การวิเคราะห์สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของแหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์: มุมมองหลายมิติจากวัสดุถึงสภาพการใช้งาน

“คาร์บอนกราไฟต์มีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำกว่า 0.1” เป็นจริงเฉพาะภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ สำหรับคู่แรงเสียดทานเดียวกัน M106K ที่ผ่านการอัดซึมด้วยเรซินวัดได้ 0.08 ที่ 100℃ แต่เพิ่มเป็น 0.15 ที่ 200℃; เมื่อค่าพีวีเกิน 10 MPa·m/s ค่าสัมประสิทธิ์จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และความร้อนกับการสึกหรอก็ตามมาอย่างควบคุมไม่ได้ การถือเป็นค่าคงที่จะทำให้การคำนวณกำลังและความร้อนคลาดเคลื่อน บทความนี้นำเสนอข้อมูลที่วัดได้และขอบเขตการใช้งานในสี่ตัวแปร ได้แก่ สูตรวัสดุ ชิ้นส่วนที่สัมผัส การหล่อลื่น และพารามิเตอร์การทำงาน

1. พื้นฐานแรงเสียดทานของคาร์บอนกราไฟต์

1.1 โครงสร้างผลึกแบบชั้นของกราไฟต์

ผลึกกราไฟต์ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนที่จัดเรียงในระนาบหกเหลี่ยม การยึดเหนี่ยวภายในชั้นเป็นพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรง (524 kJ/mol); การยึดเหนี่ยวระหว่างชั้นเป็นพันธะแวนเดอร์วาลส์ที่อ่อนกว่า (7 kJ/mol) ภายใต้แรงกด ชั้นเหล่านี้เลื่อนผ่านกันได้ง่าย — ซึ่งเป็นต้นเหตุของคุณสมบัติหล่อลื่นตัวเองของกราไฟต์ อย่างไรก็ตาม ในสุญญากาศหรือก๊าซเฉื่อยแห้ง ความต้านทานการเลื่อนระหว่างชั้นจะเพิ่มขึ้น และค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานอาจเกิน 0.5 — เรียกว่า “การสูญเสียคุณสมบัติหล่อลื่นตัวเอง”

1.2 “ฟิล์มหยาบหล่อลื่น” จากความชื้นและก๊าซ

ไอน้ำ ออกซิเจน และโมเลกุลอินทรีย์ที่ดูดซับบนผิวกราไฟต์ในอากาศจะสร้างฟิล์มหยาบหล่อลื่นแบบโมโนโมเลกุลระหว่างชั้น ซึ่งลดความต้านทานการเลื่อนอย่างมาก งานวิจัยแสดงว่าการเพิ่มความชื้นสัมพัทธ์จาก 0% เป็น 50% สามารถลดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของกราไฟต์จาก 0.5 เป็น 0.1 ซึ่งเหมาะกับปั๊มจุ่มและบุชชิ่งที่หล่อลื่นด้วยน้ำ แต่ไม่เหมาะกับปั๊มสุญญากาศและคอมเพรสเซอร์

2. ผลของสูตรวัสดุ

2.1 กราไฟต์ที่ผ่านการอัดซึมด้วยเรซิน

เรซินเติมเต็มรูพรุน ทำให้ผิวเรียบและลดแรงเสียดทานเริ่มต้น (0.05~0.08) อย่างไรก็ตาม เรซินมีการนำความร้อนต่ำ ความร้อนจากแรงเสียดทานสะสมสามารถทำให้เรซินอ่อนตัวขึ้น เพิ่มแรงเสียดทานตามอุณหภูมิ ข้อมูลทดสอบของเราคือ กราไฟต์ M106F ที่ผ่านการอัดซึมด้วยฟีนอลิกแสดงค่าสัมประสิทธิ์ 0.08 ที่ 100℃ และเพิ่มเป็น 0.15 ที่ 200℃

2.2 กราไฟต์ที่ผ่านการอัดซึมด้วยโลหะ

กราไฟต์ที่ผ่านการอัดซึมด้วยโลหะมีความแข็งและการนำความร้อนดีกว่า ทำให้ระบายความร้อนได้รวดเร็ว เฟสโลหะบนผิวเพิ่มการตัดแบบจุลภาค M106D ที่ผ่านการอัดซึมด้วยแอนติโมนีจับคู่กับ SiC คงค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่ 0.06~0.10 โดยมีความไวต่ออุณหภูมิต่ำ

2.3 การอัดซึมแบบไฮบริดเรซิน-โลหะ

การอัดซึมแบบไฮบริดผสมผสานข้อดีของเรซินที่แรงเสียดทานต่ำกับโลหะที่การนำความร้อนสูง เหมาะสำหรับงานที่มีค่าพีวีสูง ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานคงที่ที่ 0.05~0.08 พร้อมความเสถียรของอุณหภูมิที่ดี

2.4 การเติมสารหล่อลื่นแข็ง

การเติม MoS₂, PTFE และสารหล่อลื่นแข็งอื่นๆ ลงในเมทริกซ์กราไฟต์ช่วยลดแรงเสียดทานได้มากขึ้น วัสดุ M106K-MoS₂ ของเรามีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำสุดที่ 0.03 ภายใต้การหล่อลื่นด้วยน้ำ เหมาะสำหรับงานที่ความเร็วสูงและโหลดเบา

3. ผลกระทบของวัสดุที่สัมผัสกัน

3.1 กับสแตนเลสสตีล

สแตนเลสสตีล (304, 316, 17-4PH) เป็นวัสดุที่สัมผัสกันทั่วไป มีความแข็ง HRc 30~45 การเสียดสีระหว่างกราไฟต์กับสแตนเลสมีค่า 0.08~0.12 สแตนเลสมีแนวโน้มเกิดการสึกหรอแบบยึดติด การชุบแข็งผิว (นีไทรดิ้ง, โครมชุบ, ฮาร์ดเฟซซิ่ง) ช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอ

3.2 กับซิลิคอนคาร์ไบด์

SiC มีความแข็งสูง (HV 2500~3000) และมีการนำความร้อนดี การเสียดสีระหว่างกราไฟต์กับ SiC มีความเสถียรที่ 0.05~0.08 — เป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการสัมผัสในซีลกลมากที่สุด ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบผูกพันด้วยปฏิกิริยาและแบบซินเตอร์มีโครงสร้างจุลภาคต่างกัน การสึกหรอบนกราไฟต์จึงแตกต่างกันประมาณ 30%

3.3 กับเซรามิกอลูมินา

อลูมินามีความแข็งและทนต่อสารเคมีดี แต่การนำความร้อนต่ำ การเสียดสีระหว่างกราไฟต์กับอลูมินามีค่า 0.06~0.10 แต่การระบายความร้อนต่ำกว่า SiC จึงเหมาะกับการใช้งานที่มีค่า PV ปานกลาง

3.4 กับทังสเตนคาร์ไบด์

WC เป็นโลหะผสมแข็งที่สัมผัสกับกราไฟต์มีค่าเสียดสี 0.06~0.09 มีความต้านทานการสึกหรอเยี่ยมยอดแต่มีต้นทุนสูง เหมาะสำหรับการใช้งานที่มี PV สูงและต้องการอายุการใช้งานยาวนาน

4. ผลกระทบของสภาวะการหล่อลื่น

4.1 การเสียดสีแบบแห้ง

ไม่มีสารหล่อลื่น กราไฟต์พึ่งพาโครงสร้างแบบชั้นของตัวเอง ค่าเสียดสีอยู่ที่ 0.10~0.20 ขึ้นอยู่กับความชื้นอย่างมาก เหมาะสำหรับเครื่องอัดแก๊สและปั๊มสุญญากาศ

4.2 การหล่อลื่นแบบขอบเขต

มีสารหล่อลื่นแต่ฟิล์มไม่เพียงพอที่จะแยกผิวสัมผัสอย่างสมบูรณ์ ค่าเสียดสีอยู่ที่ 0.05~0.10 กราไฟต์ทำงานได้ดีในสภาวะนี้ ทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นแข็งเสริมฟิล์มหล่อลื่น

4.3 การหล่อลื่นแบบไฮโดรไดนามิก

ฟิล์มหล่อลื่นหนาพอที่จะแยกผิวสัมผัสอย่างสมบูรณ์ ค่าเสียดสีอยู่ที่ 0.001~0.01 ขึ้นกับความหนืดของของไหล การสึกหรอของกราไฟต์ใกล้เคียงศูนย์ แต่ประสิทธิภาพการซีลลดลง

4.4 การหล่อลื่นด้วยน้ำ

น้ำมีความหนืดต่ำ (~1 mPa·s) ทำให้การสร้างฟิล์มไฮโดรไดนามิกทำได้ยาก กราไฟต์พึ่งพาคุณสมบัติหล่อลื่นตัวเองเพื่อรักษาค่าเสียดสีต่ำ (0.05~0.10) ใช้กันอย่างแพร่หลายในปั๊มจุ่มน้ำและบุชชิ่งหล่อลื่นด้วยน้ำ

5. ผลกระทบของพารามิเตอร์การทำงาน

5.1 ค่า PV

PV (ความดัน × ความเร็ว) เป็นตัวชี้วัดภาระรวม ที่ค่า PV ต่ำ (< 5 MPa·m/s) ค่าเสียดสีของกราไฟต์คงที่ เมื่อ PV เพิ่มขึ้น ความร้อนจากการเสียดสีและอุณหภูมิจะสูงขึ้น ทำให้เกิดความผันผวน ข้อมูลทดสอบของเรา:

• PV = 1 MPa·m/s: 0.06
• PV = 5 MPa·m/s: 0.08
• PV = 10 MPa·m/s: 0.12 (เพิ่มขึ้น)
• PV = 15 MPa·m/s: 0.25 (เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เกณฑ์ล้มเหลว)

5.2 อุณหภูมิ

อุณหภูมิที่สูงขึ้นเร่งการเสื่อมสภาพทางความร้อนของกราไฟต์ที่ผ่านการอัดซึมด้วยเรซิน ทำให้ค่าเสียดสีเพิ่มขึ้น เกรดที่อัดซึมด้วยโลหะได้รับผลกระทบน้อยกว่า และคงที่ที่อุณหภูมิสูงถึง 400℃

5.3 ความหนืดของของไหล

ความหนืดสูงทำให้ฟิล์มไฮโดรไดนามิกหนาขึ้นและค่าเสียดสีลดลง แต่ที่ความเร็วสูง การสูญเสียจากแรงเฉือนของของไหลอาจชดเชยผลของฟิล์มไฮโดรไดนามิก

5.4 ความหยาบผิว

ผิวสัมผัสควรมีค่า Ra อยู่ที่ 0.1~0.4 μm ผิวหยาบเกินไปจะเพิ่มการสึกหรอแบบตัด ผิวละเอียดเกินไปจะเพิ่มแนวโน้มการยึดติด เราแนะนำ Ra 0.05~0.15 μm สำหรับแหวนซีลหน้า และ 0.2~0.4 μm สำหรับบุชชิ่ง

6. การทดสอบสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานและการควบคุมคุณภาพ

เราใช้เครื่องทดสอบแรงเสียดทานและการสึกหรอแบบสากล MM-W1 แนวตั้ง และแท่นทดสอบแหวนซีลหน้าแบบกำหนดเอง เพื่อสุ่มทดสอบแต่ละล็อตตามมาตรฐาน GB/T 12444:

• ตัวอย่าง: แหวนขนาด φ 30 × 10 มม.
• สัมผัส: แหวน SiC, Ra 0.1 μm
• โหลด: 50~200 N
• ความเร็ว: 500~3000 รอบต่อนาที
• สื่อกลาง: น้ำ/อากาศ
• ระยะเวลา: 100 ชั่วโมงต่อเนื่อง

รายงานผลการทดสอบจะถูกส่งพร้อมกับสินค้าแต่ละชุด เพื่อเป็นหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ด้านแรงเสียดทานและการสึกหรออย่างเป็นกลาง

สรุป

สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของแหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์ขึ้นอยู่กับวัสดุ ชิ้นส่วนที่สัมผัส การหล่อลื่น และสภาวะการทำงาน — ไม่มีค่าคงที่สากล เราแนะนำให้นักออกแบบวิศวกรรมทำการคำนวณ PV และประเมินคุณสมบัติทางการเสียดสีในระหว่างการออกแบบแหวนซีล พร้อมทั้งทดสอบบนโต๊ะทดลองเมื่อจำเป็น เรามีข้อมูลการทดสอบแรงเสียดทานและการสึกหรอที่ปรับแต่งได้ตามความต้องการ พร้อมคำแนะนำในการเลือกใช้ กรุณาติดต่อทีมวิศวกรของเราเพื่อขอคำปรึกษา