אטמים מכנייםממלאים תפקיד חשוב מאוד במניעת דליפות עבור תעשיות רבות ושונות. בתעשייה הימית ישנםאטמים מכניים של המשאבה, אטמים מכניים של ציר מסתובב. ובתעשיית הנפט והגז ישנםאטמי מחסנית מכניים,אטמים מכניים מפוצלים או אטמים מכניים לגז יבש. בתעשיות הרכב ישנם אטמים מכניים למימן. ובתעשייה הכימית ישנם אטמים מכניים למיקסר (אטמים מכניים למערבל) ואטמים מכניים למדחס.
בהתאם לתנאי השימוש השונים, נדרש פתרון איטום מכני מחומרים שונים. ישנם סוגים רבים של חומרים המשמשים ב...אטמי פיר מכניים כגון אטמים מכניים קרמיים, אטמים מכניים מפחמן, אטמים מכניים מסיליקון קרביד,אטמים מכניים של SSIC ו-אטמים מכניים TC.
אטמים מכניים קרמיים
אטמים מכניים קרמיים הם רכיבים קריטיים ביישומים תעשייתיים שונים, שנועדו למנוע דליפת נוזלים בין שני משטחים, כגון ציר מסתובב ומארז נייח. אטמים אלה מוערכים מאוד בזכות עמידותם יוצאת הדופן בפני שחיקה, עמידותם בפני קורוזיה ויכולתם 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. השימוש הנרחב באטמים אלה ניתן לייחס למבנה העמיד שלהם; הם עשויים מחומרים קרמיים מתקדמים המציעים מאפייני ביצועים מעולים בהשוואה לחומרי אטם אחרים.
אטמים מכניים קרמיים מורכבים משני רכיבים עיקריים: האחד הוא משטח מכני נייח (בדרך כלל עשוי מחומר קרמי), והשני הוא משטח מכני סיבובי (בדרך כלל עשוי מפחמן גרפיט). פעולת האיטום מתרחשת כאשר שני המשטחים נלחצים יחד באמצעות כוח קפיץ, ויוצרים מחסום יעיל מפני דליפת נוזלים. בזמן פעולת הציוד, שכבת הסיכה בין משטחי האיטום מפחיתה חיכוך ובלאי תוך שמירה על אטימה הדוקה.
גורם מכריע המייחד אטמים מכניים קרמיים מסוגים אחרים הוא עמידותם המצוינת בפני שחיקה. חומרים קרמיים בעלי תכונות קשיות מצוינות המאפשרות להם לעמוד בתנאי שחיקה ללא נזק משמעותי. התוצאה היא אטמים עמידים יותר הדורשים החלפה או תחזוקה פחות תכופים מאשר אלו העשויים מחומרים רכים יותר.
בנוסף לעמידות בפני שחיקה, קרמיקה מפגינה גם יציבות תרמית יוצאת דופן. היא יכולה לעמוד בטמפרטורות גבוהות מבלי לחוות פגיעה או לאבד את יעילות האיטום שלה. זה הופך אותה מתאימה לשימוש ביישומים בטמפרטורה גבוהה שבהם חומרי אטימה אחרים עלולים להיכשל בטרם עת.
לבסוף, אטמים מכניים קרמיים מציעים תאימות כימית מצוינת, עם עמידות בפני חומרים קורוזיביים שונים. זה הופך אותם לבחירה אטרקטיבית עבור תעשיות שעוסקות באופן שגרתי בכימיקלים קשים ונוזלים אגרסיביים.
אטמים מכניים קרמיים חיונייםאטמי רכיביםנועדו למנוע דליפת נוזלים בציוד תעשייתי. תכונותיהם הייחודיות, כגון עמידות בפני שחיקה, יציבות תרמית ותאימות כימית, הופכות אותם לבחירה מועדפת עבור יישומים שונים בתעשיות מרובות.
| תכונה פיזיקלית של קרמיקה | ||||
| פרמטר טכני | יְחִידָה | 95% | 99% | 99.50% |
| צְפִיפוּת | גרם/סמ"ק | 3.7 | 3.88 | 3.9 |
| קַשִׁיוּת | זכויות אדם | 85 | 88 | 90 |
| קצב 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 מכניים מפחמן
לאטמי פחמן מכניים יש היסטוריה ארוכה. גרפיט הוא איזופורם של היסוד פחמן. בשנת 1971, ארצות הברית חקרה את חומר האיטום המכני הגמיש העשוי מגרפיט, אשר פתר את בעיית הדליפה של שסתומי אנרגיה אטומית. לאחר עיבוד עמוק, הגרפיט הגמיש הופך לחומר איטום מצוין, אשר מיוצר לאטמי פחמן מכניים שונים עם אפקט של רכיבי איטום. אטמי פחמן מכניים אלה משמשים בתעשיות הכימיה, הנפט והחשמל, כגון אטמי נוזלים בטמפרטורה גבוהה.
מכיוון שגרפיט גמיש נוצר על ידי התפשטות גרפיט מורחב לאחר טמפרטורה גבוהה, כמות חומר האינטרקלציה שנותרת בגרפיט הגמיש קטנה מאוד, אך לא במלואה, כך שלקיומו ולהרכבו של חומר האינטרקלציה יש השפעה רבה על איכות וביצועי המוצר.
בחירת חומר אטם פחמן
הממציא המקורי השתמש בחומצה גופרתית מרוכזת כחומר מחמצן וחומר ביניים. עם זאת, לאחר שיישומה על אטם של רכיב מתכת, כמות קטנה של גופרית שנותרה בגרפיט הגמיש גרמה לשחיקת מתכת המגע לאחר שימוש ממושך. לאור נקודה זו, כמה חוקרים מקומיים ניסו לשפר אותה, כמו סונג קמין שבחר בחומצה אצטית וחומצה אורגנית במקום חומצה גופרתית. חומצה, איטית בחומצה חנקתית, ומורידה את הטמפרטורה לטמפרטורת החדר, עשויה מתערובת של חומצה חנקתית וחומצה אצטית. באמצעות שימוש בתערובת של חומצה חנקתית וחומצה אצטית כחומר הביניים, הגרפיט המורחב ללא גופרית הוכן עם אשלגן פרמנגנט כמחמצן, וחומצה אצטית הוסיפה בהדרגה לחומצה חנקתית. הטמפרטורה יורדת לטמפרטורת החדר, ומכינים את התערובת של חומצה חנקתית וחומצה אצטית. לאחר מכן מוסיפים לתערובת גרפיט פתיתי טבעי ואשלגן פרמנגנט. תחת ערבוב מתמיד, הטמפרטורה היא 30 מעלות צלזיוס. לאחר 40 דקות של תגובה, המים נשטפים למצב ניטרלי ומיובשים בטמפרטורה של 50~60 מעלות צלזיוס, והגרפיט המורחב נוצר לאחר התפשטות בטמפרטורה גבוהה. שיטה זו אינה משיגה גיפור בתנאי שהמוצר יכול להגיע לנפח התפשטות מסוים, כך להשיג אופי יציב יחסית של חומר האיטום.
| סוּג | M106H | M120H | M106K | M120K | M106F | M120F | M106D | M120D | M254D |
| מותג | ספוג | ספוג | פנול ספוג | אנטימון פחמן (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 דחיסה | 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 מסיליקון קרביד
סיליקון קרביד (SiC) ידוע גם בשם קרבונדום, והוא עשוי מחול קוורץ, קוקה נפט (או קוקה פחם), שבבי עץ (שיש להוסיף בעת ייצור סיליקון קרביד ירוק) וכן הלאה. לסיליקון קרביד יש גם מינרל נדיר בטבע, תות. בחומרי גלם עקשן עכשוויים אחרים ממשפחת C, N, B וחומרי גלם אחרים שאינם תחמוצת, סיליקון קרביד הוא אחד החומרים הנפוצים והחסכוניים ביותר, שניתן לכנותו חול פלדת זהב או חול עקשן. כיום, הייצור התעשייתי של סיליקון קרביד בסין מחולק לסיליקון קרביד שחור וסיליקון קרביד ירוק, שניהם גבישים משושים עם יחס של 3.20 ~ 3.25 ומיקרו-קשיות של 2840 ~ 3320 ק"ג/מ"ר.
מוצרי סיליקון קרביד מסווגים לסוגים רבים בהתאם לסביבות יישום שונות. הם משמשים בדרך כלל יותר באופן מכני. לדוגמה, סיליקון קרביד הוא חומר אידיאלי לאיטום מכני של סיליקון קרביד בזכות עמידותו הטובה בפני קורוזיה כימית, חוזק גבוה, קשיות גבוהה, עמידות טובה בפני שחיקה, מקדם חיכוך קטן ועמידות בטמפרטורה גבוהה.
טבעות איטום SIC ניתנות לחלוקה לטבעות סטטיות, טבעת נעה, טבעת שטוחה וכן הלאה. ניתן לייצר מגוון מוצרי קרביד מסיליקון SiC, כגון טבעת סיבובית מסיליקון קרביד, מושב נייח מסיליקון קרביד, בוש סיליקון קרביד וכן הלאה, בהתאם לדרישות המיוחדות של הלקוחות. ניתן להשתמש בו גם בשילוב עם חומר גרפיט, ומקדם החיכוך שלו קטן יותר מזה של קרמיקה מאלומינה וסגסוגות קשות, כך שניתן להשתמש בו עם ערך PV גבוה, במיוחד בתנאים של חומצה חזקה ובסיס חזק.
החיכוך המופחת של SIC הוא אחד היתרונות המרכזיים של שימוש בו באטמים מכניים. לכן, SIC יכול לעמוד בפני בלאי טוב יותר מחומרים אחרים, מה שמאריך את חיי האטם. בנוסף, החיכוך המופחת של SIC מפחית את הצורך בסיכה. חוסר סיכה מפחית את האפשרות לזיהום וקורוזיה, ומשפר את היעילות והאמינות.
ל-SIC יש גם עמידות גבוהה בפני שחיקה. משמעות הדבר היא שהוא יכול לעמוד בשימוש מתמשך מבלי להתבלות או להישבר. זה הופך אותו לחומר המושלם לשימושים הדורשים רמה גבוהה של אמינות ועמידות.
ניתן גם ללטש ולחש אותו מחדש כך שניתן לשפץ אטם מספר פעמים במהלך חייו. הוא משמש בדרך כלל יותר מבחינה מכנית, כמו באטמים מכניים בשל עמידותו הטובה בפני קורוזיה כימית, חוזק גבוה, קשיות גבוהה, עמידות טובה בפני שחיקה, מקדם חיכוך קטן ועמידות בטמפרטורה גבוהה.
כאשר משתמשים בו עבור אטמים מכניים, סיליקון קרביד מביא לשיפור הביצועים, הארכת חיי האטם, עלויות תחזוקה נמוכות יותר ועלויות תפעול נמוכות יותר עבור ציוד מסתובב כגון טורבינות, מדחסים ומשאבות צנטריפוגליות. סיליקון קרביד יכול להיות בעל תכונות שונות בהתאם לאופן ייצורו. סיליקון קרביד קשור בתגובה נוצר על ידי חיבור 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 קאוסטיקס (וכימיקלים אחרים בעלי pH גבוה) וחומצות חזקות, ולכן אין להשתמש בסיליקון קרביד ריאקטיבי ביישומים אלה.
ריאקציה-סינטרית שחדרהסיליקון קרביד. בחומר כזה, הנקבוביות של חומר ה-SIC המקורי מתמלאות בתהליך הסננה על ידי שריפת סיליקון מתכתי, וכך מופיע SiC משני והחומר רוכש תכונות מכניות יוצאות דופן, והופך לעמיד בפני שחיקה. בשל הצטמקותו המינימלית, ניתן להשתמש בו בייצור חלקים גדולים ומורכבים בעלי סבילות צמודות. עם זאת, תכולת הסיליקון מגבילה את טמפרטורת הפעולה המקסימלית ל-1,350 מעלות צלזיוס, העמידות הכימית מוגבלת גם היא לכ-pH 10. החומר אינו מומלץ לשימוש בסביבות אלקליות אגרסיביות.
מסונטרסיליקון קרביד מתקבל על ידי סינטור של גרגירי SIC דחוסים מראש בטמפרטורה של 2000 מעלות צלזיוס ליצירת קשרים חזקים בין גרגירי החומר.
ראשית, הסריג מתעבה, לאחר מכן הנקבוביות פוחתת, ולבסוף הקשרים בין הגרגירים מתמזגים. בתהליך עיבוד כזה מתרחשת הצטמקות משמעותית של המוצר - של כ-20%.
טבעת איטום SSIC עמיד בפני כל הכימיקלים. מכיוון שאין סיליקון מתכתי במבנהו, ניתן להשתמש בו בטמפרטורות של עד 1600 מעלות צלזיוס מבלי לפגוע בחוזקו.
| נכסים | R-SiC | S-SiC |
| נקבוביות (%) | ≤0.3 | ≤0.2 |
| צפיפות (גרם/סמ"ק) | 3.05 | 3.1~3.15 |
| קַשִׁיוּת | 110~125 (גובה) | 2800 (ק"ג/מ"מ²) |
| מודול אלסטיות (Gpa) | ≥400 | ≥410 |
| תכולת SiC (%) | ≥85% | ≥99% |
| תכולת סידן (%) | ≤15% | 0.10% |
| חוזק כיפוף (Mpa) | ≥350 | 450 |
| חוזק דחיסה (ק"ג/מ"מ²) | ≥2200 | 3900 |
| מקדם התפשטות חום (1/℃) | 4.5×10-6 | 4.3×10-6 |
| עמידות בחום (באטמוספירה) (℃) | 1300 | 1600 |
אטם מכני TC
לחומרי טונגסטן קרביד מאפיינים של קשיות גבוהה, חוזק, עמידות בפני שחיקה ועמידות בפני קורוזיה. הם ידועים בשם "שן תעשייתית". בשל ביצועיהם המעולים, הם נמצאים בשימוש נרחב בתעשייה הצבאית, תעופה וחלל, עיבוד מכני, מטלורגיה, קידוחי נפט, תקשורת אלקטרונית, אדריכלות ותחומים אחרים. לדוגמה, במשאבות, מדחסים ומערבלים, טבעות טונגסטן קרביד משמשות כאטמים מכניים. עמידות טובה לשחיקה וקשיחות גבוהה הופכות אותם מתאימים לייצור חלקים עמידים בפני שחיקה בטמפרטורה 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 טונגסטן קובלט (YG) קשה מורכבת מ-WC ושות'. היא מתאימה לעיבוד חומרים שבירים כגון ברזל יצוק, מתכות לא ברזליות וחומרים לא מתכתיים.
סטליט (YT) מורכב מ-WC, TiC ושות'. הודות לתוספת TiC לסגסוגת, עמידותה בפני שחיקה משתפרת, אך חוזק הכיפוף, ביצועי השחיקה והמוליכות התרמית פחתו. בשל שבירותה בטמפרטורה נמוכה, היא מתאימה רק לחיתוך במהירות גבוהה של חומרים כלליים ולא לעיבוד חומרים שבירים.
טונגסטן טיטניום טנטלום (ניוביום) קובלט (YW) מתווסף לסגסוגת כדי להגביר את הקשיות בטמפרטורה גבוהה, החוזק ועמידות בפני שחיקה באמצעות כמות מתאימה של טנטלום קרביד או ניוביום קרביד. במקביל, הקשיחות גם משתפרת עם ביצועי חיתוך מקיפים טובים יותר. הוא משמש בעיקר לחומרי חיתוך קשים וחיתוך לסירוגין.
סגסוגת בסיס טיטניום מפוחם (YN) היא סגסוגת קשה עם פאזה קשה של TiC, ניקל ומוליבדן. יתרונותיה הם קשיות גבוהה, יכולת עמידה בפני הדבקה, עמידות בפני שחיקה ויכולת עמידה בפני חמצון. בטמפרטורה של יותר מ-1000 מעלות, עדיין ניתן לעבד אותה. היא ניתנת ליישום בגימור רציף של פלדת סגסוגת ופלדת מרווה.
| דֶגֶם | תכולת ניקל (משקל%) | צפיפות (גרם/סמ"ר) | 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 (משקל%) | צפיפות (גרם/סמ"ר) | 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 |