Sellos mecánicos cerámicos de SiC

Los sellos de gas seco son un nuevo tipo de sello sin contacto desarrollado a través de mejoras fundamentales a los sellos mecánicos, basados ​​en cojinetes de presión dinámica de gas. Los sellos de gas seco ofrecen altas velocidades límite, excelente rendimiento de sellado, larga vida útil, eliminan la necesidad de un sistema de aceite de sellado, consumen menos energía, son fáciles de operar y tienen bajos costos de operación y mantenimiento, lo que los hace ampliamente utilizados en la industria petrolera. Debido a la alta velocidad superficial de las caras del sello, los efectos combinados de la fuerza centrífuga y la presión del medio pueden causar una deformación mecánica y térmica significativa de los anillos giratorios y estacionarios bajo presión y durante el funcionamiento.  Dado que el espesor de la película de gas entre los anillos giratorio y estacionario es de sólo unos pocos micrómetros, incluso una deformación menor puede afectar seriamente el efecto de sellado y la confiabilidad. Por lo tanto, los sellos de gas secos imponen altas exigencias a los materiales de sellado del par de fricción.

Para garantizar el funcionamiento normal delanillos de selladoEn los dispositivos de sellado mecánico, y considerando factores como la reducción de la fricción, la resistencia a la corrosión y la prevención del agarrotamiento, los anillos de sellado suelen estar hechos de un par de anillos con diferentes durezas, normalmente un anillo duro y un anillo blando. El anillo duro suele ser el anillo giratorio, por lo que el material del anillo duro debe poseer suficiente resistencia y rigidez, buenas propiedades de fricción, buena conductividad térmica y resistencia al calor, y buena resistencia a la corrosión.

La alta dureza y el bajo coeficiente de fricción decarburo de siliciole confieren una excelente resistencia al desgaste, lo que lo hace especialmente adecuado para diversas condiciones de desgaste y fricción por deslizamiento. El carburo de silicio tiene una resistencia muy alta a altas temperaturas; su resistencia a la flexión a 1400°C es la misma que a temperatura ambiente. Se puede procesar en anillos de sellado de diversas formas, tamaños y acabado superficial de alto nivel, lo que ofrece buena estanqueidad y una larga vida útil. Por lo tanto, el carburo de silicio se puede utilizar en sellos mecánicos en condiciones de alta temperatura.

Carburo de siliciotiene buena estabilidad química y puede soportar diversos medios ácidos y alcalinos altamente corrosivos, lo que lo hace adecuado para sellos mecánicos en medios corrosivos. El desgaste corrosivo es una forma importante de falla de los materiales de pares de fricción. El carburo de silicio sinterizado prensado en caliente forma una película protectora de dióxido de silicio en su superficie en una atmósfera oxidante, manteniendo una buena estabilidad química y una fuerte resistencia a la corrosión incluso a 900°C.

La cerámica SiC es un material cerámico especial de alto rendimiento con alta resistencia, alta dureza, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión química, resistencia al desgaste y resistencia al choque térmico. Sin embargo, cuando los sellos cerámicos de SiC sufren contacto por fricción, sus características de alta dureza provocan la adhesión entre las dos superficies de trabajo durante el arranque y apagado del sello de gas seco. Esto aumenta el coeficiente de fricción y eleva la temperatura del extremo, lo que provoca calentamiento localizado y choque térmico.  El par de fricción se atasca y se adhiere, exacerbando el desgaste del extremo y acortando significativamente la vida útil del sello, lo que resulta en fallas prematuras. Por tanto, es necesaria la modificación de las cerámicas de SiC. Las investigaciones muestran que las nanopartículas, bigotes y fibras distribuidas uniformemente en la matriz cerámica de SiC pueden inhibir la propagación de grietas internas en las cerámicas de SiC mediante puentes de grietas, deflexión de grietas, fijación de grietas y endurecimiento por extracción, mejorando así sus propiedades mecánicas.

Actualmente, los principales métodos de sinterización de cerámicas de SiC son la sinterización por reacción y la sinterización sin presión. Las cerámicas de SiC sinterizadas por reacción tienen un rendimiento general deficiente y no pueden cumplir con los requisitos de los sellos de gas seco, mientras que el carburo de silicio sinterizado sin presión exhibe una dureza, porosidad aparente, resistencia a la flexión y resistencia a la compresión excelentes, lo que lo convierte en un material ideal para pares de fricción de sellos de gas seco. La sinterización sin presión se divide a su vez en sinterización en fase sólida y sinterización en fase líquida. La sinterización en fase líquida utiliza óxidos multicomponentes de bajo contenido eutéctico que forman una fase líquida eutéctica a altas temperaturas como ayudas para la sinterización. Esto cambia el mecanismo de transferencia de masa del polvo cerámico de difusión a flujo viscoso, lo que, en comparación con la sinterización en fase sólida, puede reducir significativamente la energía necesaria para la densificación cerámica, alineándose con las iniciativas nacionales para la conservación de energía y la reducción de emisiones.

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