- ▸Уплотнительные кольца из углеродного графита в сочетании с карбидом кремния имеют коэффициент трения 0,05–0,10 и износ менее 5×10⁻⁸ мм³/(Н·м), что является оптимальным сочетанием для общей производительности.
- ▸Сочетание с оксидом алюминия дешевле, но обладает низкой теплопроводностью (30 Вт/(м·К)), подходит для условий с низкой скоростью и низким давлением при значениях PV ниже 2 МПа·м/с.
- ▸Сочетание с карбидом вольфрама (YG6/YG8) обеспечивает хорошую ударопрочность, подходит для сред с частицами и вибрационными условиями, с износом около 10×10⁻⁸ мм³/(Н·м).
- ▸Сочетание с нержавеющей сталью 316L ограничено легкими условиями эксплуатации с PV ниже 0,5 МПа·м/с, при этом температура на торце должна поддерживаться ниже 150°C для предотвращения окисления графита.
Сочетание материалов торцов торцевого уплотнения напрямую определяет трибологические характеристики и срок службы уплотнения. Как мягкий материал кольца, уплотнительные кольца из углеродного графита должны правильно сочетаться с твердыми материалами колец, чтобы полностью раскрыть свои самосмазывающиеся и износостойкие свойства. В процессе проектирования и производства углеродных графитовых уплотнений для различных насосов и компрессоров в Huahao Sealing Co., Ltd. (霍邱县华豪密封件有限公司) мы накопили обширные измеренные данные по сочетанию материалов торцов. В этой статье систематически анализируются характеристики сочетания углеродного графита с различными твердыми материалами колец, предоставляя инженерные рекомендации по выбору торцов торцевых уплотнений.
1. Основные принципы сочетания пар трения
1.1 Принцип разницы твердости
Основной принцип сочетания торцов торцевого уплотнения — «твердый-мягкий», где один торец выполнен из твердого материала, а другой — из мягкого. Углеродный графит, как мягкое кольцо (твердость по Шору HS 40–80), должен сочетаться с более твердыми материалами колец (HRA 85+). Разница в твердости обычно должна превышать HRA 20, что обеспечивает износ преимущественно со стороны мягкого кольца, позволяя восстанавливать характеристики уплотнения заменой мягкого кольца.
1.2 Согласование коэффициентов теплового расширения
Углеродный графит имеет низкий коэффициент теплового расширения (около 4–6×10⁻⁶/°C), тогда как металлические материалы обычно имеют значения в диапазоне 10–17×10⁻⁶/°C, что представляет значительную разницу. При изменении температуры разница в тепловом расширении между материалами пары может вызвать деформацию торцов и протечки. В инженерном проектировании следует отдавать предпочтение материалам с близкими коэффициентами теплового расширения; сочетание углеродного графита с карбидом кремния (4×10⁻⁶/°C) обеспечивает наилучшее тепловое соответствие.
1.3 Согласование теплопроводности
По крайней мере один из материалов пары трения должен обладать хорошей теплопроводностью для быстрого отвода тепла трения. Теплопроводность углеродного графита составляет примерно 100–200 Вт/(м·К), что отлично подходит для отвода тепла. Однако теплопроводность материала сопряжения также влияет на эффективность охлаждения; карбид кремния (120 Вт/(м·К)) значительно превосходит оксид алюминия (30 Вт/(м·К)).
2. Углеродный графит в сочетании с карбидом кремния
2.1 Характеристики производительности
Карбид кремния (SiC) является одним из лучших сопрягаемых материалов для уплотнительных колец из углеродного графита. Реакционно-связаный карбид кремния обладает твердостью HRA 92-94, плотностью 3,10 г/см³, теплопроводностью 120 Вт/(м·К) и коэффициентом теплового расширения 4,0×10⁻⁶/°C. Сопряжение углеродного графита с карбидом кремния имеет коэффициент сухого трения 0,05-0,10, который снижается до 0,01-0,03 при наличии жидкой пленки, а износ составляет менее 5×10⁻⁸ мм³/(Н·м), что делает эту пару оптимальной по совокупности эксплуатационных характеристик.
2.2 Применимые условия
Это сочетание подходит для жестких условий с высокой скоростью (до 50 м/с по линейной скорости), высоким давлением (до 5 МПа) и высокой температурой (до 300°C). Особенно рекомендуется для химических насосов, высокотемпературных масляных насосов и высокоскоростных центробежных компрессоров. Единственными недостатками являются высокая стоимость карбида кремния и чувствительность к ударным нагрузкам, что требует избегать столкновений торцов.
3. Углеродный графит в сочетании с оксидом алюминия
3.1 Характеристики производительности
Керамика из оксида алюминия (Al₂O₃) имеет твердость HRA 88-90, плотность 3,80 г/см³, теплопроводность всего 30 Вт/(м·К) и коэффициент теплового расширения 8,0×10⁻⁶/°C. В паре с углеродным графитом коэффициент трения составляет 0,08-0,15, а износ примерно 8×10⁻⁸ мм³/(Н·м). Стоимость оксида алюминия составляет примерно 50%-60% от стоимости карбида кремния, что обеспечивает хорошую экономичность.
3.2 Применимые условия
Основным недостатком оксида алюминия является низкая теплопроводность, что ограничивает его применение при низких скоростях и давлениях с PV-значениями ниже 2 МПа·м/с. Температура среды не должна превышать 150°C, иначе плохое отведение тепла с торца может привести к окислению углеродного графита. Обычно используется в питательных и циркуляционных насосах при стандартных условиях.
4. Углеродный графит в сочетании с карбидом вольфрама
4.1 Характеристики производительности
Карбид вольфрама (YG6 содержит 6% кобальта, YG8 содержит 8% кобальта) имеет твердость HRA 89-91, плотность 14,5-14,8 г/см³, теплопроводность 80-100 Вт/(м·К) и коэффициент теплового расширения 5,5×10⁻⁶/°C. В паре с углеродным графитом коэффициент трения составляет 0,06-0,12, а износ примерно 10×10⁻⁸ мм³/(Н·м). Карбид вольфрама обладает отличной ударной вязкостью, превосходя керамические материалы по прочности.
4.2 Применимые условия
Сочетание с карбидом вольфрама подходит для сред, содержащих частицы, и вибрационных условий, таких как насосы для шламов, насосы для растворов и вибрационное оборудование. Его высокая плотность увеличивает момент инерции вращения, что требует оценки динамического баланса в высокоскоростном вращающемся оборудовании. Температура среды может достигать 200°C, а PV-значения — до 4 МПа·м/с.
5. Углеродный графит в сочетании с нержавеющей сталью
5.1 Характеристики производительности
Нержавеющая сталь 316L имеет твердость HRC 30-35 (значительно ниже, чем у керамики и карбида вольфрама), теплопроводность 16 Вт/(м·К) и коэффициент теплового расширения 16,5×10⁻⁶/°C. В паре с углеродным графитом коэффициент трения составляет 0,10-0,20, а износ примерно 25×10⁻⁸ мм³/(Н·м), что является худшим показателем среди распространённых сочетаний.
5.2 Применимые условия
Сочетание с нержавеющей сталью ограничено легкими условиями эксплуатации с PV-значениями ниже 0,5 МПа·м/с, при этом температура торца должна поддерживаться ниже 150°C, чтобы предотвратить окисление графита. Обычно используется в насосах для воды с низким давлением и небольших циркуляционных насосах для некритичного оборудования. Преимущества включают низкую стоимость и простоту обработки, но срок службы относительно короткий.
6. Принятие решения по выбору пары материалов
6.1 Контрольный список оценки условий
Перед выбором подтвердите ключевые параметры: тип среды (чистая/с содержащимися твердыми частицами/коррозионная), температура, давление, скорость, значение PV, состояние вибрации и экономический бюджет.
6.2 Рекомендуемая матрица выбора
- Критическое оборудование с высокой скоростью, высоким давлением и высокой температурой: углеродный графит + реакционно-связанная карбид кремния
- Условия с наличием частиц или вибрацией: углеродный графит + карбид вольфрама YG6/YG8
- Обычные насосы для чистых сред с низким давлением: углеродный графит + керамика на основе оксида алюминия
- Легкое некритичное оборудование: углеродный графит + нержавеющая сталь 316L
Заключение
Подбор материалов торцевых поверхностей является основой проектирования торцевого уплотнения. Уплотнительные кольца из углеродного графита, обладая самосмазывающимися свойствами и теплопроводностью, могут образовывать хорошие пары с различными материалами твердых колец. Huahao Sealing Co., Ltd. поставляет уплотнительные кольца из углеродного графита различных марок, включая M106K, M120D и M106D, и рекомендует оптимальные решения по подбору пар в зависимости от условий заказчика. Для технических консультаций по подбору пар или производства образцов, пожалуйста, свяжитесь с нашей инженерной командой.