אטמים מכנייםמשחק תפקיד חשוב מאוד בהימנעות מהדליפה עבור תעשיות רבות ושונות. בתעשייה הימית ישמשאבת אטמים מכניים, אטמים מכניים של פיר מסתובב. ובתעשיית הנפט והגז ישמחסנית אטמים מכניים,אטמים מכניים מפוצלים או אטמים מכניים בגז יבש. בתעשיות הרכב יש אטמים מכאניים מים. ובתעשייה הכימית יש אטמים מכאניים של מיקסר (אטמים מכאניים במערבל) ואטמים מכאניים מדחסים.
תלוי במצב שימוש שונה, זה דורש פתרון איטום מכני עם חומר שונה. ישנם סוגים רבים של חומרים בשימושאטמי פיר מכניים כגון אטמים מכאניים קרמיים, אטמים מכאניים מפחמן, אטמים מכניים מסיליקון קרביד,חותמות מכניות SSIC ואטמים מכניים TC.
אטמים מכניים קרמיים
אטמים מכאניים קרמיים הם רכיבים קריטיים ביישומים תעשייתיים שונים, שנועדו למנוע דליפה של נוזלים בין שני משטחים, כגון פיר מסתובב ובית נייח. אטמים אלה מוערכים מאוד בשל עמידותם היוצאת דופן בפני שחיקה, עמידות בפני קורוזיה ויכולת לעמוד בטמפרטורות קיצוניות.
התפקיד העיקרי של אטמים מכניים קרמיים הוא לשמור על שלמות הציוד על ידי מניעת אובדן נוזלים או זיהום. הם משמשים בתעשיות רבות, כולל נפט וגז, עיבוד כימי, טיפול במים, תרופות ועיבוד מזון. ניתן לייחס את השימוש הנרחב בחותמות אלו לבנייתן העמידה; הם עשויים מחומרים קרמיים מתקדמים המציעים מאפייני ביצועים מעולים בהשוואה לחומרי איטום אחרים.
אטמים מכאניים קרמיים מורכבים משני מרכיבים עיקריים: האחד הוא פנים נייחים מכני (בדרך כלל עשוי מחומר קרמי), ואחר הוא פנים סיבובי מכני (בדרך כלל עשוי מגרפיט פחמן). פעולת האיטום מתרחשת כאשר שני הפנים נלחצים יחד באמצעות כוח קפיץ, יוצר מחסום יעיל מפני דליפת נוזלים. כאשר הציוד פועל, סרט הסיכה בין פני האיטום מפחית חיכוך ובלאי תוך שמירה על אטימה הדוקה.
גורם מכריע אחד שמייחד אטמים מכניים קרמיים מסוגים אחרים הוא העמידות יוצאת הדופן שלהם בפני שחיקה. לחומרים קרמיים יש תכונות קשיות מצוינות המאפשרות להם לעמוד בתנאי שחיקה ללא נזק משמעותי. זה מביא לאטמים עמידים יותר הדורשים החלפה או תחזוקה בתדירות נמוכה יותר מאלו העשויים מחומרים רכים יותר.
בנוסף לעמידות בפני שחיקה, קרמיקה מציגה גם יציבות תרמית יוצאת דופן. הם יכולים לעמוד בטמפרטורות גבוהות מבלי לחוות השפלה או לאבד את יעילות האיטום שלהם. זה הופך אותם מתאימים לשימוש ביישומים בטמפרטורה גבוהה שבהם חומרי איטום אחרים עלולים להיכשל בטרם עת.
לבסוף, אטמים מכניים קרמיים מציעים תאימות כימית מעולה, עם עמידות לחומרים קורוזיביים שונים. זה הופך אותם לבחירה אטרקטיבית עבור תעשיות שעוסקות באופן שגרתי בכימיקלים קשים ונוזלים אגרסיביים.
אטמים מכניים קרמיים הם חיונייםאטמי רכיביםנועד למנוע דליפת נוזלים בציוד תעשייתי. התכונות הייחודיות שלהם, כגון עמידות בפני שחיקה, יציבות תרמית ותאימות כימית, הופכות אותם לבחירה מועדפת עבור יישומים שונים בתעשיות מרובות.
| תכונה פיזית קרמית | ||||
| פרמטר טכני | יְחִידָה | 95% | 99% | 99.50% |
| צְפִיפוּת | g/cm3 | 3.7 | 3.88 | 3.9 |
| קַשִׁיוּת | HRA | 85 | 88 | 90 |
| שיעור נקבוביות | % | 0.4 | 0.2 | 0.15 |
| חוזק שבר | MPa | 250 | 310 | 350 |
| מקדם התפשטות החום | 10(-6)/K | 5.5 | 5.3 | 5.2 |
| מוליכות תרמית | W/MK | 27.8 | 26.7 | 26 |
אטמים מכאניים פחמן
לאטם פחמן מכני יש היסטוריה ארוכה. גרפיט הוא איזופורמה של יסוד פחמן. בשנת 1971 חקרה ארצות הברית את חומר האיטום המכני הגרפיט הגמיש המוצלח, שפתר את הדליפה של שסתום אנרגיה אטומית. לאחר עיבוד עמוק, הגרפיט הגמיש הופך לחומר איטום מצוין, המיוצרים לאטמים מכאניים מפחמן שונים בהשפעת רכיבי איטום. אטמים מכאניים פחמן אלה משמשים בתעשיות כימיות, נפט, חשמל כגון אטם נוזלים בטמפרטורה גבוהה.
מכיוון שהגרפיט הגמיש נוצר מהתרחבות של גרפיט מורחב לאחר טמפרטורה גבוהה, כמות חומר האינטרקלציה שנותרה בגרפיט הגמיש היא קטנה מאוד, אך לא לגמרי, ולכן לקיומו והרכבו של חומר האינטרקלציה יש השפעה רבה על האיכות וביצועי המוצר.
מבחר חומרי פנים לאטום פחמן
הממציא המקורי השתמש בחומצה גופרתית מרוכזת כחומר חמצון וחומר אינטרקלציה. עם זאת, לאחר היישום על אטם של רכיב מתכת, כמות קטנה של גופרית שנשארה בגרפיט הגמיש נמצאה מאכלת את מתכת המגע לאחר שימוש ארוך טווח. לאור נקודה זו, כמה חוקרים מבית ניסו לשפר אותה, כמו Song Kemin שבחר בחומצה אצטית וחומצה אורגנית במקום חומצה גופרתית. חומצה, איטית בחומצה חנקתית, ולהוריד את הטמפרטורה לטמפרטורת החדר, עשויה מתערובת של חומצה חנקתית וחומצה אצטית. על ידי שימוש בתערובת של חומצה חנקתית וחומצה אצטית כחומר ההחדרה, הוכן הגרפיט המורחב ללא גופרית עם אשלגן פרמנגנט כמחמצן, וחומצה אצטית נוספה לאט לחומצה חנקתית. הטמפרטורה מופחתת לטמפרטורת החדר, ומכינים את התערובת של חומצה חנקתית וחומצה אצטית. לאחר מכן מוסיפים לתערובת זו את גרפיט הפתית הטבעי ואשלגן פרמנגנט. תחת ערבוב מתמיד, הטמפרטורה היא 30 C. לאחר תגובה 40 דקות, המים נשטפים לנייטרלי ומייבשים ב-50 ~ 60 C, והגרפיט המורחב נעשה לאחר התפשטות בטמפרטורה גבוהה. שיטה זו לא משיגה גיפור בתנאי שהמוצר יכול להגיע לנפח מסוים של התפשטות, כדי להשיג אופי יציב יחסית של חומר האיטום.
| סוּג | M106H | M120H | M106K | M120K | M106F | M120F | M106D | M120D | M254D |
| מותג | ספוג | ספוג | פנול ספוג | פחמן אנטימון (A) | |||||
| צְפִיפוּת | 1.75 | 1.7 | 1.75 | 1.7 | 1.75 | 1.7 | 2.3 | 2.3 | 2.3 |
| חוזק שבר | 65 | 60 | 67 | 62 | 60 | 55 | 65 | 60 | 55 |
| חוזק לחיצה | 200 | 180 | 200 | 180 | 200 | 180 | 220 | 220 | 210 |
| קַשִׁיוּת | 85 | 80 | 90 | 85 | 85 | 80 | 90 | 90 | 65 |
| נַקבּוּבִיוּת | <1 | <1 | <1 | <1 | <1 | <1 | <1.5 | <1.5 | <1.5 |
| טמפרטורות | 250 | 250 | 250 | 250 | 250 | 250 | 400 | 400 | 450 |
אטמים מכניים של סיליקון קרביד
סיליקון קרביד (SiC) ידוע גם בשם קרבונדום, העשוי מחול קוורץ, קולה נפט (או קוק פחם), שבבי עץ (שצריכים להוסיף בעת ייצור סיליקון קרביד ירוק) וכן הלאה. לסיליקון קרביד יש גם מינרל נדיר בטבע, תות. בחומרי גלם עכשוויים מסוג C, N, B וחומרי גלם טכנולוגיים גבוהים שאינם תחמוצתיים, סיליקון קרביד הוא אחד החומרים הנפוצים והחסכוניים ביותר, אשר ניתן לכנותו חול פלדת זהב או חול עקשן. נכון לעכשיו, הייצור התעשייתי של סיליקון קרביד בסין מחולק לסיליקון קרביד שחור וסיליקון קרביד ירוק, שניהם גבישים משושה עם פרופורציה של 3.20 ~ 3.25 ומיקרו קשיות של 2840 ~ 3320 ק"ג/מ"ר
מוצרי סיליקון קרביד מסווגים לסוגים רבים על פי סביבת יישום שונה. בדרך כלל משתמשים בו בצורה מכנית יותר. לדוגמה, סיליקון קרביד הוא חומר אידיאלי לאיטום מכני סיליקון קרביד בגלל העמידות הטובה בפני קורוזיה כימית, חוזק גבוה, קשיות גבוהה, עמידות בפני שחיקה טובה, מקדם חיכוך קטן ועמידות בטמפרטורה גבוהה.
ניתן לחלק את טבעות החותם של SIC לטבעת סטטית, טבעת נעה, טבעת שטוחה וכן הלאה. ניתן לייצר סיליקון סיליקון למוצרי קרביד שונים, כגון טבעת סיבובית סיליקון קרביד, מושב נייח של סיליקון קרביד, בוש סיליקון קרביד וכן הלאה, בהתאם לדרישות המיוחדות של הלקוחות. זה יכול לשמש גם בשילוב עם חומר גרפיט, ומקדם החיכוך שלו קטן יותר מאשר אלומינה קרמיקה וסגסוגת קשה, כך שניתן להשתמש בו בערך PV גבוה, במיוחד במצב של חומצה חזקה ואלקלי חזק.
החיכוך המופחת של SIC הוא אחד היתרונות המרכזיים של השימוש בו באטמים מכניים. לכן SIC יכול לעמוד בלאי טוב יותר מחומרים אחרים, ולהאריך את חיי האיטום. בנוסף, החיכוך המופחת של SIC מפחית את הדרישה לשימון. חוסר סיכה מפחית את האפשרות של זיהום וקורוזיה, משפר את היעילות והאמינות.
ל-SIC יש גם עמידות גדולה בפני שחיקה. זה מצביע על כך שהוא יכול לסבול שימוש מתמשך מבלי להידרדר או להישבר. זה הופך אותו לחומר המושלם לשימושים הדורשים רמה גבוהה של אמינות ועמידות.
ניתן גם ללפף מחדש ולהבריש כך שניתן לשפץ חותם מספר פעמים במהלך חייו. בדרך כלל נעשה בו שימוש מכני יותר, כמו באטמים מכניים בשל עמידות קורוזיה כימית טובה, חוזק גבוה, קשיות גבוהה, עמידות טובה בפני שחיקה, מקדם חיכוך קטן ועמידות בטמפרטורה גבוהה.
כאשר נעשה שימוש עבור פנים אטמים מכאניים, סיליקון קרביד מביא לשיפור בביצועים, אורך חיי אטם מוארך, עלויות תחזוקה נמוכות יותר ועלויות הפעלה נמוכות יותר עבור ציוד מסתובב כגון טורבינות, מדחסים ומשאבות צנטריפוגליות. לסיליקון קרביד יכולות להיות תכונות שונות בהתאם לאופן ייצורו. סיליקון קרביד מלוכד בתגובה נוצר על ידי הצמדת חלקיקי סיליקון קרביד זה לזה בתהליך תגובה.
תהליך זה אינו משפיע באופן משמעותי על רוב התכונות הפיזיקליות והתרמיות של החומר, אולם הוא מגביל את העמידות הכימית של החומר. הכימיקלים הנפוצים ביותר המהווים בעיה הם קאוסטיקה (וכימיקלים אחרים ב-pH גבוה) וחומצות חזקות, ולכן אין להשתמש בסיליקון קרביד הקשור לתגובות עם יישומים אלה.
סינון ריאקציה הסתנןסיליקון קרביד. בחומר כזה, הנקבוביות של חומר ה-SIC המקורי ממולאות בתהליך החדירה על ידי שריפת סיליקון מתכתי, כך מופיע SiC משני והחומר מקבל תכונות מכניות יוצאות דופן, והופך לעמיד בפני שחיקה. בשל הכיווץ המינימלי שלו, ניתן להשתמש בו בייצור חלקים גדולים ומורכבים בעלי סובלנות קרובה. עם זאת, תכולת הסיליקון מגבילה את טמפרטורת ההפעלה המקסימלית ל-1,350 מעלות צלזיוס, עמידות כימית מוגבלת גם לערך pH 10. החומר אינו מומלץ לשימוש בסביבות אלקליות אגרסיביות.
מסונטףסיליקון קרביד מתקבל על ידי סינון של גרגיר SIC עדין מאוד דחוס מראש בטמפרטורה של 2000 מעלות צלזיוס ליצירת קשרים חזקים בין גרגרי החומר.
ראשית, הסריג מתעבה, אחר כך הנקבוביות פוחתת, ולבסוף הקשרים בין הגרגירים מתחלבים. בתהליך עיבוד כזה מתרחשת הצטמקות משמעותית של המוצר - בכ-20%.
טבעת איטום SSIC עמיד בפני כל הכימיקלים. מכיוון שלא קיים סיליקון מתכתי במבנה שלו, ניתן להשתמש בו בטמפרטורות של עד 1600C מבלי להשפיע על חוזקו
| נכסים | R-SiC | S-SiC |
| נקבוביות (%) | ≤0.3 | ≤0.2 |
| צפיפות (g/cm3) | 3.05 | 3.1~3.15 |
| קַשִׁיוּת | 110~125 (HS) | 2800 (ק"ג/מ"מ) |
| מודול אלסטי (Gpa) | ≥400 | ≥410 |
| תוכן SiC (%) | ≥85% | ≥99% |
| תוכן סי (%) | ≤15% | 0.10% |
| חוזק כיפוף (Mpa) | ≥350 | 450 |
| חוזק לחיצה (ק"ג/מ"מ) | ≥2200 | 3900 |
| מקדם התפשטות החום (1/℃) | 4.5×10-6 | 4.3×10-6 |
| עמידות בחום (באטמוספירה) (℃) | 1300 | 1600 |
אטם מכני TC
לחומרי TC יש תכונות של קשיות גבוהה, חוזק, עמידות בפני שחיקה ועמידות בפני קורוזיה. זה ידוע בשם "שן תעשייתית". בשל הביצועים המעולים שלו, נעשה בו שימוש נרחב בתעשייה צבאית, תעופה וחלל, עיבוד מכני, מתכות, קידוחי נפט, תקשורת אלקטרונית, אדריכלות ותחומים אחרים. לדוגמה, במשאבות, מדחסים ומערבלים, טבעת טונגסטן קרביד משמשת כאטמים מכניים. עמידות טובה בפני שחיקה וקשיות גבוהה הופכות אותו למתאים לייצור חלקים עמידים בפני שחיקה בעלי טמפרטורה גבוהה, חיכוך וקורוזיה.
על פי ההרכב הכימי ומאפייני השימוש שלו, ניתן לחלק את TC לארבע קטגוריות: טונגסטן קובלט (YG), טונגסטן-טיטניום (YT), טונגסטן טיטניום טנטלום (YW) וטיטניום קרביד (YN).
סגסוגת קשיחה של טונגסטן קובלט (YG) מורכבת מ-WC ושות'. היא מתאימה לעיבוד חומרים שבירים כגון ברזל יצוק, מתכות לא ברזליות וחומרים לא מתכתיים.
Stellite (YT) מורכב מ-WC, TiC ושות'. עקב הוספת TiC לסגסוגת, עמידות הבלאי שלו משתפרת, אך חוזק הכיפוף, ביצועי השחזה והמוליכות התרמית ירדו. בגלל שבירותו בטמפרטורה נמוכה, הוא מתאים רק לחיתוך מהיר של חומרים כלליים ולא לעיבוד של חומרים שבירים.
טונגסטן טיטניום טנטלום (ניוביום) קובלט (YW) מתווסף לסגסוגת כדי להגביר את הקשיות בטמפרטורה גבוהה, החוזק ועמידות השחיקה באמצעות כמות מתאימה של טנטלום קרביד או ניוביום קרביד. במקביל, הקשיחות גם משתפרת עם ביצועי חיתוך מקיפים טובים יותר. הוא משמש בעיקר עבור חומרי חיתוך קשים וחיתוך לסירוגין.
דרגת בסיס טיטניום מוגז (YN) היא סגסוגת קשה עם הפאזה הקשה של TiC, ניקל ומוליבדן. יתרונותיו הם קשיות גבוהה, יכולת אנטי-הדבקה, אנטי-שחיקה ויכולת אנטי-חמצון. בטמפרטורה של יותר מ-1000 מעלות, עדיין ניתן לעבד אותו. זה ישים לגימור מתמשך של פלדת סגסוגת ופלדה מרווה.
| דֶגֶם | תכולת ניקל (Wt%) | צפיפות (g/cm²) | קשיות (HRA) | חוזק כיפוף (≥N/mm²) |
| YN6 | 5.7-6.2 | 14.5-14.9 | 88.5-91.0 | 1800 |
| YN8 | 7.7-8.2 | 14.4-14.8 | 87.5-90.0 | 2000 |
| דֶגֶם | תכולת קובלט (Wt%) | צפיפות (g/cm²) | קשיות (HRA) | חוזק כיפוף (≥N/mm²) |
| YG6 | 5.8-6.2 | 14.6-15.0 | 89.5-91.0 | 1800 |
| YG8 | 7.8-8.2 | 14.5-14.9 | 88.0-90.5 | 1980 |
| YG12 | 11.7-12.2 | 13.9-14.5 | 87.5-89.5 | 2400 |
| YG15 | 14.6-15.2 | 13.9-14.2 | 87.5-89.0 | 2480 |
| YG20 | 19.6-20.2 | 13.4-13.7 | 85.5-88.0 | 2650 |
| YG25 | 24.5-25.2 | 12.9-13.2 | 84.5-87.5 | 2850 |