Анализ твердости и износостойкости материала углеродного графита

При выборе уплотнительного кольца распространён интуитивный вывод «большая твердость означает лучшую износостойкость», но для материалов из углеродного графита это утверждение не полностью верно. Износостойкость углеродного графита зависит не только от твердости, но и от состава, типа пропитки, материала сопряжённой детали и условий эксплуатации. На основе многолетних испытаний Huahao Sealing Co., Ltd. систематически анализирует истинную взаимосвязь между твердостью и износостойкостью, чтобы исправить распространённые заблуждения.

1. Методы измерения твердости и их значение

1.1 Твердость по Шору (HS)

Наиболее часто используемый показатель твердости для материалов из углеродного графита — твердость по Шору HS, доступная в шкалах HS (G) и HS (F). Твердость углеродного графита для торцевых уплотнений обычно варьируется от 40 до 100 HS. Твердость по Шору — это твердость отскока, отражающая способность материала к упругой деформации, что хорошо подходит для пористых гетерогенных материалов, таких как углеродный графит.

1.2 Твердость по Роквеллу и Бринеллю

Твердость по Роквеллу (HRR, HRM) и Бринеллю (HB) также используется для графита с металлической пропиткой, но из-за гетерогенности углеродного графита разброс данных значителен, и требуется усреднение нескольких измерений. В нашем выходном контроле мы проводим не менее пяти точечных измерений на партию.

1.3 Ограничения тестирования твердости

Следует отметить, что твердость отражает сопротивление материала локальной пластической деформации, а не его общую износостойкость. Два материала из углеродного графита с одинаковой твердостью по Шору 80 HS могут отличаться по скорости износа в несколько раз в зависимости от состава и пропитки.

2. Нелинейная зависимость между твердостью и износостойкостью

2.1 Общая тенденция и критическая точка

В пределах разумного диапазона повышение твердости углеродного графита обычно соответствует улучшению износостойкости, но эта зависимость имеет критическую точку. Когда твердость превышает примерно 90-100 HS, хрупкость значительно увеличивается, и рабочая поверхность уплотнительного кольца склонна к микротрещинам и отслоениям во время эксплуатации, что фактически ускоряет износ. Экспериментальные данные Huahao показывают, что при повышении твердости с 60 HS до 80 HS скорость износа снижается примерно на 40%; при повышении с 90 HS до 110 HS скорость износа, наоборот, увеличивается на 15%-30%.

2.2 Влияние типа пропитки

Различные процессы пропитки влияют на твердость и износостойкость через разные механизмы. Металлическая пропитка сурьмой повышает твердость с 60 HS до 90-110 HS; при поддержке металлической фазы износостойкость также значительно улучшается. Пропитка фенольной смолой обеспечивает ограниченное повышение твердости примерно на 5-15 HS, но за счёт снижения пористости и улучшения контакта на интерфейсе износостойкость всё же повышается. Пропитка PTFE практически не изменяет твердость, но благодаря низкому коэффициенту трения снижает скорость износа.

2.3 Состав и размер зерна

Размер зерна наполнителя в составе существенно влияет на твердость и износостойкость. Составы с мелким зерном (<75μm) обладают большей твердостью и лучшей отделкой поверхности, подходят для прецизионных уплотнений. Составы с крупным зерном (>150μm) имеют немного меньшую твердость, но лучшую теплопроводность, подходят для условий высоких температур и больших нагрузок. Huahao предлагает несколько систем составов для различных применений.

3. Критически важен подбор сопрягаемого материала

Износостойкость углеродного графитового уплотнительного кольца зависит не только от самого графита, но и от всего трения пары. Распространённые сопрягаемые материалы включают карбид кремния (SiC), карбид вольфрама (WC), оксид алюминия (Al₂O₃) и чугун.

3.1 Сопряжение с карбидом кремния

Сопряжение SiC с углеродным графитом является эталонным сочетанием в торцевых уплотнениях на сегодняшний день, благодаря большому перепаду твердости, хорошей химической совместимости, значению PV до 15-25 МПа·м/с и чрезвычайно низкой скорости износа.

3.2 Сопряжение с карбидом вольфрама

Карбиды вольфрама, такие как YG6 и YG8, в сочетании с углеродным графитом подходят для условий высокого давления и высокой скорости, но теплопроводность цементированного карбида ниже, чем у SiC, что требует контроля повышения температуры рабочей поверхности.

3.3 Сопряжение с чугуном

Сопряжение чугуна с графитом является недорогим и используется в обычных условиях, например, в насосах низкого давления для воды, но сопрягаемая деталь изнашивается быстрее и требует периодической замены.

4. Влияние условий эксплуатации

Износостойкость зависит от условий эксплуатации. Вязкость среды, содержание твёрдых частиц, температура, давление и скорость все влияют на фактическую скорость износа. Например, среда с содержанием более 0,1% твёрдых частиц может увеличить скорость износа углеродного графита в 3-5 раз. При повышении температуры среды выше 200°C твердость графита с пропиткой смолой значительно снижается, и износостойкость уменьшается.

5. Заключение

Существует нелинейная зависимость между твердостью и износостойкостью углеродного графита. Простое стремление к высокой твердости не является правильным подходом к выбору. Инженерам следует комплексно учитывать тип пропитки, материал сопряженной детали и параметры эксплуатации для системного подбора. Huahao Sealing Co., Ltd. может предоставить данные испытаний на трение и износ на уровне материала, чтобы помочь клиентам сделать оптимальный выбор.