Guarnizioni meccanichesvolgono un ruolo molto importante nell'evitare le perdite per molti settori diversi. Nell'industria marittima ci sonotenute meccaniche della pompa, tenute meccaniche dell'albero rotante. E nell'industria petrolifera e del gas ci sonoguarnizioni meccaniche a cartuccia,Tenute meccaniche scomponibili o tenute meccaniche a gas secco. Nell'industria automobilistica si utilizzano tenute meccaniche ad acqua. Nell'industria chimica, invece, si trovano tenute meccaniche per miscelatori (tenute meccaniche per agitatori) e tenute meccaniche per compressori.
A seconda delle diverse condizioni di utilizzo, è necessaria una soluzione di tenuta meccanica con materiali diversi. Esistono molti tipi di materiali utilizzati nellaguarnizioni meccaniche per alberi come ad esempio le guarnizioni meccaniche in ceramica, le guarnizioni meccaniche in carbonio, le guarnizioni meccaniche in carburo di silicio,guarnizioni meccaniche SSIC eguarnizioni meccaniche TC.
Guarnizioni meccaniche in ceramica
Le tenute meccaniche in ceramica sono componenti fondamentali in diverse applicazioni industriali, progettate per impedire la fuoriuscita di fluidi tra due superfici, come ad esempio un albero rotante e un alloggiamento fisso. Queste tenute sono molto apprezzate per la loro eccezionale resistenza all'usura, alla corrosione e per la capacità di sopportare temperature estreme.
Il ruolo principale delle tenute meccaniche in ceramica è quello di preservare l'integrità delle apparecchiature, impedendo la perdita o la contaminazione dei fluidi. Sono utilizzate in numerosi settori industriali, tra cui quello petrolifero e del gas, chimico, del trattamento delle acque, farmaceutico e alimentare. L'ampia diffusione di queste tenute è dovuta alla loro robustezza; sono realizzate con materiali ceramici avanzati che offrono caratteristiche prestazionali superiori rispetto ad altri materiali per tenute.
Le tenute meccaniche in ceramica sono composte da due componenti principali: una superficie meccanica fissa (solitamente realizzata in materiale ceramico) e una superficie meccanica rotante (comunemente in grafite di carbonio). L'azione di tenuta si verifica quando le due superfici vengono premute l'una contro l'altra mediante la forza di una molla, creando un'efficace barriera contro le perdite di fluido. Durante il funzionamento dell'apparecchiatura, il film lubrificante tra le superfici di tenuta riduce l'attrito e l'usura, mantenendo al contempo una tenuta ermetica.
Un fattore cruciale che distingue le tenute meccaniche in ceramica da altri tipi è la loro eccezionale resistenza all'usura. I materiali ceramici possiedono eccellenti proprietà di durezza che consentono loro di resistere a condizioni abrasive senza subire danni significativi. Ciò si traduce in tenute più durevoli che richiedono sostituzioni o manutenzioni meno frequenti rispetto a quelle realizzate con materiali più morbidi.
Oltre alla resistenza all'usura, i materiali ceramici presentano anche un'eccezionale stabilità termica. Possono sopportare temperature elevate senza subire degrado o perdere la loro efficacia di tenuta. Ciò li rende adatti all'utilizzo in applicazioni ad alta temperatura, dove altri materiali di tenuta potrebbero deteriorarsi prematuramente.
Infine, le tenute meccaniche in ceramica offrono un'eccellente compatibilità chimica, con resistenza a diverse sostanze corrosive. Ciò le rende una scelta interessante per le industrie che hanno a che fare regolarmente con sostanze chimiche aggressive e fluidi aggressivi.
Le guarnizioni meccaniche in ceramica sono essenzialiguarnizioni dei componentiProgettati per prevenire perdite di fluidi nelle apparecchiature industriali, le loro proprietà uniche, come la resistenza all'usura, la stabilità termica e la compatibilità chimica, li rendono la scelta ideale per diverse applicazioni in molteplici settori.
| proprietà fisiche della ceramica | ||||
| Parametro tecnico | unità | 95% | 99% | 99,50% |
| Densità | g/cm³ | 3.7 | 3,88 | 3.9 |
| Durezza | HRA | 85 | 88 | 90 |
| Tasso di porosità | % | 0,4 | 0,2 | 0,15 |
| Resistenza alla frattura | MPa | 250 | 310 | 350 |
| Coefficiente di dilatazione termica | 10(-6)/K | 5.5 | 5.3 | 5.2 |
| conducibilità termica | W/MK | 27.8 | 26.7 | 26 |
Guarnizioni meccaniche in carbonio
Le guarnizioni meccaniche in carbonio hanno una lunga storia. La grafite è un isoforma dell'elemento carbonio. Nel 1971, negli Stati Uniti, è stato studiato il materiale di tenuta meccanica in grafite flessibile, che ha risolto il problema delle perdite nelle valvole termoioniche. Dopo un'accurata lavorazione, la grafite flessibile si è rivelata un eccellente materiale di tenuta, utilizzato per la produzione di diverse guarnizioni meccaniche in carbonio con elevate prestazioni di tenuta. Queste guarnizioni meccaniche in carbonio trovano impiego, ad esempio, nelle industrie chimiche, petrolifere ed energetiche, come ad esempio per la tenuta di fluidi ad alta temperatura.
Poiché la grafite flessibile si forma per espansione della grafite espansa ad alta temperatura, la quantità di agente intercalante che rimane nella grafite flessibile è molto piccola, ma non completamente eliminata; pertanto, la presenza e la composizione dell'agente intercalante hanno una grande influenza sulla qualità e sulle prestazioni del prodotto.
Selezione del materiale per la superficie di tenuta in carbonio
L'inventore originale utilizzò acido solforico concentrato come ossidante e agente intercalante. Tuttavia, dopo l'applicazione alla guarnizione di un componente metallico, si scoprì che una piccola quantità di zolfo residua nella grafite flessibile corrodeva il metallo di contatto dopo un uso prolungato. In considerazione di questo problema, alcuni studiosi cinesi hanno cercato di migliorarlo, come Song Kemin che scelse acido acetico e acido organico al posto dell'acido solforico. Utilizzando la miscela di acido nitrico e acido acetico come agente intercalante, la grafite espansa priva di zolfo venne preparata con permanganato di potassio come ossidante, e l'acido acetico venne aggiunto lentamente all'acido nitrico. La temperatura venne ridotta a temperatura ambiente e venne preparata la miscela di acido nitrico e acido acetico. Quindi, a questa miscela vennero aggiunti la grafite naturale in scaglie e il permanganato di potassio. Sotto agitazione costante, la temperatura è di 30 °C. Dopo 40 minuti di reazione, l'acqua viene lavata fino a neutralità e asciugata a 50-60 °C, dopodiché si ottiene la grafite espansa tramite espansione ad alta temperatura. Questo metodo non prevede vulcanizzazione, a condizione che il prodotto raggiunga un certo volume di espansione, garantendo così una relativa stabilità del materiale di tenuta.
| Tipo | M106H | M120H | M106K | M120K | M106F | M120F | M106D | M120D | M254D |
| Marca | Impregnata | Impregnata | Fenolo impregnato | Carbonio di antimonio(A) | |||||
| Densità | 1,75 | 1.7 | 1,75 | 1.7 | 1,75 | 1.7 | 2.3 | 2.3 | 2.3 |
| Resistenza frazionaria | 65 | 60 | 67 | 62 | 60 | 55 | 65 | 60 | 55 |
| Resistenza alla compressione | 200 | 180 | 200 | 180 | 200 | 180 | 220 | 220 | 210 |
| Durezza | 85 | 80 | 90 | 85 | 85 | 80 | 90 | 90 | 65 |
| Porosità | <1 | <1 | <1 | <1 | <1 | <1 | <1,5 | <1,5 | <1,5 |
| Temperature | 250 | 250 | 250 | 250 | 250 | 250 | 400 | 400 | 450 |
Guarnizioni meccaniche in carburo di silicio
Il carburo di silicio (SiC), noto anche come carborundum, è composto da sabbia di quarzo, coke di petrolio (o coke di carbone), trucioli di legno (che devono essere aggiunti nella produzione di carburo di silicio verde) e altri materiali. In natura si trova anche un minerale raro, il gelso. Tra le moderne materie prime refrattarie ad alta tecnologia a base di carbonio, azoto, boro e altri non ossidi, il carburo di silicio è uno dei materiali più utilizzati ed economici, tanto da poter essere definito sabbia d'oro per l'acciaio o sabbia refrattaria. Attualmente, la produzione industriale cinese di carburo di silicio si divide in carburo di silicio nero e carburo di silicio verde, entrambi costituiti da cristalli esagonali con una proporzione di 3,20 ~ 3,25 e una microdurezza di 2840 ~ 3320 kg/m².
I prodotti in carburo di silicio sono classificati in diverse tipologie a seconda dell'ambiente di applicazione. Generalmente, il loro impiego è più frequente in ambito meccanico. Ad esempio, il carburo di silicio è un materiale ideale per le guarnizioni meccaniche grazie alla sua buona resistenza alla corrosione chimica, all'elevata resistenza meccanica, all'elevata durezza, alla buona resistenza all'usura, al basso coefficiente di attrito e all'elevata resistenza alle alte temperature.
Gli anelli di tenuta in SiC possono essere suddivisi in anelli statici, anelli mobili, anelli piani e così via. Il silicio SiC può essere trasformato in vari prodotti in carburo, come anelli rotanti in carburo di silicio, sedi fisse in carburo di silicio, boccole in carburo di silicio e così via, in base alle esigenze specifiche dei clienti. Può anche essere utilizzato in combinazione con materiale grafitico e il suo coefficiente di attrito è inferiore a quello della ceramica di allumina e delle leghe dure, quindi può essere utilizzato con valori PV elevati, soprattutto in condizioni di acidi e alcali forti.
Il ridotto attrito del SIC è uno dei principali vantaggi del suo impiego nelle tenute meccaniche. Il SIC è quindi in grado di resistere all'usura meglio di altri materiali, prolungando la durata della tenuta. Inoltre, il ridotto attrito del SIC diminuisce la necessità di lubrificazione. L'assenza di lubrificazione riduce la possibilità di contaminazione e corrosione, migliorando l'efficienza e l'affidabilità.
Il SIC presenta inoltre un'elevata resistenza all'usura. Ciò significa che può sopportare un utilizzo continuo senza deteriorarsi o rompersi. Questo lo rende il materiale ideale per applicazioni che richiedono un elevato livello di affidabilità e durata.
Può anche essere rilappato e lucidato, quindi una guarnizione può essere rigenerata più volte nel corso della sua vita utile. Viene generalmente utilizzato in applicazioni meccaniche, come nelle guarnizioni meccaniche, per la sua buona resistenza alla corrosione chimica, l'elevata resistenza meccanica, l'elevata durezza, la buona resistenza all'usura, il basso coefficiente di attrito e la resistenza alle alte temperature.
Se utilizzato per le superfici di tenuta meccaniche, il carburo di silicio garantisce prestazioni migliori, maggiore durata delle tenute, minori costi di manutenzione e minori costi di esercizio per apparecchiature rotanti come turbine, compressori e pompe centrifughe. Il carburo di silicio può presentare proprietà diverse a seconda del processo di produzione. Il carburo di silicio a legame reattivo si ottiene legando tra loro particelle di carburo di silicio tramite un processo di reazione.
Questo processo non influisce in modo significativo sulla maggior parte delle proprietà fisiche e termiche del materiale, tuttavia ne limita la resistenza chimica. Le sostanze chimiche che più comunemente creano problemi sono le sostanze caustiche (e altre sostanze chimiche ad alto pH) e gli acidi forti; pertanto, il carburo di silicio legato per reazione non dovrebbe essere utilizzato in queste applicazioni.
Reazione-sinterizzato infiltratoCarburo di silicio. In questo materiale, i pori del materiale SiC originale vengono riempiti durante il processo di infiltrazione mediante combustione del silicio metallico, formando così SiC secondario e conferendo al materiale eccezionali proprietà meccaniche, tra cui la resistenza all'usura. Grazie al suo minimo ritiro, può essere utilizzato nella produzione di componenti di grandi dimensioni e complessi con tolleranze ristrette. Tuttavia, il contenuto di silicio limita la temperatura massima di esercizio a 1.350 °C, mentre la resistenza chimica è limitata a circa pH 10. Il materiale non è raccomandato per l'uso in ambienti alcalini aggressivi.
SinterizzatoIl carburo di silicio si ottiene sinterizzando un granulato di SiC precompresso a grana finissima a una temperatura di 2000 °C, in modo da formare forti legami tra i grani del materiale.
Innanzitutto, il reticolo si ispessisce, poi la porosità diminuisce e infine i legami tra i grani si sinterizzano. Durante questo processo, si verifica una significativa contrazione del prodotto, pari a circa il 20%.
anello di tenuta SSIC È resistente a tutti gli agenti chimici. Poiché nella sua struttura non è presente silicio metallico, può essere utilizzato a temperature fino a 1600 °C senza che la sua resistenza venga compromessa.
| proprietà | R-SiC | S-SiC |
| Porosità (%) | ≤0,3 | ≤0,2 |
| Densità (g/cm³) | 3.05 | 3.1~3.15 |
| Durezza | 110~125 (HS) | 2800 (kg/mm2) |
| Modulo elastico (GPa) | ≥400 | ≥410 |
| Contenuto di SiC (%) | ≥85% | ≥99% |
| Contenuto di Si (%) | ≤15% | 0,10% |
| Resistenza alla flessione (MPa) | ≥350 | 450 |
| Resistenza alla compressione (kg/mm2) | ≥2200 | 3900 |
| Coefficiente di dilatazione termica (1/℃) | 4,5×10⁻⁶ | 4,3×10⁻⁶ |
| Resistenza al calore (in atmosfera) (℃) | 1300 | 1600 |
tenuta meccanica TC
I materiali in carburo di tungsteno (TC) presentano caratteristiche di elevata durezza, resistenza, resistenza all'abrasione e alla corrosione. Sono noti come "denti industriali". Grazie alle loro prestazioni superiori, trovano ampio impiego nell'industria militare, aerospaziale, nella lavorazione meccanica, nella metallurgia, nell'estrazione petrolifera, nelle telecomunicazioni, nell'architettura e in altri settori. Ad esempio, nelle pompe, nei compressori e negli agitatori, gli anelli in carburo di tungsteno vengono utilizzati come guarnizioni meccaniche. La buona resistenza all'abrasione e l'elevata durezza li rendono adatti alla produzione di componenti resistenti all'usura, alle alte temperature, all'attrito e alla corrosione.
In base alla composizione chimica e alle caratteristiche di utilizzo, il TC può essere suddiviso in quattro categorie: tungsteno-cobalto (YG), tungsteno-titanio (YT), tungsteno-titanio-tantalio (YW) e carburo di titanio (YN).
La lega dura tungsteno-cobalto (YG) è composta da WC e Co. È adatta alla lavorazione di materiali fragili come ghisa, metalli non ferrosi e materiali non metallici.
La stellite (YT) è composta da WC, TiC e Co. Grazie all'aggiunta di TiC alla lega, la sua resistenza all'usura è migliorata, ma la resistenza alla flessione, le prestazioni di rettifica e la conduttività termica sono diminuite. A causa della sua fragilità a basse temperature, è adatta solo per il taglio ad alta velocità di materiali comuni e non per la lavorazione di materiali fragili.
La lega di tungsteno, titanio, tantalio (niobio) e cobalto (YW) viene aggiunta per aumentarne la durezza alle alte temperature, la resistenza e la resistenza all'abrasione attraverso un'adeguata quantità di carburo di tantalio o carburo di niobio. Allo stesso tempo, migliora anche la tenacità, con conseguenti migliori prestazioni di taglio complessive. Viene utilizzata principalmente per il taglio di materiali duri e per lavorazioni intermittenti.
La lega di titanio carbonizzato di classe base (YN) è una lega dura con fase dura di TiC, nichel e molibdeno. I suoi vantaggi sono elevata durezza, capacità antiaderente, resistenza all'usura a mezzaluna e resistenza all'ossidazione. Può essere lavorata meccanicamente anche a temperature superiori a 1000 gradi. È adatta alla finitura continua di acciai legati e acciai temprati.
| modello | contenuto di nichel (% in peso) | densità (g/cm²) | durezza (HRA) | resistenza alla flessione (≥N/mm²) |
| YN6 | 5,7-6,2 | 14,5-14,9 | 88,5-91,0 | 1800 |
| YN8 | 7,7-8,2 | 14.4-14.8 | 87,5-90,0 | 2000 |
| modello | contenuto di cobalto (% in peso) | densità (g/cm²) | durezza (HRA) | resistenza alla flessione (≥N/mm²) |
| YG6 | 5,8-6,2 | 14,6-15,0 | 89,5-91,0 | 1800 |
| YG8 | 7,8-8,2 | 14,5-14,9 | 88,0-90,5 | 1980 |
| YG12 | 11.7-12.2 | 13,9-14,5 | 87,5-89,5 | 2400 |
| YG15 | 14,6-15,2 | 13,9-14,2 | 87,5-89,0 | 2480 |
| YG20 | 19,6-20,2 | 13.4-13.7 | 85,5-88,0 | 2650 |
| YG25 | 24,5-25,2 | 12.9-13.2 | 84,5-87,5 | 2850 |