آب‌بندهای مکانیکینقش بسیار مهمی در جلوگیری از نشت برای بسیاری از صنایع مختلف ایفا می‌کنند. در صنعت دریایی موارد زیر وجود دارد:آب‌بندهای مکانیکی پمپ، آب‌بندهای مکانیکی شفت دوار. و در صنعت نفت و گاز موارد زیر وجود داردآب‌بندهای مکانیکی کارتریجی,آب‌بندهای مکانیکی دو تکه یا آب‌بندهای مکانیکی گاز خشک. در صنایع خودروسازی آب‌بندهای مکانیکی آب وجود دارد. و در صنایع شیمیایی آب‌بندهای مکانیکی میکسر (آب‌بندهای مکانیکی همزن) و آب‌بندهای مکانیکی کمپرسور وجود دارد.
بسته به شرایط استفاده مختلف، به محلول آب‌بندی مکانیکی با مواد مختلف نیاز است. انواع مختلفی از مواد در آن استفاده می‌شودآب‌بندهای مکانیکی شفت مانند آب‌بندهای مکانیکی سرامیکی، آب‌بندهای مکانیکی کربنی، آب‌بندهای مکانیکی سیلیکون کاربیدی,آب‌بندهای مکانیکی SSICآب‌بندهای مکانیکی TC.
آب‌بندهای مکانیکی سرامیکی
آب‌بندهای مکانیکی سرامیکی اجزای حیاتی در کاربردهای مختلف صنعتی هستند که برای جلوگیری از نشت مایعات بین دو سطح، مانند یک شفت چرخان و یک محفظه ثابت، طراحی شده‌اند. این آب‌بندها به دلیل مقاومت استثنایی در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی و توانایی تحمل دماهای شدید، بسیار ارزشمند هستند.
نقش اصلی آب‌بندهای مکانیکی سرامیکی، حفظ یکپارچگی تجهیزات با جلوگیری از هدررفت یا آلودگی سیال است. آنها در صنایع متعددی از جمله نفت و گاز، فرآوری شیمیایی، تصفیه آب، داروسازی و فرآوری مواد غذایی استفاده می‌شوند. استفاده گسترده از این آب‌بندها را می‌توان به ساختار بادوام آنها نسبت داد؛ آنها از مواد سرامیکی پیشرفته ساخته شده‌اند که در مقایسه با سایر مواد آب‌بند، ویژگی‌های عملکردی برتر را ارائه می‌دهند.
آب‌بندهای مکانیکی سرامیکی از دو جزء اصلی تشکیل شده‌اند: یکی یک سطح ثابت مکانیکی (معمولاً از جنس سرامیک) و دیگری یک سطح چرخشی مکانیکی (که معمولاً از گرافیت کربنی ساخته می‌شود). عمل آب‌بندی زمانی اتفاق می‌افتد که هر دو سطح با استفاده از نیروی فنر به هم فشرده می‌شوند و مانعی مؤثر در برابر نشت سیال ایجاد می‌کنند. با کارکرد تجهیزات، لایه روان‌کننده بین سطوح آب‌بندی، اصطکاک و سایش را کاهش می‌دهد و در عین حال آب‌بندی محکمی را حفظ می‌کند.
یکی از عوامل مهمی که آب‌بندهای مکانیکی سرامیکی را از سایر انواع متمایز می‌کند، مقاومت فوق‌العاده آنها در برابر سایش است. مواد سرامیکی دارای خواص سختی عالی هستند که به آنها اجازه می‌دهد شرایط سایشی را بدون آسیب قابل توجه تحمل کنند. این امر منجر به آب‌بندهای بادوام‌تری می‌شود که نیاز به تعویض یا نگهداری کمتری نسبت به آب‌بندهای ساخته شده از مواد نرم‌تر دارند.
علاوه بر مقاومت در برابر سایش، سرامیک‌ها پایداری حرارتی فوق‌العاده‌ای نیز از خود نشان می‌دهند. آنها می‌توانند بدون تخریب یا از دست دادن راندمان آب‌بندی خود، در دماهای بالا مقاومت کنند. این امر آنها را برای استفاده در کاربردهای دما بالا که سایر مواد آب‌بندی ممکن است زودرس خراب شوند، مناسب می‌سازد.
در نهایت، آب‌بندهای مکانیکی سرامیکی سازگاری شیمیایی عالی و مقاومت در برابر مواد خورنده مختلف را ارائه می‌دهند. این امر آنها را به انتخابی جذاب برای صنایعی تبدیل می‌کند که به طور معمول با مواد شیمیایی خشن و مایعات خورنده سروکار دارند.
آب‌بندهای مکانیکی سرامیکی ضروری هستندآب‌بندهای قطعاتطراحی شده برای جلوگیری از نشت سیال در تجهیزات صنعتی. خواص منحصر به فرد آنها، مانند مقاومت در برابر سایش، پایداری حرارتی و سازگاری شیمیایی، آنها را به انتخابی ارجح برای کاربردهای مختلف در صنایع مختلف تبدیل کرده است.
| خاصیت فیزیکی سرامیک | ||||
| پارامتر فنی | واحد | ۹۵٪ | ۹۹٪ | ۹۹.۵۰٪ |
| تراکم | گرم بر سانتی‌متر مکعب | ۳.۷ | ۳.۸۸ | ۳.۹ |
| سختی | انجمن فعالان حقوق بشر | 85 | 88 | 90 |
| میزان تخلخل | % | ۰.۴ | ۰.۲ | ۰.۱۵ |
| استحکام شکست | مگاپاسکال | ۲۵۰ | ۳۱۰ | ۳۵۰ |
| ضریب انبساط حرارتی | 10(-6)/کیلوگرم | ۵.۵ | ۵.۳ | ۵.۲ |
| رسانایی حرارتی | W/MK | ۲۷.۸ | ۲۶.۷ | 26 |
آب‌بندهای مکانیکی کربنی
آب‌بند مکانیکی کربن سابقه طولانی دارد. گرافیت ایزوفرمی از عنصر کربن است. در سال ۱۹۷۱، ایالات متحده مواد آب‌بندی مکانیکی گرافیت انعطاف‌پذیر موفقی را مورد مطالعه قرار داد که نشتی شیر انرژی اتمی را حل کرد. پس از پردازش عمیق، گرافیت انعطاف‌پذیر به یک ماده آب‌بندی عالی تبدیل می‌شود که به آب‌بندهای مکانیکی کربنی مختلف با اثر اجزای آب‌بندی تبدیل می‌شود. این آب‌بندهای مکانیکی کربنی در صنایع شیمیایی، نفت و برق مانند آب‌بند سیالات با دمای بالا استفاده می‌شوند.
از آنجا که گرافیت انعطاف‌پذیر با انبساط گرافیت منبسط شده پس از دمای بالا تشکیل می‌شود، مقدار عامل بین لایه‌ای باقی مانده در گرافیت انعطاف‌پذیر بسیار کم است، اما نه کاملاً، بنابراین وجود و ترکیب عامل بین لایه‌ای تأثیر زیادی بر کیفیت و عملکرد محصول دارد.
انتخاب جنس سطح آب‌بند کربنی
مخترع اصلی از اسید سولفوریک غلیظ به عنوان اکسیدکننده و عامل بین لایه‌ای استفاده می‌کرد. با این حال، پس از اعمال آن به آب‌بندی یک قطعه فلزی، مقدار کمی گوگرد باقی مانده در گرافیت انعطاف‌پذیر، پس از استفاده طولانی مدت باعث خوردگی فلز تماس می‌شد. با توجه به این نکته، برخی از محققان داخلی سعی در بهبود آن داشته‌اند، مانند سونگ کمین که اسید استیک و اسید آلی را به جای اسید سولفوریک انتخاب کرد. اسید، در اسید نیتریک کند می‌شود و دما را تا دمای اتاق پایین می‌آورد، از مخلوطی از اسید نیتریک و اسید استیک ساخته می‌شود. با استفاده از مخلوط اسید نیتریک و اسید استیک به عنوان عامل درج، گرافیت منبسط شده بدون گوگرد با پرمنگنات پتاسیم به عنوان اکسیدکننده تهیه شد و اسید استیک به آرامی به اسید نیتریک اضافه شد. دما تا دمای اتاق کاهش می‌یابد و مخلوط اسید نیتریک و اسید استیک ساخته می‌شود. سپس گرافیت ورقه‌ای طبیعی و پرمنگنات پتاسیم به این مخلوط اضافه می‌شوند. تحت هم زدن مداوم، دما 30 درجه سانتیگراد است. پس از واکنش 40 دقیقه‌ای، آب تا دمای خنثی شسته شده و در دمای 50 تا 60 درجه سانتیگراد خشک می‌شود و گرافیت منبسط شده پس از انبساط در دمای بالا ساخته می‌شود. این روش تحت شرایطی که محصول بتواند به حجم مشخصی از انبساط برسد، هیچ ولکانیزاسیونی انجام نمی‌دهد تا به ماهیت نسبتاً پایداری از ماده آب‌بندی دست یابد.
| نوع | M106H | M120H | M106K | M120K | M106F | M120F | M106D | M120D | M254D |
| برند | آغشته | آغشته | فنل آغشته شده | آنتیموان کربن (A) | |||||
| تراکم | ۱.۷۵ | ۱.۷ | ۱.۷۵ | ۱.۷ | ۱.۷۵ | ۱.۷ | ۲.۳ | ۲.۳ | ۲.۳ |
| استحکام شکست | 65 | 60 | 67 | 62 | 60 | 55 | 65 | 60 | 55 |
| مقاومت فشاری | ۲۰۰ | ۱۸۰ | ۲۰۰ | ۱۸۰ | ۲۰۰ | ۱۸۰ | ۲۲۰ | ۲۲۰ | ۲۱۰ |
| سختی | 85 | 80 | 90 | 85 | 85 | 80 | 90 | 90 | 65 |
| تخلخل | <1 | <1 | <1 | <1 | <1 | <1 | <1.5 | <1.5 | <1.5 |
| دماها | ۲۵۰ | ۲۵۰ | ۲۵۰ | ۲۵۰ | ۲۵۰ | ۲۵۰ | ۴۰۰ | ۴۰۰ | ۴۵۰ |
آب‌بندهای مکانیکی سیلیکون کاربید
کاربید سیلیکون (SiC) همچنین به عنوان کربوراندوم شناخته می‌شود که از ماسه کوارتز، کک نفتی (یا کک زغال سنگ)، تراشه‌های چوب (که هنگام تولید کاربید سیلیکون سبز باید اضافه شوند) و غیره ساخته می‌شود. کاربید سیلیکون همچنین دارای یک ماده معدنی کمیاب در طبیعت، توت است. در مواد اولیه نسوز C، N، B و سایر مواد اولیه نسوز غیر اکسیدی با فناوری پیشرفته معاصر، کاربید سیلیکون یکی از پرکاربردترین و اقتصادی‌ترین مواد است که می‌توان آن را ماسه فولادی طلایی یا ماسه نسوز نامید. در حال حاضر، تولید صنعتی کاربید سیلیکون در چین به کاربید سیلیکون سیاه و کاربید سیلیکون سبز تقسیم می‌شود که هر دو کریستال‌های شش ضلعی با نسبت 3.20 ~ 3.25 و میکروسختی 2840 ~ 3320 کیلوگرم بر متر مربع هستند.
محصولات کاربید سیلیکون با توجه به محیط‌های کاربردی مختلف به انواع مختلفی طبقه‌بندی می‌شوند. عموماً بیشتر به صورت مکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، کاربید سیلیکون به دلیل مقاومت خوب در برابر خوردگی شیمیایی، استحکام بالا، سختی بالا، مقاومت در برابر سایش خوب، ضریب اصطکاک کوچک و مقاومت در برابر دمای بالا، ماده‌ای ایده‌آل برای آب‌بند مکانیکی کاربید سیلیکون است.
حلقه‌های آب‌بندی SIC را می‌توان به حلقه ثابت، حلقه متحرک، حلقه تخت و غیره تقسیم کرد. سیلیکون SiC را می‌توان با توجه به نیازهای ویژه مشتریان به محصولات کاربیدی مختلفی مانند حلقه چرخشی کاربید سیلیکون، نشیمنگاه ثابت کاربید سیلیکون، بوش کاربید سیلیکون و غیره تبدیل کرد. همچنین می‌توان آن را در ترکیب با مواد گرافیتی استفاده کرد و ضریب اصطکاک آن از سرامیک آلومینا و آلیاژ سخت کوچکتر است، بنابراین می‌توان از آن در مقادیر بالای PV، به ویژه در شرایط اسید قوی و قلیایی قوی استفاده کرد.
کاهش اصطکاک SIC یکی از مزایای کلیدی استفاده از آن در آب‌بندهای مکانیکی است. بنابراین، SIC می‌تواند در برابر سایش و پارگی بهتر از سایر مواد مقاومت کند و عمر آب‌بند را افزایش دهد. علاوه بر این، کاهش اصطکاک SIC نیاز به روانکاری را کاهش می‌دهد. عدم نیاز به روانکاری، احتمال آلودگی و خوردگی را کاهش می‌دهد و کارایی و قابلیت اطمینان را بهبود می‌بخشد.
SIC همچنین مقاومت بالایی در برابر سایش دارد. این نشان می‌دهد که می‌تواند بدون آسیب دیدن یا شکستن، استفاده مداوم را تحمل کند. این ویژگی، آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای کاربردهایی تبدیل می‌کند که نیاز به سطح بالایی از قابلیت اطمینان و دوام دارند.
همچنین می‌توان آن را دوباره روکش و صیقل داد، بنابراین می‌توان یک آب‌بند را در طول عمر آن چندین بار بازسازی کرد. عموماً بیشتر به صورت مکانیکی استفاده می‌شود، مانند آب‌بندهای مکانیکی به دلیل مقاومت خوب در برابر خوردگی شیمیایی، استحکام بالا، سختی بالا، مقاومت در برابر سایش خوب، ضریب اصطکاک کوچک و مقاومت در برابر دمای بالا.
هنگامی که از کاربید سیلیکون برای سطوح آب‌بند مکانیکی استفاده می‌شود، منجر به بهبود عملکرد، افزایش عمر آب‌بند، کاهش هزینه‌های نگهداری و هزینه‌های جاری تجهیزات دوار مانند توربین‌ها، کمپرسورها و پمپ‌های گریز از مرکز می‌شود. کاربید سیلیکون بسته به نحوه تولید آن می‌تواند خواص متفاوتی داشته باشد. کاربید سیلیکون پیوند واکنشی با اتصال ذرات کاربید سیلیکون به یکدیگر در یک فرآیند واکنشی تشکیل می‌شود.
این فرآیند تأثیر قابل توجهی بر اکثر خواص فیزیکی و حرارتی ماده ندارد، با این حال مقاومت شیمیایی ماده را محدود می‌کند. رایج‌ترین مواد شیمیایی مشکل‌ساز، مواد سوزاننده (و سایر مواد شیمیایی با pH بالا) و اسیدهای قوی هستند و بنابراین نباید از کاربید سیلیکون پیوند واکنشی در این کاربردها استفاده شود.
واکنش-سینتر نفوذیکاربید سیلیکون. در چنین ماده‌ای، منافذ ماده اولیه SIC در فرآیند نفوذ با سوختن سیلیکون فلزی پر می‌شوند، بنابراین SiC ثانویه ظاهر می‌شود و ماده خواص مکانیکی استثنایی پیدا می‌کند و در برابر سایش مقاوم می‌شود. به دلیل انقباض حداقلی، می‌توان از آن در تولید قطعات بزرگ و پیچیده با تلرانس‌های نزدیک استفاده کرد. با این حال، محتوای سیلیکون حداکثر دمای کارکرد را به ۱۳۵۰ درجه سانتیگراد محدود می‌کند، مقاومت شیمیایی نیز به حدود pH 10 محدود می‌شود. این ماده برای استفاده در محیط‌های قلیایی تهاجمی توصیه نمی‌شود.
متخلخلکاربید سیلیکون با تف جوشی یک گرانول SIC بسیار ریز از پیش فشرده شده در دمای 2000 درجه سانتیگراد برای تشکیل پیوندهای قوی بین دانه‌های ماده به دست می‌آید.
ابتدا شبکه ضخیم می‌شود، سپس تخلخل کاهش می‌یابد و در نهایت پیوندهای بین دانه‌ها تف جوشی می‌شوند. در فرآیند چنین پردازشی، انقباض قابل توجهی در محصول رخ می‌دهد - حدود 20٪.
حلقه آب‌بندی SSIC در برابر تمام مواد شیمیایی مقاوم است. از آنجایی که هیچ سیلیکون فلزی در ساختار آن وجود ندارد، می‌توان آن را در دماهای تا 1600 درجه سانتیگراد بدون تأثیر بر استحکام آن استفاده کرد.
| خواص | آر-سی‌سی | S-SiC |
| تخلخل (%) | ≤0.3 | ≤0.2 |
| چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب) | ۳.۰۵ | ۳.۱ تا ۳.۱۵ |
| سختی | ۱۱۰ تا ۱۲۵ (HS) | ۲۸۰۰ (کیلوگرم بر میلی‌متر مربع) |
| مدول الاستیک (Gpa) | ۴۰۰≥ | ۴۱۰≥ |
| محتوای SiC (%) | ≥۸۵٪ | ≥۹۹٪ |
| محتوای سی (%) | ≤15٪ | ۰.۱۰٪ |
| مقاومت خمشی (مگاپاسکال) | ۳۵۰ پوند | ۴۵۰ |
| مقاومت فشاری (کیلوگرم بر میلی‌متر مربع) | ۲۲۰۰ پوند | ۳۹۰۰ |
| ضریب انبساط حرارتی (1/℃) | ۴.۵×۱۰-۶ | ۴.۳×۱۰-۶ |
| مقاومت حرارتی (در جو) (℃) | ۱۳۰۰ | ۱۶۰۰ |
آب‌بند مکانیکی TC
مواد کاربید تنگستن (TC) دارای ویژگی‌های سختی، استحکام، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی بالا هستند. این ماده به عنوان "دندان صنعتی" شناخته می‌شود. به دلیل عملکرد برتر، به طور گسترده در صنایع نظامی، هوافضا، پردازش مکانیکی، متالورژی، حفاری نفت، ارتباطات الکترونیکی، معماری و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. به عنوان مثال، در پمپ‌ها، کمپرسورها و همزن‌ها، حلقه کاربید تنگستن به عنوان آب‌بند مکانیکی استفاده می‌شود. مقاومت خوب در برابر سایش و سختی بالا، آن را برای ساخت قطعات مقاوم در برابر سایش با دمای بالا، اصطکاک و خوردگی مناسب می‌کند.
با توجه به ترکیب شیمیایی و ویژگی‌های کاربرد، TC را می‌توان به چهار دسته تقسیم کرد: تنگستن-کبالت (YG)، تنگستن-تیتانیوم (YT)، تنگستن-تیتانیوم-تانتالیوم (YW) و کاربید تیتانیوم (YN).
آلیاژ سخت تنگستن-کبالت (YG) از WC و Co تشکیل شده است. این آلیاژ برای پردازش مواد شکننده مانند چدن، فلزات غیر آهنی و مواد غیر فلزی مناسب است.
استلایت (YT) از WC، TiC و Co تشکیل شده است. به دلیل افزودن TiC به آلیاژ، مقاومت سایشی آن بهبود یافته است، اما مقاومت خمشی، عملکرد سنگ‌زنی و رسانایی حرارتی آن کاهش یافته است. به دلیل شکنندگی آن در دمای پایین، فقط برای برش سریع مواد عمومی مناسب است و برای پردازش مواد شکننده مناسب نیست.
تنگستن تیتانیوم تانتالوم (نیوبیوم) کبالت (YW) به آلیاژ اضافه می‌شود تا سختی، استحکام و مقاومت سایشی در دمای بالا را از طریق مقدار مناسبی از کاربید تانتالوم یا کاربید نیوبیوم افزایش دهد. در عین حال، چقرمگی نیز با عملکرد برش جامع بهتر بهبود می‌یابد. این ماده عمدتاً برای مواد برش سخت و برش متناوب استفاده می‌شود.
کلاس پایه تیتانیوم کربنیزه (YN) یک آلیاژ سخت با فاز سخت TiC، نیکل و مولیبدن است. مزایای آن سختی بالا، قابلیت ضد اتصال، مقاومت در برابر سایش هلالی و مقاومت در برابر اکسیداسیون است. در دمای بیش از 1000 درجه، هنوز هم می‌توان آن را ماشینکاری کرد. این آلیاژ برای پرداخت‌کاری مداوم فولاد آلیاژی و فولاد کوئنچ شده قابل استفاده است.
| مدل | محتوای نیکل (wt%) | چگالی (گرم بر سانتی‌متر مربع) | سختی (HRA) | استحکام خمشی (≥N/mm²) |
| YN6 | ۵.۷-۶.۲ | ۱۴.۵-۱۴.۹ | ۸۸.۵-۹۱.۰ | ۱۸۰۰ |
| YN8 | ۷.۷-۸.۲ | ۱۴.۴-۱۴.۸ | ۸۷.۵-۹۰.۰ | ۲۰۰۰ |
| مدل | محتوای کبالت (wt%) | چگالی (گرم بر سانتی‌متر مربع) | سختی (HRA) | استحکام خمشی (≥N/mm²) |
| وای‌جی۶ | ۵.۸-۶.۲ | ۱۴.۶-۱۵.۰ | ۸۹.۵-۹۱.۰ | ۱۸۰۰ |
| وای‌جی۸ | ۷.۸-۸.۲ | ۱۴.۵-۱۴.۹ | ۸۸.۰-۹۰.۵ | ۱۹۸۰ |
| وای‌جی۱۲ | ۱۱.۷-۱۲.۲ | ۱۳.۹-۱۴.۵ | ۸۷.۵-۸۹.۵ | ۲۴۰۰ |
| وای‌جی۱۵ | ۱۴.۶-۱۵.۲ | ۱۳.۹-۱۴.۲ | ۸۷.۵-۸۹.۰ | ۲۴۸۰ عدد |
| وای‌جی۲۰ | ۱۹.۶-۲۰.۲ | ۱۳.۴-۱۳.۷ | ۸۵.۵-۸۸.۰ | ۲۶۵۰ |
| وای‌جی۲۵ | ۲۴.۵-۲۵.۲ | ۱۲.۹-۱۳.۲ | ۸۴.۵-۸۷.۵ | ۲۸۵۰ |