أنواع مواد سطح الختم الميكانيكي

ختم آلي تحدد مواد الواجهة مدى قدرة معداتك على منع التسربات ومتانتها مع مرور الوقت. يجب أن تقاوم الحرارة والتآكل والتأثيرات الكيميائية مع الحفاظ على واجهة متراكبة ومسطحة للغاية. عادةً، يُصنع أحد الوجهين من مادة أكثر ليونة ومرونة (غالبًا ما تكون مركبًا من الكربون والجرافيت)، بينما يُصنع الآخر من مادة أكثر صلابة (سيراميك أو كربيد).

مشترك مواد وجه الختم الميكانيكي وتشمل الكربون الجرافيت، والسيراميك (أكسيد الألومنيوم)، وكربيد السيليكون، وكربيد التنغستن، وNi-Resist، وGF PTFE وغيرها من المواد المعدنية.

الجرافيت الكربوني (الكربون)

يُعدّ الجرافيت الكربوني (والذي يُطلق عليه غالبًا "الكربون") أكثر مواد حشو الأسطح شيوعًا لأحد الوجهين. وهو مادة مركبة مصنوعة من خليط من مساحيق الكربون والجرافيت، تُشكّل وتُخبز، ثم تُشرّب عادةً بالراتنجات أو المعادن لتحسين خصائصها.

الجرافيت الكربوني مادة لينة نسبيًا (مقارنةً بالسيراميك) ذات بنية مسامية تُملأ بالمُشبّع لجعلها مقاومة للماء ومتينة. من المُشبّعات الشائعة الراتنجات الاصطناعية أو المعادن مثل الأنتيمون. يتميز الكربون بقدرته على التشحيم الذاتي، حيث يوفر بنية الجرافيت معامل احتكاك منخفضًا، ويمكنه تكوين طبقة زلقة. كما يتميز بموصلية حرارية ممتازة. هذه الخصائص تجعل الكربون مثاليًا كسطح "للمسح" أو للارتداء على سطح صلب.

السيراميك (أكسيد الألومنيوم)

يُشير مصطلح السيراميك في الأختام الميكانيكية عادةً إلى أكسيد الألومنيوم (الألومينا)، وهو عادةً أكسيد ألومينا بنسبة نقاء تزيد عن 99%. وهو مادة سيراميكية صلبة وهشة (صلابة موس حوالي 9)، تُستخدم في الأختام منذ عقود.

عادةً ما يكون سطح ختم الألومينا أبيض أو عاجي اللون. يتميز سيراميك الألومينا بخواصه الخاملة كيميائيًا في معظم السوائل، وهو أيضًا غير مكلف نسبيًا مقارنةً بالكربيدات المتطورة. يمكن تشكيله على شكل حلقات ختم وصقله للحصول على طبقة نهائية ناعمة. يتميز الألومينا بموصلية حرارية متوسطة وقدرة على تحمل درجات حرارة عالية (يمكن للمادة أن تتحمل أكثر من 1000 درجة مئوية)، ولكن كسطح ختم، تكمن محدوديته في هشاشته وتحمله للصدمات الحرارية.

كربيد السيليكون (SiC)

كربيد السيليكون مادة صلبة عالية الجودة، أصبحت شائعة الاستخدام في الأختام الميكانيكية الحديثة. وهو مركب سيراميكي من السيليكون والكربون، وعادةً ما يكون لونه رماديًا داكنًا أو أسود. يُعد كربيد السيليكون من أصلب مواد الأختام (تصل صلابته إلى حوالي 9.5 موس، ولا يسبقه إلا الماس). يتميز بمقاومة ممتازة للتآكل، وموصلية حرارية عالية جدًا، وخواص كيميائية عالية.

هناك نوعان رئيسيان يستخدمان في الأختام: كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل وكربيد السيليكون المسحوق.

يتم تصنيع SiC المرتبط بالتفاعل (يُطلق عليه أحيانًا RB Sic) عن طريق ضخ السيليكون المنصهر في مصفوفة كربون؛ وينتهي الأمر بنحو 8-12% من السيليكون الحر في المادة.

يُصنع كربيد السيليكون المُلبَّد (يُسمى أيضًا ألفا كربيد السيليكون) عن طريق التلبيد المباشر لمسحوق كربيد السيليكون دون وجود سيليكون حر، مما يُنتج سيراميكًا نقيًا. كلاهما صلب ومقاوم للتآكل، لكنهما يختلفان في مقاومتهما الكيميائية (بسبب السيليكون الحر في كربيد السيليكون RB).

كربيد التنغستن (مرحاض)

كربيد التنغستن هو مركب معدني ثقيل وصلب يستخدم على نطاق واسع أيضًا في وجوه الفقمةمن الناحية التقنية، هو سيرميت (سيراميك-معدن) - جزيئات كربيد التنغستن شديدة الصلابة ملتصقة ببعضها البعض بمادة رابطة معدنية (إما الكوبالت أو النيكل). المادة الناتجة صلبة جدًا (على مقياس موس ~9) ومتينة جدًا (أقل هشاشة من السيراميك الخالص بفضل المادة الرابطة المعدنية).

كربيد التنغستن كثيف (أثقل من الفولاذ بمرتين أو ثلاث مرات تقريبًا)، ولونه رمادي، وله مظهر معدني لامع عند تلميعه. تاريخيًا، كان كربيد التنغستن المرتبط بالكوبالت شائعًا، ولكن في الأختام الميكانيكية، يُفضل كربيد التنغستن المرتبط بالنيكل الآن لمقاومة أفضل للتآكل. يتراوح محتوى المادة الرابطة النموذجي بين 2% و3% من الوزن، والباقي من WC.

مواد الوجه الأخرى (المعادن والطلاءات والبوليمرات)

في حين أن الكربون والسيراميك وSiC وكربيد التنغستن هي المواد الأكثر شيوعًا في واجهات الختم، إلا أن هناك عددًا قليلًا من المواد الأخرى المستخدمة في التطبيقات المتخصصة أو القديمة:

• Ni-Resist (حديد الزهر المقاوم للنيكل): Ni-Resist هو حديد زهر مُسبَّك (حوالي ٢٠-٢٥٪ نيكل) يُستخدم أحيانًا في واجهات الختم (عادةً في المقاعد الثابتة). وهو في الأساس حديد صلب، رخيص الثمن، ومقاوم للتآكل في الماء العذب.
• البرونز والمعادن الأخرى: استُخدمت المعادن اللينة، مثل البرونز، في الماضي في صناعة أسطح الختم (غالبًا مع عنصر كربوني). يتميز البرونز (وخاصةً البرونز المُرصَّص) بليونته وجاذبيته بفضل مرونته وسهولة تزليقه بفضل محتواه من الرصاص. لكن أسطح البرونز تتشوه بالحرارة (ضعف ثبات الأبعاد) وتتآكل بسرعة. كما أنها لا تتحمل السرعات العالية (حيث تحتك وتتلطخ). ونتيجةً لذلك، أصبحت أسطح البرونز نادرةً الآن، وعادةً ما تُرى فقط في التصاميم القديمة أو ربما في أختام منخفضة التحمل.
• القمر الصناعي: الستيلايت سبيكة من الكوبالت والكروم، تتميز بصلابة عالية ومقاومة للتآكل. يمكن استخدامها كطبقة ملحومة على قطعة من الفولاذ المقاوم للصدأ لتكوين طبقة صلبة. كانت الأختام ذات الأختام ذات الأختام ذات الأقطار الكبيرة جدًا (مثل تلك الموجودة في مُحركات المفاعلات الكبيرة أو أختام الأعمدة الكبيرة)، حيث يكون صنع حلقة ضخمة من الستيلايت مكلفًا للغاية.
• PTFE المملوءة بالزجاج: يُعدّ PTFE (التيفلون) بحد ذاته مادة ممتازة مقاومة للمواد الكيميائية، ولكنه لين جدًا ويميل إلى الزحف (التدفق البارد) تحت الضغط. لاستخدام PTFE كطبقة عازلة، يجب تعزيزه - والأكثر شيوعًا هو مملوء بالزجاج PTFEحيث يُخلط حوالي 15-25% من ألياف الزجاج مع مادة PTFE. يُنتج هذا مادةً أكثر صلابةً يُمكن تثبيتها على سطح الختم. الميزة الرئيسية لمادة GFPTFE هي خمولها الكيميائي، إذ يمكنها التعامل مع الأحماض والقلويات والكلور وغيرها من المواد الكيميائية شديدة العدوانية التي قد تُؤثر على الكربون أو المعادن. كما أن معامل احتكاكها منخفض جدًا.

الخامة	صلابة وارتداء	مقاومة كيميائية	ماكس. درجة الحرارة	الفوائد الرئيسية	العيوب الرئيسية
جرافيت الكربون	ناعم/متوافق (يتآكل بسبب المواد الكاشطة)؛ سطح ذو تشحيم ذاتي.	ممتاز في العديد من السوائل؛ يمكن أن يتأثر تشريب الراتنج أو المعدن بمؤكسدات قوية أو أحماض.	~260 درجة مئوية (درجة الراتنج)؛ ~370 درجة مئوية (درجة الأنتيمون).	ذاتية التشحيم (تمنع التسجيل)؛ التوافق الواسع؛ متسامح مع الانزعاج (يتوفر درجات مقاومة للبثور).	قوة ميكانيكية منخفضة؛ يتآكل بسرعة بسبب المواد الكاشطة؛ يمكن أن تتقرح بسبب السوائل المتبخرة (إذا كانت الدرجة غير مناسبة).
السيراميك (الألومينا)	صلبة ولكنها هشة؛ أداء جيد في الخدمة النظيفة، غير مناسب للمواد الصلبة الثقيلة.	خامل لمعظم المواد الكيميائية (باستثناء حمض HF)؛ لا توجد مشاكل التآكل.	~175 درجة مئوية (الحد الأقصى الموصى به للألومينا في خدمة الختم).	تكلفة منخفضة؛ مقاومة جيدة للكربون؛ مقاومة للتآكل في الماء والسوائل الشائعة.	هش للغاية (يتشقق عند التعرض لصدمة حرارية أو تأثير)؛ موصلية حرارية أقل (يمكن تشغيلها ساخنة)؛ يقتصر على السرعات/الضغوط المعتدلة.
كربيد السيليكون	صعب للغاية (موس 9.5)؛ مقاومة ممتازة للتآكل (الأفضل للمواد الملاطية).	ممتاز: خامل كيميائيًا (SiC متكلس) لجميع السوائل تقريبًا؛ تجنب الدرجة المرتبطة بالتفاعل في درجة الحموضة < 4 أو > 11 (يمكن أن يتآكل السيليكون الحر).	~٤٠٠ درجة مئوية (مع تصميم/حامل مناسب). الأسطح ثابتة حتى ٨٠٠ درجة فهرنهايت فأكثر.	أعلى مقاومة للتآكل؛ موصلية حرارية عالية (تعمل بشكل أكثر برودة)؛ يتعامل مع السرعات والضغوط العالية؛ ممتاز للخدمات المسببة للتآكل والكاشط.	هش (الحرص في التعامل)؛ التكلفة العالية؛ يتطلب التركيب المناسب لتجنب الإجهاد الحراري؛ نوع الرابطة التفاعلية غير مناسب للأحماض/القواعد القوية.
كربيد التنغستن	صعب جدًا (موس ~9)؛ قوي (يقاوم التقطيع، جيد للصدمات/الاهتزاز)؛ متفوقة في بعض الظروف الكاشطة.	جيد: يقاوم التآكل الخفيف، وخاصة مع رابط النيكل؛ غير خامل – رابط (خاصة الكوبالت) يتفاعل مع الأحماض القوية والأمينات وما إلى ذلك.	~400 درجة مئوية (حلقة WC صلبة). قد يقتصر الضغط في الحوامل على حوالي 260 درجة مئوية ما لم يتم استخدام سبائك خاصة.	يتحمل الضغط العالي (صلابة عالية، لا تشوه الوجه)؛ متينة تحت الاهتزاز أو التجويف؛ أداء ممتاز في خدمات الطين/القذرة.	غالي الثمن؛ ثقيل جدًا (كثافة عالية)؛ أقل خمولًا كيميائيًا من SiC (Ni-WC أفضل من Co-WC)؛ احتكاك أعلى (عادة ما يتم تشغيله بالكربون للتزييت).
مقاومة النيكل (Ni-CI)	معدن ناعم (أكثر ليونة بكثير من الكربيد)؛ يتآكل بسرعة – مناسب فقط للسوائل النظيفة.	مقاومة محدودة للتآكل (مقبولة في الماء ذي الرقم الهيدروجيني المحايد، وسوف تصدأ في الأحماض).	~175 درجة مئوية (350 درجة فهرنهايت) كحد أقصى.	تكلفة منخفضة جدًا؛ يتحمل الصدمات الحرارية (المعدنية)؛ احتكاك منخفض مع الكربون (حديد الزهر الجرافيتي).	مقاومة ضعيفة للتآكل؛ غير مخصص للسرعات العالية أو أي مواد كاشطة؛ يتآكل في السوائل العدوانية، ويتأكسد عند درجة الحرارة.
GF PTFE	ناعم جدًا (صلابة منخفضة، حتى مع الزجاج)؛ عرضة للتآكل والتشوه تحت الحمل.	أمتياز: خامل تجاه جميع المواد الكيميائية تقريبًا (الأحماض، والمواد الكاوية، والكلور، وما إلى ذلك).	~150–200 درجة مئوية (فوق ذلك يتسلل أو يتحلل PTFE).	المقاومة الكيميائية القصوى؛ احتكاك منخفض (غير لاصق)؛ يمنع ملامسة المعدن في الخدمات شديدة العدوانية.	حدود الطاقة الكهروضوئية منخفضة للغاية (فقط للضغط المنخفض والسرعة)؛ التدفقات الباردة (تحتاج إلى دعم)؛ حياة قصيرة - تستخدم فقط عندما لا يصمد أي شيء آخر.