La scelta del materiale per la guarnizione è importante in quanto contribuirà a determinare la qualità, la durata e le prestazioni di un'applicazione, riducendo al contempo i problemi futuri. In questo articolo, analizzeremo come l'ambiente influirà sulla scelta del materiale per la guarnizione, nonché alcuni dei materiali più comuni e le applicazioni per cui sono più adatti.
Fattori ambientali
L'ambiente a cui sarà esposta una guarnizione è fondamentale nella scelta del design e del materiale. Esistono diverse proprietà chiave che i materiali di tenuta devono possedere per tutti gli ambienti, tra cui la creazione di una superficie di tenuta stabile, in grado di condurre il calore, resistente agli agenti chimici e con una buona resistenza all'usura.
In alcuni ambienti, queste proprietà dovranno essere più resistenti rispetto ad altri. Altre proprietà dei materiali da considerare quando si valuta l'ambiente includono durezza, rigidità, dilatazione termica, resistenza all'usura e agli agenti chimici. Tenerle a mente vi aiuterà a trovare il materiale ideale per la vostra guarnizione.
Anche l'ambiente può determinare se dare priorità al costo o alla qualità della tenuta. In ambienti abrasivi e difficili, le tenute possono essere più costose a causa della necessità di materiali sufficientemente resistenti per resistere a tali condizioni.
In tali ambienti, l'investimento per una tenuta di alta qualità si ripagherà nel tempo, poiché contribuirà a evitare costosi fermi macchina, riparazioni e ristrutturazioni o sostituzioni della tenuta che una tenuta di qualità inferiore comporterebbe. Tuttavia, nelle applicazioni di pompaggio con fluido molto pulito con proprietà lubrificanti, si potrebbe acquistare una tenuta più economica a favore di cuscinetti di qualità superiore.
Materiali di tenuta comuni
Carbonio
Il carbonio utilizzato nelle superfici di tenuta è una miscela di carbonio amorfo e grafite, le cui percentuali determinano le proprietà fisiche del grado finale di carbonio. È un materiale inerte e stabile che può essere autolubrificante.
È ampiamente utilizzato come una delle coppie di superfici terminali nelle tenute meccaniche ed è anche un materiale popolare per tenute circonferenziali segmentate e fasce elastiche per pistoni in condizioni di lubrificazione a secco o con piccole quantità di lubrificante. Questa miscela di carbonio e grafite può anche essere impregnata con altri materiali per conferirle diverse caratteristiche, come una ridotta porosità, una migliore resistenza all'usura o una maggiore resistenza.
Una tenuta in carbonio impregnato di resina termoindurente è la più comune per le tenute meccaniche, con la maggior parte dei carboni impregnati di resina in grado di operare in un'ampia gamma di sostanze chimiche, dalle basi forti agli acidi forti. Presentano inoltre buone proprietà di attrito e un modulo elastico adeguato per contribuire a controllare le distorsioni dovute alla pressione. Questo materiale è adatto per impieghi generali fino a 260 °C (500 °F) in acqua, refrigeranti, carburanti, oli, soluzioni chimiche leggere e applicazioni alimentari e farmaceutiche.
Anche le guarnizioni in carbonio impregnate di antimonio si sono dimostrate efficaci grazie alla resistenza e al modulo elastico dell'antimonio, rendendolo ideale per applicazioni ad alta pressione quando è necessario un materiale più resistente e rigido. Queste guarnizioni sono anche più resistenti alla formazione di bolle nelle applicazioni con fluidi ad alta viscosità o idrocarburi leggeri, rendendolo il tipo standard per molte applicazioni di raffineria.
Il carbonio può anche essere impregnato con agenti filmogeni come i fluoruri per applicazioni a secco, criogeniche e sotto vuoto, oppure con inibitori di ossidazione come i fosfati per applicazioni ad alta temperatura, alta velocità e turbine fino a 800 piedi/sec e circa 537 °C (1.000 °F).
Ceramica
La ceramica è un materiale inorganico non metallico ottenuto da composti naturali o sintetici, più comunemente ossido di allumina o allumina stessa. Presenta un elevato punto di fusione, elevata durezza, elevata resistenza all'usura e all'ossidazione, ed è quindi ampiamente utilizzata in settori come quello meccanico, chimico, petrolifero, farmaceutico e automobilistico.
Presenta inoltre eccellenti proprietà dielettriche ed è comunemente utilizzata per isolanti elettrici, componenti resistenti all'usura, mezzi di macinazione e componenti ad alta temperatura. A purezza elevata, l'allumina presenta un'eccellente resistenza chimica alla maggior parte dei fluidi di processo, fatta eccezione per alcuni acidi forti, il che la rende ideale per numerose applicazioni di tenute meccaniche. Tuttavia, l'allumina può fratturarsi facilmente sotto shock termico, il che ne ha limitato l'utilizzo in alcune applicazioni in cui questo potrebbe rappresentare un problema.
Il carburo di silicio si ottiene dalla fusione di silice e coke. È chimicamente simile alla ceramica, ma ha migliori proprietà lubrificanti ed è più duro, il che lo rende una soluzione resistente all'usura per ambienti difficili.
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.
Il carburo di silicio autosinterizzato si ottiene sinterizzando direttamente le particelle di carburo di silicio utilizzando coadiuvanti di sinterizzazione non ossidi in un ambiente inerte a temperature superiori a 2.000 °C. Grazie all'assenza di un materiale secondario (come il silicio), il materiale sinterizzato direttamente è chimicamente resistente a quasi tutti i fluidi e le condizioni di processo che si possono osservare in una pompa centrifuga.
Il carburo di tungsteno è un materiale altamente versatile come il carburo di silicio, ma è più adatto ad applicazioni ad alta pressione grazie alla sua maggiore elasticità che gli consente di flettersi leggermente e di prevenire distorsioni superficiali. Come il carburo di silicio, può essere nuovamente lappato e lucidato.
I carburi di tungsteno vengono spesso prodotti come carburi cementati, quindi non vi è alcun tentativo di legare il carburo di tungsteno a se stesso. Un metallo secondario viene aggiunto per legare o cementare le particelle di carburo di tungsteno, ottenendo un materiale che possiede le proprietà combinate sia del carburo di tungsteno che del legante metallico.
Questa caratteristica è stata sfruttata a proprio vantaggio, offrendo una maggiore tenacità e resistenza agli urti rispetto al solo carburo di tungsteno. Uno dei punti deboli del carburo di tungsteno cementato è la sua elevata densità. In passato, veniva utilizzato il carburo di tungsteno legato al cobalto, ma è stato gradualmente sostituito dal carburo di tungsteno legato al nichel, poiché non presentava l'intervallo di compatibilità chimica richiesto per l'industria.
Il carburo di tungsteno legato al nichel è ampiamente utilizzato per le superfici di tenuta in cui sono richieste elevate proprietà di resistenza e tenacità; inoltre, presenta una buona compatibilità chimica, generalmente limitata dal nichel libero.
GFPTFE
Il GFPTFE offre una buona resistenza chimica e l'aggiunta di vetro riduce l'attrito delle superfici di tenuta. È ideale per applicazioni relativamente pulite ed è più economico di altri materiali. Sono disponibili sottovarianti per adattare meglio la tenuta ai requisiti e all'ambiente, migliorandone le prestazioni complessive.
Buna
La buna (nota anche come gomma nitrilica) è un elastomero economico per O-ring, sigillanti e prodotti stampati. È nota per le sue prestazioni meccaniche e si adatta bene alle applicazioni petrolifere, petrolchimiche e chimiche. È inoltre ampiamente utilizzata per applicazioni con petrolio greggio, acqua, vari tipi di alcol, grasso siliconico e fluidi idraulici grazie alla sua rigidità.
Essendo un copolimero di gomma sintetica, la Buna è ideale per applicazioni che richiedono adesione al metallo e resistenza all'abrasione, e questo background chimico la rende ideale anche per applicazioni sigillanti. Inoltre, può resistere alle basse temperature grazie alla sua scarsa resistenza agli acidi e agli alcali leggeri.
Buna è limitato alle applicazioni con fattori estremi quali alte temperature, agenti atmosferici, luce solare e applicazioni resistenti al vapore, e non è adatto all'uso con agenti igienizzanti CIP (clean-in-place) contenenti acidi e perossidi.
EPDM
L'EPDM è una gomma sintetica comunemente utilizzata in applicazioni automobilistiche, edili e meccaniche per guarnizioni e O-ring, tubi e rondelle. È più costosa della Buna, ma può resistere a una varietà di proprietà termiche, meteorologiche e meccaniche grazie alla sua elevata resistenza alla trazione e al tempo. È versatile e ideale per applicazioni che coinvolgono acqua, cloro, candeggina e altri materiali alcalini.
Grazie alle sue proprietà elastiche e adesive, una volta allungato, l'EPDM torna alla sua forma originale indipendentemente dalla temperatura. L'EPDM non è raccomandato per applicazioni con oli minerali, fluidi, idrocarburi clorurati o solventi idrocarburici.
Vitone
Il Viton è un prodotto in gomma fluorurata idrocarburica, durevole e ad alte prestazioni, comunemente utilizzato per O-ring e guarnizioni. È più costoso di altri materiali in gomma, ma è l'opzione preferita per le esigenze di tenuta più impegnative e complesse.
È uno dei fluoroelastomeri più robusti, resistente all'ozono, all'ossidazione e alle condizioni atmosferiche estreme, e può contenere materiali quali idrocarburi alifatici e aromatici, fluidi alogenati e materiali fortemente acidi.
La scelta del materiale corretto per la tenuta è fondamentale per il successo di un'applicazione. Sebbene molti materiali di tenuta siano simili, ognuno di essi svolge una varietà di funzioni per soddisfare esigenze specifiche.
Data di pubblicazione: 12 luglio 2023