Pares cerâmicos homólogos alumina/alumina para anéis de empanque

Abstract

O propósito do presente trabalho é a produção, caracterização mecânica, microestrutural e avaliação do comportamento tribológico de pares homólogos de anéis vedantes (empanques) de alumina (Al2O3). Os anéis de empanque têm por função garantir a vedação em veios rotativos de equipamentos nos quais circulam fluidos. Dadas as solicitações tribológicas extremas a que os materiais constituintes dos anéis são sujeitos, por vezes em ambientes altamente corrosivos, a alumina apresenta-se como uma excelente alternativa aos materiais tradicionalmente usados na produção destes vedantes (metal duro, carbono grafitizado, ligas ferrosas, etc.) devido à combinação das suas propriedades mecânicas e inércia química. Foram sinterizados três lotes de alumina a diferentes velocidades de aquecimento do forno, mantendo constantes as restantes condições de processamento. O aumento do valor deste parâmetro traduziu-se num incremento da taxa de densificação, resultando a densidade relativa de r=97,2% para a velocidade de aquecimento mais elevada (Vaq=20ºC/min). Este lote apresenta valores de dureza e tenacidade à fractura de HV=15,4GPa e KIc=3,7MPa.m1/2 respectivamente, resistência à flexão σF=279MPa e módulo de elasticidade E=322GPa. Os ensaios tribológicos anel/anel realizaram-se com diferentes velocidades de rotação (w), no intervalo 500 a 2000rpm, pressão de fluido (PL, água destilada) entre 0,5 e 2bar, sob carga normal (Nt) variando até ao valor necessário para a vedação plena. Os vedantes de alumina apresentaram valores de coeficiente de atrito extremamente reduzidos (<0,05), impossibilitando mesmo em alguns casos a sua determinação por se localizarem abaixo do limite de sensibilidade da máquina. Para w=2000rpm e PL=2bar conseguiu-se a estanquicidade total em dois dos três lotes ensaiados, com cargas totais de Nt=0,438kN (lote menos denso) e Nt=0,420kN (lote com maior densidade), obtendo-se para o produto PV, onde P representa a pressão efectiva e V a velocidade linear, PV=1,523MPa.m/s e PV=1,324MPa.m/s respectivamente. No primeiro caso determinou-se ainda o limite máximo de funcionamento em vedação plena, registando-se para Nt=0,900kN o valor de PV=4,200MPa.m/s. A análise posterior dos anéis revelou superfícies polidas por acção do movimento relativo entre os anéis, com rugosidade inferior à medida previamente à realização dos testes, sem delaminação ou fractura, não evidenciando qualquer tipo de destruição. Foi ainda testado o comportamento tribológico com azeite, meio potencialmente mais agressivo, corroborando a capacidade de funcionamento deste sistema vedante.

The purpose of the present work is the production, microstructural and mechanical characterization, and evaluation of the tribological behaviour of self-mated pairs of alumina mechanical seals. These components are used to ensure sealing in rotating shafts in equipments where a fluid is flowing. Due to the drastic tribological solicitations that seal rings are usually exposed to, sometimes in highly corrosive environments, alumina is a potential alternative to the commonly used materials (hardmetal, graphitized carbon, nonferrous alloys, etc.) due to the good combination of mechanical properties and chemical inertness. Three grades of alumina were sintered using different heating rates, keeping constant the remaining processing conditions. The increase of this parameter lead to a higher densification rate, the highest density (r=97,2%) being achieved when using the highest heating rate (Vaq=20ºC/min). The main mechanical properties were the following: HV=15,4GPa, KIc=3,7MPa.m1/2, σF=279MPa and E=322GPa. Ring-on-ring tribological tests were conducted using different rotational speeds (w) from 500 to 2000rpm, fluid pressure (PL, distilled water) between 0,5 and 2bar, under a normal load (Nt) varying until the complete sealing. The tests showed that the alumina mechanical seals could guarantee full sealing conditions, with extremely low values of friction coefficient (<0.05), sometimes turning impossible the recording of the results, as they were below the equipment sensitivity. Using w=2000rpm and PL=2bar, full sealing was achieved in two of the three grades of the tested seals, under applied loads of Nt=0.438kN (grade with the lowest density) and Nt=0.420kN (grade with the highest density). PV (being P the effective pressure and V the linear speed) lower limiting conditions were PV=1.523MPa.m/s and PV=1.324MPa.m/s, respectively. For the first of the previous mentioned grades, the upper limit was also determined, being PV=4.200MPa.m/s with Nt=0.900kN. The surface analysis of the tested seals showed a well polished surface, due to the relative motion between the rings, with a lower roughness when compared to the nominal finishing. No delamination, fracture or any kind of destruction were observed. The tribological behaviour of the alumina rings was also characterized using olive oil, potentially more aggressive fluid, corroborating the adequateness of the present system. These results, combined to some of the intrinsic properties of alumina (corrosion resistance, chemical inertness, low density when compared with that of the most traditionally materials used in seals production) create the expectation that alumina could be a feasible alternative to the most widely used materials used in this kind of application.