คาร์บอนกราไฟต์ กับ ซิลิกอนคาร์ไบด์ หน้าแหวนซีล: คู่มือการเลือกใช้งาน ประสิทธิภาพ และต้นทุน

1. การกำหนดตำแหน่งของวัสดุทั้งสอง

การจับคู่ผิวซีลกลโดยทั่วไปจะเป็นไปตามหลักการ "หนึ่งนุ่ม หนึ่งแข็ง": ผิวนุ่มจะให้การหล่อลื่นตัวเองและสึกหรอแบบเสียสละ ในขณะที่ผิวแข็งจะรักษาความเรียบและทนต่อแรงเสียดทานที่ความเร็วสูง คาร์บอนกราไฟต์และซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นการจับคู่คลาสสิก:

• คาร์บอนกราไฟต์: เป็นผิวนุ่ม (แหวนหมุนหรือแหวนคงที่) ใช้โครงสร้างชั้นเพื่อหล่อลื่นตัวเอง ลดแรงเสียดทาน และปกป้องผิวแข็งโดยการสึกหรอก่อน
• ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC): เป็นผิวแข็ง รักษาความเรียบของผิวด้วยความแข็งสูงและความต้านทานการสึกหรอภายใต้แรงเสียดทานความเร็วสูง

ทั้งสองไม่ใช่คู่แข่ง แต่เป็นวัสดุที่เสริมกัน ชุดซีลหนึ่งชุดโดยทั่วไปจะใช้ทั้งสองวัสดุร่วมกัน

2. การเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกายภาพ

| คุณสมบัติ | คาร์บอนกราไฟต์ (ผ่านการอัดซึม) | ซิลิกอนคาร์ไบด์แบบผนึกปฏิกิริยา | ซิลิกอนคาร์ไบด์แบบซินเตอร์ไม่ใช้แรงดัน |

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

| ความหนาแน่น (g/cm³) | 1.80-2.20 | 3.05-3.10 | 3.10-3.21 |

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

| ความต้านทานแรงอัด (MPa) | 150-340 | 1500-2500 | 2000-3000 |

| ความต้านทานแรงดัด (MPa) | 40-100 | 350-500 | 400-550 |

| การนำความร้อน (W/m·K) | 70-150 | 80-150 | 80-120 |

| ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (×10⁻⁶/°C) | 2.5-5.0 | 4.0-4.5 | 4.0-4.5 |

| อุณหภูมิสูงสุด (°C) | 600 (ไม่ใช้ออกซิไดซ์) | 1400 | 1600 |

ข้อสรุปสำคัญ:

1.ความแข็งของ SiC สูงกว่าคาร์บอนกราไฟต์ 30-50 เท่า ทนต่อการสึกหรอได้ดีกว่ามาก

2.ทั้งสองมีการนำความร้อนใกล้เคียงกัน และดีกว่าเซรามิกอลูมินาอย่างมาก (25-35 W/m·K)

3.คาร์บอนกราไฟต์มีความเหนียวและทนต่อการแตกเปราะได้ดีกว่า SiC ซึ่งเปราะและเสี่ยงต่อการแตกร้าวจากความร้อน

3. การเปรียบเทียบความต้านทานทางเคมี

| สารเคมี | คาร์บอนกราไฟต์ (ผ่านการอัดซึมด้วยฟีนอลิก) | ซิลิกอนคาร์ไบด์ |

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

| กรดไฮโดรคลอริก (30%) | ดี | ดีเยี่ยม |

| กรดซัลฟิวริก (50%) | ดี | ดีเยี่ยม |

| กรดไนตริก (30%) | ปานกลาง | ดีเยี่ยม |

| กรดไฮโดรฟลูออริก | แย่ (ต้องอัดซึม PTFE) | แย่ (SiC ทำปฏิกิริยากับ HF) |

| โซเดียมไฮดรอกไซด์ (30%) | ดี | ดีเยี่ยม |

| อะซีโตน, แอลกอฮอล์ | ดีเยี่ยม | ดีเยี่ยม |

ข้อสรุปสำคัญ:

1.SiC ทนต่อกรดและด่างเกือบทุกชนิด (ยกเว้น HF) มีความเสถียรทางเคมีดีกว่าคาร์บอนกราไฟต์

2.ความต้านทานของคาร์บอนกราไฟต์ขึ้นอยู่กับชนิดของการอัดซึม สารที่มีฤทธิ์ออกซิไดซ์แรง (เช่น กรดไนตริกเข้มข้น) จะทำให้วัสดุเสื่อมสภาพ

3.ทั้งสองไม่เหมาะสำหรับกรดไฮโดรฟลูออริก ต้องใช้การจับคู่กับ PTFE หรือ PTFE ที่เติมสารอื่นร่วมด้วยเท่านั้น

4. การเปรียบเทียบต้นทุนและความสามารถในการกลึง

• แผ่นคาร์บอนกราไฟต์: ประมาณ 30-80 หยวน/กก. มีความสามารถในการกลึงดี สามารถกลึงและขัดละเอียดได้
• แผ่น SiC ที่เชื่อมด้วยปฏิกิริยา: ประมาณ 250-600 หยวน/กก. ต้องใช้ล้อเพชร มีต้นทุนการกลึงสูง
• แผ่น SiC ที่ซินเตอร์โดยไม่ใช้แรงกด: ประมาณ 400-900 หยวน/กก. แข็งกว่าและกลึงยากกว่า

ราคาต่อหน่วยของ SiC สูงกว่าคาร์บอนกราไฟต์ 3-8 เท่า และมีต้นทุนการกลึงสูงกว่า อย่างไรก็ตาม ความต้านทานการสึกหรอของ SiC สูงกว่าคาร์บอนกราไฟต์มาก ทำให้มีอายุการใช้งานยาวนานกว่า ในสื่อที่มีของแข็งหรือใช้งานด้วยความเร็ว/ความดันสูง ต้นทุนรวมตลอดอายุการใช้งานของ SiC อาจต่ำกว่า

5. สถานการณ์การใช้งานทั่วไป

5.1 การใช้งานหลัก: น้ำสะอาด สื่อที่กัดกร่อนเล็กน้อย ความดันต่ำถึงปานกลาง

• การจับคู่: คาร์บอนกราไฟต์ที่ผ่านการอัดซึม + SiC ที่เชื่อมด้วยปฏิกิริยา
• การใช้งาน: ปั๊มหอยโข่ง, ปั๊มหมุนเวียน, ปั๊มน้ำหล่อเย็น, ความดันสื่อน้อยกว่า 2 MPa, อุณหภูมิต่ำกว่า 150℃
• ข้อดี: คุ้มค่า มีฟิล์มของเหลวที่เสถียร อายุการใช้งาน 8000-12000 ชั่วโมง

5.2 สื่อที่มีอนุภาค: น้ำเสีย, สลัด, เยื่อกระดาษ

• การจับคู่: SiC ที่ซินเตอร์โดยไม่ใช้แรงกด vs SiC ที่ซินเตอร์โดยไม่ใช้แรงกด (แข็งกับแข็ง)
• การใช้งาน: สื่อที่มีของแข็งกัดกร่อน
• หมายเหตุ: อนุภาคจะสึกหรอผิวคาร์บอนกราไฟต์ที่นุ่มอย่างรวดเร็ว จึงใช้ SiC กับ SiC แทน แต่มีต้นทุนสูงกว่าและฟิล์มของเหลวไม่เสถียรเท่า

5.3 สารเคมีที่กัดกร่อนรุนแรง: HCl, H₂SO₄, ด่างเข้มข้น

• การจับคู่: คาร์บอนกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยฟูแรน + SiC ที่เชื่อมด้วยปฏิกิริยา
• การใช้งาน: ปั๊มเคมี, ตัวทำปฏิกิริยา, สื่อกรด/ด่างเข้มข้น
• ข้อดี: สมดุลระหว่างความต้านทานการกัดกร่อนและความคุ้มค่า

5.4 น้ำมันร้อนอุณหภูมิสูง: น้ำมันความร้อน, ยางมะตอย

• การจับคู่: คาร์บอนกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยแอนติโมนี + SiC ที่เชื่อมด้วยปฏิกิริยา
• การใช้งาน: 200-400℃, ปั๊มน้ำมันร้อน
• ข้อดี: สมดุลระหว่างความต้านทานความร้อนสูงและความสามารถรับน้ำหนัก

6. เหตุใด "คาร์บอนกราไฟต์ + SiC" จึงเป็นการจับคู่หลัก

1.จุดแข็งเสริมกัน: คาร์บอนกราไฟต์หล่อลื่นตัวเองช่วยลดแรงเสียดทาน ส่วน SiC รักษาความเรียบของผิวหน้า

2.ความเสถียรของฟิล์ม: ผิวคาร์บอนกราไฟต์ที่นุ่มจะสึกหรอก่อน ทำให้เกิดร่องเล็กๆ ที่เก็บสื่อไว้และช่วยให้ฟิล์มของเหลวเสถียร

3.สมดุลต้นทุน: คาร์บอนกราไฟต์ราคาถูกเปลี่ยนใหม่เป็นระยะ ส่วน SiC ที่ทนการสึกหรอสูงใช้ซ้ำได้ระยะยาว

4.การประสานความร้อน: การนำความร้อนที่ใกล้เคียงกันช่วยระบายความร้อนสองทาง ป้องกันการร้อนเกินเฉพาะจุด

5.ความทนทานต่อข้อผิดพลาด: คาร์บอนกราไฟต์ทำหน้าที่เป็นผิวสึกหรอเสียสละ สึกหรก่อนเมื่อเกิดสภาวะผิดปกติ เพื่อเตือนและปกป้องผิวแข็ง SiC ที่มีราคาแพง

ข้อดีเหล่านี้รวมกันทำให้ "คาร์บอนกราไฟต์ + SiC" เป็นการจับคู่มาตรฐานสำหรับซีลกลอุตสาหกรรมมากกว่า 90% เฉพาะในสภาวะพิเศษ (สื่อที่มีอนุภาค, HF) เท่านั้นที่ต้องใช้การจับคู่แบบอื่นๆ