Карбид кремния или карбид вольфрама: сравнение материалов рабочих поверхностей уплотнения

Карбид кремния (SiC) и карбид вольфрама (WC) — два твёрдых материала, из которых формируется пара трения торцевого уплотнения. Карбид кремния как керамическое соединение обеспечивает наибольшую твёрдость и теплопроводность; карбид вольфрама благодаря металлической связке заметно вязче и лучше сопротивляется ударам и сколам кромки.

Пара трения определяет ресурс уплотнения сильнее любого другого узла: именно здесь начинается утечка, выделяется тепло трения и развивается износ. Поэтому решение по материалу принимается сразу после анализа рабочей среды. Основы принципа работы описаны в руководстве что такое торцевое уплотнение.

В этом руководстве сравниваются две марки карбида кремния, варианты связки карбида вольфрама, углеграфит и керамика из оксида алюминия; далее показано, какая пара подходит какой среде и как читаются коды материалов DIN 24960 / EN 12756. О конструкциях уплотнений читайте в статье виды торцевых уплотнений.

Спечённый карбид кремния (SSiC) получают спеканием без давления, так что свободный кремний в структуре не остаётся. Из-за отсутствия растворимой металлической фазы материал устойчив практически во всём диапазоне pH, в сильных кислотах и в щелочных растворах. Твёрдость составляет примерно 2500 HV — наивысшую среди материалов рабочих поверхностей.

Реакционно-спечённый карбид кремния (RBSiC или SiSiC) получают пропиткой пористого углеродного каркаса расплавленным кремнием, при этом в структуре остаётся примерно 8–15 % свободного кремния. Эта фаза уязвима к сильным щелочам, горячему едкому натру и плавиковой кислоте, зато марка дешевле и проще в изготовлении крупных сложных деталей.

Обе марки проводят тепло почти как металлы, поэтому тепло трения быстро уходит с поверхности и стойкость к термоудару высокая. Для сильных щелочей, щелочных циклов мойки и процессов высокой чистоты выбирают SSiC; для чистой воды и нейтральных промышленных сред достаточно RBSiC.

Карбид вольфрама — это кермет, получаемый спеканием твёрдых зёрен WC с металлической связкой. При твёрдости около 1500 HV он уступает карбиду кремния, но заметно превосходит его по трещиностойкости, поэтому торцевое уплотнение с поверхностью из карбида вольфрама применяют в тяжёлых насосах с вибрацией, кавитацией и гидроударом.

Связка определяет коррозионное поведение. Марка с кобальтовой связкой более трещиностойкая и дешевле, но в кислых средах кобальт растворяется избирательно, зёрна теряют опору и выкрашиваются с поверхности. Марка с никелевой связкой значительно устойчивее к кислотам и морской воде при несколько меньшей механической прочности.

Карбид вольфрама к тому же плотный материал: на больших диаметрах он увеличивает вращающуюся массу и стоимость. Теплопроводность у него высокая, но ниже, чем у карбида кремния, поэтому при очень высоких значениях PV его обычно сочетают с SiC. В данных по продукции поверхность из карбида вольфрама указана для моделей серии MEGASEAL, например MS-7.

Углеграфит благодаря слоистой структуре — единственный материал рабочих поверхностей, который смазывает себя сам. Коэффициент трения низкий, материал прирабатывается к ответной поверхности и переносит кратковременный сухой ход намного лучше любой твёрдой пары. Будучи мягким, он утапливает мелкие частицы, но при высокой концентрации абразива изнашивается быстро.

Пористый углеродный каркас уплотняют пропиткой, и именно пропитка задаёт химический и температурный предел. Марки с пропиткой смолой применяют для воды и общих химических сред; марки с пропиткой сурьмой держат более высокие давление и температуру и лучше сопротивляются блистерингу.

Углеграфит всегда работает в паре с твёрдой ответной поверхностью. Пара «твёрдый — мягкий» даёт низкое трение и малую утечку, а две твёрдые поверхности оставляют для абразивных сред. Об эластомерах и металлических деталях читайте в руководстве выбор материалов для уплотнительных изделий.

Керамика из оксида алюминия (Al₂O₃) — самый экономичный твёрдый материал рабочих поверхностей, и твёрдость растёт с чистотой. Материал устойчив в окислительных средах и чистой воде, но не даёт такого широкого рабочего окна в сильных кислотах и щелочах, как карбид кремния.

Слабое место — теплопроводность. Тепло трения уходит с поверхности слишком медленно, поэтому оксид алюминия чувствителен к термоудару: резкий перепад температуры или короткий сухой ход могут дать трещину. При высоких значениях PV и при риске сухого хода вместо него выбирают карбид кремния.

В паре с углеграфитом оксид алюминия долго служит на чистой воде и в малонагруженных линиях низкого давления, где решающим фактором является стоимость.

Таблица ниже — инструмент предварительного отбора; значения отражают приблизительные диапазоны из общей инженерной литературы и должны быть подтверждены по ведомости материалов производителя.

Выбор пары трения начинается с содержания частиц, смазывающей способности и химической агрессивности среды; давление и скорость сужают решение. Как правило, одна сторона пары должна быть мягче другой, а две твёрдые поверхности оставляют для абразивных сред.

DIN 24960 и EN 12756 обозначают материалы рабочих поверхностей и эластомеров буквенными кодами — это общий язык заказов и переписки по запасным частям. Соответствие связок ниже отражает распространённую практику опубликованных таблиц кодов и должно подтверждаться по ведомости материалов производителя.

Meccanotecnica Umbra Turkey — турецкая компания итальянского производителя торцевых уплотнений Meccanotecnica Umbra S.p.A. Из промышленной зоны Икителли в Стамбуле компания производит и поставляет торцевые уплотнения, сальниковые набивки, прокладки и вращающиеся соединения для автомобильной промышленности, бытовой техники и промышленных насосов.

В таблице приведены материалы поверхностей и предельные значения из данных по продукции. Карбид кремния и углеграфит — общие варианты для промышленных серий; поверхности из карбида вольфрама и керамики указаны для моделей серии MEGASEAL.

Шесть вопросов сужают решение по материалу; когда ответы ясны, обычно остаётся одна подходящая пара трения.

• Есть ли в среде абразивные частицы? Если да, нужна пара из двух твёрдых поверхностей SiC/SiC.
• Каков диапазон pH? При сильных щелочах, горячем едком натре или плавиковой кислоте выбирают SSiC, а не RBSiC.
• Есть ли кислоты или морская вода? Тогда нужна марка карбида вольфрама с никелевой, а не кобальтовой связкой.
• Возможен ли сухой ход? Пара с углеграфитом переносит короткие перерывы; керамика из оксида алюминия и пары из двух твёрдых поверхностей (SiC/SiC, WC/SiC) — нет, тогда берут углеграфитовую ответную поверхность.
• Высоко ли произведение давления и скорости (PV)? Поверхность из карбида кремния отводит тепло быстрее всего.
• Есть ли вибрация или гидроудар? Вязкий карбид вольфрама безопаснее хрупкой керамики.

Варианты поверхностей и эластомеров, предельные значения и технические PDF по сериям смотрите в каталоге продукции; сообщите данные по среде и рабочую точку, и подходящую комбинацию материалов мы определим вместе.