды.

Разработанная технология нанесения композиционного покрытия на уплотняющие элементы позволяет в широком диапазоне варьировать величиной микротвердости покрытия в зависимости от соотношения толщин и объемной доли фторопласта во внутреннем и наружном слоях покрытия.

Для получения герметизирующего покрытия уплотняющих элементов с низким значением микротвердости внутренний меднофторопластовый слой выполняют толщиной 40.50 мкм с объемной долей фторопласта 34.37% Увеличение толщины слоя приводит к ухудшению его качества, а именно к увеличению пористости, крупнозернистости структуры, ухудшению адгезии и коррозионной стойкости. Уменьшение нежелательно с точки зрения его податливости, приводящей к ухудшению герметизирующей способности. При объемной доле фторопласта выше 37% отмечается рыхлость слоя и уменьшение адгезии к основе, ее уменьшение увеличивает микротвердость. Микротвердость меднофторопласта зависит от характера термообработки; при термообработке в окружающей среде медь интенсивно окисляется. В связи с этим термообработку проводят в среде инертного газа или в вакууме. Наружный никельфторопластовый слой толщиной 5.10 мкм выполняет защитную функцию и обеспечивает защитную функцию и обеспечивает высокую коррозионную стойкость покрытия и уплотняющего элемента в целом. Указанная толщина достаточна для предотвращения диффузии меди сквозь толщину защитный наружный слой, влияние этого слоя на микротвердость незначительно. Увеличение толщины наружного слоя приводит к росту микротвердости, а уменьшение к ухудшению коррозионной стойкости. Объемная доля фторопласта в этом слое, равная 45.48% является оптимальной для мягкого покрытия, т.к. ее увеличение приводит к ухудшению качества покрытия и снижению адгезии, а уменьшение к росту микротвердости.

Для получения твердого износостойкого покрытия, используемого, например, в ниппельных шарнирных соединениях, меднофторопластовый слой выполняют уменьшенной толщины, равной 10.15 мкм, а никельфторопластовый увеличивают до 40.50 мкм. При минимальной объемной доле фторопласта в обоих слоях, равной 10.15% (ниже которой покрытие по свойствам близко к чисто металлическому) и указанных выше толщинах слоев покрытие обеспечивает высокую микротвердость, износостойкость и коррозионную стойкость в высокоагрессивных средах.

В зависимости от выбранного соотношения толщин слоев и объемной доли в них фторопласта микротвердость покрытия может меняться в диапазоне от 60 до 350 единиц НV. Это обеспечивает требуемые характеристики герметичности и износостойкости разъемных соединений различного функционального назначения, что в сочетании с высокой коррозионной стойкостью покрытия обеспечивает надежную работоспособность уплотняющего элемента.

Испытания на герметичность показывают, что разъемные соединения с уплотняющими элементами, выполненными по предлагаемому способу изготовления, надежно обеспечивают герметичность в пределах 10^-7.10^-8 Вт.

Данный способ помимо изготовления уплотняющих элементов может найти широкое применение при изготовлении различных изделий народно-хозяйственного назначения, в которых требуется нанесение износостойкого, антифрикционного, антипригарного, скользкого покрытия, способного противостоять воздействию низких и повышенных температур и различных сред, в том числе высокоагрессивных.

Сущность изобретения: на предварительно обработанные поверхности элементов наносят электролитическим методом комбинированное композиционное покрытие, первый слой которого выполняют меднофторопластовым. Затем выполняют общую для обоих слоев термообработку. Термообработку выполняют в среде инертного газа или вакуума при 280-320^oС в течение 180-240 мин. 3 з. п. ф-лы.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПЛОТНЯЮЩИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ сложной конфигурации с герметизирующим покрытием, включающий предварительную обработку покрываемых поверхностей, нанесение покрытия и его термообработку, отличающийся тем, что на предварительно обработанные поверхности элементов наносят электролитическим методом комбинированное покрытие, первый слой которого выполняют медно-фторпластовым, а второй - никельфторпластовым, после чего выполняют общую для обоих слоев термообработку. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку выполняют в среде инертного газа или вакуума при 280 - 320^oС в течение 180 - 240 мин. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что медно-фторпластовый слой выполняют толщиной 40 - 50 мкм с объемной долей фторпласта 34 - 37%, а никельфторпластовый - толщиной 5 - 10 мкм с объемной долей фторпласта 45 - 48%. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что медно-фторпластовый слой выполняют толщиной 10 - 15 мкм, а никельфторпластовый - 40 - 50 мкм с объемной долей фторпласта в обоих слоях 10 - 15%.