Il carburo di silicio e il carburo di tungsteno sono i due materiali più comuni per tenute meccaniche Nelle apparecchiature industriali. Il carburo di silicio eccelle nella resistenza alla corrosione e offre prestazioni migliori in fluidi puliti, mentre il carburo di tungsteno offre una tenacità superiore e gestisce in modo più efficace le condizioni sporche. La scelta tra i due dipende dai requisiti specifici dell'applicazione, tra cui il tipo di fluido, le condizioni operative e i vincoli di budget.
Proprietà dei materiali
| Immobili | Carburo di silicio (SiC) | Carburo di tungsteno (WC) |
|---|---|---|
| Durezza (Mohs) | 9 – 9.5 (estremamente difficile) | 8.5 – 9 (molto difficile) |
| Densità (g / cm³) | ~3.1 (leggero) | ~14.5 – 15.6 (molto denso) |
| Conduttività termica | ~120–160 W/m·K (alto) | ~85–110 W/m·K (moderato-alto) |
| Dilatazione termica | ~4.0 × 10^−6/°C (basso) | ~5.5 × 10^−6/°C (superiore) |
| Resistenza alla compressione | ~3900 MPa (molto alto) | ≥5000 MPa (estremamente alto) |
| Resistenza alla frattura | Inferiore – fragile (bassa resistenza agli urti) | Più alto – resistente (resiste agli urti) |
| Inerzia chimica | Ceramica inerte (eccellente resistenza alla corrosione) | Carburo legato con metallo (buono, ma il legante può corrodersi) |
| Temperatura massima di servizio | ~¹1500–1800 °C (mantiene la resistenza a temperature estreme) | ~¹1000 °C (il legante limita la temperatura di utilizzo superiore) |
Resistenza all'usura
Sia il carburo di silicio che il carburo di tungsteno sono apprezzati per la loro eccellente resistenza all'usura e all'abrasione. La loro estrema durezza li rende molto più resistenti all'usura rispetto a materiali con superfici più morbide come l'acciaio al carbonio o l'acciaio inossidabile.
Tuttavia, la durezza superiore del carburo di silicio (Mohs ~9.5) gli conferisce un vantaggio in condizioni abrasive: supera il carburo di tungsteno (Mohs ~8.5–9) in termini di resistenza ai graffi e durata all'usura. In applicazioni su fanghi o sabbia, un SiC faccia di sigillo tende a subire un'abrasione minima. Il carburo di tungsteno, sebbene leggermente più morbido, è comunque un materiale "estremamente duro" (appena inferiore al diamante) e altamente resistente all'usura.
Il carburo di tungsteno eccelle spesso in situazioni che comportano urti, flessioni o contatto con particelle. Poiché il WC è più tenace e meno fragile, è meno soggetto a scheggiature o crepe dovute a shock meccanici transitori (ad esempio cavitazione, vibrazioni delle apparecchiature o occasionali particelle dure tra le facce). Nelle pompe per fanghi abrasivi, ad esempio, particelle grandi o irregolari potrebbero causare fratture fragili in una faccia in SiC, mentre una faccia in carburo di tungsteno potrebbe resistere all'impatto.
Resistenza alla corrosione
Il carburo di silicio è chimicamente inerte: non reagisce con la maggior parte degli acidi, degli alcali o dei solventi e forma uno strato di silice passivante ad alte temperature, rendendolo altamente resistente alla corrosione.
Il carburo di tungsteno, al contrario, è un composito metallo-carburo; il suo comportamento alla corrosione dipende in larga misura dal metallo legante. Il WC di per sé è relativamente inerte (resiste alla maggior parte delle sostanze chimiche, ad eccezione di forti ossidanti come una miscela calda di HF/HNO₃), ma i comuni leganti al cobalto sono soggetti ad attacchi da parte di acidi e di alcune sostanze chimiche.
Compatibilità chimica
L'ampia inerzia chimica del carburo di silicio lo rende compatibile con un'ampia gamma di fluidi, tra cui acidi forti (solforico, cloridrico, nitrico), alcali caustici (idrossido di sodio), solventi, idrocarburi acidi (elevato contenuto di H₂S), acqua di mare e così via.
Anche il carburo di tungsteno può gestire molti fluidi, ma con alcune limitazioni. I fluidi neutri o leggermente corrosivi (ad esempio molti oli, acqua con pH quasi neutro, miscele di idrocarburi, ecc.) sono generalmente adatti al WC. Tuttavia, acidi forti, salamoie e sostanze chimiche ossidanti tendono a essere problematici per il WC.
Lubrificazione
Sia il SiC che il WC offrono prestazioni ottimali con almeno un sottile film di fluido tra le facce, ma le proprietà del SiC lo rendono avvantaggiato in condizioni di scarsa lubrificazione. Il SiC ha un coefficiente di attrito naturalmente basso e un'elevata conduttività termica, quindi funziona a temperature più basse e con meno attrito se la lubrificazione è marginale. Infatti, il carburo di silicio può essere spesso utilizzato in applicazioni con scarsa lubrificazione o persino con funzionamento a secco intermittente.
Prestazioni ad alta temperatura
Il carburo di silicio può resistere a temperature molto elevate (stabilità del materiale fino a circa 1600–1800 °C), ben oltre i limiti della maggior parte delle applicazioni di tenuta. In termini pratici, le superfici in SiC possono operare a temperature in cui molti altri componenti (elastomeri, parti metalliche) potrebbero cedere.
Il carburo di tungsteno, pur essendo un materiale ad alto punto di fusione (~2780 °C), è vincolato dal suo legante alle temperature elevate. I leganti a base di cobalto o nichel possono iniziare ad ammorbidirsi o perdere resistenza a poche centinaia di gradi Celsius.
Prestazioni ad alta pressione
La densità e il modulo più elevati del carburo di tungsteno contribuiscono a resistere a pressioni idrauliche elevate senza fessurarsi o deformarsi. La struttura più densa e resistente del WC gli consente di sopportare pressioni estreme meglio del SiC.
Il carburo di silicio, sebbene molto resistente alla compressione, è più fragile e può fratturarsi se le sollecitazioni indotte dalla pressione generano carichi di trazione o flessione che superano la sua tenacità alla frattura. Inoltre, il WC può gestire eventuali shock o oscillazioni di pressione in modo più sicuro: un picco di pressione improvviso ha meno probabilità di frantumare una superficie in WC rispetto a una superficie in SiC.
Applicazioni industriali comuni
- Petrolio e gas (perforazione upstream, fratturazione idraulica): Carburo di tungsteno (urti e abrasioni nel fango, alta pressione)
- Raffinazione del petrolio / Petrolchimica: Carburo di silicio (mezzi corrosivi, alta temperatura) in molti servizi; WC per alcuni servizi di pulizia ad alta pressione
- Lavorazione chimica: Carburo di silicio (acidi, solventi, corrosivi)
- Pompe per fanghi e per l'industria mineraria: Carburo di tungsteno (abrasione estrema, impatto)
- Trattamento dell'acqua (acqua aggressiva o sporca): Carburo di silicio (corrosione, abrasione da sabbia); per acqua pulita o servizio delicato, WC utilizzato anche
- Generazione di potenza: Mix di WC (pompe di alimentazione ad alta pressione) e Sic (acqua ad alta temperatura o aggressiva) a seconda del sistema
- Farmaceutica/Alimentare: Carburo di silicio (inerti, igienici)
Costo
Le guarnizioni in carburo di tungsteno hanno spesso un costo iniziale più elevato. Nei casi in cui una faccia in SiC potrebbe rompersi e richiedere la sostituzione, una faccia in WC potrebbe continuare a funzionare, prolungando così l'intervallo medio tra una manutenzione e l'altra.
D'altro canto, le guarnizioni in carburo di silicio, essendo inizialmente più economiche ed estremamente resistenti all'usura e agli attacchi chimici, possono garantire una durata di vita molto lunga nelle condizioni ideali (con una manutenzione minima).
