© 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.
Пропитка углеграфитов металлами способствует повышению прочностных показателей и теплопроводности. Мягкие баббиты, такие как бронза, медь, никель, сурьма и олово, применяются в качестве альтернативных материалов для пропитки углеграфитовых колец. Температура плавления пропитывающего металла ограничивает область применения таких уплотнений.
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"].
Кольца пар трения с таким покрытием обладали непревзойденными для того времени твердостью и химической стойкостью по сравнению с твердыми материалами на основе металлов. Несмотря на очевидные преимущества повышения твердости рабочих поверхностей, недостатками применения таких технологий и материалов являются: высокая вероятность терморастрескивания и возможная потеря плоскостности в связи с разными физическими свойствами покрытия и базового материала, что сужает область применения торцевых уплотнений малыми значениями PV и невысокими перепадами температур.
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.
Кроме того, такая керамика склонна к разрушению в результате "термического шока". Несмотря на это неперспективный материал все ещё используется для колец пар трения ввиду относительно низкой себестоимости изготовления, в основном, для уплотнений с низкими значениями PV и невысокими скоростями скольжения.
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.
Реакционно-спечённый карбид кремния ReSiC благодаря наличию свободного кремния имеет низкий коэффициент трения, но ограниченную химическую стойкость в концентрированных кислотах и щелочах. С целью улучшения химической стойкости в начале 1980-х годов была разработана технология изготовления карбидокремниевого материала SSiC [DSSiС] без свободного кремния. Оба материала обладают непревзойденной твердостью, и находят очень широкое применение в уплотнительной технике даже спустя 35 лет. Высокая твердость наделяет карбидокремниевые композиции механически стойкими к износу и абразивным включениям.
С конца 80-х годов прошлого века были разработаны технологии изготовления композиций с включениями углерода. Материалы представляют собой гетерогенную смесь свободного графита и реакционно-спечённого карбида кремния или чистого карбида кремния. Неоспоримыми преимуществами таких карбидокремниевых композиций с включениями графита является пониженный коэффициент трения, высокая теплопроводность, что позволяет изготавливать кольца пар трения торцевых уплотнений для работы в особых условиях эксплуатации.
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.
Несмотря на значительные преимущества, этот материал не работает в условиях сухого трения и имеет ограниченную химическую стойкость связки никеля или кобальта в концентрированных кислотах и щелочах.