La scelta del materiale per la guarnizione è fondamentale, poiché influisce sulla qualità, la durata e le prestazioni dell'applicazione, riducendo al contempo i problemi futuri. In questo articolo, esaminiamo come l'ambiente influisce sulla selezione 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. I materiali per guarnizioni devono possedere una serie di proprietà chiave per essere adatti a tutti gli ambienti, tra cui una superficie di tenuta stabile, la capacità di condurre il calore, la resistenza chimica e una buona resistenza all'usura.
In alcuni ambienti, queste proprietà dovranno essere più accentuate che in altri. Altre caratteristiche dei materiali da tenere in considerazione in relazione all'ambiente includono durezza, rigidità, dilatazione termica, resistenza all'usura e resistenza chimica. Tenere a mente questi aspetti 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 guarnizione. In ambienti abrasivi e difficili, le guarnizioni possono risultare più costose poiché i materiali devono essere sufficientemente resistenti per sopportare tali condizioni.
In tali ambienti, investire in una guarnizione di alta qualità si ripagherà nel tempo, poiché contribuirà a prevenire costosi fermi macchina, riparazioni, revisioni o sostituzioni che una guarnizione di qualità inferiore comporterebbe. Tuttavia, nelle applicazioni di pompaggio con fluidi molto puliti e con proprietà lubrificanti, si potrebbe optare per una guarnizione più economica a discapito di cuscinetti di qualità superiore.
Materiali comuni per le guarnizioni
Carbonio
Il carbonio utilizzato nelle superfici di tenuta è una miscela di carbonio amorfo e grafite, le cui percentuali determinano le proprietà fisiche del carbonio finale. Si tratta di un materiale inerte e stabile, in grado di autolubrificarsi.
È ampiamente utilizzato come una delle superfici terminali delle guarnizioni meccaniche ed è anche un materiale diffuso per guarnizioni circonferenziali segmentate e fasce elastiche per pistoni in condizioni di lubrificazione a secco o con quantità ridotte di lubrificante. Questa miscela di carbonio e grafite può essere impregnata con altri materiali per conferirle caratteristiche diverse, come porosità ridotta, migliore resistenza all'usura o maggiore robustezza.
Le guarnizioni in carbonio impregnate con resina termoindurente sono le più comuni per le tenute meccaniche, e la maggior parte di esse è 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 deformazioni dovute alla pressione. Questo materiale è adatto per applicazioni generiche fino a 260 °C (500 °F) in acqua, liquidi refrigeranti, carburanti, oli, soluzioni chimiche leggere e nell'industria alimentare e farmaceutica.
Le guarnizioni in carbonio impregnate di antimonio si sono dimostrate efficaci grazie alla resistenza e al modulo elastico di questo materiale, che le rendono adatte ad applicazioni ad alta pressione dove è necessario un materiale più robusto e rigido. Queste guarnizioni sono inoltre più resistenti alla formazione di bolle in applicazioni con fluidi ad alta viscosità o idrocarburi leggeri, il che le rende la scelta standard per molte applicazioni in raffineria.
Il carbonio può anche essere impregnato con agenti filmogeni come i fluoruri per applicazioni a secco, criogeniche e sottovuoto, oppure con inibitori di ossidazione come i fosfati per applicazioni ad alta temperatura, alta velocità e turbine fino a 800 piedi/secondo e circa 537 °C (1.000 °F).
Ceramica
I materiali ceramici sono materiali inorganici non metallici costituiti da composti naturali o sintetici, più comunemente ossido di alluminio o allumina. Grazie all'elevato punto di fusione, all'elevata durezza, all'elevata resistenza all'usura e all'ossidazione, trovano ampio impiego in settori quali quello meccanico, chimico, petrolifero, farmaceutico e automobilistico.
Possiede inoltre eccellenti proprietà dielettriche ed è comunemente utilizzata per isolanti elettrici, componenti resistenti all'usura, mezzi di macinazione e componenti per alte temperature. Ad elevata purezza, l'allumina presenta un'eccellente resistenza chimica alla maggior parte dei fluidi di processo, ad eccezione di alcuni acidi forti, il che ne consente l'impiego in numerose applicazioni di tenuta meccanica. Tuttavia, l'allumina può fratturarsi facilmente in seguito a shock termici, il che ne ha limitato l'utilizzo in alcune applicazioni in cui questo potrebbe rappresentare un problema.
Il carburo di silicio si ottiene fondendo silice e coke. È chimicamente simile alla ceramica, ma possiede migliori proprietà lubrificanti ed è più duro, il che lo rende una soluzione resistente e adatta ad ambienti difficili.
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 tramite reazione non dovrebbe essere utilizzato in queste applicazioni.
Il carburo di silicio autosinterizzato si ottiene sinterizzando direttamente particelle di carburo di silicio utilizzando coadiuvanti di sinterizzazione non ossidici 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 alle condizioni di processo che si possono riscontrare in una pompa centrifuga.
Il carburo di tungsteno è un materiale estremamente 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 prevenire la deformazione della superficie. Come il carburo di silicio, può essere lappato e lucidato.
I carburi di tungsteno sono spesso prodotti come carburi cementati, quindi non si tenta di legare il carburo di tungsteno a se stesso. Viene aggiunto un metallo secondario per legare o cementare insieme le particelle di carburo di tungsteno, ottenendo un materiale che presenta le proprietà combinate sia del carburo di tungsteno che del legante metallico.
Questo aspetto è stato sfruttato a proprio vantaggio, fornendo maggiore tenacità e resistenza all'impatto rispetto a quanto possibile con il solo carburo di tungsteno. Uno dei punti deboli del carburo di tungsteno cementato è la sua elevata densità. In passato si utilizzava il carburo di tungsteno legato al cobalto, che tuttavia è stato gradualmente sostituito dal carburo di tungsteno legato al nichel a causa della sua insufficiente compatibilità chimica richiesta dall'industria.
Il carburo di tungsteno legato al nichel è ampiamente utilizzato per le superfici di tenuta dove sono richieste elevate proprietà di resistenza e tenacità, e presenta una buona compatibilità chimica, generalmente limitata dal nichel libero.
GFPTFE
Il GFPTFE presenta una buona resistenza chimica e l'aggiunta di fibra di vetro riduce l'attrito delle superfici di tenuta. È ideale per applicazioni relativamente pulite ed è più economico di altri materiali. Sono disponibili diverse varianti per adattare al meglio la guarnizione ai requisiti e all'ambiente di applicazione, migliorandone le prestazioni complessive.
Buna
La gomma nitrilica (Buna) è un elastomero economico utilizzato per O-ring, sigillanti e prodotti stampati. È rinomata per le sue prestazioni meccaniche e si presta bene ad applicazioni in ambito petrolchimico, chimico e a base di olio. Grazie alla sua rigidità, è ampiamente utilizzata anche in applicazioni con petrolio greggio, acqua, alcoli di vario tipo, grassi siliconici e fluidi idraulici.
Essendo Buna un copolimero di gomma sintetica, offre ottime prestazioni in applicazioni che richiedono adesione al metallo e resistenza all'abrasione. Questa composizione chimica la rende ideale anche per applicazioni come sigillante. Inoltre, è in grado di resistere alle basse temperature grazie alla sua scarsa resistenza agli acidi e alla debole resistenza agli alcali.
La gomma Buna presenta limitazioni in applicazioni con fattori estremi quali alte temperature, condizioni atmosferiche avverse, luce solare e resistenza al vapore, e non è adatta per l'utilizzo con agenti sanificanti per la pulizia in loco (CIP) 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 costoso della gomma Buna, ma grazie alla sua elevata resistenza alla trazione e alla lunga durata, è in grado di resistere a diverse sollecitazioni termiche, atmosferiche e meccaniche. È versatile e ideale per applicazioni che prevedono il contatto con acqua, cloro, candeggina e altri materiali alcalini.
Grazie alle sue proprietà elastiche e adesive, una volta allungato, l'EPDM ritorna alla sua forma originale indipendentemente dalla temperatura. L'EPDM non è raccomandato per applicazioni con oli di petrolio, fluidi, idrocarburi clorurati o solventi idrocarburici.
Viton
Il Viton è un prodotto in gomma idrocarburica fluorurata, durevole e ad alte prestazioni, comunemente utilizzato per O-ring e guarnizioni. È più costoso di altri materiali in gomma, ma rappresenta la scelta ideale per le esigenze di tenuta più complesse e impegnative.
Resistente all'ozono, all'ossidazione e alle condizioni atmosferiche estreme, inclusi materiali come idrocarburi alifatici e aromatici, fluidi alogenati e acidi forti, è uno dei fluoroelastomeri più robusti.
La scelta del materiale di tenuta corretto è fondamentale per la buona riuscita di un'applicazione. Sebbene molti materiali di tenuta siano simili, ognuno è adatto a diverse finalità per soddisfare esigenze specifiche.
Data di pubblicazione: 12 luglio 2023