يُعد اختيار مادة الختم أمرًا بالغ الأهمية، إذ يُحدد جودة التطبيق وعمره الافتراضي وأدائه، ويُقلل من المشاكل في المستقبل. نستعرض هنا تأثير البيئة على اختيار مادة الختم، بالإضافة إلى بعض المواد الأكثر شيوعًا والتطبيقات الأنسب لها.
العوامل البيئية
تُعدّ البيئة التي سيتعرض لها الختم أمرًا بالغ الأهمية عند اختيار التصميم والمادة. هناك عدد من الخصائص الرئيسية التي تحتاجها مواد الختم في جميع البيئات، بما في ذلك إنشاء سطح ختم مستقر، قادر على توصيل الحرارة، ومقاوم للمواد الكيميائية، ومقاوم جيد للتآكل.
في بعض البيئات، يجب أن تكون هذه الخصائص أقوى من غيرها. ومن خصائص المواد الأخرى التي يجب مراعاتها عند دراسة البيئة: الصلابة، والصلابة، والتمدد الحراري، والتآكل، ومقاومة المواد الكيميائية. سيساعدك وضع هذه الخصائص في الاعتبار في اختيار المادة المثالية لختمك.
يمكن للبيئة أيضًا أن تُحدد ما إذا كان من الممكن إعطاء الأولوية لتكلفة أو جودة الختم. في البيئات الكاشطة والقاسية، قد تكون الختمات أكثر تكلفةً نظرًا لضرورة أن تكون المواد قوية بما يكفي لتحمل هذه الظروف.
في مثل هذه البيئات، فإن إنفاق المال على سدادة عالية الجودة سيؤتي ثماره بمرور الوقت، حيث سيساعد في منع عمليات الإغلاق والإصلاح والتجديد أو استبدال السدادة المكلفة التي قد ينتج عنها سدادة أقل جودة. ومع ذلك، في تطبيقات الضخ بسائل نظيف للغاية ذو خصائص تشحيم، يمكن شراء سدادة أرخص لصالح محامل ذات جودة أعلى.
مواد الختم الشائعة
الكربون
الكربون المستخدم في واجهات الأختام هو مزيج من الكربون غير المتبلور والجرافيت، حيث تُحدد نسب كلٍّ منهما الخصائص الفيزيائية للدرجة النهائية للكربون. وهو مادة خاملة ومستقرة، ذاتية التشحيم.
يُستخدم على نطاق واسع كأحد أسطح النهاية في الأختام الميكانيكية، كما أنه مادة شائعة في الأختام المحيطية المجزأة وحلقات المكبس عند التزييت الجاف أو بكميات قليلة. يمكن أيضًا تشريب هذا الخليط من الكربون والجرافيت بمواد أخرى لمنحه خصائص مختلفة، مثل تقليل المسامية، وتحسين مقاومة التآكل، أو زيادة المتانة.
يُعدّ ختم الكربون المُشبّع بالراتنج الحراري الأكثر شيوعًا في الأختام الميكانيكية، حيث تعمل معظم أختام الكربون المُشبّعة بالراتنج في نطاق واسع من المواد الكيميائية، من القواعد القوية إلى الأحماض القوية. كما يتميز بخصائص احتكاك جيدة ومعامل مرونة كافٍ للمساعدة في التحكم في تشوهات الضغط. هذه المادة مناسبة للاستخدام العام حتى درجة حرارة 260 درجة مئوية (500 درجة فهرنهايت) في الماء، وسوائل التبريد، والوقود، والزيوت، والمحاليل الكيميائية الخفيفة، وتطبيقات الأغذية والأدوية.
أثبتت أختام الكربون المشبعة بالأنتيمون نجاحها بفضل قوة ومرونة الأنتيمون، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الضغط العالي عند الحاجة إلى مادة أقوى وأكثر صلابة. كما تتميز هذه الأختام بمقاومة أكبر للتقرحات في التطبيقات التي تستخدم سوائل عالية اللزوجة أو هيدروكربونات خفيفة، مما يجعلها النوع القياسي للعديد من تطبيقات المصافي.
يمكن أيضًا تشريب الكربون بمكونات أغشية مثل الفلورايدات للتشغيل الجاف والتبريد العميق وتطبيقات الفراغ، أو مثبطات الأكسدة مثل الفوسفات لتطبيقات درجات الحرارة العالية والسرعة العالية والتوربينات حتى 800 قدم/ ثانية وحوالي 537 درجة مئوية (1000 درجة فهرنهايت).
سيراميك
السيراميك مواد غير عضوية وغير معدنية مصنوعة من مركبات طبيعية أو صناعية، وأكثرها شيوعًا أكسيد الألومينا. يتميز السيراميك بدرجة انصهار عالية وصلابة عالية ومقاومة عالية للتآكل والأكسدة، لذا يُستخدم على نطاق واسع في صناعات مثل الآلات والمواد الكيميائية والبترول والأدوية والسيارات.
تتميز الألومينا أيضًا بخواص عازلة ممتازة، وتُستخدم عادةً في العوازل الكهربائية، والمكونات المقاومة للتآكل، ووسائط الطحن، والمكونات عالية الحرارة. في درجات النقاء العالية، تتمتع الألومينا بمقاومة كيميائية ممتازة لمعظم سوائل المعالجة، باستثناء بعض الأحماض القوية، مما يجعلها تُستخدم في العديد من تطبيقات السدادات الميكانيكية. ومع ذلك، يمكن للألومينا أن تتكسر بسهولة تحت تأثير الصدمات الحرارية، مما حدّ من استخدامها في بعض التطبيقات التي قد تُمثل هذه المشكلة.
يُصنع كربيد السيليكون بدمج السيليكا مع الكوك. وهو مشابه كيميائيًا للسيراميك، ولكنه يتميز بخصائص تزييت أفضل وصلابة أعلى، مما يجعله حلاً ممتازًا ومتينًا في البيئات القاسية.
يمكن أيضًا إعادة صقله وتلميعه، مما يسمح بتجديد الختم عدة مرات خلال عمره الافتراضي. يُستخدم عادةً في الأغراض الميكانيكية، كما هو الحال في الأختام الميكانيكية، نظرًا لمقاومته الجيدة للتآكل الكيميائي، وقوته العالية، وصلابته العالية، ومقاومته الجيدة للتآكل، ومعامل احتكاكه المنخفض، ومقاومته العالية لدرجات الحرارة.
عند استخدامه في أسطح الختم الميكانيكية، يُحسّن كربيد السيليكون الأداء، ويزيد من عمر الختم، ويُخفّض تكاليف الصيانة، ويُخفّض تكاليف تشغيل المعدات الدوارة مثل التوربينات والضواغط ومضخات الطرد المركزي. يختلف كربيد السيليكون في خصائصه باختلاف طريقة تصنيعه. يُشكّل كربيد السيليكون المترابط تفاعليًا عن طريق ربط جزيئات كربيد السيليكون ببعضها البعض في عملية تفاعل.
لا تؤثر هذه العملية بشكل كبير على معظم الخصائص الفيزيائية والحرارية للمادة، إلا أنها تحد من مقاومتها الكيميائية. المواد الكيميائية الأكثر شيوعًا التي تُشكل مشكلة هي المواد الكاوية (وغيرها من المواد الكيميائية ذات الرقم الهيدروجيني العالي) والأحماض القوية، ولذلك لا ينبغي استخدام كربيد السيليكون المتفاعل في هذه التطبيقات.
يُصنع كربيد السيليكون ذاتي التلبيد عن طريق تلبيد جسيمات كربيد السيليكون مباشرةً باستخدام مساعدات تلبيد غير أكسيدية في بيئة خاملة عند درجات حرارة تزيد عن 2000 درجة مئوية. ونظرًا لعدم وجود مادة ثانوية (مثل السيليكون)، فإن المادة الملبدة مباشرةً مقاومة كيميائيًا لمعظم ظروف السوائل والعمليات التي قد توجد في مضخة الطرد المركزي.
كربيد التنغستن مادة متعددة الاستخدامات، مثل كربيد السيليكون، ولكنه أكثر ملاءمةً لتطبيقات الضغط العالي لمرونته العالية التي تسمح له بالانثناء بشكل طفيف ومنع تشوه السطح. ومثل كربيد السيليكون، يمكن إعادة صقله وتلميعه.
غالبًا ما تُصنع كربيدات التنغستن على شكل كربيدات مُلْصَقة، فلا تُحاول ربط كربيد التنغستن ببعضه. يُضاف معدن ثانوي لربط جزيئات كربيد التنغستن معًا، مما ينتج عنه مادة تجمع خصائص كربيد التنغستن والمادة الرابطة المعدنية.
استُخدم هذا بشكل جيد لتوفير صلابة وقوة تحمل أكبر من كربيد التنغستن وحده. من نقاط ضعف كربيد التنغستن المُلصق كثافته العالية. في الماضي، كان يُستخدم كربيد التنغستن المُرتبط بالكوبالت، إلا أنه استُبدل تدريجيًا بكربيد التنغستن المُرتبط بالنيكل نظرًا لافتقاره إلى التوافق الكيميائي المطلوب للصناعة.
يستخدم كربيد التنغستن المرتبط بالنيكل على نطاق واسع في واجهات الختم حيث تكون هناك حاجة إلى خصائص قوة عالية وصلابة عالية، كما يتمتع بتوافق كيميائي جيد يقتصر عمومًا على النيكل الحر.
GFPTFE
يتميز GFPTFE بمقاومة كيميائية جيدة، كما يُقلل الزجاج المُضاف احتكاك أسطح الختم. وهو مثالي للتطبيقات النظيفة نسبيًا، وهو أرخص من المواد الأخرى. تتوفر أنواع فرعية منه تُحسّن من توافقه مع المتطلبات والبيئة، مما يُحسّن من أدائه العام.
بونا
بونا (المعروف أيضًا باسم مطاط النتريل) هو إلاستومر اقتصادي يُستخدم في الحلقات الدائرية (O-rings) ومواد الختم والمنتجات المصبوبة. يتميز بأدائه الميكانيكي الممتاز في التطبيقات القائمة على النفط والبتروكيماويات والكيميائية. كما يُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات النفط الخام والماء والكحوليات المختلفة وشحوم السيليكون والسوائل الهيدروليكية نظرًا لمرونته.
لأن بونا عبارة عن بوليمر مطاطي صناعي، فإنه يتميز بأداء ممتاز في التطبيقات التي تتطلب التصاقًا معدنيًا ومادة مقاومة للتآكل، كما أن هذه الخلفية الكيميائية تجعله مثاليًا لتطبيقات مانعات التسرب. علاوة على ذلك، يتميز بتحمل درجات الحرارة المنخفضة نظرًا لتصميمه بمقاومة ضعيفة للأحماض والقلويات.
يقتصر استخدام البونا على التطبيقات ذات العوامل المتطرفة مثل درجات الحرارة المرتفعة والطقس وأشعة الشمس وتطبيقات مقاومة البخار، كما أنه غير مناسب مع عوامل التعقيم التي يتم تنظيفها في المكان (CIP) والتي تحتوي على الأحماض والبيروكسيدات.
EPDM
EPDM مطاط صناعي يُستخدم عادةً في تطبيقات السيارات والبناء والميكانيكا، ويُستخدم في صناعة الأختام والحلقات الدائرية والأنابيب والغسالات. وهو أغلى من مطاط Buna، ولكنه يتحمل مجموعة متنوعة من الخصائص الحرارية والطقس والميكانيكية بفضل قوة شده العالية طويلة الأمد. وهو متعدد الاستخدامات ومثالي للتطبيقات التي تتضمن الماء والكلور والمبيضات وغيرها من المواد القلوية.
بفضل خصائصه المرنة واللاصقة، يعود EPDM إلى شكله الأصلي بغض النظر عن درجة الحرارة بعد تمدده. لا يُنصح باستخدام EPDM في تطبيقات زيوت البترول، أو السوائل، أو الهيدروكربونات المكلورة، أو مذيبات الهيدروكربونات.
فيتون
فيتون منتج مطاطي هيدروكربوني مفلور عالي الأداء، طويل الأمد، يُستخدم عادةً في الحلقات الدائرية (O-Rings) والسدادات. وهو أغلى ثمنًا من مواد المطاط الأخرى، ولكنه الخيار الأمثل لتلبية احتياجات السدادات الأكثر صعوبةً وتطلبًا.
إنها مقاومة للأوزون والأكسدة وظروف الطقس القاسية، بما في ذلك المواد مثل الهيدروكربونات الأليفاتية والعطرية والسوائل الهالوجينية والمواد الحمضية القوية، وهي واحدة من أكثر الإيلاستومرات الفلورية قوة.
يُعد اختيار مادة العزل المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لنجاح أي تطبيق. ورغم تشابه العديد من مواد العزل، إلا أن كل مادة منها تُلبي أغراضًا متنوعة لتلبية احتياجات محددة.
وقت النشر: ١٢ يوليو ٢٠٢٣