© к.т.н. Шепелёв В.А., инж. Шепелёв А.В.
Торцевые уплотнения. Материалы колец пары трения
История развития уплотнений валов неразрывно связана с ростом промышленного производства центробежных насосов и компрессоров. С расширением их областей применения стало очевидным ограничения по использованию сальниковой набивки. В начале 20-го века появились механические торцевые уплотнения, которые в отличие от сальниковой набивки, не изнашивали вал, обладали большей степенью геметичности и не требовали периодического обслуживания. Главными преимуществами такого технического решения явились изменение действующих нагрузок уплотнительного узла и возможность поиска и применения необходимых материалов для колец пары трения. За период с конца 50-х годов по 80-е годы прошлого столетия произошел быстрый рост популярности торцевых уплотнений и новых композиционных износостойких материалов. Большинство из этих материалов, используемых на сегодняшний день, были разработаны в течение этого периода времени. Научные исследования и испытания в области материаловедения и триботехники стали основой развития и применения новых технологий и материалов для современных прецизионных уплотнительных устройств.Графит и углеграфит
Эти "мягкие" материалы начали применяться с середины прошлого века в уплотнениях благодаря эффекту "самосмазывания". Развитие аэрокосмической и атомной промышленности обусловило появление новых типов графитовых материалов с лучшими характеристиками, успешно используемыми для работы с жидкостями, имеющими плохие смазочные способности. С целью устранения пористости графит стали пропитывать смолами, металлами, неорганическими солями и другими составами.
Графитовые материалы с пропиткой смолами обладают умеренной твердостью, хорошей химической стойкостью и достаточно высокой температурной стойкостью [которая зависит от характеристик пропитывающего состава]. Все эти свойства позволяют их применять в различных областях промышленности.

Другие "мягкие" материалы
Для некоторых областей применения используются альтернативные "мягкие" материалы, например, такие как оловянистая бронза, преимуществами которой по сравнению с графитами является повышение прочности, твердости и теплопроводности. Несмотря на эти очевидные положительные характеристики эти материалы не обладают эффектом "самосмазывания", по этой и другим причинам спектр применения таких материалов ограничен и положительные качества не перевешивают их недостатки. Пластики типа капролона или фторопластовые композиции на основе PTFE, имеют ограниченный диапазон использования в связи с невысокой температурой плавления, низкой теплопроводностью и малым модулем упругости.Материалы с высокой твердостью и износостойкостью
С целью расширения спектра областей применения торцевых уплотнений было разработано значительное количество твердых износостойких материалов, а также керамических композиций, используемых в парах трения этих прецизионных изделий. Эти материалы обладают хорошими трибологическими показателями при работе в паре с графитовыми и углеграфитовыми материалами.Покрытия и напыления
Разработанная и представленная в конце 70-х годов прошлого века технология нанесения оксида хрома толщиной около 0,2...0,3 мм в качестве покрытия рабочих колец пары трения позволила повысить твёрдость рабочей поверхности до 54 HRC. В дальнейшем технология газопламенного напыления карбида вольфрама, карбида хрома и титана позволила улучшить устойчивость к износу [твердость поверхности до 65...72 HRC], коррозионную стойкость, стойкость к ударным нагрузкам.
В середине 80-х годов прошлого столетия была разработана и нашла в последствии практическое применение технология покрытия колец пары трения тонким слоем оксида алюминия ["микродуговое оксидирование"].

Керамика на основе оксида алюминия
Керамика на основе оксида алюминия стала применяться в торцевых уплотнениях с 1960-х годов, обладала исключительными для того времени твердостью и химической стойкостью, однако, в то же время имеет низкую теплопроводность и плохие трибологические показатели.

Карбид кремния и его композиции
Впервые карбид кремния начал использоваться в качестве покрытия на графитовых деталях уплотнений в 1970-х годах, в последствии нашла применение форма реакционно-спечённого карбида кремния.

Силицированный графит
В Советском Союзе были разработаны и освоены технологии промышленного серийного производства перспективного материала - силицированного графита марок СГ-Т, СГ-П и СГ-М, путём пропитки исходного графита по всему объёму жидким кремнием. Материал обладает уникальными свойствами: высоким показателем PV, низким коэффициентом трения, более стоек к перепадам температур по сравнению с карбидокремниевой керамикой. Однако наличие свободного кремния не позволяет его использовать при работе в щелочах.
Нитрид кремния
В середине 1990-х - начале 2000-х годов были разработаны и освоены промышленные технологии производства нового перспективного материала - нитрида кремния Si3N4. Преимуществами которого является более высокая усталостная трещиностойкость по сравнению с карбидокремниевой керамикой. Эти качества обуславливают применение нитрида кремния для колец пар трения специальных торцевых уплотнений, обладающих высокой надежностью в эксплуатации.
Карбид вольфрама
Применение карбида вольфрама со cвязкой кобальта и никеля в качестве нового материала для уплотнений началось с 1970-х годов: первоначально в виде покрытия на нержавеющих стальных деталях ввиду дешевизны изготовления. В дальнейшем закрепилось применение этого материала в цельноспеченых кольцах пары трения, которые обладают очень высоким модулем упругости, износостойкостью, теплопроводностью и прочностными показателями в 3...5 раз выше карбида кремния и керамики на основе оксида алюминия, а также высокой стойкостью к термическим нагрузкам.
