Garniture mécanique Les matériaux des faces déterminent la résistance de votre équipement aux fuites et sa durabilité. Ils doivent résister à la chaleur, à l'usure et aux agressions chimiques tout en conservant une interface rodée et extrêmement plane. Généralement, une face est constituée d'un matériau plus souple et plus souple (souvent un composite carbone-graphite) et l'autre d'un matériau plus dur (céramique ou carbure).
Commun matériaux de face de garniture mécanique comprennent le carbone-graphite, la céramique (oxyde d'aluminium), le carbure de silicium, le carbure de tungstène, le Ni-Resist, le GF PTFE et d'autres matériaux métalliques.
Graphite de carbone (carbone)
Le carbone graphite (souvent appelé simplement « carbone ») est de loin le matériau le plus courant pour les joints d'étanchéité, qu'il s'agisse d'une des deux faces. Il s'agit d'un matériau composite composé d'un mélange de poudres de carbone et de graphite moulées et cuites, puis généralement imprégnées de résines ou de métaux pour améliorer ses propriétés.
Le carbone-graphite est un matériau relativement souple (comparé à la céramique) doté d'une structure poreuse que l'imprégnant remplit pour le rendre imperméable et résistant. Les imprégnants les plus courants sont les résines synthétiques ou les métaux comme l'antimoine. Le carbone est unique en son genre : il est autolubrifiant ; sa structure en graphite offre un faible coefficient de frottement et peut former un film lubrifiant. Il possède également une excellente conductivité thermique. Ces caractéristiques font du carbone un matériau idéal comme surface d'essuyage ou d'usure contre une surface d'appui plus dure.
Céramique (oxyde d'aluminium)
La céramique utilisée dans les joints mécaniques est généralement de l'alumine (oxyde d'aluminium), généralement d'une pureté supérieure à 99 %. Il s'agit d'un matériau céramique dur et cassant (dureté Mohs d'environ 9), utilisé dans les joints depuis de nombreuses décennies.
Une face d'étanchéité en alumine typique est blanche ou ivoire. La céramique d'alumine est chimiquement très inerte dans la plupart des liquides et est également relativement peu coûteuse par rapport aux carbures avancés. Elle peut être transformée en bagues d'étanchéité et rodée pour obtenir une finition soignée. L'alumine présente une conductivité thermique modérée et une résistance aux températures élevées (le matériau peut supporter plus de 1000 XNUMX °C), mais en tant que face d'étanchéité, ses limites proviennent de sa fragilité et de sa résistance aux chocs thermiques.
Carbure de silicium (SiC)
Le carbure de silicium est un matériau de surface dure haut de gamme, devenu très courant dans les garnitures mécaniques modernes. Il s'agit d'un composé céramique de silicium et de carbone, généralement de couleur gris foncé ou noire. Le SiC est l'un des matériaux de surface de garniture les plus durs (dureté d'environ 9.5 Mohs, juste derrière le diamant). Il présente une excellente résistance à l'usure, une conductivité thermique très élevée et une grande inertie chimique.
Il existe deux principaux types utilisés dans les joints : le carbure de silicium lié par réaction et le carbure de silicium fritté.
Le SiC lié par réaction (parfois appelé RB Sic) est fabriqué en infusant du silicium fondu dans une matrice de carbone ; il se retrouve avec environ 8 à 12 % de silicium libre dans le matériau.
Le SiC fritté (également appelé alpha-SiC) est obtenu par frittage direct de poudre de carbure de silicium sans silicium libre, ce qui donne une céramique pure. Tous deux sont durs et résistants à l'usure, mais leurs résistances chimiques diffèrent (en raison de la présence de silicium libre dans le RB-SiC).
Carbure de tungstène (WC)
Le carbure de tungstène est un composite métallique dur et dense, largement utilisé pour les faces d'étanchéité. Techniquement, il s'agit d'un cermet (céramique-métal) : des particules de carbure de tungstène extrêmement dures sont liées entre elles par un liant métallique (cobalt ou nickel). Le matériau obtenu est très dur (dureté Mohs d'environ 9) et également très résistant (moins cassant que la céramique pure grâce au liant métallique).
Le carbure de tungstène est dense (presque 2 à 3 fois plus lourd que l'acier), de couleur grise, et présente un aspect métallique brillant une fois poli. Historiquement, le carbure de tungstène lié au cobalt était courant, mais dans les garnitures mécaniques, le carbure de tungstène lié au nickel est aujourd'hui souvent privilégié pour sa meilleure résistance à la corrosion. La teneur en liant est généralement d'environ 6 à 10 % en poids, le reste étant du WC.
Autres matériaux de surface (métaux, revêtements et polymères)
Bien que le carbone, la céramique, le SiC et le carbure de tungstène soient les matériaux de face d'étanchéité les plus répandus, il en existe quelques autres utilisés dans des applications de niche ou plus anciennes :
- Ni-Resist (fonte résistante au nickel) : Le Ni-Resist est une fonte alliée (environ 20 à 25 % de nickel) parfois utilisée pour les surfaces d'étanchéité (généralement le siège fixe). Il s'agit d'une fonte dure, économique et offrant une bonne résistance à la corrosion en eau douce.
- Bronze et autres métaux : Des métaux mous comme le bronze étaient autrefois utilisés pour les faces d'étanchéité (souvent avec un partenaire en carbone). Le bronze (en particulier le bronze au plomb) est mou et était attrayant pour sa conformabilité et son léger pouvoir lubrifiant dû à sa teneur en plomb. Cependant, les faces en bronze se déforment sous l'effet de la chaleur (faible stabilité dimensionnelle) et s'usent rapidement. Elles ne supportent pas non plus les vitesses élevées (frottements et bavures). De ce fait, les faces en bronze sont aujourd'hui rares, généralement réservées aux anciens modèles ou aux joints à très faible résistance.
- Stellite : La stellite est un alliage cobalt-chrome très dur et résistant à l'usure. Elle peut être appliquée par soudage sur une pièce en acier inoxydable pour créer un revêtement dur. Les joints à revêtement stellite étaient plus courants avant l'essor du SiC. Ils sont encore utilisés pour les joints de très grand diamètre (comme sur les agitateurs de réacteurs ou les joints d'arbre de grande taille), où la fabrication d'un anneau SiC de grande taille serait extrêmement coûteuse.
- PTFE chargé de verre : Le PTFE (Téflon) est un matériau très résistant aux produits chimiques, mais il est beaucoup trop mou et a tendance à fluer (fluidifier) sous pression. Pour utiliser le PTFE comme surface d'étanchéité, il doit être renforcé, le plus souvent. PTFE chargé de verre, où environ 15 à 25 % de fibres de verre sont mélangées au PTFE. On obtient ainsi un matériau beaucoup plus dur, qui peut être rodé sur une surface d'étanchéité. Le principal avantage du GFPTFE est son inertie chimique : il résiste aux acides, aux alcalis, au chlore et à d'autres produits chimiques extrêmement agressifs qui attaqueraient le carbone ou les métaux. Il présente également un très faible coefficient de frottement.
| Matériaux | Dureté et usure | Résistance chimique | Max. Température | Avantages clés | Principaux inconvénients |
|---|---|---|---|---|---|
| Carbone-Graphite | Doux/conforme (s'use sous l'effet des abrasifs) ; surface autolubrifiante. | Excellent dans de nombreux fluides; L'imprégnation de résine ou de métal peut être attaquée par des oxydants ou des acides puissants. | ~260 °C (qualité résine) ; ~370 °C (qualité antimoine). | Autolubrifiant (empêche les rayures) ; large compatibilité; indulgent envers les contraventions (grades résistants aux ampoules disponibles). | Faible résistance mécanique ; s'use rapidement avec les abrasifs ; peut former des cloques avec des liquides vaporisés (si la qualité est incorrecte). |
| Céramique (alumine) | Dur, mais cassant ; bonne tenue en service propre, pas pour les solides lourds. | Inerte à la plupart des produits chimiques (pas d'acide HF) ; aucun problème de corrosion. | ~175 °C (max recommandé pour l'alumine en service d'étanchéité). | À bas prix; bonne résistance à l'usure contre le carbone; résistant à la corrosion dans l'eau et les fluides courants. | Très fragile (fissures sous choc thermique ou impact) ; conductivité thermique plus faible (peut chauffer) ; limité à des vitesses/pressions modérées. |
| Carbure de silicium | Extrêmement dur (Mohs 9.5) ; excellente résistance à l'abrasion (idéal pour les boues). | Excellent: Chimiquement inerte (SiC fritté) à pratiquement tous les fluides ; éviter les grades liés par réaction à pH < 4 ou > 11 (le silicium libre peut se corroder). | ~400 °C (avec conception/support approprié). Les faces sont stables jusqu'à 800 °F et plus. | Résistance à l'usure maximale ; conductivité thermique élevée (fonctionne plus froid) ; gère des vitesses et des pressions élevées ; idéal pour les services corrosifs et abrasifs. | Cassant (attention à la manipulation) ; coût élevé; nécessite un montage approprié pour éviter les contraintes thermiques ; type à liaison réactionnelle non destiné aux acides/bases forts. |
| Le carbure de tungstène | Très dur (Mohs ~9) ; résistant (résiste à l'écaillage, bon pour les chocs/vibrations) ; supérieur dans certaines conditions abrasives. | Bon: Résiste à la corrosion légère, en particulier avec un liant Ni ; non inerte – liant (en particulier Co) attaqué par les acides forts, les amines, etc. | ~400 °C (anneau WC solide). Les supports pressés peuvent être limités à ~260 °C, sauf si des alliages spéciaux sont utilisés. | Résiste à une pression élevée (rigidité élevée, aucune déformation de la face) ; durable sous vibration ou cavitation ; excellente tenue dans les services de boues/sales. | Cher ; très lourd (haute densité) ; moins inerte chimiquement que le SiC (le Ni-WC est meilleur que le Co-WC) ; frottement plus élevé (généralement utilisé avec du carbone pour lubrifier). |
| Ni-Résist (Ni-CI) | Métal mou (beaucoup plus mou que le carbure) ; s'use rapidement – convient uniquement aux fluides propres. | Résistance limitée à la corrosion (correct dans l'eau à pH neutre, rouille dans les acides). | ~175 °C (350 °F) max. | Très faible coût; tolère les chocs thermiques (métallique) ; faible frottement contre le carbone (fonte graphitique). | Faible résistance à l'usure ; pas pour les vitesses élevées ni pour les abrasifs ; se corrode dans les fluides agressifs, s'oxyde à température. |
| PTFE sans halogène | Très doux (faible dureté, même avec du verre) ; sujet à l'usure et à la déformation sous charge. | Exceptionnel: Inerte à presque tous les produits chimiques (acides, caustiques, chlore, etc.). | ~150–200 °C (au-dessus de cette température, le PTFE flue ou se dégrade). | Résistance chimique ultime; faible frottement (antiadhésif) ; empêche le contact avec le métal dans les services très agressifs. | Limites PV très basses (uniquement pour basse pression et vitesse) ; flux froids (nécessite un soutien) ; courte durée de vie – utilisé uniquement lorsque rien d’autre ne tient. |
