SiC-Keramik-Gleitringdichtungen

Trockengasdichtungen sind eine neue Art berührungsloser Dichtungen, die durch grundlegende Verbesserungen mechanischer Dichtungen auf Basis von Gasdynamikdrucklagern entwickelt wurden. Trockengasdichtungen bieten hohe Grenzgeschwindigkeiten, hervorragende Dichtungsleistung, lange Lebensdauer, machen ein Dichtungsölsystem überflüssig, verbrauchen weniger Strom, sind einfach zu bedienen und haben niedrige Betriebs- und Wartungskosten, wodurch sie in der Erdölindustrie weit verbreitet sind. Aufgrund der hohen Oberflächengeschwindigkeit der Gleitflächen kann die kombinierte Wirkung von Zentrifugalkraft und Mediendruck zu erheblichen mechanischen und thermischen Verformungen der rotierenden und stationären Ringe unter Druck und während des Betriebs führen.  Da die Dicke des Gasfilms zwischen rotierendem und stationärem Ring nur wenige Mikrometer beträgt, können bereits geringfügige Verformungen die Dichtwirkung und Zuverlässigkeit erheblich beeinträchtigen. Deshalb stellen Trockengasdichtungen hohe Anforderungen an die Reibpaardichtungsmaterialien.

Um den normalen Betrieb des zu gewährleistenDichtungsringeIn mechanischen Dichtungsvorrichtungen bestehen die Dichtungsringe unter Berücksichtigung von Faktoren wie Reibungsreduzierung, Korrosionsbeständigkeit und Verhinderung von Festfressen häufig aus einem Ringpaar mit unterschiedlichen Härten, typischerweise einem harten Ring und einem weichen Ring. Der Hartring ist in der Regel der rotierende Ring, daher sollte das Material des Hartrings über ausreichende Festigkeit und Steifigkeit, gute Reibungseigenschaften, gute Wärmeleitfähigkeit und Hitzebeständigkeit sowie gute Korrosionsbeständigkeit verfügen.

Die hohe Härte und der niedrige Reibungskoeffizient vonSiliziumkarbidverleihen ihm eine hervorragende Verschleißfestigkeit und eignen sich daher besonders für verschiedene Gleitreibungs- und Verschleißbedingungen. Siliziumkarbid weist eine sehr hohe Hochtemperaturfestigkeit auf; seine Biegefestigkeit bei 1400°C ist die gleiche wie bei Raumtemperatur. Es kann zu Dichtungsringen unterschiedlicher Form, Größe und hoher Oberflächengüte verarbeitet werden und bietet gute Luftdichtheit und lange Lebensdauer. Daher kann Siliziumkarbid in Gleitringdichtungen unter Hochtemperaturbedingungen eingesetzt werden.

Siliziumkarbidverfügt über eine gute chemische Stabilität und widersteht verschiedenen stark korrosiven sauren und alkalischen Medien, wodurch es für Gleitringdichtungen in korrosiven Medien geeignet ist. Korrosionsverschleiß ist eine Hauptursache für den Ausfall von Reibpaarwerkstoffen. Heißgepresstes gesintertes Siliziumkarbid bildet in einer oxidierenden Atmosphäre einen schützenden Siliziumdioxidfilm auf seiner Oberfläche, der auch bei 900 °C eine gute chemische Stabilität und starke Korrosionsbeständigkeit beibehält.

SiC-Keramik ist ein Hochleistungs-Spezialkeramikwerkstoff mit hoher Festigkeit, hoher Härte, hoher Temperaturbeständigkeit, chemischer Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Thermoschockbeständigkeit. Wenn jedoch SiC-Keramikdichtungen einem Reibungskontakt ausgesetzt sind, kommt es aufgrund ihrer hohen Härte zu einer Haftung zwischen den beiden Arbeitsflächen beim An- und Abschalten der Trockengasdichtung. Dadurch erhöht sich der Reibungskoeffizient und die Endflächentemperatur, was zu örtlicher Erwärmung und Thermoschock führt.  Das Reibpaar frisst und verklebt, was den Verschleiß an der Endfläche verstärkt und die Lebensdauer der Dichtung erheblich verkürzt, was zu einem vorzeitigen Ausfall führt. Daher ist eine Modifikation der SiC-Keramik erforderlich. Untersuchungen zeigen, dass gleichmäßig verteilte Nanopartikel, Whisker und Fasern in der SiC-Keramikmatrix die Ausbreitung interner Risse in SiC-Keramik durch Rissüberbrückung, Rissablenkung, Rissfixierung und Auszugsverstärkung hemmen und dadurch ihre mechanischen Eigenschaften verbessern können.

Die wichtigsten Sinterverfahren für SiC-Keramiken sind derzeit das Reaktionssintern und das drucklose Sintern. Reaktionsgesinterte SiC-Keramik weist eine schlechte Gesamtleistung auf und kann die Anforderungen von Trockengasdichtungen nicht erfüllen, während drucklos gesintertes Siliziumkarbid eine ausgezeichnete Härte, scheinbare Porosität, Biegefestigkeit und Druckfestigkeit aufweist, was es zu einem idealen Material für Trockengasdichtungs-Reibungspaare macht. Das drucklose Sintern wird weiter in Festphasensintern und Flüssigphasensintern unterteilt. Beim Flüssigphasensintern werden mehrkomponentige niedrigeutektische Oxide als Sinterhilfsmittel eingesetzt, die bei hohen Temperaturen eine eutektische Flüssigphase bilden. Dadurch ändert sich der Stoffübertragungsmechanismus des Keramikpulvers von Diffusion zu viskosem Fluss, was im Vergleich zum Sintern in fester Phase die für die Keramikverdichtung erforderliche Energie erheblich reduzieren kann und damit im Einklang mit nationalen Initiativen zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung steht.

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