Выбор материалов для колец

Материалы пар колец торцовых уплотнений выбирают в зависимости от характеристик рабочей среды, условий работы по параметрам нагрузки и антифрикционных свойств, при взаимодействии поверхностей колец. Анализ работы торцовых уплотнений в центробежных насосах показывает, что требования, предъявляемые к материалам пар трения, можно свести к ряду показателей применимости:

• коррозионной стойкости;
• эффективности теплоотвода;
• работоспособности материала в режиме трения при «смазочном голодании».

Для оценки материалов пар трения в можно сравнивать их по комплексу λЕ/α, где λ - теплопроводность материала, Е - модуль упругости, α - коэффициент температурного линейного расширения. По этому комплексу λЕ/α лучшие из графитовых материалов (цифры в скобках показывают значение комплекса):

• из мягких графитов - электрографит с пропиткой сурьмой (2,31×10⁵), пиро- графит ПГИ(1,7×10⁵);
• из твердых графитов - силицированный графит СГТ (42×10⁵) и карбид кремния (130,2×10⁵).

Важным условием повышения работоспособности уплотнений является использование для пар трения особо твердых износостойких материалов . Одним из эффективных путей совершенствования торцовых уплотнений является переход от менее износостойких пар трения (например, пара «углеграфит - металл») к значительно более износостойким: углеграфит по силицированному графиту, минерало- или металлокерамике; силицированный графит по силицированному графиту.

Износ трущихся поверхностей колец в контактной паре возрастает с ростом температуры в ней. Так, при температурах 588 ÷ 698°К пропитка в большинстве графитовых композиций разрушается. Графит окисляется на воздухе при температуре выше 773°К, образуя летучие оксиды углерода; при низких температурах он взаимодействует с кислородом слабее, чем многие металлы, но так как его оксид летуч, то на поверхности не образуется защитных оксидных пленок. При температурах порядка 815°К происходит размягчение хромового покрытия, а в покрытиях, выполненных плазменным напылением, образуются термотрещины. Снизить температуру в контактной паре можно за счет применения для ее колец материалов большой теплопроводности и обеспечения внешних условий отвода тепла.

Исследования показали, что удовлетворительную работоспособность в жидком азоте обнаруживают тонкие фторопластовые пленки. Положительные результаты демонстрируют самосмазывающиеся материалы, представляющие собой комбинации пластмасс с графитом. Наилучшие среди них – композиции на основе фторопласта-4 и нейлона. Композиционные пленки, показавшие хорошую износостойкость и низкий коэффициент трения в жидком азоте, показали аналогичный результат и в условиях жидкого водорода. Наилучшие показатели при трении в жидком водороде имеет пара графит - графит.

При низких температурах углеродные материалы имеют такие же характеристики, как и при высоких температурах. Коэффициент трения и износ в общем случае имеют тенденцию к увеличению с повышением температуры. Фенольная смола, фторопласт и нейлон, используемые как пропиточные материалы для углеродных материалов, имеют удовлетворительные характеристики трения и изнашивания в жидком азоте.

Графитофторопластовые антифрикционные материалы применяют, в основном, в окислительных средах. В сильных окислителях и ряде других агрессивных средах применяют материал Ф4К20 на основе фторопласта-4 с 20% кокса, работающий в паре с керамикой ЦМ-332.

Кроме силицированных графитов, для условий работы при высоком давлении и значительных скоростях скольжения применяют карбиды кремния, а также твердые металлокерамические сплавы на основе карбидов вольфрама, хрома, титана и др. Допустимые рабочие температуры для колец из карбида вольфрама – 870°К, нитрида кремния – 1470°К, карбида кремния – 1670°К, оксида алюминия – 1870 ÷ 1970°К.