การวิเคราะห์ความแข็งและความต้านทานการสึกหรอของวัสดุคาร์บอนกราไฟต์

ในการเลือกซีล ความเชื่อที่ว่า "ความแข็งสูงกว่าหมายถึงความต้านทานการสึกหรอดีกว่า" เป็นการตัดสินใจตามสัญชาตญาณที่พบได้บ่อย แต่สำหรับวัสดุคาร์บอนกราไฟต์ ข้อสรุปนี้ไม่ถูกต้องทั้งหมด ความต้านทานการสึกหรอของคาร์บอนกราไฟต์ขึ้นอยู่กับไม่เพียงแต่ความแข็งเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสูตรผสม ประเภทการอัดซึม วัสดุที่สัมผัส และสภาวะการใช้งาน จากข้อมูลการทดสอบหลายปี Huahao Sealing Co., Ltd. ได้วิเคราะห์ความสัมพันธ์ที่แท้จริงระหว่างความแข็งกับความต้านทานการสึกหรออย่างเป็นระบบเพื่อแก้ไขความเข้าใจผิดทั่วไป

1. วิธีการทดสอบความแข็งและความหมาย

1.1 ความแข็ง Shore (HS)

ดัชนีความแข็งที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับวัสดุคาร์บอนกราไฟต์คือความแข็ง Shore HS ซึ่งมีมาตราส่วน HS (G) และ HS (F) ซีลกลคาร์บอนกราไฟต์ทั่วไปมีความแข็งในช่วง 40 ถึง 100 HS ความแข็ง Shore เป็นการทดสอบแบบรีบาวน์ที่สะท้อนความสามารถในการยืดหยุ่นของวัสดุ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุที่เป็นรูพรุนและไม่สม่ำเสมอ เช่น คาร์บอนกราไฟต์

1.2 ความแข็ง Rockwell และ Brinell

ความแข็ง Rockwell (HRR, HRM) และ Brinell (HB) ก็ใช้กับกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยโลหะเช่นกัน แต่เนื่องจากความไม่สม่ำเสมอของคาร์บอนกราไฟต์ ข้อมูลจึงมีความกระจายสูงและต้องอ่านค่าหลายจุดแล้วหาค่าเฉลี่ย ในการตรวจสอบก่อนส่งมอบ เราจะทดสอบอย่างน้อยห้าจุดต่อชุด

1.3 ข้อจำกัดของการทดสอบความแข็ง

ควรทราบว่าความแข็งสะท้อนความต้านทานต่อการเสียรูปพลาสติกเฉพาะที่ของวัสดุ ไม่ใช่ความต้านทานการสึกหรอโดยรวม วัสดุคาร์บอนกราไฟต์สองชนิดที่มีความแข็ง Shore 80 HS เท่ากัน อาจมีอัตราการสึกหรอแตกต่างกันหลายเท่าตามสูตรผสมและการอัดซึม

2. ความสัมพันธ์ที่ไม่เชิงเส้นระหว่างความแข็งและความต้านทานการสึกหรอ

2.1 แนวโน้มทั่วไปและจุดวิกฤต

ภายในช่วงที่เหมาะสม การเพิ่มความแข็งของคาร์บอนกราไฟต์โดยทั่วไปจะสัมพันธ์กับการปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอ แต่ความสัมพันธ์นี้มีจุดวิกฤต เมื่อความแข็งเกินประมาณ 90-100 HS ความเปราะบางจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก และผิวซีลมีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกเป็นชิ้นเล็ก ๆ และการหลุดลอกในระหว่างการทำงาน ซึ่งแท้จริงแล้วจะเร่งการสึกหรอ ข้อมูลทดลองของ Huahao แสดงให้เห็นว่าเมื่อความแข็งเพิ่มจาก 60 HS เป็น 80 HS อัตราการสึกหรอลดลงประมาณ 40% แต่เมื่อเพิ่มจาก 90 HS เป็น 110 HS อัตราการสึกหรอกลับเพิ่มขึ้น 15%-30%

2.2 ผลของชนิดการอัดซึม

กระบวนการอัดซึมที่แตกต่างกันส่งผลต่อความแข็งและความต้านทานการสึกหรอผ่านกลไกที่แตกต่างกัน การอัดซึมด้วยโลหะแอนติโมนีช่วยเพิ่มความแข็งจาก 60 HS เป็น 90-110 HS โดยมีบทบาทสนับสนุนจากเฟสโลหะ ทำให้ความต้านทานการสึกหรอเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ การอัดซึมด้วยเรซินฟีนอลิกเพิ่มความแข็งได้จำกัดประมาณ 5-15 HS แต่ด้วยการลดรูพรุนและปรับปรุงการสัมผัสระหว่างผิว ทำให้ความต้านทานการสึกหรอยังคงดีขึ้น การอัดซึมด้วย PTFE แทบไม่เปลี่ยนความแข็ง แต่คุณสมบัติลดแรงเสียดทานช่วยลดอัตราการสึกหรอ

2.3 สูตรผสมและขนาดเม็ดกราไฟต์

ขนาดเม็ดกราไฟต์ในสูตรผสมมีผลอย่างมากต่อความแข็งและความต้านทานการสึกหรอ สูตรผสมที่มีเม็ดละเอียด (<75μm) มีความแข็งสูงและผิวเรียบเนียน เหมาะสำหรับแหวนซีลที่ต้องการความแม่นยำสูง สูตรผสมที่มีเม็ดหยาบ (>150μm) มีความแข็งต่ำกว่าเล็กน้อยแต่มีการนำความร้อนดีกว่า เหมาะสำหรับสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและภาระหนัก Huahao มีระบบสูตรผสมหลายแบบสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน

3. การจับคู่วัสดุคู่กันเป็นสิ่งสำคัญ

ความต้านทานการสึกหรอของแหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์ขึ้นอยู่กับไม่เพียงแต่กราไฟต์เอง แต่รวมถึงคู่เสียดสีทั้งหมด วัสดุคู่กันที่ใช้กันทั่วไปได้แก่ ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC), ทังสเตนคาร์ไบด์ (WC), เซรามิกอลูมินา (Al₂O₃) และเหล็กหล่อ

3.1 การจับคู่ซิลิกอนคาร์ไบด์

SiC ที่จับคู่กับคาร์บอนกราไฟต์ถือเป็นการจับคู่มาตรฐานทองคำในซีลกลปัจจุบัน ด้วยความแตกต่างของความแข็งขนาดใหญ่ ความเข้ากันได้ทางเคมีดี ค่า PV สูงถึง 15-25 MPa·m/s และอัตราการสึกหรอต่ำมาก

3.2 การจับคู่ทังสเตนคาร์ไบด์

ทังสเตนคาร์ไบด์ เช่น YG6 และ YG8 ที่จับคู่กับคาร์บอนกราไฟต์เหมาะสำหรับสภาวะความดันสูงและความเร็วสูง แต่การนำความร้อนของซีเมนต์คาร์ไบด์ต่ำกว่า SiC จึงต้องระวังการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิผิวหน้า

3.3 การจับคู่เหล็กหล่อ

การจับคู่ระหว่างเหล็กหล่อกับกราไฟต์มีต้นทุนต่ำและใช้ในงานทั่วไป เช่น ปั๊มน้ำความดันต่ำ แต่ชิ้นส่วนคู่เสียดสีจะสึกหรอเร็วกว่าและต้องเปลี่ยนเป็นระยะ

4. อิทธิพลของสภาวะการทำงาน

ความต้านทานการสึกหรอเป็นฟังก์ชันของสภาวะการทำงาน ความหนืดของตัวกลาง ปริมาณของแข็ง อุณหภูมิ ความดัน และความเร็วล้วนส่งผลต่ออัตราการสึกหรอที่แท้จริง ตัวอย่างเช่น ตัวกลางที่มีอนุภาคแข็งมากกว่า 0.1% สามารถเพิ่มอัตราการสึกหรอของคาร์บอนกราไฟต์ได้ 3-5 เท่า เมื่ออุณหภูมิตัวกลางสูงกว่า 200℃ ความแข็งของกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยเรซินจะลดลงอย่างมากและความต้านทานการสึกหรอจะลดลงด้วย

5. สรุป

มีความสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้นระหว่างความแข็งและความต้านทานการสึกหรอของคาร์บอนกราไฟต์ การมุ่งเน้นเพียงความแข็งสูงไม่ใช่วิธีการเลือกที่ถูกต้อง วิศวกรควรพิจารณาอย่างครบถ้วนทั้งประเภทของการอัดซึม วัสดุที่สัมผัส และพารามิเตอร์การทำงานเพื่อให้ได้การจับคู่ที่เป็นระบบ Huahao Sealing Co., Ltd. สามารถจัดหาข้อมูลการทดสอบแรงเสียดทานและการสึกหรอในระดับวัสดุเพื่อช่วยลูกค้าในการเลือกอย่างเหมาะสมที่สุด