Tenute meccaniche in ceramica SiC

Le tenute a gas secco sono un nuovo tipo di tenuta senza contatto sviluppata attraverso miglioramenti fondamentali alle tenute meccaniche, basati su cuscinetti a pressione dinamica del gas. Le tenute per gas secco offrono velocità limite elevate, eccellenti prestazioni di tenuta, lunga durata, eliminano la necessità di un sistema di olio di tenuta, consumano meno energia, sono facili da utilizzare e hanno bassi costi operativi e di manutenzione, il che le rende ampiamente utilizzate nell'industria petrolifera. A causa dell'elevata velocità superficiale delle superfici della tenuta, gli effetti combinati della forza centrifuga e della pressione del mezzo possono causare una significativa deformazione meccanica e termica degli anelli rotanti e stazionari sotto pressione e durante il funzionamento.  Poiché lo spessore del film di gas tra l'anello rotante e quello fisso è di soli pochi micrometri, anche una minima deformazione può compromettere seriamente l'effetto di tenuta e l'affidabilità. Pertanto, le guarnizioni per gas secco pongono requisiti elevati ai materiali di tenuta delle coppie di attrito.

Per garantire il normale funzionamento delanelli di tenutanei dispositivi di tenuta meccanica, e considerando fattori quali la riduzione dell'attrito, la resistenza alla corrosione e la prevenzione del grippaggio, gli anelli di tenuta sono spesso costituiti da una coppia di anelli con durezze diverse, tipicamente un anello duro e un anello morbido. L'anello duro è solitamente l'anello rotante, quindi il materiale dell'anello duro dovrebbe possedere resistenza e rigidità sufficienti, buone proprietà di attrito, buona conduttività termica e resistenza al calore e buona resistenza alla corrosione.

L'elevata durezza e il basso coefficiente di attritocarburo di siliciogli conferiscono un'eccellente resistenza all'usura, rendendolo particolarmente adatto a diverse condizioni di attrito radente e usura. Il carburo di silicio ha una resistenza alle alte temperature molto elevata; la sua resistenza alla flessione a 1400°C è la stessa della temperatura ambiente. Può essere trasformato in anelli di tenuta di varie forme, dimensioni e finitura superficiale elevata, offrendo una buona tenuta all'aria e una lunga durata. Pertanto, il carburo di silicio può essere utilizzato nelle tenute meccaniche in condizioni di alta temperatura.

Carburo di silicioha una buona stabilità chimica e può resistere a vari mezzi acidi e alcalini altamente corrosivi, rendendolo adatto per tenute meccaniche in mezzi corrosivi. L'usura corrosiva è una delle principali forme di guasto dei materiali delle coppie di attrito. Il carburo di silicio sinterizzato pressato a caldo forma sulla sua superficie una pellicola protettiva di biossido di silicio in atmosfera ossidante, mantenendo una buona stabilità chimica e una forte resistenza alla corrosione anche a 900°C.

La ceramica SiC è un materiale ceramico speciale ad alte prestazioni con elevata resistenza, elevata durezza, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione chimica, resistenza all'usura e resistenza agli shock termici. Tuttavia, quando le tenute ceramiche SiC subiscono un contatto per attrito, le loro caratteristiche di elevata durezza provocano l'adesione tra le due superfici di lavoro durante l'avvio e lo spegnimento della tenuta a gas secco. Ciò aumenta il coefficiente di attrito e aumenta la temperatura della superficie terminale, portando a riscaldamento localizzato e shock termico.  La coppia di attrito grippa e aderisce, esacerbando l'usura della superficie terminale e riducendo significativamente la durata della guarnizione, con conseguente guasto prematuro. Pertanto, è necessaria la modifica della ceramica SiC. La ricerca mostra che nanoparticelle, baffi e fibre distribuiti uniformemente nella matrice ceramica SiC possono inibire la propagazione di crepe interne nella ceramica SiC attraverso il crack bridging, la deflessione della fessura, il fissaggio della fessura e l'indurimento per estrazione, migliorando così le sue proprietà meccaniche.

Attualmente, i principali metodi di sinterizzazione per le ceramiche SiC sono la sinterizzazione per reazione e la sinterizzazione senza pressione. Le ceramiche SiC sinterizzate per reazione hanno prestazioni complessive scarse e non possono soddisfare i requisiti delle tenute per gas secco, mentre il carburo di silicio sinterizzato senza pressione mostra eccellente durezza, porosità apparente, resistenza alla flessione e resistenza alla compressione, rendendolo un materiale ideale per le coppie di attrito delle tenute per gas secco. La sinterizzazione senza pressione è ulteriormente suddivisa in sinterizzazione in fase solida e sinterizzazione in fase liquida. La sinterizzazione in fase liquida utilizza ossidi multicomponente a basso eutettico che formano una fase liquida eutettica ad alte temperature come ausili di sinterizzazione. Ciò modifica il meccanismo di trasferimento di massa della polvere ceramica dalla diffusione al flusso viscoso, che, rispetto alla sinterizzazione in fase solida, può ridurre significativamente l’energia richiesta per la densificazione della ceramica, allineandosi con le iniziative nazionali per il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni.

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