Торцевые уплотнения

4 МАТЕРИАЛЫ

 

Материалы для уплотнительных колец следует подбирать с учетом условий эксплуатации торцового уплотнения, а также технологичности и экономичности изготовления уплотнительных колец. Условия эксплуатации уплотнений разного назначения существенно различны, поэтому для каждой группы уплотнений необходимо рассматривать определенный комплекс параметров, характеризующих степень напряженности работы пары трения.

При этом важное значение имеет  выбор не самих материалов пар  трения, а их сочетаний. При выборе оптимальных пар скольжения необходимо учитывать коррозионную стойкость и износостойкость материалов, возможность теплоотвода из зоны трения, а также совместимость материалов, т. е. возможность работы без схватывания и заедания. Рассмотрим отдельные группы материалов и их сочетания.

Пластмассы. Для уплотнений, работающих при очень низкой степени напряженности (например, в насосах системы охлаждения автомобиля при давлении жидкости 0,15 МПа и скорости скольжения не более 3,5 м/с), используют пластмассы. Для них характерны высокая износостойкость в этих условиях, а также высокая технологичность (изделия из пластмасс получают горячим прессованием).

Как правило, применяют твердые  пластмассы на основе фенольной смолы, наполненные коксовой или асбестовой крошкой либо асбестом слоистой структуры, а также графитом или баббитом в порошкообразном виде. Эти материалы имеют высокую износостойкость в воде при работе в паре с хромистым чугуном, бронзой и керамикой. Износостойкость в значительной степени зависит от технологических параметров, например давления и температуры при прессовании и продолжительности охлаждения.

Отрицательными свойствами материалов на базе синтетических смол является их низкая термостойкость, что ограничивает их использование при температурах выше 80 °С. Местный перегрев поверхности и испарение пленки жидкости приводит к повышению коэффициента трения и деструкции материала.

В торцовых уплотнениях общепромышленного назначения кольца из пластмасс используют сравнительно редко.

Антифрикционные углеродные материалы. При более высоком рабочем давлении обычно применяют кольца из углеродных материалов. Антифрикционные материалы на основе углерода подразделяют на следующие основные типы: углеродные обожженные с пропиткой, графитированные с пропиткой, графитофторопластовые и силицированные графиты. Широкий диапазон физикомеханических свойств углеродных материалов обусловлен многообразием композиций компонентов и способов производства.

В качестве исходных материалов при производстве углеграфитов используют кокс, сажу, графит. После прессования заготовки обжигают — получают обожженный (аморфный) углеродный материал.

Графитированный углеродный материал (электрографит) получают из обожженного после дополнительной выдержки в печи при температуре 2400...2600 °С, при которой часть аморфного угля переходит в графит.

Углеродные обожженные материалы  имеют высокую прочность и  пониженную по сравнению с графитированными теплопроводность (таблица 2).

В отечественной практике обожженные и графитированные углеродные материалы применяют исключительно с пропиткой.

Углеродные материалы  имеют пористость 12-20%, средний размер пор 1-5мкм. Для торцевых уплотнений остаточная пористость является отрицательным фактором, поскольку из-за нее возникают утечки жидкости через кольцо, поэтому углеродные материалы пропитывают синтетическими смолами, металлами, фторопластом и растворами солей. В общем случае пропитка снижает пористость, увеличивает модуль упругости, твердость (незначительно), температурный коэффициент линейного расширения и теплопроводность материала (особенно обожженного).

Обычно пропиточный материал ограничивает область применения углеродного материала. Практика показывает, что при повышенных давлении и температуре углеродные материалы, пропитанные синтетической смолой, работают лучше, чем материалы, пропитанные металлами. Так, они имеют меньшую склонность к задирам при резком повышении температуры, при котором металл может выплавиться из кольца. Кроме того, углеродные материалы, пропитанные смолами, более стойки в агрессивных средах, так как химическая стойкость смолы больше, чем у металлов. Необходимо отметить, что обожженные и графитированные углеродные материалы производства зарубежных фирм имеют теплопроводность и коэффициент линейного расширения, практически аналогичные показателям отечественных материалов (таблица 2).

При температурах ниже нуля углеродные материалы имеют такие же характеристики, как и при высоких температурах. Коэффициент трения и износ в общем случае имеют тенденцию к увеличению с повышением температуры. Как и при высокой температуре, углеродные материалы, пропитанные пленкообразующими материалами, имеют лучшие характеристики при криогенных температурах. Фенольная смола, фторопласт и нейлон, используемые как пропиточные материалы для углеродных материалов, имеют удовлетворительные характеристики трения и изнашивания в жидком азоте.

Графитофторопластовые антифрикционные материалы применяют в основном в средах с сильными окислительными свойствами. Для углеродных материалов не характерна такая стойкость, поэтому в сильных окислителях и многих других агрессивных средах рекомендуется применять материал Ф4К20 на основе фторопласта-4 с 20% кокса, работающий в паре с керамикой ЦМ-332.

Графитофторопластовые материалы менее прочны по сравнению с углеродными, но имеют большую плотность и практически непроницаемы для жидкости.

Высокая износостойкость  и долговечность нового материала на базе углерода — силицированного графита — обусловлена особой структурой материала: жесткий каркас из карбида кремния исключительно высокой твердости и свободный графит, который обеспечивает высокие антифрикционные свойства и теплопроводность.

 

Также в качестве пар трения применяют карбид кремния и силицированный графит двух марок — твердый силицированный, который практически является монолитом карбида кремния, и модифицированный или корковый, который получают при воздействии паров кремния на углеродное кольцо заданной конфигурации. Процесс силицирования идет на небольшую глубину (0,5 — 1 мм), при этом кольцо остается пористым и его надо пропитывать.

 

Таблица – 2 Физико-механические характеристики пар трения торцевых уплотнений

 

Одним из недостатков антифрикционных материалов на основе углерода является низкая ударная вязкость — хрупкость. Однако этот недостаток проявляется только на этапе обработки детали и монтажа уплотнения, при работе торцового уплотнения ударные нагрузки и вибрацию деталей насоса компенсирует упругий поджимной элемент.

В связи с хрупкостью углеродных материалов при конструировании  и изготовлении деталей из них необходимо избегать резких переходов сечений и других концентраторов напряжений. Углеродные материалы деформируются упруго и разрушаются при незначительной деформации (1-2%).

Все углеродные материалы  имеют более низкий температурный  коэффициент линейного расширения, чем металлы, и это необходимо учитывать при выборе посадок в соединениях деталей из углеграфита и металла.

Металлы. В качестве материала пар трения торцовых уплотнений сталь обычно не используют, но, например, в торцовых уплотнениях отечественного производства сталь 95X18 закаленная до HRC 55 (таблица 2) работает в паре с углеграфитом 2П-1000Ф.

Очень широкое распространение  в конструкциях зарубежных уплотнений получил хромистый чугун и сплав Нирезист (таблица 2). Чугуны имеют хорошие и стабильные характеристики при недостаточном смазывании. Коррозионная стойкость чугунов повышается с добавлением никеля, хрома, меди или их комбинаций.

Наиболее широко применяют  чугуны в комбинации с твердыми углеграфитами в насосах, перекачивающих нефтепродукты. Кольца из чугуна относительно недороги и легко поддаются обработке. В отечественных конструкциях торцовых уплотнений чугуны не применяют. Среди зарубежных фирм только «Крейн Пекинг» (Англия) применяет свинцовистую бронзу для пар трения. Свинцовистая бронза имеет удовлетворительные антифрикционные характеристики и ее применяют лишь для легких условий эксплуатации. Бронзу используют в паре с углеграфитом, пропитанным металлом, в различных нефтепродуктах.

Твердые сплавы. В парах трения торцовых уплотнений чаще всего применяют сплавы на основе карбида вольфрама.

В качестве связки в карбидах вольфрама чаще всего используют кобальт и никель. Карбид вольфрама придает сплаву жесткость, прочность при сжатии, твердость, износостойкость, металл связки — ударную вязкость и прочность при изгибе.

Карбид вольфрама с  кобальтом в качестве связки имеет ограниченное применение, в основном для абразивосодержащих сред. Кобальт имеет низкую химическую стойкость — растворяется даже в дистиллированной воде, поэтому его нельзя применять в аппаратах пищевой промышленности. Кобальт, имеющий большой период полураспада, недопустимо использовать в уплотнениях насосов атомных электростанций .

Благодаря малому температурному коэффициенту линейного расширения твердых сплавов (в 2 - 3 раза меньше, чем коррозионно-стойкой стали) деформация поверхностей трения незначительна. Высокая теплопроводность твердых сплавов (более высокую теплопроводность имеют лишь силицированные графиты и графитированные углеграфиты) обусловливает их применение в условиях недостаточного смазывания и воздействии термических нагрузок.

Фирма «Крейн Пекинг» (Англия) использует в своих конструкциях этот материал лишь в одном сочетании  карбид вольфрама — карбид вольфрама , кроме этого, использует сочетание карбид вольфрама — аморфный углеграфит.

Керамика. У каждой ведущей фирмы — изготовителя торцовых уплотнений есть определенный набор материалов пар трения, при этом все фирмы используют керамику. Исключительность керамики определяется ее химической стойкостью в средах с сильными окислительными свойствами, в которых другие материалы не стойки, например в олеуме.

Минералокерамику изготовляют  на базе окиси алюминия (до 99 %). Из-за хрупкости и сравнительно невысокой  теплопроводности ( Таблица 2) керамика склонна к терморастрескиванию при резком охлаждении и быстром нагреве, поэтому режим недостаточного смазывания для керамики недопустим.

В отечественных конструкциях торцовых уплотнений применяют минералокерамику ЦМ-332 в паре с графитофторопластом Ф4К20.

Выбор материалов пар трения по показателям применимости. Анализ работы торцовых уплотнений в центробежных насосах показывает, что требования, предъявляемые к материалам пар трения, можно свести к следующим показателям применимости:

износостойкость материала  при стабильном режиме работы торцового уплотнения;

коррозионная стойкость; наличие внутренних напряжений в  материале;

эффективность теплоотвода; работоспособность материала в  режиме трения без смазочного материала.

Показатели применимости материалов для пар трения существенно различны и по общему их числу, и по весомости каждого показателя в пределах отдельных групп насосов.

Номенклатура показателей  применимости и коэффициентов их весомости для насосов различных групп составлена на основе метода экспертных оценок.

При определении показателей  применимости оцениваемых материалов за эталонные принимают лучшие свойства известных антифрикционных материалов, применяемых в настоящее время в качестве пар трения торцовых уплотнений.

Износостойкость материалов пар трения. В связи с различным механизмом изнашивания пар трения торцовых уплотнений в чистых средах и в средах с абразивными включениями используют два способа определения показателей применимости материалов по износостойкости.

В чистых средах изнашивание колец пар трения происходит в осевом направлении. Классическая кривая изнашивания материала во времени имеет участок сравнительно непродолжительной приработки и линейный участок, соответствующий стабильному режиму изнашивания при нормальной работе торцового уплотнения. Интенсивности изнашивания разных материалов различны.

Все материалы, предназначенные  для использования в качестве пар трения торцовых уплотнений насосов, перекачивающих чистые жидкости, подвергают контрольным испытаниям при максимальных рабочих параметрах в течение 100 ч для определения группы износостойкости (линейного износа h):

1 — низкой  износостойкости (h > > 10 мкм);

2— средней износостойкости (h = 1... 10 мкм);

3— высокой износостойкости (h < < 1 мкм).

Материалы, отнесенные по результатам контрольных испытаний к первым двум группам, оценивают по следующему показателю применимости:

 

,

 

где = 1 мкм — износ эталонного образца за 100 ч; h₀ — износ образца из оцениваемого материала за 100 ч.

Для материалов третьей группы принимают = 1.

В жидкостях, содержащих абразивные включения, изнашивание колец пар  трения происходит в радиальном направлении по ширине пояска трения.

Контрольные испытания проводят по ускоренной методике на абразивах высокой твердости, обычно карбиде кремния крупностью 5 мкм. При этом всегда должно быть выполнено условие > (1,3... 1,7), где и - твердости абразивного и испытуемого материалов. В результате контрольных испытаний определяют радиальный износ образца из испытуемого материала за 10 ч и сопоставляют его с износом эталонного образца. В качестве эталонной применяют пару силицированный графит СГП — твердый сплав ВК4. Износостойкость оценивают показателем:

 

,

 

где— износ эталонной пары СГП — ВК4; — износ оцениваемого материала.

Коррозионная  стойкость материалов пар трения. Как правило, для насосов, перекачивающих воду и нейтральные среды, а также для судовых насосов имеется достаточно полная информация о коррозионной стойкости антифрикционных материалов в перекачиваемых средах. В связи с этим при определении комплексного показателя применимости коррозионную стойкость материалов для этой группы насосов не учитывают.