Главная / Торцовые механические уплотнения Vulcan / Материалы уплотняющих колец торцовых уплотнений

Материалы уплотняющих колец торцевого уплотнения

  1. Металлы
  2. Углеродные и углеграфитовые материалы.
  3. Твердые сплавы
  4. Керамика
  5. Пластмассы
  6. Сальниковая набивка
  7. Покрытия и напыления

Требования к материалам для пар трения

Выбор тех или иных материалов для пары трения торцового уплотнения зависит от условий работы уплотнений и требований эксплуатации в отношении их надежности, долговечности и герметичности, а также технологичности и экономических показателей изготовления уплотнительных колец.

К материалам колец трущейся пары предъявляются определенные требования в части соответствия антифрикционности, износостойкости, коррозионной стойкости каждого материала в уплотняемой среде, а также к прочности, теплопроводности, изменению размеров деталей с изменением температуры в узле и др. Диапазоны изменения ряда характеристик материалов, используемых для колец пар трения, достаточно широк.

При выборе материалов для пар скольжения учитывают, прежде всего, их фрикционные качества при работе в паре трения, износостойкость материалов при работе в уплотняемой среде, физико-механические свойства, а также коррозионную стойкость.

Металлы

В качестве материала для пар трения торцовых уплотнений в торцовых уплотнениях используют сталь 95X18 (закаленная до 55 HRC) обычно в сочетании с углеграфитом 2П-1000Ф. Широкое распространение в конструкциях уплотнений получил хромистый чугун и сплав нирезист. Чугуны имеют хорошие и стабильные характеристики в условиях «смазочного голодания». Коррозионная стойкость чугунов повышается с добавлением никеля, хрома, меди или их комбинаций.

Наиболее широко применяют чугуны в комбинации с твердыми углеграфитами в насосах, перекачивающих нефтепродукты. Кольца из чугуна относительно недороги и легко поддаются обработке. В отечественных конструкциях торцовых уплотнений чугуны не применяют.

 

Углеродные материалы

Углеграфитовые материалы являются наиболее распространенными материалами, используемыми в парах трения торцовых уплотнений. В качестве исходных материалов для них применяют природный и искусственный графиты.

Углеграфитовые материалы для колец торцовых уплотнений делят на обожженные и графитированные. Состав тех и других примерно одинаков, и различаются они лишь степенью термической обработки. В качестве исходных материалов при производстве углеграфитов используются кокс, сажа, графит и пек. После заключительного прессования заготовки обжигают в печи и получают обожженные углеграфитовые материалы. Если после обжига применяют еще и выдержку в печи с температурой 2400 ÷ 2600°С, при которой часть аморфного угля переходит в графит, то такие материалы называют графитированными. При этом повышается теплопроводность углеграфитов (примерно в 2 раза), улучшаются их антифрикционные свойства, повышается стойкость к окислению, но снижается прочность. После обжига и графитизации углеграфитовые материалы имеют пористость 6 ÷ 30%. Чтобы ее ликвидировать, улучшить антифрикционные и механические свойства углеграфитов, их пропитывают смолами, солями, металлами и др. В общем случае пропитка снижает пористость, увеличивает модуль упругости, твердость, температурный коэффициент линейного расширения и теплопроводность материала.

Антифрикционные материалы на основе углерода подразделяют на следующие основные типы:

  • углеродные обожженные с пропиткой
  • графитированные с пропиткой
  • графитофторопластовые
  • силицированные графиты.
Характеристики материалов для колец торцовых уплотнений
Материал кольца
Плотность,
г/см3
Предел прочности при сжатии (при изгибе) МПа
Модуль упругости,
ГПа
Твердость
Тепло­провод­ность при 20°С, Вт/(м×°С)
Коэффициент линейного расширения при 20-100°С,
10-6/ °С
Допустимая температура, °С
1 Пирографит ПГИ 2,1 210 ÷ 260 11 ÷ 17 35 НВ 30 ÷ 50 5÷8,5 300
2 Химанит 1,85 ÷ 1,89 130 ÷ 170 (32 ÷ 38)
50 10÷15 200
3 Углеграфит АО-1500-СО5
(пропитка свинцом и оловом)
2,7 ÷ 3,0 260 ÷ 280 17 70 ÷ 75(Шор)
50 ÷ 54 HRC
30 6,5÷8,5 300
4 Углеграфит АО-1500-Б83
(пропитка баббитом)
2,4 ÷ 2,8 140 ÷ 150 (60 ÷ 75) 13,5 ÷ 14 70 ÷ 72(Шор)
50 ÷ 54 HRC
80 ÷ 90 6,5 230
5 Углеграфит 2П-1000Ф
(пропитка фенол-формальдегидной смолой)
1,67 ÷ 1,7 160 ÷ 170 (60 ÷ 75) 14 70 ÷ 75 80 2,5 200
6 Углеграфит (пропитка сурьмой) 2,35 310 (80) 180 70 (Шор) 9,8 5,3 320
7 Силицированный графит СГ-Т 2,5 ÷ 2,8 300...320 (90...110) 95 65 ÷ 78 HRC 85 ÷ 100 4,6 400
8 Силицированный графит СГ-П 2,4...2,6 430...450 125 65 ÷ 80 HRC 130 ÷ 150 4,2 400
9 Силицированный графит ГАКК 55/40 2,0 ÷ 2,4 120÷180 90 50HRC 120 3,9 400
10 Боро-силицированный графит БГС-30 2,2 150
5,5 1500
11 Карбид кремния (Великобритания) 3,1
410 2500 ÷ 3500 (микро­твердость) 83,6 4,3
12 Карбид кремния («Ирито», Россия) 3,0
400 2500 ÷ 3500 (микро­твердость) 150 3,8
13 Silkar 3 ÷ 3,1
340 89 ÷ 92 HRC 135 ÷ 160 4,2 700
14 Rocar SiSiC(88% SiC, 12% Si) 3,07 3500 340
3,4÷4,1 1350
15 Сталь 95X18 7,7
230 55 HRC 45 11,8 500
16 Хромистый чугун (ФРГ) (30% Сг, 1% Мп) 7,3 1000 200 300 НВ 19 10,6
17 Сплав нирезист (ФРГ) (20% Ni, 2% Сг, 2%  Si, 1% Мп, 0,5% Си) 7,3 700...800 105 170 НВ 34 17
18 Твердый сплав ВК8 14,6 5000 (1700) 700 87 HRA 60 5,6 600
19 Карбид вольфрама (ФРГ) 93% WC, 7% Со 14,8 5000 700 91,5 HRA 50 5,6 600
20 Керамика ЦМ-332 3,8 4500 (400) 350 90 HRA 25 7 1000
21 Нитрид кремния S13N4 3,4 830 290
15 ÷ 20 3,7 1600
22 Фторопласт-4 2,1...2,2 12(11 ÷ 14) 0,5 ÷ 0,7 3 ÷ 4 НВ 0,2 8÷25 150
23 Графитопласт Ф4К20 (кокс 20%) 2,1 25 0,8 5 НВ 0,2 8÷11 150

Широкий диапазон физико-механических свойств углеродных материалов обусловлен многообразием композиций компонентов и способов производства. В конструкциях торцовых уплотнений широко применяют графит 2П-1000 с пропиткой фенолформальдегидной смолой и графиты АО-1500 и АГ-1500 с пропиткой свинцом или баббитом. Применяют их для работы в паре с силицированным графитом СГ-П или со сталью 95X18. Пропитка пористых графитов смолами, солями, металлами, в том числе свинцом, оловом, медью, сурьмой, обычно осуществляется в автоклавах, где при температуре выше температуры плавления материала пропитки создают попеременно давление и вакуум, чтобы заполнить пустоты в теле графита пропиточным материалом.

Одним из наиболее применяемых углеграфитовых материалов является силицированный графит. Он состоит из твердых зерен карбида кремния, перемежающихся с более мягкими включениями кремния и углерода. Высокая износостойкость и долговечность силицированного графита обусловлена особой структурой материала, представляющей собой жесткий каркас из карбида кремния высокой твердости и включенный в него свободный графит, который обеспечивает высокие антифрикционные свойства и теплопроводность. Для торцовых уплотнений используют силицированный графит нескольких марок: СГ-Т, СГ-П (различающиеся соотношением компонентов и имеющие различную технологию производства) и ГАКК 30/63, ГАКК 60/25, ГАКК 55/40 (графиты алюмокарбидкремниевые, разработанные специально для пар трения торцовых уплотнений). Эти материалы работают в парах трения отдельно или в комбинациях между собой. Силицированные графиты получают пропиткой исходного графита по всему объему жидким кремнием при температуре выше 2000°С. При этом происходит реакция с образованием карбида кремния. Однако при химической реакции не весь кремний входит в соединение с углеродом – свободный кремний в силицированном графите ограничивает химическую стойкость этих материалов. В частности, силицированные графиты СГ-Т и СГ-П нестойки в щелочах. Силицированный графит ГАКК 55/40 в этих условиях более стоек и является в настоящее время наиболее универсальным антифрикционным материалом с высокой химической стойкостью. Узлы трения из силицированного графита работоспособны при температурах до 350°С. Изделия из силицированного графита стойки к агрессивным средам: соляной, уксусной, фосфорной, серной, азотной, муравьиной, плавиковой кислотам, расплаву капролактама, метилхлориду, этилацетату и уксусному ангидриду.

В последнее десятилетие в узлах торцовых уплотнений широко применяются карбидокремниевые материалы, например, SILKAR, ROCAR и др. Карбид кремния SILKAR по сравнению с силицированными графитами значительно больше содержит карбида кремния и меньше углерода по массе. Он обладает значительно более высокими прочностью, модулем упругости и коэффициентом теплопроводности; его износостойкость в 2-3 раза выше, чем у СГ-П. Карбид кремния ROCAR®S (0,98% SiC, 0,1% свободного С, 0,09 % А1, 0,014% Ti, 0,028 % Fe, 0,006% Са; графит - остальное) производства Чешской Республики (реакционно-спеченный карбид кремния) отличается высокими эксплуатационными характеристиками: эрозионной, термической и химической стойкостью, надежностью и долговечностью, прочностью, твердостью, высоким модулем упругости, низким коэффициентом линейного термического расширения, высокой теплопроводностью и превосходными трибологическими свойствами.

Производители в качестве пар трения применяют карбид кремния и силицированный графит двух марок: твердый , который практически является монолитом карбида кремния; модифицированный (или корковый), который получают при воздействии паров кремния на углеродное кольцо заданной конфигурации. Процесс силицирования идет на небольшую глубину (0,5 ÷ 1 мм), при этом кольцо остается пористым и его надо пропитывать.

По данным фирмы «Бургманн» (ФРГ), карбид кремния проявляет высокую химическую стойкость в различных средах и, прежде всего, в минеральных кислотах: соляной, азотной, серной, фосфорной и фтористо-водородной (без примесей) - при различных концентрациях и температурах. Для карбида кремния характерны высокие химическая стабильность, теплопроводность и износостойкость. Недостатком являются низкий предел прочности при растяжении и хрупкость. Одним из недостатков антифрикционных материалов на основе углерода является низкая ударная вязкость, однако это проявляется только на этапе обработки детали и монтажа уплотнения; при работе торцового уплотнения ударные осевые нагрузки демпфируются упругим поджимным элементом. Все углеродные материалы имеют более низкий температурный коэффициент линейного расширения, чем металлы, и это необходимо учитывать при выборе посадок в соединениях деталей из углеграфита и металла.

Твердые сплавы

В парах трения торцовых уплотнений часто применяют сплавы на основе карбида вольфрама. В качестве связки при спекании карбидов вольфрама чаще всего используют кобальт и никель. Карбид вольфрама придает сплаву жесткость, прочность при сжатии, твердость, износостойкость, а металл связки – ударную вязкость и прочность при изгибе. Карбид вольфрама с кобальтом в качестве связки имеет ограниченное применение, в основном для абразивосодержащих сред. Кобальт имеет низкую химическую стойкость – растворяется даже в дистиллированной воде, поэтому его нельзя применять в аппаратах пищевой промышленности. Кобальт, имеющий большой период полураспада, недопустимо использовать в уплотнениях насосов атомных электростанции [9]. Кобальтовая связка колец из карбида вольфрама подвергается сильной коррозии в морской воде. Если вместо кобальтовой связки использован никель, то подобных явлений не происходит. Благодаря малому температурному коэффициенту линейного расширения твердых сплавов (в 2-3 раза меньше, чем коррозионностойкой стали) деформация поверхностей трения незначительна.

Высокая теплопроводность твердых сплавов (более высокую теплопроводность имеют лишь силицированные графиты и графитированные углеграфиты) обусловливает возможность их применения в условиях воздействия высоких термических нагрузок.

Керамика

Исключительность керамики определяется ее химической стойкостью в средах с сильными окислительными свойствами, в которых другие материалы нестойки, например в олеуме. Минералокерамику изготовляют на базе оксида алюминия. Так, минералокерамика ЦМ-332, содержащая 99 % оксида алюминия (корунда), имеет высокую стойкость в средах с сильными окислительными свойствами. Из-за хрупкости и сравнительно невысокой теплопроводности керамика склонна к терморастрескиванию при резком охлаждении и быстром нагреве, поэтому режим «смазочного голодания» для керамики нежелателен. В отечественных конструкциях торцовых уплотнений применяют минералокерамику ЦМ-332 в паре с графито-фторопластом Ф4К20.

Пластмассы

Для уплотнений, работающих при очень низкой нагруженности (например, в насосах системы охлаждения автомобиля при давлении жидкости 0,15 МПа и скорости скольжения не более 3,5 м/с), и для колец пар трения торцовых уплотнений используют пластмассы. Для них характерны высокая износостойкость и высокая технологичность (изделия из пластмасс получают горячим прессованием). Как правило, применяют твердые пластмассы на основе фенольной смолы, наполненные коксовой, асбестовой крошкой либо асбестом слоистой структуры, а также графитом или баббитом в порошкообразном виде. Эти материалы имеют высокую износостойкость в воде при работе в паре с хромистым чугуном, бронзой и керамикой. Износостойкость в значительной степени зависит от технологических параметров, например, давления и температуры при прессовании и продолжительности охлаждения.

В автомобилестроении широко применяют материал на основе фенольной смолы с добавкой графита и свинца - НАМИ-ГС-ТАФ-40, работающий в паре со сталями 30X13 или 40X13, термообработанных до 42 ÷ 47 HRC. Отрицательными свойствами материалов на базе синтетических смол является их низкая термостойкость, что ограничивает их использование при температурах выше 80°С из-за повышения коэффициента трения и деструкции материала.

Для наиболее агрессивных сред и тяжелых температурных условий (от -200 и до +100°С) уплотнительные кольца изготовляют из фторопласта-4 (ГОСТ 10007-80) и различных его модификаций. Этот материал имеет практически абсолютную химическую стойкость (на него действуют только расправленные щелочные металлы, трехфтористый хлор, элементарный фтор при высоких температурах). Коэффициент трения фторопласта-4 по твердой поверхности при малых скоростях скольжения составляет 0,05 ÷ 0,1. Материалы на основе фторопласта-4 обладают высокой стойкостью во многих средах и низким коэффициентом трения по твердым поверхностям, особенно при низких температурах, что является важным при создании узлов уплотнений для условий герметизации криогенных сред. Однако они обладают низкими показателями прочности и теплопроводности. Использование фторопластов-4 с разного рода наполнителями (например, ситаллами) повышает прочность таких материалов, а добавки кокса и молибдена повышают износостойкость.

Сальниковая набивка

Иногда в качестве материала для одного из колец торцовой пары применяют сальниковую набивку. Обычно используют для этой цели набивку на основе углеродных волокон. Такое применение сальниковой набивки для колец торцового уплотнения возможно для конструкций на низкие перепады давлений (до 1 МПа). Достоинством такого использования набивки является возможность достаточно легкой замены изношенного кольца без основательной разборки самого узла уплотнения.

Покрытия и напыления

Для снижения стоимости уплотнений возможно кольца трущейся пары изготавливать из дешевых материалов и выполнять антифрикционное и износостойкое покрытие трущихся поверхностей. Покрытия обычно выполняют плазменным напылением порошков из оксида алюминия или хрома, карбидов вольфрама или хрома. Толщина этих покрытий составляет обычно десятые доли миллиметра. Важным условием хорошей работы таких колец является близость коэффициентов температурного расширения основного материала колец и материала покрытия. Кроме напыления, покрытия колец выполняют гальваническим способом или термообработкой: хромированием, оксидированием, азотированием и др.

Плазменная обработка включает в себя ряд различных технологий нанесения покрытий, в которых термическим источником является плазма, а источником кинетической энергии струя газов, способствующих возникновению плазмы. В качестве материала покрытия, в зависимости от потребностей, применяются чистые металлы (Ti, Та, Mo, W, Al, Cu, Ni, Сг, V, Zr), сплавы на основе Ni, Cr, Fe, В, Si, Си, карбиды Cr, W, Mo, Si, Ti, оксиды Cr2O3, A12O3, TiO2, ZrO2, SiO2.

Основные сферы применения покрытий - это защита от коррозии и действия химических элементов при высокой и низкой температурах с обеспечением высокой абразивной и эрозионной износостойкости. Покрытия, нанесенные плазменным методом (в особенности керамические), применяются в химической и нефтехимической промышленности. Это обусловлено их высокой химической стойкостью (более высокой, чем у литой керамики), сопротивляемостью термическим колебаниям, удовлетворительной абразивной износостойкостью и возможностью «снятия» электростатических зарядов, накопившихся на вращающемся кольце.

В качестве покрытия трущихся поверхностей колец пары трения применяют также карбид кремния, обладающий коррозионной стойкостью, стойкостью к тепловым ударам, высокой твердостью и теплопроводностью, хорошими антифрикционными характеристиками. Из ряда модификаций карбида кремния (карбиды кремния с кристаллической α- и β-структурами без свободного кремния, карбиды с частичным содержанием свободного кремния) применительно к кольцам торцовых уплотнений наилучшими свойствами обладает однофазный карбид с кристаллической α-структурой.

Кольца торцовых уплотнений с такими покрытиями значительно дешевле в производстве, чем из цельных дорогостоящих материалов, однако их применение пока не стало признанным путем для снижения стоимости узлов уплотнений.