Combinazioni di materiali per la superficie della tenuta meccanica

Tenute meccaniche Si basano su due facce di contatto molto piatte, una solitamente fissata all'albero rotante e una fissa, per prevenire perdite di fluido. La scelta della combinazione di materiali delle facce è fondamentale per la longevità e le prestazioni della tenuta.

Queste combinazioni sono spesso classificate come "morbido contro duro" (una faccia più morbida e autolubrificante contro una faccia dura) o "duro contro duro" (due facce dure). Le coppie morbido/duro (tipicamente carbonio contro ceramica dura) sono comuni quando si prevede un contatto tra le facce o una scarsa lubrificazione, perché il carbonio fornisce una superficie sacrificale e lubrificante.

Le coppie duro/duro (ad esempio due carburi) vengono utilizzate quando è possibile mantenere un film fluido robusto (ad esempio in applicazioni abrasive o ad alta viscosità), riducendo al minimo il contatto tra le facce. In generale, una faccia è spesso resa più dura dell'altra in modo che "qualcosa debba usurarsi" – avere una faccia sacrificale previene gravi danni a entrambe.

Carbonio vs. Ceramica (Allumina)

Questo accoppiamento è costituito da una faccia in carbonio-grafite che scorre contro una ceramica tecnica (solitamente ossido di alluminio ad alta purezza). Carbonio-grafite facce di foca Sono compositi morbidi e porosi realizzati in carbonio amorfo e grafite, spesso impregnati di resina o metallo per migliorarne la resistenza e l'impermeabilità. La ceramica di allumina è un materiale duro e fragile con una buona resistenza all'usura ma una limitata tolleranza agli urti.

Supporti e casi d'uso consigliati:

• ✅ Acqua pulita o trattata: Ideale per acqua dolce, acqua di raffreddamento, sistemi di acqua potabile e circuiti di riscaldamento/raffreddamento.
• ✅ Oli leggeri e refrigeranti: Adatto per oli lubrificanti, cherosene e refrigeranti/antigelo a base di glicole.
• ❌ Fluidi abrasivi o fanghi: Non consigliato per acque reflue, fanghi o fluidi con solidi significativi (sabbia, limo, ecc.).
• ❌ Acidi/alcali forti: Evitare l'uso in ambienti con sostanze chimiche acide o caustiche.
• ❌ Pompe ad alta velocità o ad alta pressione: In condizioni di elevata PV (pressione-velocità), questa combinazione si surriscalda.

Carbonio contro carburo di silicio

Questa combinazione estremamente popolare abbina una faccia in carbonio-grafite con una faccia in carburo di silicio. Il carburo di silicio (SiC) è una ceramica apprezzata per la sua eccezionale durezza (quasi pari al diamante) e resistenza all'usura. Esiste in varianti: SiC legato per reazione (contiene circa il 10% di silicio libero) e α-SiC sinterizzato (SiC quasi puro), quest'ultimo chimicamente più inerte. La faccia in carbonio in questa combinazione è in genere una grafite di carbonio di alta qualità impregnata di resina o antimonio, spesso di qualità "premium" per resistere alla formazione di bolle. Questo carbonio morbido fornisce la lubrificazione contro la controfaccia in SiC super dura.

Supporti e casi d'uso consigliati:

• ✅ Prodotti chimici e fluidi corrosivi: Consigliato soprattutto per acidi, sostanze caustiche e solventi.
• ✅ Idrocarburi e oli leggeri: Adatto per pompe che trasportano benzina, gasolio, petrolio greggio e altri idrocarburi.
• ✅ Acqua calda e fanghi leggeri: Utilizzato nelle pompe dell'acqua di alimentazione delle caldaie (la durezza del SiC resiste alla leggera abrasività delle incrostazioni delle caldaie e l'inerzia chimica gestisce la chimica dell'acqua), a condizione che la progettazione della pompa gestisca gli shock termici.
• ❌ Fanghi di grandi dimensioni / Abrasione grave: Per fanghi minerari, fanghi di perforazione o fluidi contenenti sabbia, il carbonio rispetto al SiC potrebbe usurarsi troppo rapidamente perché la superficie in carbonio si eroderebbe.
• ❌ Servizi con forti vibrazioni o urti: Se l'ambiente della pompa è molto duro (ad esempio forti vibrazioni dell'albero, frequenti martellamenti di avvio/arresto), la superficie in SiC potrebbe rompersi.
• ❌ Gas secco o condizioni di scarsa lubrificazione: Se il fluido sigillato è un gas o un liquido a bassissima viscosità (che non fornisce quasi nessuna lubrificazione), una coppia morbida/dura potrebbe non essere sufficiente.

Carbonio contro carburo di tungsteno

Questa combinazione utilizza una faccia in carbonio-grafite contro una faccia in carburo di tungsteno (WC). Il carburo di tungsteno è un materiale composito sinterizzato: particelle di carburo di tungsteno molto dure cementate con un legante metallico (storicamente cobalto, ora spesso nichel per una migliore resistenza chimica). Il WC è talvolta chiamato “metallo duro” ed è quasi duro quanto il SiC, ma con una differenza fondamentale: ha una maggiore tenacità alla frattura (è "più tenace" e meno fragile grazie al legante metallico duttile). Il carbonio è in genere di qualità simile a quello utilizzato con il SiC (impregnato di resina o antimonio, ecc.).

Supporti e casi d'uso consigliati:

• ✅ Oli e carburanti idrocarburici: Ideale per petrolio greggio, olio lubrificante, gasolio, ecc.
• ✅ Fluidi moderatamente sporchi o abrasivi: Utilizzato in acque di produzione, acque acide e alcuni fanghi minerari con contenuto solido da basso a moderato.
• ✅ Pompe ad alta pressione o ad alta velocità: Nelle pompe di alimentazione o di carico delle caldaie ad alta pressione, le superfici in carbone/WC vengono spesso selezionate per la loro resistenza.
• ❌ Servizi con acidi forti o sostanze caustiche: Non consigliato per acidi come HCl, H₂SO₄ o soda caustica forte.
• ❌ Fluidi scarsamente lubrificanti / Gas secco: In servizi come l'acqua calda con viscosità molto bassa o pompe che potrebbero funzionare a secco, il carbone/WC è ancora rischioso.
• ❌ Fanghi estremamente abrasivi: In fanghi molto abrasivi (ad esempio fanghi minerali pesanti, fanghi sabbiosi), anche la resistenza all'usura del tungsteno potrebbe non essere sufficiente (e il carbonio si usurerebbe rapidamente).

Carburo di silicio contro carburo di silicio

Entrambe le facce di tenuta sono in carburo di silicio, spesso dello stesso grado (solitamente entrambe sono in SiC sinterizzato direttamente, oppure una può essere in SiC caricato con grafite per una leggera lubrificazione). Si tratta di una combinazione duro-duro: due superfici ceramiche estremamente dure e resistenti all'usura che scorrono l'una accanto all'altra. Poiché nessuna delle due facce è autolubrificante, le tenute SiC/SiC si affidano a un robusto film fluido o a trattamenti superficiali ausiliari (come scanalature idrodinamiche o rivestimenti diamantati) per evitare l'attrito a secco.

Supporti e casi d'uso consigliati:

• ✅ Sostanze chimiche aggressive (acidi, sostanze caustiche, solventi): Per le pompe che gestiscono acidi fumanti, miscele forti di acido nitrico/fluoridrico (con cautela per l'HF) o sostanze chimiche ad alta purezza, il SiC/SiC è spesso l'unica scelta praticabile per una lunga durata.
• ✅ Fanghi abrasivi (con lavaggio): Nell'attività mineraria (ad esempio, pompaggio di fanghi minerali o ceneri di fondo), SiC/SiC con un piano di lavaggio è una soluzione di alta qualità per resistere all'abrasione.
• ✅ Servizio con olio ad alta temperatura o non acquoso: In alcune pompe specializzate per alte temperature (olio termico, sali fusi, ecc.), il carbone potrebbe non essere adatto a causa del rischio di ossidazione.
• ❌ Servizi con rischio di lubrificazione a secco o mista: Se l'applicazione non può garantire una pellicola liquida completa (ad esempio, se si pompa un liquido quasi saturo che potrebbe trasformarsi in vapore attraverso la guarnizione, o se è possibile un funzionamento a secco intermittente), il SiC/SiC non è consigliato senza particolari considerazioni di progettazione.
• ❌ Ambienti ad alta vibrazione o impatto: Evitare SiC/SiC in apparecchiature con vibrazioni significative, cavitazione o potenziale impatto sulla guarnizione.

Carburo di tungsteno vs. Carburo di tungsteno

Sia la superficie rotante che quella fissa sono in carburo di tungsteno, in genere dello stesso grado (spesso legato al nichel per applicazioni chimiche). Si tratta di una combinazione metallo duro-carburo. L'accoppiamento carburo di tungsteno/carburo di tungsteno (spesso abbreviato WC/WC) produce un'interfaccia estremamente dura, simile per classe di durezza al SiC/SiC, ma con una certa quantità di metallo presente in ciascuna superficie. Ogni superficie è molto robusta meccanicamente e, insieme, formano una delle coppie più resistenti all'usura disponibili (a parte opzioni più particolari come le guarnizioni con superficie diamantata).

Supporti e casi d'uso consigliati:

• ✅ Fanghi pesanti e abrasivi: Ideale per fanghi minerari (roccia, residui, sabbia), dragaggio e pompaggio di ceneri volanti o ghiaia.
• ✅ Fluidi viscosi: Per oli ad alta viscosità, sciroppi o polimeri in cui la pellicola fluida è spessa e le superfici in carbonio potrebbero surriscaldarsi (formare bolle), WC/WC può essere una soluzione.
• ✅ Alcune applicazioni delle acque reflue: Nelle pompe per acque reflue, alcuni produttori offrono le superfici WC/WC come standard o come optional.
• ❌ Fluidi fortemente corrosivi: Non utilizzare WC/WC in ambienti acidi, con candeggina o in qualsiasi altro servizio che richieda un'elevata resistenza alla corrosione. Potrebbe danneggiarsi a causa di corrosione o vaiolatura.
• ❌ Scarsa lubrificazione / Condizioni di asciutto intermittente: Se non è possibile garantire una tenuta completamente bagnata (ad esempio, la pompa potrebbe funzionare a secco o il fluido potrebbe fuoriuscire), il WC/WC non è sicuro.

Carburo di tungsteno contro carburo di silicio

Una faccia è carburo di tungsteno (WC) e l'altro è carburo di silicio (SiC) – una combinazione ibrida duro su duro. Tipicamente, la faccia rotante potrebbe essere in carburo di tungsteno (per la tenacità) e la faccia fissa in carburo di silicio (per la durezza e la resistenza alla corrosione), sebbene possa essere configurata in entrambi i modi. Questa combinazione combina le caratteristiche del WC e del SiC: è unica in quanto i due materiali duri hanno proprietà leggermente diverse, offrendo potenzialmente un equilibrio tra tenacità e durezza.

Supporti e casi d'uso consigliati:

• ✅ Acque ghiaiose o sabbiose, acque reflue: Per pompe in servizio di acqua sporca – ad esempio acque reflue con sabbia, acque piovane con ghiaia – spesso si consiglia WC/SiC.
• ✅ Fluidi a fase mista: Nel settore petrolifero e del gas, le pompe che movimentano petrolio misto, acqua e gas (come alcuni pompe multifase o pompe di trasferimento del greggio con sabbia) traggono vantaggio da WC/SiC.
• ✅ Fanghi chimici moderati: Nei processi chimici in cui è presente una miscela di solidi in una soluzione chimica (ad esempio una pompa cristallizzatrice con cristalli solidi in un liquido madre leggermente acido), WC/SiC gestirebbe l'abrasione dei cristalli e della sostanza chimica fino a un certo punto.
• ❌ Acidi forti o sostanze chimiche ultra pure: Se l'attacco chimico al WC rappresenta un problema, evitate questa combinazione.
• ❌ Casi in cui la lubrificazione non è affidabile: Se l'acqua di scarico dovesse guastarsi o il fluido fosse soggetto a fasi (da liquido a vapore) che potrebbero privarlo della lubrificazione, WC/SiC ne soffrirebbe (anche se probabilmente non così rapidamente come WC/WC).

Combinazione di faccia di tenuta	Durata relativa (durata all'usura)	Costo relativo	Attrito e generazione di calore	Compatibilità chimica e resistenza alla corrosione
Carbonio vs Ceramica (Al₂O₃)	Basso in servizio abrasivo (ideale solo per fluidi puliti). Può durare a lungo in acqua pulita, ma i solidi causano rapidamente usura.	Minore (costo iniziale molto economico). La ceramica e il carbonio sono materiali comuni ed economici.	Attrito moderato: Il carbonio fornisce lubrificazione, ma la scarsa conduttività termica della ceramica può causare un calore superficiale maggiore rispetto al carbonio/SiC. Generalmente liscia in acqua.	Limitato: Adatto per fluidi neutri (acqua, olio leggero, glicoli). Non adatto ad acidi/alcali forti (la ceramica è attaccata da sostanze chimiche aggressive). Anche gli impregnanti al carbonio (resine) limitano l'uso di sostanze chimiche.
Carbonio contro carburo di silicio	Medio-Alto: Ottima resistenza all'usura nella maggior parte degli impieghi. La durezza del SiC garantisce una lunga durata, sebbene fanghi duri possano comunque erodere la superficie in carbonio nel tempo. Durata molto più lunga rispetto al carbonio/ceramica negli abrasivi.	Medium: Costo maggiore rispetto al C/Ceramic (il SiC è costoso), ma più economico di due facce dure. Spesso giustificato dalla maggiore durata e dal risparmio energetico.	Bassa frizione: Eccellente abbinamento tribologico: carbonio autolubrificante + SiC ultra-liscio per un attrito ridotto e una dissipazione del calore minima. Funzionamento più fresco ed efficiente rispetto alla combinazione carbonio/ceramica.	Broad: Gestisce un'ampia gamma di prodotti chimici. Il SiC è altamente inerte (resistente ad acidi, basi, solventi). Il carbonio è generalmente inerte; scegliere il grado appropriato per acidi forti (ad esempio, utilizzare senza resina in caso di acidi). Adatto ad acqua, idrocarburi, sostanze chimiche. Evitare acido HF (attacca SiC).
Carbonio contro carburo di tungsteno	Medio-Alto: Molto resistente in molte applicazioni. La durezza del WC protegge dagli abrasivi moderati, sebbene il carbonio si usuri in presenza di solidi pesanti. Può prolungare notevolmente la durata rispetto al carbonio/ceramica in caso di utilizzo in ambienti sporchi.	Medium: Gamma simile a carbonio/SiC. Il WC è costoso, ma una faccia è ancora in carbonio. Il prezzo è spesso giustificato per servizi più impegnativi.	Bassa frizione: Il carbonio fornisce una pellicola lubrificante e l'elevata conduttività termica del WC aiuta a dissipare il calore. Generalmente scorre senza intoppi. L'attrito è leggermente superiore rispetto al carbonio/SiC (il WC ha un coefficiente leggermente più elevato), ma comunque basso.	Moderare: Compatibile con acqua, oli e sostanze chimiche delicate. Non adatto ad acidi/ossidanti forti A meno che non si utilizzi WC legato al Ni (anche in questo caso, però, è limitato). La corrosione del legante è il punto debole. La resistenza chimica complessiva è buona, ma non così universale come quella del SiC.
Carburo di silicio vs carburo di silicio	Molto alto: Eccezionale durata degli abrasivi: entrambe le superfici sono estremamente dure. In presenza di fanghi e con una lubrificazione adeguata, questa combinazione dura di gran lunga più di qualsiasi altra con carbonio (riferimento: durata 5 volte superiore rispetto a C/Ceramica negli abrasivi).	Alto: Le due superfici in SiC di alta qualità lo rendono costoso. Usato solo quando necessario per le sue caratteristiche di resistenza.	Elevato attrito in caso di contatto con il confine: Il SiC/SiC lubrificato ha un basso attrito, ma zero autolubrificazione significa che qualsiasi contatto con la superficie può generare calore significativo. Richiede un film fluido completo; altrimenti le superfici potrebbero surriscaldarsi/creparsi.	Eccellente: Resistenza chimica quasi universale – entrambe le facce sono in ceramica e inerti a quasi tutti i fluidi (acidi, caustici, ecc.). Nessuna esposizione al metallo (se montato correttamente), quindi ideale per i corrosivi. Lo shock termico può essere un problema, ma la corrosione no.
Carburo di tungsteno vs carburo di tungsteno	Molto alto (in condizioni ideali): La coppia più resistente all'usura per abrasioni gravi. Può sopportare anni di servizio in fanghi se mantenuta lubrificata. Tuttavia, senza una lubrificazione adeguata, le superfici possono rompersi nonostante la durezza.	Alto: Due facce WC sono molto costose. Solitamente giustificate solo per servizi abrasivi critici.	Elevata tendenza all'attrito: Nessuna pellicola morbida – metallo-carburo su metallo-carburo può surriscaldarsi senza una lubrificazione completa. Tende a stridere o a riscaldarsi se la lubrificazione è marginale. Richiede lavaggio o un film di fluido sufficiente per raffreddare.	Limitato: Evitare sostanze corrosive. Entrambe le facce presentano un legante metallico sensibile agli acidi e all'acqua di mare. Ideale per fluidi non corrosivi (oli, acqua pulita o fanghi). La compatibilità chimica è inferiore a quella del SiC/SiC: la corrosione del legante è un problema in caso di utilizzo improprio.
Carburo di tungsteno contro carburo di silicio	Molto alto: Eccellente resistenza all'usura in condizioni di abrasivo/erosione. Due superfici dure garantiscono una lunga durata e l'abbinamento di WC e SiC riduce la fragilità: minor rischio di cricche rispetto a SiC/SiC e minore usura rispetto a WC/WC in presenza di sabbia corrosiva. Noto per le sue ottime prestazioni in acque reflue sabbiose e fanghi (con scarico).	Alto: Entrambe le superfici sono realizzate in materiali duri (costosi), paragonabili ad altre combinazioni duro/duro. Spesso giustificate da una maggiore affidabilità in servizi impegnativi.	Attrito medio-alto: Interfaccia ancora duro/duro, ma materiali diversi riducono lo stick-slip. Molti trovano che il WC/SiC funzioni a temperature inferiori rispetto al WC/WC (il SiC riduce l'attrito). Tuttavia, è necessario mantenere la lubrificazione; può surriscaldarsi se funziona a secco.	Ampio (meno gli estremi): Il lato SiC offre protezione dalla corrosione; il lato WC è il fattore limitante. Tollera fluidi moderatamente corrosivi meglio del WC/WC (solo una faccia può corrodersi). Non per ambienti molto acidi/clorosi (La superficie del WC potrebbe attaccarsi). Ottimo per fanghi in acque leggermente corrosive, ecc.