Tenute meccanichesvolgono un ruolo molto importante nell'evitare le perdite in molti settori diversi. Nell'industria marittima ci sonotenute meccaniche della pompa, tenute meccaniche per alberi rotanti. E nell'industria petrolifera e del gas ci sonotenute meccaniche a cartuccia,Tenute meccaniche divise o tenute meccaniche per gas secco. Nell'industria automobilistica sono presenti tenute meccaniche per acqua. Nell'industria chimica sono presenti 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 intenute meccaniche per alberi come tenute meccaniche in ceramica, tenute meccaniche in carbonio, tenute meccaniche in carburo di silicone,Tenute meccaniche SSIC eTenute meccaniche TC.
Tenute meccaniche in ceramica
Le tenute meccaniche in ceramica sono componenti essenziali in diverse applicazioni industriali, progettate per impedire la fuoriuscita di fluidi tra due superfici, come un albero rotante e un alloggiamento fisso. Queste tenute sono molto apprezzate per la loro eccezionale resistenza all'usura, alla corrosione e alla capacità di sopportare temperature estreme.
Il ruolo principale delle tenute meccaniche in ceramica è quello di preservare l'integrità delle apparecchiature prevenendo perdite di fluido o contaminazione. Sono utilizzate in numerosi settori, tra cui quello petrolifero e del gas, chimico, del trattamento delle acque, farmaceutico e alimentare. L'ampio utilizzo di queste tenute è dovuto alla loro struttura resistente; sono realizzate con materiali ceramici avanzati che offrono prestazioni superiori rispetto ad altri materiali di tenuta.
Le tenute meccaniche in ceramica sono costituite da due componenti principali: una è una superficie meccanica fissa (solitamente realizzata in materiale ceramico) e una superficie meccanica rotante (comunemente realizzata in grafite). L'azione di tenuta avviene quando entrambe le superfici vengono premute l'una contro l'altra tramite una forza elastica, 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 stagna.
Un fattore cruciale che distingue le tenute meccaniche in ceramica da altri tipi di guarnizioni è la loro eccezionale resistenza all'usura. I materiali ceramici possiedono eccellenti proprietà di durezza che consentono loro di resistere a condizioni abrasive senza danni significativi. Ciò si traduce in guarnizioni più durature che richiedono sostituzioni o manutenzioni meno frequenti rispetto a quelle realizzate con materiali più morbidi.
Oltre alla resistenza all'usura, la ceramica presenta anche un'eccezionale stabilità termica. Può resistere ad alte temperature senza subire degradazioni o perdere la sua efficienza di tenuta. Questo la rende adatta all'uso in applicazioni ad alta temperatura, dove altri materiali di tenuta potrebbero rompersi prematuramente.
Infine, le tenute meccaniche in ceramica offrono un'eccellente compatibilità chimica, con resistenza a diverse sostanze corrosive. Questo le rende una scelta interessante per i settori che operano abitualmente con sostanze chimiche aggressive e fluidi aggressivi.
Le tenute meccaniche in ceramica sono essenzialiguarnizioni dei componentiProgettati per prevenire le 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 diversi settori industriali.
| proprietà fisica 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 |
| Conduttività termica | W/MK | 27.8 | 26.7 | 26 |
Tenute meccaniche in carbonio
Le tenute meccaniche in carbonio vantano una lunga storia. La grafite è un'isoforma del carbonio. Nel 1971, gli Stati Uniti hanno studiato un materiale di tenuta meccanica in grafite flessibile, che ha risolto il problema delle perdite nelle valvole a energia atomica. Dopo una profonda lavorazione, la grafite flessibile diventa un eccellente materiale di tenuta, con cui vengono realizzate diverse tenute meccaniche in carbonio, con l'effetto di componenti di tenuta. Queste tenute meccaniche in carbonio sono utilizzate nell'industria chimica, petrolifera ed elettrica, come tenute per fluidi ad alta temperatura.
Poiché la grafite flessibile si forma dall'espansione della grafite espansa ad alta temperatura, la quantità di agente intercalante rimasta nella grafite flessibile è molto piccola, ma non completamente, quindi la presenza e la composizione dell'agente intercalante hanno una grande influenza sulla qualità e sulle prestazioni del prodotto.
Selezione del materiale della superficie di tenuta in carbonio
L'inventore originale utilizzava acido solforico concentrato come ossidante e agente intercalante. Tuttavia, dopo l'applicazione sulla guarnizione di un componente metallico, si scoprì che una piccola quantità di zolfo rimasta nella grafite flessibile corrodeva il metallo di contatto dopo un uso prolungato. Alla luce di ciò, alcuni studiosi nazionali hanno cercato di migliorarla, come Song Kemin che scelse acido acetico e acido organico al posto dell'acido solforico. Un esempio è l'acido nitrico, che si scioglie lentamente e abbassa la temperatura a temperatura ambiente, ottenuto da una miscela di acido nitrico e acido acetico. Utilizzando la miscela di acido nitrico e acido acetico come agente di inserimento, la grafite espansa priva di zolfo fu preparata con permanganato di potassio come ossidante, e l'acido acetico fu aggiunto lentamente all'acido nitrico. La temperatura fu ridotta a temperatura ambiente e si ottenne la miscela di acido nitrico e acido acetico. Successivamente, a questa miscela vennero aggiunti la grafite naturale in scaglie e il permanganato di potassio. Sotto costante agitazione, la temperatura è di 30 °C. Dopo 40 minuti di reazione, l'acqua viene lavata fino a raggiungere la neutralità e asciugata a 50-60 °C, e la grafite espansa viene prodotta dopo l'espansione ad alta temperatura. Questo metodo non prevede vulcanizzazione, a condizione che il prodotto possa raggiungere un certo volume di espansione, in modo da ottenere una natura relativamente stabile del materiale di tenuta.
| Tipo | M106H | M120H | M106K | M120K | M106F | M120F | M106D | M120D | M254D |
| Marca | Impregnato | Impregnato | Fenolo impregnato | Antimonio Carbonio(A) | |||||
| Densità | 1,75 | 1.7 | 1,75 | 1.7 | 1,75 | 1.7 | 2.3 | 2.3 | 2.3 |
| Resistenza alla frattura | 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 |
Tenute 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 durante la produzione di carburo di silicio verde) e così via. Il carburo di silicio contiene anche un minerale raro in natura, il gelso. Nelle attuali materie prime refrattarie ad alta tecnologia a base di C, N, B e altri non ossidi, il carburo di silicio è uno dei materiali più utilizzati ed economici, e può essere chiamato sabbia d'acciaio dorata 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 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 del loro ambiente di applicazione. Generalmente, viene utilizzato principalmente per scopi meccanici. Ad esempio, il carburo di silicio è un materiale ideale per le tenute meccaniche in carburo di silicio grazie alla sua buona resistenza alla corrosione chimica, all'elevata resistenza, all'elevata durezza, alla buona resistenza all'usura, al basso coefficiente di attrito e alla resistenza alle alte temperature.
Gli anelli di tenuta in SIC possono essere suddivisi in anelli statici, anelli mobili, anelli piatti 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 specifiche esigenze del cliente. Può anche essere utilizzato in combinazione con materiale in grafite e il suo coefficiente di attrito è inferiore a quello della ceramica di allumina e delle leghe dure, quindi può essere utilizzato in ambienti con elevato valore PV, specialmente in presenza di acidi e alcali forti.
L'attrito ridotto del SIC è uno dei principali vantaggi del suo impiego nelle tenute meccaniche. Il SIC può quindi resistere all'usura meglio di altri materiali, prolungando la durata della tenuta. Inoltre, il ridotto attrito del SIC riduce la necessità di lubrificazione. La mancanza di lubrificazione riduce il rischio di contaminazione e corrosione, migliorando l'efficienza e l'affidabilità.
Il SIC ha anche un'elevata resistenza all'usura. Ciò significa che può sopportare un uso continuo senza deteriorarsi o rompersi. Questo lo rende il materiale perfetto per impieghi che richiedono un elevato livello di affidabilità e durata.
Può anche essere nuovamente lappato e lucidato, consentendo di rinnovare una guarnizione più volte nel corso della sua vita utile. Viene generalmente utilizzato in ambito più meccanico, ad esempio nelle tenute meccaniche, per la sua buona resistenza alla corrosione chimica, l'elevata resistenza, l'elevata durezza, la buona resistenza all'usura, il basso coefficiente di attrito e la resistenza alle alte temperature.
Quando utilizzato per le superfici di tenuta meccanica, il carburo di silicio si traduce in prestazioni migliori, maggiore durata della tenuta, minori costi di manutenzione e minori costi di esercizio per apparecchiature rotanti come turbine, compressori e pompe centrifughe. Il carburo di silicio può avere proprietà diverse a seconda del metodo di produzione. Il carburo di silicio legato per reazione si forma legando tra loro particelle di carburo di silicio in un processo di reazione.
Questo processo non influisce in modo significativo sulla maggior parte delle proprietà fisiche e termiche del materiale, ma ne limita la resistenza chimica. Le sostanze chimiche più comuni che rappresentano un problema 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.
Infiltrato sinterizzato mediante reazioneCarburo di silicio. In questo materiale, i pori del SIC originale vengono riempiti durante il processo di infiltrazione mediante combustione del silicio metallico, formando così SiC secondario e il materiale acquisisce eccezionali proprietà meccaniche, diventando resistente all'usura. Grazie al suo ritiro minimo, 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 e 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 SIC precompresso molto fine a una temperatura di 2000 °C per formare forti legami tra i grani del materiale.
Inizialmente, il reticolo si ispessisce, poi la porosità diminuisce e infine i legami tra i grani si sinterizzano. Durante tale processo, si verifica un significativo ritiro del prodotto, di circa il 20%.
Anello di tenuta SSIC è resistente a tutti i prodotti chimici. Poiché non contiene silicio metallico nella sua struttura, può essere utilizzato a temperature fino a 1600 °C senza comprometterne la resistenza.
| 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 (nell'atmosfera) (℃) | 1300 | 1600 |
Tenuta meccanica TC
I materiali TC presentano caratteristiche di elevata durezza, resistenza, resistenza all'abrasione e alla corrosione. Sono noti come "denti industriali". Grazie alle loro prestazioni superiori, sono ampiamente utilizzati nell'industria militare, aerospaziale, nella lavorazione meccanica, nella metallurgia, nelle trivellazioni petrolifere, nelle comunicazioni elettroniche, in architettura e in altri settori. Ad esempio, gli anelli in carburo di tungsteno vengono utilizzati come tenute meccaniche in pompe, compressori e agitatori. La buona resistenza all'abrasione e l'elevata durezza lo rendono adatto alla produzione di componenti resistenti all'usura, alle alte temperature, all'attrito e alla corrosione.
In base alla sua 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 di 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. L'aggiunta di TiC alla lega ne migliora la resistenza all'usura, ma ne riduce la resistenza alla flessione, le prestazioni di rettifica e la conduttività termica. A causa della sua fragilità a basse temperature, è adatta solo per il taglio ad alta velocità di materiali generici e non per la lavorazione di materiali fragili.
Tungsteno, titanio, tantalio (niobio) e cobalto (YW) vengono aggiunti alla lega per aumentarne la durezza alle alte temperature, la resistenza e la resistenza all'abrasione, grazie a un'adeguata quantità di carburo di tantalio o carburo di niobio. Allo stesso tempo, la tenacità viene migliorata, con migliori prestazioni di taglio complessive. Viene utilizzato principalmente per materiali da taglio duri e per il taglio intermittente.
La classe base di titanio carbonizzato (YN) è una lega dura con la fase dura di TiC, nichel e molibdeno. I suoi vantaggi sono l'elevata durezza, la capacità anti-incollante, la resistenza all'usura a mezzaluna e la capacità anti-ossidante. Può essere lavorata anche a temperature superiori a 1000 gradi. È applicabile alla finitura continua di acciai legati e acciai da tempra.
| 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 |