г. Москва, проезд Серебрякова, 2к1, этаж 8, офис 7
Ежедневно 10:00 - 18:00
Заказать звонок
Войти
Телефоны
+7 495-181-51-97
Основной офис и склад

Материалы колец пары трения торцовых уплотнений

5 авг 2023

Причины, которые могут привести к разрушению материалов уплотнительных колец торцовых уплотнений, весьма разнообразны. К ним относятся, например: коррозия, превышение напряжений сверх допустимых по условию прочности, термические перегрузки н износ, который может быть катастрофическим прежде всего в результате неудачного подбора пар скольжения. Случаи из практики доказывают, что торцовые уплотнения с удачно подобранной парой скольжения, часто работают эффективнее уплотнения лучшей конструкции, но с неудачно подобранной парой скольжения. Пористость некоторых материалов (например, окислов металлов, графитосодержащих сталей и литых) положительно сказывается на работе уплотнений, если поры не соединяются между собой. Поры имеют то преимущество, что они впитывают смазочные материалы и тем самым обеспечивают хорошие ходовые характеристики. Аналогичный эффект наблюдается у неоднородных материалов, содержащих в матрице частицы различной твердости, или при различных коэффициентах теплопроводности и теплового расширения в результате уменьшения размеров при трении и износе.

Ниже рассмотрены различные материалы, из которых изготавливаются кольца пар трения.

В отличие от упорных подшипников, изготовленных из одного и того же материала, торцовые уплотнения с чисто металлическими парами скольжения применяют только в исключительных случаях. Так как разделяющая гидродинамическая пленка смазочного материала может образовываться в зазоре редко, то всегда приходится считаться с возможностью сухого трения. Пары скольжения металл/металл не оправдали себя вследствие плохой прирабатываемости, высокого коэффициента трения, опасности схватывания и образования трещин при нагреве. Однако в особых случаях, например, для уплотнения жидкостей, содержащих большое количество твердых частиц, в парах скольжения применяют твердые карбиды или используют металлические покрытия, а при работе в масляной среде — закаленную сталь по литым или спеченным материалам. Однако при этом материалы должны иметь достаточно хорошую прирабатываемость н небольшой износ исключительно при низких нагрузках. В основном же в торцовых уплотнениях устанавливают пластмассовые и угольно-керамические кольца, работающие в паре с различными металлами, окислами металлов и карбидами.

Подбирать материалы для уплотнительных колец следует с учетом их условий эксплуатации, а также технологичности и экономичности изготовления. Особое значение в условиях эксплуатации имеет износостойкость пары скольжения (к сожалению ее значение можно получить только опытным путем), для расчета уплотнений с учетом механических и термических требований — химическая стойкость, а также физические и механические параметры. В таблице 13 приведены механические и физические показатели пластмасс, искусственного угля и графита, металлов, окислов металлов и карбидов, применяемых для уплотнительных колец торцовых уплотнений. Подбор оптимальных пар скольжения часто очень трудный и сложный. Так, например, только одну единственную программу испытаний выполняли несколько лет. Цель ее заключалась в подборе подходящих материалов для уплотнений газовых турбин, работающих при высоких скоростях и температурах. В результате было исследовано 136 материалов, среди которых было 20 искусственных углей и графитов и из которых были получены 482 комбинации пар скольжения.

Таблица 13. Физические и механические показатели (при комнатной температуре) пяти групп материалов для уплотнительных колец

Материал

Придел
прочности
при сжатии
σD, кгс/см2

Придел прочности при сжатии σZ, кгс/см2

Модуль упругости Е, кгс/см2

Коэффициент поперечного расширения

Твердость Н

Плотность v, г/см3

Объем пор е, %

Предельная рабочая температура,     Т max, °C

Коэффициент линейного расширения, 106 х, 1/°C

Разность температур при выходе из строя ∆ Т, °C

Коэффициент теплопроводности λ, ккал/(м⋅ч⋅°C)

Коэффициент устойчивости к образованию трещин в результате действия тепловых напряжений В1, ккал/(м⋅ч)

Нейлон -
литье под давлением

500-900

490-750

18000-28000

(0,3)

-

1,09-1,14

0

135-150

100-140

(130)

0,12-0,21

(21,5)

Фенольная смола
без наполнителя

700-2100

500-560

52000-70000

0,25

-

1.25-1,3

-

130

25-60

140

0,1-0,2

21,5

Фенольная смола с каменной мукой в качестве наполнителя

1000-1750

350-490

210000-350000

(0,25)

-

1,75-1,25

-

120-150

19-26

(50)

0,36-0,51

(22,0)

Текстолит - ткань, пропитанная фенольной смолой

1000-2100

230-630

63 000-91000

(0,3)

-

1,36-1,43-

-

120

10-40

(150)

0,14-0,25

(30,0)

Бакелит - фенольная смола с асбестовой мукой

1000-2450

280-500

70000-175000

0,25

-

1,52-2,0

-

175-230

15-40

87

0,29-0,58

38,0

Эбонит с графитом в качестве наполнителя

_

100-280

10 500

(0,4)

-

1,3-1,82

0

100

54

180

0,25

45,0

Фенольная смола с асбестом и графитом в качестве наполнителя

1000-1500

150-400

70000-170000

(0,25)

-

1,6-1,9

-

130-160

15-30

(75)

0,4-1,0

(53)

ПТФ - Политетрафторэтилен

_

410

3500-10000

(0,5)

55-63∆)

2,1-2,3

-

280

70

(410)

0,2

(82)

Уголь с синтетической смолой в качестве связки

1 600

210

175 000

0,25

65□)

2

0,2

170

13,5

66

2

132

Уголь с синтетической смолой в качестве связки и с баббитом

1 680

230

132 000

(0,25)

65□)

2,8

0,0

170

20,0

(65)

2,5

(164)

Уголь.
Пропитка синтетической смолой

2 100

440

120 000

0,2

85□)

1,8

4,3

300

4,3

690

9

6200

Уголь II.
Пропитка синтетической смолой

2 700

560

220 000

0,2

90∆)

1,8

2

320

4

520

10

5200

Уголь III.
Пропитка сурьмой

3 100

490

180 000

0,2

84□)

2,35

0,5

350

5,3

410

11,5

4700

Уголь IV.
Пропитка свинцом и медью

3 360

360

160 000

(0,2)

75□)

2,5

2

280

6,6

(273)

30

(8200)

Уголь V.
Пропитка серебром

3 500

210

135 000

(0,2)

85□)

2,4

4

350

4,82

(260)

34

(8800)

Уголь VI.
Пропитка синтетической смолой

2 350

530

260 000

0,2

93□)

1,73

0,3

370

2,16

750

20

15000

Графит I.
Пропитка солью

1 250

160

70 000

0,22

65□)

1,65

14

540

4,9

362

46

16700

Графит II.
Пропитка синтетической смолой

1 000

155

100 000

0,2

65□)

1,85

1

365

5,25

235

90

21200

Графит III.
Пропитка синтетической смолой

1 270

190

115 000

0,18

72□)

1,85

0,25

370

5,2

260

89

23000

Графит IV.
Пропитка синтетической смолой

710

145

130 000

0,22

60□)

1,83

0,3

180

3,5

250

100

25000

Графит V. 
Без пропитки

560

140

56 000

0,22

50□)

1,66

10

520

4,5

520

60

26000

Графит VI. 
Пропитка синтетической смолой

1 400

200

100 000

0,22

70□)

1,8

7

340

2

780

60

47000

Стеллит 1.
55% Co; 30% Cr; 12% W; 2,5% C

18 000

3 300

2 200 000

0,3

54

8,6

-

1000⁰⁾

12,5

83

12,7

1050

Стеллит 6
67% Co; 28% Cr; 4% W; 1% C

15 500

7 000

2 130 000

0,27

46⁺⁾

8,4

-

1000⁰⁾

14,1

180

12,5

2250

Футеровка III
58% Co; 28% Cr; 7,5% W; 1,5% C

13 500

5 300

2 300 000

0,3

48-50⁺⁾

8,65

-

1260●)

11,9

135

11

1480

Твёрдое никелирование
4,5% Ni; 3,5% C; 2,5% Cr; 0,5% Si

-

2800-3500

1 750 000

(0,26)

53-57⁺⁾

7,7

-

800

8,5

(157)

12,2

(1930)

Нержавеющая сталь AISI 316
17% Cr;12% Ni; 2,5% Mo; 0,1% C

-

5 400

2 000 000

0,28

135-185**⁾

7,98

0

1400●)

16

121

16

1940

Сплав инвар 36% Ni

-

4 500

1 500 000

0,3

160**⁾

8

0

1425●)

0,9

230

9,5

2200

Никелевый чугун
20% Ni; 3% C; 2% Cr; 2% Si; 1% Mn; 0,5% Cu

7000-8400

1750-2100

1050000-1130000

0,25

125-170**⁾

7,3

-

1200●)

17

78

34

2650

Сплав хастеллой Б
62% Ni; 32% Mo

2100⁰⁾

8 500

2 140 000

(0,3)

215**⁾

9,24

-

1335●)

10

(280)

9,7

(2700)

Сплав хастеллой Ц
53% Ni; 19% Mo; 17% Cr; 6% Fe; 5% W

2850⁰⁾

8 400

2 000 000

(0,3)

225**⁾

8,94

-

1285●)

11,3

(260)

10,8

(2800)

Хромистый чугун
30% Cr; 1% Mn; 1% Si; 1,2% C

10 000

5 200

2 030 000

0,28

300**⁾

7,53

-

1500●)

10,6

173

19

3300

Кобальт литье

8 500

2 400

2 100 000

0,28

125**⁾

8,9

-

1495●)

12,3

67

59,5

4000

Серый чугун
3,4% C; 2,2% Si; 0.5% Mn

7 000

2 000

900000-1100000

0,25

150-220**⁾

7,25

-

1400●)

10

150

40

6000

Хром

-

4 900

2 500 000

0,3

180**⁾

7,19

-

1800●)

6,2

220

57,6

12700

Сталь закаленная

35 000

13 000

2 060 000

0,28

64-67⁺⁾

7,8

0

600

14,8

305

45

13800

Молибден

-

7 000

3 300 000

0,324

20-26⁺⁾

10,2

-

550

4,85

325

110

35600

Стеатит MgO SiO2

6 300

700

1 050 000

(0,3)

7,5▪⁾

2,7

0,02

1000

8,2

(57)

2,15

(120)

Магнезия MgO

-

1 000

2 140 000

0,36

-

3,5

-

2800●)

13,5

22

31

680

Ториа ThO2

15 000

840

1 470 000

0,17

-

9,69

-

3300●)

9,2

52

9

470

Цирконий ZrO2 +SiO2

7 000

840

1 250 000

0,35

8▪⁾

3,7

0,02

1100

4

108

4,3

465

Кварцевое стекло SiO2

 

1 100

735 000

0,15

800к)

2,6

0,5

1723●)

0,5

2550

1,37

3500

Сплав алюминия I
85% Al2O3

16 800

1 250

2 230 000

0,27

9

3,4

0

1400

5,5

74

11,4

840

Сплав алюминия II
96% Al2O3

28 000

1 750

3 900 000

0,31

9

3,7

0

1550

5,8

54

16,2

875

Сплав алюминия III
99% Al2O3

21 000

2 400

3 500 000

0,2

9

3,9

0

1725

6

92

25

2300

Металло керамика I
77% Cr;            23% Al2O6

7 700

1 470

2 600 000

0,21

37⁺⁾

5,9

-

1800●)

8

56

25

1400

Металло керамика II
59%Cr; 19% Al2O3; 20% Mo; 2% TiO

16 800

2 100

2 660 000

0,26

30⁺⁾

6

-

1700●)

7,5

78

29

2250

Карбид бора P4C

29 000

1 750

4 550 000

(0,25)

2800к)

2,51

-

2450●)

4,5

(64)

22,3

(1430)

Карбид кремния SiC

10 500

1 250

4 800 000

(0,25)

2500к)

3,1

-

2400

3,9

(50)

86

(4300)

Карбид хрома
84% (Cr4C, Cr7C3,Cr3C2); 10% Ni; 1% Cu

29 000

2 700

3 200 000

0,26

86,5⁺⁺⁾

7

-

1900●)

9

70

(20,0)

(1400)

Карбид вольфрама I
75% WC; 25% Co

35 000

14 500

4 900 000

0,26

83-84⁺⁺⁾

13

0,1

600

9

240

(30,0)

(7200)

Карбид вольфрама II
85% WC; 15% Co

42 000

12 000

5 600 000

0,248

86-87⁺⁺⁾

14,1

0,1

600

6,8

230

(50,0)

(11500)

Карбид вольфрама III
93% WC; 7% Co

50 000

8 500

7 000 000

0,215

91,5⁺⁺⁾

14,8

0,1-0,3

600

5,6

170

60,0

10000

Карбид вольфрама IV
94% WC; 6% Ni

42 500

10 500

6 200 000

0,25

9h⁺⁺⁾

14,8

0,1

600

4,9

255

70,0

18000

Карбид титана I
99,5% TiC

-

1 400

3 140 000

0,29

2460к)

4,9

-

3140●)

7,4

43

21,5

930

Карбид титана II
90% TiC; 10% Ni

35 000

9 100

4 130 000

0,25

89⁺⁺⁾

6

-

1000

9,5

175

26,0

4550

Карбид титана III
70% TiC; 30% Ni

(30000)

10 500

2 870 000

0,26

82,5⁺⁺⁾

6,3

-

1000

10,4

260

28,0

7300

Карбид титана IV
70% TiC; 10% NbC; 20% Ni

36 600

5 600

4 000 000

(0,25)

-

5,8

-

1200●)

5,7

(185)

29,0

(5400)

Карбид титана V
26% Ti; 7% C; 2% Cr; 2% Mo

25 000

14 000

3 040 000

(0,3)

87,5⁺⁺⁾

7

-

650

8,7

(370)

45,0

(16700)

 *Значения в скобках являются приближенными, ∆) единицы твердости по Шору, □) единицы твердости по склероскопу, начало текучести, ⁺⁾ единицы твердости по Роквеллу С, **⁾ единицы твердости по Бринеллю,●) точка плавления, ▪⁾ твердость по Моосу, к) единицы твердости по Кноопу, ⁺⁺⁾ единицы твердости по Роквеллу А.

1. Пластмассы

В отдельных случаях для повышения механической прочности, теплопроводности или скольжения применяют нейлон, резину или политетрафторэтилен с различными наполнителями, такими как стекловолокно, графит н МoS2. Наиболее широкое распространение в области применения групп I-II (см. табл. 1) получили реактопласты на основе фенольных смол с различными наполнителями, такими как каменная н асбестовая мука, ткань, графит н баббитный порошок. Для синтетических смол характерен низкий модуль пластичности, высокая износостойкость в случае правильного выбора второй пары материала (чугун, хромистый чугун, бронза и керамика), даже если смазочным материалом является простая вода.

Отрицательными их свойствами являются термические: очень высокий коэффициент теплового расширения, низкая теплопроводность, — которые часто связаны с низкими предельными рабочими температурами. Износостойкость в значительной мере зависит от технологических параметров, например давления и температуры при прессовании н продолжительности охлаждения (рис. 85). Если кольцо из фенольной смолы полностью затвердело и при погружении в едкий натр (3% NaOH, 50° С, 3 ч) нет изменений в результате образования пузырей, изменения окраски или деформации, то можно надеяться, что и в рабочих условиях, и при хранении задиры на притертых уплотняющих поверхностях появляться не будут. 

При использовании типичной пары материалов серый чугун/прессованная синтетическая смола с графитом и асбестом у насосов в системе охлаждения автомобилей при рg = 3 кгс/см2, р1, = 1,5 кгс/см2, vg = 3,5 м/с износ составлял A= 0,1 мкм/ч. Соответствующие добавки позволяют улучшить эти показатели. Так, например, в аналогичных условиях при рg = 2 кгс/см2, р1, = 1,5 кгс/см2, vg = 3,5 м/с можно снизить до А=0,01 мим/ч. Высокая износостойкость пластмасс, легкость горячей формовки путем прессования делает эти материалы особенно интересными с точки зрения изготовления из них уплотнительных колец торцовых уплотнений. Недостатком пластмасс является высокий коэффициент трения с f > 0,7 в результате десорбции при перегреве и испарении пленки смазочного материала, поэтому пластмассовые уплотнительные кольца применяют только в исключительных случаях, обычно вместо них устанавливают угольные кольца.

2. Искусственные угли и графиты

В отличие от материалов, рассмотренных в предыдущем разделе, у которых синтетические смолы являются связкой, искусственные угли и графиты пропитывают для закрытия нор. И если, например, нагреть выше допустимой рабочей температуры уголь, пропитанный синтетической смолой, то в первую очередь распадается синтетическая смола. При пропитке металлом вытечет металл. В этом случае неизбежно возрастет утечка, но угольная или графитная основа кольца сохранится. Угольно-керамические материалы, применяемые в уплотнениях, работающих при режимах в соответствии с группами III-IV (см. табл. 1), можно подразделить на аморфные твердые углы, углеграфиты и электрографиты. В зависимости от использованных исходных материалов, продолжительности термической обработки и температуры можно получать искусственные угли с самыми различными физическими и механическими свойствами. Твердые угли отличаются высокой прочностью (часто их можно обрабатывать только шлифованием) н низкой теплопроводностью. Электрографиты же обладают ограниченной прочностью, но гораздо более высокой теплопроводностъю. Углеграфиты занимают промежуточное положение. 

На рис. 86 показаны зависимости коэффициентов теплопроводности различных угольно-керамических материалов от температуры. После термообработки остаточная пористость искусственного угля составляет 10-30%. Для обеспечения достаточной герметичности жидкостей остаточная пористость уплотнительных колец торцовых уплотнений должна быть ниже 2%, а для обеспечения непроницаемости газов - менее 1%. Поэтому искусственные угли и графиты пропитывают синтетическими смолами, металлами, расплавами стекла, дисперсными растворами политетрафторэтилеиа и солей.


Часто пропитку делают неоднократно. При значительной толщине стенок в середине может быть более высокая пористость, чем по краям зоны. У таких колец при значительном объеме снятого материала при обработке или в результате износа утечка может возрасти. Из таблицы ниже видно влияние пропитки на физические н механические свойства различных материалов. В общем случае в результате пропитки искусственных углей повышается их твердость, прочность, модуль эластичности и коэффициент теплового расширения. Существенно улучшить отвод теплоты можно только в том случае, если основной материал имеет меньшую теплопроводность, чем пропиточный. От пропитки обычно зависит рабочая температура уплотнительных колец.

Талица 14. Физические н механические свойства искусственных углей различного качества

Обозначение угля

 Сопротивление Ω, мм2/м 

 НВ 1,2/5. кгс/мм

  γ, г/см3  

  Пористость, % 

 σЬВ, кгс/см

 σD, кrc/см

 Модуль упругости первого рода Е, 105 кrc/см

ɑ, 10-6/ °С

 λ, ккал/(м*ч* °С) 

 Удельная теплота,  ал/(г*°С) 

аморфный искусственный уголь без пропитки

33/33

64/60

1,58/1,58

12,8/10,7

504/492

1300/1020

1,19/1,23

20-200° С 2,4      200-900°С 4,1

12,2

0,205

аморфный искусственный уголь, пропитка фенольной смолой

32/33

137/108

1,62/1,63

3,94/5,75

613/525

1510/1700

1,51/1,34

20-200° С 2,2

11,9

0,214

аморфный искусственный уголь, пропитка твердым свинцом (87% Pb; 13% Sb)

7,5/7,3

213/190

2,59/2,63

3,73/0,8

840/805

2430/1840

1,75/1,86

20-200° С 3,3

20,0

0,134

аморфный искусственный уголь, пропитка фосфористой медью (91,7% Си; 8,3% Р)

12/10,6

159/119

2,43/2,38

5,9/4,4

780/702

>5000

1,45

20-200° С 4,4      200-500° С 5.0

18,7

0,174

электрографит без пропитки

1

38,2/40

1,69/1,71

12,6/11,7

402/390

780/920

0,90/0,88

20-200° С 2,0      200-900° С 4,0

35,0

0,204

электрографит, пропитка фенольной смолой

25/25

95/73.5

1,82/1.82

2,54/2,85

576/576

1360/1250

1,13/1,10

20-200° С 2,8

35,0

0,216

электрографит, пропитка твердым свинцом (87% Pb; 13% Sb)

8,7/8,9

80/68

2,76/2,73

0,59/1,61

588/588

1380/1390

1,18/1,31

20-200° С 2,5

41,0

0,145

элекерографит без пропитки

12/11

14,5/11,4

1,55/1,51

24,6/26,8

228/246

440/400

0,57/0,55

20-200° С 2,4      200-900° С 4,1

74,0

0,184

элекерографит, пропитка фенольной смолой

10,5/11

35,4/28,2

1,75/1,74

9,5/9,9

396/414

730/710

0,72/0,70

20-200° С 4,5

85,5

0,228

элекерографит, пропитка твердым свинцом (87% Pb; 13% Sb)

2,612,9

35,4/28,2

3,82/3,68

0.52/4,7

534/552

900/1000

1,65/1,76

20-200° С 6,9

85,0

0,096

элекерографит, пропитка фосфористой медью (91,7% Си; 8,3% Р)

2,9/2,8

48,0/45,5

3,29/3,36

6,6/4,9

735/840

1600/1330

1,17/1,86

20-200° С 5,9      200-500°С 8,2

91,5

0,149

 

У уплотнительных колец из угольно-керамических материалов теплопроводность, прочность и твердость являются важными параметрами. Как видно из рис. 87, с повышением коэффициента теплопроводности прочность на изгиб уменьшается, однако путем подбора пропитывающего вещества ее можно изменить. При высоких нагрузках для пар скольжения в основном используют уголь и графит, пропитанные синтетическими смолами. Они имеют преимущество в том, что не склонны к схватыванию, и при превышении допустимой температуры не выходят из строя так быстро, как угли, пропитанные металлом, у которых пропитка выплавляется и часто схватывается с металлической поверхностью. Кроме того, угли, пропитанные синтетическими смолами, химически более устойчивы. 

Необходимо учитывать, что уголь, сильно пропитанный синтетической смолой или металлом, в такой же малой степени является неоднородным материалом, как и, например, высоколегированная свинцовистая бронза. Коэффициенты теплового расширения синтетических смол и металлов РЬ, Сu, Аg, SЬ, Са, с одной стороны, и угля или графита, с другой, могут отличаться одни от другого в десятки раз. Эти различия в тепловом расширении материалов приводят при эксплуатации (при этом имеют значение и различные коэффициенты теплопроводности) к образованию микроуглублений и выпуклостей в поверхностях скольжения. Они, в свою очередь, способствуют образованию масляных карманов и возникновению гидродинамических эффектов, которые снижают трение н износ. Эти явления наблюдаются особенно при использовании воды н водных растворов с достаточно высокими коэффициентами теплопередачи, обусловливающими повышенные температурные градиенты. Эксплуатационные данные подтверждают это, особенно для углей, пропитанных металлами.

Искусственные углы, пропитанные металлами, можно применять только в том случае, если они обеспечивают достаточно надежную работу уплотнения при температуре ниже точки плавления металлов. Кольца из графитов с мягкой основой, пропитанные синтетическими смолами, при больших и резких повышениях температуры могут лопаться, или от них могут отслаиваться кусочки в связи с различием в тепловом расширении. Такие отслоения, при которых в большинстве случаев на поверхности возникают углубления в форме кратера, в связи с неблагоприятными условиями отвода теплоты значительно чаще наблюдаются при уплотнении масел н углеводородов и, реже, воды. Специальной пропиткой можно улучшить антикоррозионную и химическую стойкость.

Новые угольно-керамические материалы для пар скольжения можно изготовлять с малыми допусками путем прессования, при этом получаются так называемые PTS-угли (прессованные на окончательный размер), которые характеризуются значительно лучшей прирабатываемостью и более высокими термическими и химическими границами применения, чем реактопласты. Рациональные технологические методы позволяют снизить их стоимость до уровня стоимости пластмасс. Эти РТS-угли все шире и с большим успехом применяют в автомобильной промышленности в качестве материала для пар скольжения в уплотнениях - насосов в системе охлаждения двигателей вместо фенольных смол с наполнителем. В связи с особенностями технологического процесса объев пор у РТS-углей несколько больше, а их прочностные показатели несколько ниже, чем у сравниваемых углей, полученных механической обработкой (см. табл. 13).

3. Металлы

В количественном соотношении металлы для пар скольжения применяют очень широко. В зависимости от областей использования и стоимости изготовления находят применение пропитанные металло-керамические сплавы н литые металлы, стойкие при контакте с химически активными веществами, и коррозионно-стойкие высоколегированные соединения, а часто и многослойные материалы. По данным эксплуатации, никеле-содержащие сплавы пригодны только в диапазоне параметров, соответствующих группе I (см. табл. 1), поскольку в процессе работы на них легко образуются царапины, т. е. происходит повышенный износ. Их твердость не должна быть ниже RC = 50.

Хром, кобальт b их сплавы, например, ферритное хромовое литье, стеллиты и другие материалы для покрытий, отличаются высокой износостойкостью и химической стойкостью. Их успешно используют при давлениях, указанных для групп II и III (см. табл. 1). Однако в диапазоне максимальных давлений (группа IV, см. табл. 1) вследствие необходимости более высокой твердости и износостойкости преимущество имеют карбиды металлов. У закаленных сталей свободный углерод способствует улучшению прирабатываемости и значительно снижает износ, так как образующиеся раковины заполняются смазкой. Это же относится и к литью. 

Неоднородные металлические сплавы, как, например, свинцовистые бронзы (твердость свыше 135 по Бринеллю), и некоторые сорта хромистого чугуна могут также способствовать возникновению эффекта гидродинамической смазки при образовании на уплотняющих поверхностях микроскопических углублений, вызванных действием механических и термических факторов. Прочностные свойства металлов, применяемых в парах скольжения, в десятки раз выше прочностных свойств пластмасс и угольно-керамических материалов. Коэффициент теплопроводности металла может колебаться в очень широких пределах, так как сильно изменяется даже при незначительном отклонении химического состава. На рис. 88 и 89 показана зависимость коэффициентов теплопроводности различных металлов и сплавов от температуры. Знак перед температурным коэффициентом β в соотношении λ= λ0(1 + βТ) заранее определить очень трудно.

4. Окислы металлов

Окислы металлов в качестве материалов для пар скольжения применяют, несмотря на трудности их обработки, связанные с сохранением высокой химической стойкости  износостойкости. Применяемые материалы в большинстве случаев очень чувствительны к ударам, а также высоким температурам и перепадам температур. Коэффициент теплопроводности невелик, а с повышением температуры (рис.90) сильно снижается. Это особенно отчетливо видно при плазменном напылении рабочих слоев из карбидов н окислов металлов (табл. 15).


Таблица 15. Влияние технологических параметров на коэффициент теплопроводности материалов для пар скольжения


Примерный состав
материала

λ при 260° С. ккал/(м • ч • °С)

Плазменные напыления

Спеченные материалы

9З WC, 7 Со

8,0

77,5

85 WС, 15 Со

8,0

50

25 WС, Ni, Сг, W, С

5,7

25

85 Сr3C2, 15 Ni-Cr

6,5

15

99 А12О3

1,8

17,5



Массовое производство при допусках ± 1%, компенсируемых при установке эластичных Г-образных колец (см. рис. 31.в), которые, однако, ухудшают отвод теплоты, позволяет значительно снизить стоимость изготовления уплотнительных колец из окиси алюминия. Однако изоляция керамического кольца пластмассовыми кольцами с Г-образным сечением, обладающих низкой теплопроводностью, в значительной мере ухудшает отвод теплоты. Их применяют в основном в бытовых машинах, работают они в паре с кольцами из искусственных смол н угля. Эти пары скольжения обладают высокой износостойкостью и не ржавеют. Однако их прирабатываемость недостаточно хорошая.

Стекло также имеет хорошую износостойкость, однако рабочие температуры ни в коем случае не должны повышаться до температуры точки его размягчения. Для упрощения обработки в последнее время применяют окислы металлов с металлической связкой (см. материалы из металлокерамики № 48 и № 49, табл. 13). Окислы металлов несомненно являются перспективными материалами для использования в парах скольжения.


5. Карбиды

Карбиды металлов характеризуются особенно высокой твердостью и износостойкостью, и их применяют в первую очередь при высоких нагрузках, соответствующих группам III—IV (см. табл. 1). По технологическим причинам в большинстве случаев их используют не в чистом виде, а с металлическими связками, такими как никель, кобальт и т. д., а также в сочетании с другими карбидами (см. табл. 13). Как видно из рис. 91, коэффициенты теплопроводности могут быть различными. Очень высокие значения модуля эластичности в некоторых случаях мешают получить требуемую герметичность уплотнения, так что иногда приходится прилагать значительные усилия для снижения этих значений подборок связки.  При воздействии химически агрессивных сред н связку, и карбид следует рассматривать как в сочетании, так и отдельно. Наиболее часто применяют карбиды вольфрама с кобальтовыми связками, которые, однако, неустойчивы при воздействии химически чистой воды и окисляются уже при 600⁰С.

Таблица. Классификация аксиальных торцовых уплотнений в зависимости от давления, скорости скольжения и нагрузки

Группа

Давление, кгс/см2

Скорость, м/с

Нагрузка, кгс*м/(см2*с)

Низшая I

р≤1

vg ≤10

р1vg ≤10

Средняя II

р≤10

vg ≤10

р1vg ≤50

Высокая III

р≤50

vg ≤20

р1vg ≤500

Высшая IV

р1 > 50

vg >20

р1vg >500

В уплотнениях для жидкого кислорода и азотной кислоты очень хорошо работают карбиды вольфрама с платиновой связкой. Карбиды титана, имеющие меньшую теплопроводность, отличаются очень широким диапазоном рабочих температур н антикоррозионной стойкостью.

В последнее время появились поддающиеся закалке карбиды титана со связками из железа или хромоникелевых сплавов. Преимущество их состоит в том, что кольца можно обрабатывать до определенного размера и уже потом закаливать (см. материал 61, табл.13). Карбиды хрома как материалы для пар скольжения не оправдали себя, поскольку они очень восприимчивы к резким механическим нагрузкам и перепадам температур. При изготовлении их очень сложно контролировать размеры н соответствие форм, а шлифование алмазным инструментом происходит медленно и связано с высокими затратами. 

Карбиды металлов часто наносят на поверхность в виде тонких облицовочных слоев путем плазменного напыления. Преимущество такого изготовления очевидно, однако при этом резко понижается коэффициент теплопроводности материалов (см. табл. 15).

Наряду с материалами, показанными в пяти основных группах (см. табл. 13) для особых режимов эксплуатации (при высокой температуре, скорости, химическом воздействии и т. д.) можно использовать специальные материалы из самых различных соединений, так например WSi2, VВ2, МoВ, В4С, А1—Сг—Мо, однако серийно их почти не применяют.

В заключение необходимо также обратить внимание на то, что по технологическим причинам, например при недостаточной мощности прессового оборудования, установок для спекания или пропитки, кольца больших размеров могут приобретать нежелательные свойства (повышенную пористость, увеличение доли связки, снижение прочностных показателей, увеличение внутренних напряжений, причем этот перечень является далеко не полным). Дефекты материала, обусловленные технологией производства, в большинстве случаев выявить очень трудно, н они часто являются причиной непредвиденного выхода из строя крупногабаритных уплотнений.


Материалы пар

Наряду с подбором материалов для уплотнительных колец торцовых уплотнений чрезвычайно важно комбинирование материалов для пар скольжения. Прежде всего необходимо учитывать, что материалы в паре скольжения в условиях конкретной уплотняемой среды должны иметь хорошую износостойкость против образования царапин или опасности схватывания. Кроме того, должна быть предусмотрена хорошая прирабатываемость на случай непредусмотренных нарушений в ходе эксплуатации. Материалы для пар скольжения (что чрезвычайно важно) необходимо подбирать и комбинировать так, чтобы обеспечивался безупречный отвод теплоты, образующейся при трении, без опасности перегрева материалов или пленки смазочного материала о зазоре.

Кольцо, обеспечивающее лучший отвод теплоты, следует всегда устанавливать на стороне с более низкой температурой. Даже замена материалов с различными значениями λ может привести к изменению сопротивляемости износу (табл. 16). В опытах в связи с более высокой теплоемкостью и лучшими коэффициентами передачи теплоты воздуху вращающийся диск следует рассматривать как теплоотдающий, в то время как неподвижная опора имела ограниченную теплоемкость и излучающую способность.

Если при эксплуатации в результате недопустимого повышения температуры пленка смазочного материала в зазоре испаряется, то технически сухое трение повышает износ. Кроне того, материалы пар скольжении следует подбирать таким образом, чтобы надежно предотвратить образование трещин от действия тепловых напряжений. Лучше работают уплотнения, у которых материалы уплотнительных колец имеют различную твердость. Если поверхность скольжения повреждается при попадании инородных тел, то эти повреждения возникают в основном в более мягком материале. В дальнейшем в результате адгезионного износа более твердой неповрежденной поверхности происходит компенсация. Если же повреждены обе поверхности, то износ в результате трения повышается, а это ведет обычно к преждевременному выходу уплотнения из строя.

Таблица 16. Влияние коэффициента теплопроводности на износ при замене местами материалов в паре скольжения по Ташенбергу

Вращающийся диск/стационарная опора

Износ, мг

1

Облицовочный слой с карбидом вольфрама (8) */ металлокерамика (29)

50

(29)/(8) *

441

2

Облицовочный слой с Сг3Са2(6,5) */металлокерамика (29)

62

(29)/(6,5) *

1023

з

Сплав кольмоной (15) */металлокерамика (29)

18

(29)/(15) *

99

4

Стеллит (9)*/металлокерамика (29)

76

(29)/(9) *

113

5

Облицовочный слой с карбидом вольфрама (8) */стеллнт (9) *

50

(9) */(8) *

54

Условия проведения испытаний следующие: технически сухое трение при комнатной температуре; опора с усилием 2,3 кгс радиально прижимается к диску, вращающемуся со скоростью vg = 8 м/с. В скобках даны коэффициенты теплопроводности [в ккал/(м*ч*°С] при 260° С.
*Облицовочные слон, наносимые на нержавеющую сталь 316 (16).


Источник: Майер Э. Торцовые уплотнения. Перевод с немецкого.