Углеродный графит против карбида кремния: руководство по выбору рабочих поверхностей уплотнительных колец по производительности, стоимости и сочетанию материалов

1. Позиционирование двух материалов

Сочетание рабочих поверхностей торцевого уплотнения обычно следует принципу «одна мягкая, одна твердая»: мягкая поверхность обеспечивает самосмазку и жертвенный износ, а твердая поверхность сохраняет плоскостность и выдерживает высокоскоростное трение. Углеродный графит и карбид кремния — классическая пара:

• Углеродный графит: в роли мягкой поверхности (вращающееся или неподвижное уплотнительное кольцо), благодаря слоистой структуре обеспечивает самосмазку, снижая трение, и защищает твердую поверхность за счет предпочтительного износа
• Карбид кремния (SiC): в роли твердой поверхности, сохраняет плоскостность благодаря высокой твердости и износостойкости при высокоскоростном трении

Они не конкуренты, а взаимодополняющие материалы. В одном узле уплотнения обычно используются оба.

2. Сравнение физических свойств

| Свойство | Углеродный графит (пропитанный) | Реакционно-связанный SiC | Спеченный без давления SiC |

|---------|---------------------------------|-------------------------|----------------------------|

| Плотность (г/см³) | 1,80-2,20 | 3,05-3,10 | 3,10-3,21 |

| Твердость | HS 40-90 | HV 2000-2800 | HV 2500-2800 |

| Прочность на сжатие (МПа) | 150-340 | 1500-2500 | 2000-3000 |

| Прочность на изгиб (МПа) | 40-100 | 350-500 | 400-550 |

| Теплопроводность (Вт/м·К) | 70-150 | 80-150 | 80-120 |

| Коэффициент теплового расширения (×10⁻⁶/°C) | 2,5-5,0 | 4,0-4,5 | 4,0-4,5 |

| Максимальная температура (°C) | 600 (без окисления) | 1400 | 1600 |

Ключевые выводы:

1.Твердость SiC в 30-50 раз выше, чем у углеродного графита, что значительно повышает износостойкость

2.Оба материала имеют сопоставимую теплопроводность, значительно превосходящую оксидную керамику (25-35 Вт/м·К)

3.Углеродный графит обладает лучшей вязкостью и устойчив к хрупкому разрушению; SiC хрупок и подвержен термическим трещинам

3. Сравнение химической стойкости

| Среда | Углеродный графит (пропитка фенолом) | Карбид кремния |

|-------|--------------------------------------|----------------|

| Солянокислотный раствор (30%) | Хорошо | Отлично |

| Серная кислота (50%) | Хорошо | Отлично |

| Азотная кислота (30%) | Удовлетворительно | Отлично |

| Плавиковая кислота | Плохо (требуется пропитка PTFE) | Плохо (SiC реагирует с HF) |

| Гидроксид натрия (30%) | Хорошо | Отлично |

| Ацетон, спирты | Отлично | Отлично |

Ключевые выводы:

1.SiC устойчив практически ко всем кислотам и щелочам (кроме HF), обладает лучшей химической стабильностью, чем углеродный графит

2.Стойкость углеродного графита зависит от типа пропитки; сильноокисляющие среды (например, концентрированная азотная кислота) вызывают деградацию

3.Ни один из материалов не подходит для плавиковой кислоты; необходимы пары с PTFE или наполненным PTFE

4. Сравнение стоимости и обрабатываемости

• Заготовка из углеродного графита: ~30-80 юаней/кг, хорошая обрабатываемость, допускает токарную обработку и шлифовку
• Заготовка из реакционно-связанного SiC: ~250-600 юаней/кг, требует алмазных кругов, высокая стоимость обработки
• Заготовка из бездавления спечённого SiC: ~400-900 юаней/кг, более твёрдая и трудная в обработке

Цена SiC в 3-8 раз выше, чем у углеродного графита, при этом стоимость обработки также выше. Однако износостойкость SiC значительно превосходит углеродный графит, обеспечивая более длительный срок службы. В средах с твёрдыми частицами или при высоких скоростях и давлениях общая стоимость эксплуатации SiC может быть ниже.

5. Типичные сценарии применения

5.1 Основные условия эксплуатации: чистая вода, слабоагрессивные среды, низкое-среднее давление

• Сочетание: пропитанный углеродный графит + реакционно-связанный SiC
• Область применения: центробежные насосы, циркуляционные насосы, насосы охлаждающей воды, давление среды <2 МПа, температура <150°C
• Преимущество: экономичность, стабильная жидкостная плёнка, срок службы 8000-12000 часов

5.2 Среды с твёрдыми частицами: сточные воды, шлам, пульпа

• Сочетание: бездавления спечённый SiC против бездавления спечённого SiC (твёрдый против твёрдого)
• Область применения: абразивные среды с твёрдыми включениями
• Особенность: частицы быстро изнашивают мягкую поверхность углеродного графита, поэтому используется SiC против SiC, но при более высокой стоимости и менее стабильной жидкостной плёнке

5.3 Сильно коррозионные химические среды: HCl, H₂SO₄, щёлочи

• Сочетание: углеродный графит с фурановой пропиткой + реакционно-связанный SiC
• Область применения: химические насосы, реакторы, сильнокислые и щелочные среды
• Преимущество: баланс коррозионной стойкости и экономичности

5.4 Высокотемпературное горячее масло: теплоноситель, асфальт

• Сочетание: углеродный графит с сурьмяной пропиткой + реакционно-связанный SiC
• Область применения: 200-400°C, насосы горячего масла
• Преимущество: баланс термостойкости и грузоподъёмности

6. Почему «Углеродный графит + SiC» — основное сочетание

1.Взаимодополняющие свойства: самосмазывающийся углеродный графит снижает трение, SiC сохраняет плоскостность поверхности

2.Стабильность плёнки: мягкая поверхность углеродного графита изнашивается предпочтительно, образуя микровпадины, которые удерживают среду и стабилизируют плёнку

3.Баланс стоимости: дешёвый углеродный графит периодически заменяется, износостойкий SiC используется длительное время

4.Тепловая координация: сопоставимая теплопроводность обеспечивает двунаправленное рассеивание тепла, предотвращая локальный перегрев

5.Отказоустойчивость: углеродный графит служит жертвенной изнашиваемой поверхностью, изнашиваясь первым при аномальных условиях, что предупреждает и защищает дорогую твёрдую поверхность SiC

Эти совокупные преимущества делают сочетание «углеродный графит + SiC» стандартным выбором более чем для 90% промышленных торцевых уплотнений. Только в особых условиях (среды с твёрдыми частицами, HF) применяются альтернативные сочетания.