مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

ارائه روش ترکیبی آنودایزکاری و لپینگ جهت پرداختکاری سطوح آب‌بندهای مکانیکی تنگستن کارباید مورد استفاده درکمپرسورهای واحد احیاء مستقیم صنایع فولاد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران
2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران
چکیده
آب‌بندهای مکانیکی یکی از پرمصرف‌ترین و کاربردی‌ترین اجزای پمپ‌ها و کمپرسورها می‌باشند. این قطعات از دو قسمت ثابت و متحرک تشکیل‌ شده‌اند و باید دارای سختی و کیفیت سطح مناسب باشند؛ زیرا درحالی‌که سطح متحرک بر سطح ثابت می‌چرخد باید آب‌بندی نیز انجام دهد. براین اساس، جنس و کیفیت سطح آب‌بند مکانیکی حائز اهمیت خواهد بود. فرایند لپینگ یکی از روش‌های پرداخت‌کاری جهت حصول صافی و تختی سطح آب‌بندهای مکانیکی است. با این‌ وجود، تحقیقات انجام‌شده بر روی بهینه‌سازی پارامترهای لپینگ آب‌بندهای مکانیکی به‌ویژه از جنس تنگستن کارباید کافی  به نظر نمی‌رسد. هدف از این مطالعه، بهینه‌سازی پارامترهای زمان و فشار لپینگ برای جنس تنگستن کارباید جهت بهبود تختی و زبری سطح آب‌بندهای مکانیکی است. برای دستیابی به این هدف، از روش جدیدی شامل ترکیب فرایندهای آنودایزینگ و لپینگ استفاده گردیده و نتایج زمان و فشار عملیات لپینگ برای نمونه‌های آنودایز شده و آنودایز نشده به‌دست ‌آمده است. نتایج آزمایش‌ها نشان داده است که ترکیب فرایند‌های آنودایزینگ و لپینگ باعث کاهش سختی سطحی نمونه‌ها به میزان بیش از 50% شده و با انجام عملیات آنودایز، حداکثر زمان لپینگ نمونه‌ها از حدود 17 ساعت به زیر 4 ساعت کاهش ‌یافته است. بر اساس نتایج بررسی با میکروسکوپ الکترونی روبشی، لایه اکسیدی سطح نمونه‌ها پس از عملیات لپینگ به‌طور کامل برداشته ‌شده و در نتیجه در عملکرد آب‌بند مکانیکی خللی وارد نخواهد شد. همچنین، نتایج بررسی توپوگرافی دوبعدی و سه‌بعدی سطح نشان داد که تختی و زبری سطح نمونه‌های آنودایز شده نسبت به نمونه‌های آنودایز نشده بهبود پیدا کردند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

A hybrid lapping/anodizing technique for surface modification of the tungsten carbide mechanical seals used in direct reduction plant compressors of steel production industries

نویسندگان English

Hadi Allahvakil 1
Hamid Zarepour Firouzabadi 2
1 MSc Student, Department of Mechanical Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran
2 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran
چکیده English

Mechanical seals are among the most widely used components of pumps and compressor. These parts consist of stationary and rotary sections with proper hardness and surface quality. The rotary surface is moving on the stationary surface while sealing should be performed between them. Hence, surface quality of the mechanical seals is critical for their performance. Lapping is a suitable finishing process used to improve the flatness and smoothness of mechanical seal surfaces. However, there is a lack of sufficient and extensive researches in the field of optimizing the lapping parameters of mechanical seals made of tungsten carbide. This study aimed to optimize the lapping time and pressure for tungsten carbide material to improve the flatness and roughness of the mechanical seals. To achieve this aim, a novel approach was used that combines anodizing and lapping. Experiments were conducted on both anodized and non-anodized samples. The results showed that anodizing reduces the surface hardness of tungsten carbide by 50%, which can reduce the maximum lapping time from 17 hours to less than 4 hours. The oxide layer on the surface of the samples was also completely removed after lapping, as confirmed by scanning electron microscopy. Moreover, the results of 2D and 3D topography showed that the surface roughness and flatness of the anodized samples were both improved compared to the non-anodized samples.

کلیدواژه‌ها English

Lapping Process
Mechanical Seals
Process Parameters
WC Anodizing
Surface Characteristics
[1] Samadi MR, Khoshanjam A, Khoshanjam K. The Effects of Angular Velocity and Combination of AIO2 and SiC Abrasive Particle by Use of NMAF Method. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2021 Aug 23;8(6):26-33. [In Persian]
[2] Rasouli S, Vahdati M, Jaberi AE. The effect of machining parameters of magnetic abrasive finishing on free surface of aluminum alloy. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2022 Feb 19;8(11):63-75. [In Persian]
[3] Hao MM, Wang YL, Li ZT, Sun XH. Effects of surface topography on hydrodynamic performance of liquid film seals considering cavitation. Industrial Lubrication and Tribology. 2018 Aug 17;70(6):984-92. doi: 10.1108/ILT-12-2016-0321
[4] Su WT, Li Y, Wang YH, Zhang YN, Li XB, Ma Y. Influence of structural parameters on wavy-tilt-dam hydrodynamic mechanical seal performance in reactor coolant pump. Renewable Energy. 2020 Apr 1;166:210-21.  doi: 10.1016/j.renene.2020.11.123
[5] Asheichik AA, Bahrami MR. Prediction of leakage in the fixed mechanical seal. InMATEC Web of Conferences 2017 (Vol. 129, p. 06002). EDP Sciences.  doi: 10.1051/matecconf/201712906002
[6] Dietzel W, Vasko J. The evolution and application of mechanical seal face materials. InProceedings of the 31st International Pump Users Symposium 2015. Turbomachinery Laboratories, Texas A&M Engineering Experiment Station.
[7] Abhinay A, Herakal SB. Review On Characteristics of Mechanical Seal Face Materials Used In Abrasive and Corrosive Applications. International Journal of Advances in Engineering and Management (IJAEM). 2023;5(3).  doi: 10.35629/5252-0503371373
[8] Zhang Y, Zhang Y. Characteristics analysis of mechanical seal face based on thermo-hydrodynamic effect. International Journal of Heat and Technology. 2018 Sep 1;36(3):1025-30. doi: 10.18280/ijht.360332
[9] Shankar S, Praveenkumar G. Experimental study on frictional characteristics of tungsten carbide versus carbon as mechanical seals under dry and eco-friendly lubrications. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2016 Jan 1;54:39-45.  doi: 10.1016/j.ijrmhm.2015.07.016
[10] Jones GA. On the tribological behaviour of mechanical seal face materials in dry line contact: Part I. Mechanical carbon. Wear. 2004 Feb 1;256(3-4):415-32. doi: 10.1016/S0043-1648(03)00539-8
[11] Sun J, Tu Q, Hu Q, Ma C, Yu Q, Zhou M, inventors; Nanjing Forestry University, assignee. Device for testing mechanical seal performance. United States patent US 9,631,990. 2017 Apr 25.
[12] Shabani M, Carrapichano JM, Oliveira FJ, Silva RF. Multilayered diamond mechanical seal rings under biodiesel lubrication and the full sealing conditions of pressurized water. Wear. 2017 Aug 15;384:178-84. doi: 10.1016/j.wear.2017.01.058
[13] Zhang GY, Dang JQ, Zhao WG, Yan XT. Tribological behaviors of the thick metal coating for the contact mechanical seal under the water-lubricated conditions. Industrial Lubrication and Tribology. 2019 Mar 5;71(2):173-80. doi: 10.1108/ILT-01-2018-0047
[14] Lin TR, Su CR. Experimental study of lapping and electropolishing of tungsten carbides. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2008 Mar;36:715-23. doi: 10.1007/s00170-006-0895-6
[15] Han W, Fang F. Fundamental aspects and recent developments in electropolishing. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2019 Apr 1;139:1-23. doi: 10.1016/j.ijmachtools.2019.01.001
[16] Han L, Zhao H, Zhang Q, Jin M, Zhang L, Zhang P. Research on influences of contact force in chemical mechanical polishing (CMP) process. Aip Advances. 2015 Apr 1;5(4). doi: 10.1063/1.4903700
[17] Zhou T, Farooq O, Guo W, Liu P, Zhao B, Wang X. Surface roughness effects on electrochemical anodization behavior of binderless tungsten carbide and oxide boundary generation. Surface and Coatings Technology. 2023 Nov 25;473:130013. doi: 1016/j.surfcoat.2023.130013
[18] Deng H, Zhang X, Liu K, Yamamura K, Sato H. Polishing of tungsten carbide by combination of anodizing and silica slurry polishing. Journal of The Electrochemical Society. 2017 Sep 15;164(12):E352. doi: 10.1149/2.1931712jes