Comportamento tribológico de anéis vedantes compósitos de nitreto/carboneto de silício

Abstract

Os anéis de empanque asseguram a vedação de veios em sistemas de circulação de fluidos de natureza diversa sendo sujeitos a solicitações drásticas de natureza tribológica, com componentes mecânica e química por vezes extremamente agressivas. Os materiais cerâmicos são por isso uma classe em desenvolvimento para este tipo de aplicação. Neste trabalho fabricaram-se e caracterizaram-se sob o ponto de vista tribológico, anéis de nitreto de silício (Si3N4) e de compósitos nitreto de silício/carboneto de silício (Si3N4/SiC). O Si3N4, de entre os cerâmicos técnicos, é um dos materiais com melhores propriedades mecânicas, apresentando os corpos densos desenvolvidos neste trabalho valores de dureza na gama 14-16 GPa, de tenacidade à fractura entre 6 e 8 MPa· m1/2, de resistência à flexão aproximadamente de 800 MPa e módulo de Young de 280 GPa. A adição de SiC na forma de partículas à matriz de Si3N4 até 30% em peso, incrementou moderadamente este conjunto de propriedades. Os ensaios tribológicos foram efectuados num tribómetro anel/anel que simula, pela forma dos provetes, fluido de trabalho e parâmetros de operação, as condições de serviço dos sistemas de anéis vedantes. Ensaiaram-se pares homólogos de anéis cerâmicos e sistemas convencionais de metal duro e ferro fundido cinzento, sendo estes dois últimos usados para comparação. Testaram-se ainda pares cruzados cerâmico/metal duro e cerâmico/ferro fundido cinzento. Os parâmetros de ensaio situaram-se nas gamas de velocidade de rotação 1000-2000 rpm (velocidade linear, V, 2-4 m/s), carga normal total aplicada entre 0,3 e 1,3 kN (pressão efectiva, P, de 0,2 a 1,2 MPa), sob uma pressão de 2 bar de uma mistura de 20% de peróxido de hidrogénio em água desionizada. O sistema com melhor desempenho é o par vedante matriz-Si3N4/ferro fundido cinzento, que apresentou coeficientes de desgaste finais de Kd=4,2´10-8 mm3N-1m-1 para o anel cerâmico e Kd=1,3´10-7 mm3N-1m-1 para o anel metálico, em testes conduzidos por cerca de 100 horas e 1300 km, com vedação plena. A superfície cerâmica é protegida por um filme passivante amorfo de sílica. Este sistema apresenta ainda uma excelente combinação Kd×PV, produto que é proposto no presente trabalho como uma medida do volume de desgaste durante um determinado tempo de serviço. O Si3N4 tem um peso específico cinco vezes menor que o do metal duro, potenciando o recurso à sua aplicação em anéis de grande dimensão por questões energéticas. Os compósitos Si3N4/SiC não revelaram diferenças significativas face ao cerâmico monolítico de Si3N4. Ambos os materiais apresentaram elevado desgaste na situação de pares homólogos, ao contrário do bom comportamento revelado pelo metal duro e pelo ferro fundido cinzento.

Mechanical rings are used to assure the sealing of shafts in systems of circulation of fluids. Hence, they are subjected to drastic tribological solicitations, namely in very aggressive chemical environments. Ceramics are thus a class of materials in development for this kind of application. In this work, silicon nitride (Si3N4) and silicon nitride/silicon carbide (Si3N4/SiC) rings were manufactured and characterized under the mechanical and tribological point of view. The Si3N4, among other technical ceramics, is one of the materials with better mechanical properties, the developed materials in this work presenting values of hardness in the range 14-16 GPa, fracture toughness between 6 and 8 MPa· m1/2, flexural resistance of 800 MPa and Young’s modulus of 280 GPa. The addition of SiC particles to the Si3N4 matrix up to 30% in weight, slightly increased these properties. The tribological experiments were conducted in a ring-on-ring tribometer that simulates the service conditions of such systems of seal rings, considering the samples geometry, the work fluid and the operation parameters. Homologous pairs of ceramic rings and conventional systems like hard metal and grey cast iron were studied for comparison. Also, dissimilar systems ceramic/hard metal and ceramic/grey cast iron were characterised. The test parameters were kept in the ranges of 1000-2000 of rotational speed (linear speed, V, 2-4 m/s), 0.3- 1.3 kN of total applied normal load (effective pressure, P, between 0.2 and 1.2 MPa), under a pressure of 2 bar of a mixture of 20% of hydrogen peroxide in deionised water. The system with better performance is the dissimilar pair ceramic matrix/grey cast iron, that presented wear coefficient values of Kd=4.2´10-8 mm3N-1m-1 for the ceramic ring and Kd=1.3´10-7 mm3N-1m-1 for the metallic ring, in tests driven for about 100 hours and 1300 km, with full sealing. The ceramic surface is protected by an amorphous passivating film of silica. This system still presents an excellent combination Kd´PV, this product being proposed in the present work to be a measure of the wear volume for a certain time of service. The Si3N4 ceramic has a specific weight five times lesser than the one of the hard metal, this characteristic being a supplementary benefit for its application as large diameter rings giving energy cost gains. The composites Si3N4/SiC didn't reveal significant differences towards the monolithic Si3N4 ceramics with respect to the tribological behaviour. Both materials showed severe wear when used as homologous pairs, unlike the good behavior revealed by the hard metal and the grey cast iron iron systems.