Le guarnizioni in tungsteno-molibdeno sono componenti di tenuta realizzati con i metalli refrattari tungsteno e molibdeno, spesso in combinazione, e utilizzati laddove i materiali di tenuta convenzionali potrebbero cedere alla temperatura, alla corrosione o all'usura. Sono prodotti mediante pressatura e sinterizzazione mediante metallurgia delle polveri, mediante stampaggio a iniezione di metalli per geometrie piccole e complesse o mediante produzione additiva dove sono richiesti canali di raffreddamento interni o contorni personalizzati. Poiché entrambi i metalli sono duri, densi e chimicamente stabili, la guarnizione finita può mantenere la sua forma e la geometria della faccia di tenuta in condizioni che distruggerebbero un componente in polimero, grafite o bronzo.
Perché i metalli refrattari vengono utilizzati per gli elementi di tenuta
Il tungsteno fonde a circa 3422 gradi e il molibdeno a circa 2623 gradi, il punto di fusione più alto di qualsiasi metallo disponibile in commercio. Le loro densità sono circa 19,3 g/cm³ per il tungsteno e 10,2 g/cm³ per il molibdeno, il che conferisce alla guarnizione una massa elevata per un dato volume e un'utile resistenza alle vibrazioni e allo spostamento dovuto alle pulsazioni di pressione. Entrambi i metalli hanno una bassa dilatazione termica e una buona conduttività termica, quindi il gioco di tenuta non cambia drasticamente in un ampio intervallo di temperature. Questa combinazione di resistenza a caldo stabile, coefficiente di espansione modesto e superficie dura e resistente all'usura è ciò che li rende adatti per compiti di tenuta in servizio gravoso.
Percorsi di produzione
Metallurgia delle polveri:la polvere metallica viene pressata in uno stampo e sinterizzata in atmosfera controllata o sotto vuoto; la densità viene quindi aumentata mediante pressatura isostatica a caldo o mediante re-sinterizzazione dove è richiesta la massima densità.
Stampaggio ad iniezione di metalli:la polvere fine viene miscelata con un legante, modellata sulla forma della guarnizione, slegata e sinterizzata, che si adatta agli anelli di tenuta piccoli e intricati prodotti in volume.
Produzione additiva:la geometria della guarnizione è costruita strato per strato, consentendo cavità interne, contorni di tenuta non-circolari e gruppi di un-pezzo che non possono essere pressati in modo economico.
Finitura:facce di tenuta rettificate, lappate o lavorate, spesso seguite da un trattamento superficiale selezionato per il materiale della controfaccia accoppiata.
Il percorso scelto influisce sulla porosità, sulla dimensione dei grani e sulla tolleranza dimensionale, e quindi sulle prestazioni di tenuta della guarnizione finita. Una tenuta che funziona a secco su una controfaccia dura necessita di una finitura superficiale diversa da quella che funziona su un materiale più morbido in un ambiente lubrificato.
Stabilità alle alte temperature
Il primo motivo per scegliere una guarnizione in tungsteno-molibdeno è la resistenza alla temperatura. Entrambi i metalli mantengono resistenza e durezza alle temperature alle quali gli acciai si ammorbidiscono e la maggior parte dei materiali di tenuta non-metallici si decompongono. Ciò li rende adatti per tenute in applicazioni di tenuta ad alta temperatura come forni per trattamento termico e sotto vuoto, valvole per alta temperatura, apparecchiature per la fusione del vetro e sezioni di scarico o turbine in cui il calore radiante e il ciclo termico sono continui. Il limite in pratica non è il punto di fusione del metallo ma l'ambiente: l'ossidazione diventa il fattore di controllo nell'aria ad alta temperatura, quindi le guarnizioni utilizzate in condizioni ossidanti sono normalmente protette dal design del giunto, da un'atmosfera protettiva o da un rivestimento adeguato, mentre ambienti riducenti o sotto vuoto consentono temperature di esercizio molto più elevate.
Resistenza alla corrosione
Il tungsteno e il molibdeno resistono all'attacco di molti acidi, alcali, sali e altri mezzi chimici, e il molibdeno in particolare ha una buona resistenza a diversi acidi minerali. Questa stabilità chimica conferisce alle guarnizioni in tungsteno-molibdeno una forte resistenza alla corrosione nelle pompe, nei reattori e nelle valvole dei processi chimici in cui una guarnizione metallica è esposta al fluido di processo. La caratteristica importante è che la resistenza dipende dall'ambiente: il molibdeno viene attaccato da agenti ossidanti e da alcali forti in alcune condizioni, e il tungsteno si comporta nuovamente in modo diverso. La selezione del materiale deve quindi essere effettuata in base alla chimica effettiva del fluido, alla temperatura e al contenuto di ossigeno piuttosto che in base a una dichiarazione generale secondo cui i metalli sono resistenti alla corrosione.
Resistenza all'usura e servizio meccanico
Il terzo vantaggio è la resistenza all'usura. Una guarnizione in tungsteno-molibdeno può tollerare grave usura e attrito e mantenere prestazioni stabili ad alta pressione, alta velocità e carichi pesanti, motivo per cui queste guarnizioni compaiono nei motori automobilistici, nelle pompe, nei compressori e in apparecchiature rotanti simili. Il tungsteno contribuisce alla durezza e alla resistenza all'usura abrasiva; il molibdeno contribuisce alla tenacità, alla conduttività termica e ad una densità inferiore, quindi i componenti compositi o graduati in molibdeno di tungsteno vengono utilizzati dove sono necessari sia una faccia di tenuta dura che un corpo resistente ai danni. Laddove il lavoro è dominato dall'usura abrasiva, una tenuta in carburo cementato può essere la scelta migliore e le due famiglie vengono spesso confrontate direttamente durante la selezione.
Confronto tra i due metalli
| Proprietà | Tungsteno | Molibdeno |
|---|---|---|
| Punto di fusione | Circa 3422 gradi | Circa 2623 gradi |
| Densità | Circa 19,3 g/cm³ | Circa 10,2 g/cm³ |
| Durezza, sinterizzato | Più alto | Più basso, più duttile |
| Resistenza all'usura | Eccellente contro l'usura abrasiva | Buono, con una migliore tenacità |
| Standard di prodotto tipici | ASTM B760 per piastre, fogli e fogli di tungsteno | ASTM B386 per piastre, fogli, strisce e fogli di molibdeno |
| Uso tipico della sigillatura | Facce di tenuta dure e ad alto carico | Guarnizioni che necessitano di tenacità e trasferimento di calore |
I valori delle proprietà dipendono dalla purezza, dalla densità e dal percorso di produzione, pertanto i valori accettati per un sigillo specifico dovrebbero provenire dal certificato del materiale piuttosto che da una tabella generale.
Aree di applicazione
Oltre alle apparecchiature rotanti e ai motori automobilistici, le guarnizioni in tungsteno-molibdeno si trovano nei forni a vuoto e nelle apparecchiature di processo ad alta temperatura, nelle pompe chimiche che gestiscono fluidi aggressivi, nella produzione di vetro e ceramica, negli assemblaggi aerospaziali e della difesa e, sempre più spesso, nelle apparecchiature per la lavorazione dei semiconduttori dove è richiesto un materiale di tenuta denso e resistente al degassamento-. In ogni caso il filo conduttore è lo stesso: temperatura, attacco chimico o usura che esclude materiali più morbidi e meno stabili.
Domande frequenti
D: Cos'è esattamente una guarnizione in tungsteno-molibdeno?
Si tratta di un elemento di tenuta realizzato in tungsteno e molibdeno refrattari, solitamente mediante metallurgia delle polveri, stampaggio a iniezione o produzione additiva, e utilizzato laddove l'alta temperatura, la corrosione o l'usura escludono i materiali di tenuta convenzionali.
D: Perché queste tenute sono adatte al servizio ad alta temperatura?
Il tungsteno e il molibdeno hanno i punti di fusione più alti tra i metalli commerciali e mantengono resistenza e durezza a temperature che ammorbidiscono l'acciaio e decompongono i materiali di tenuta non-metallici.
D: Le guarnizioni in tungsteno-molibdeno resistono a tutti i prodotti chimici?
No. Resistono a molti acidi, alcali e sali, ma la resistenza dipende dal mezzo specifico, dalla temperatura e dal contenuto di ossigeno, quindi la selezione deve essere basata sull'effettivo ambiente di servizio.
D: Quale metallo dovrebbe essere scelto per una superficie di tenuta fortemente caricata?
Il tungsteno è preferito laddove prevalgono la durezza e la resistenza all'usura abrasiva, mentre il molibdeno viene scelto quando sono più importanti la tenacità, il trasferimento di calore e il peso ridotto.
D: In che modo il percorso di produzione modifica le prestazioni delle tenute?
La pressatura e la sinterizzazione, lo stampaggio a iniezione e la produzione additiva conferiscono porosità, dimensioni dei grani e tolleranze diverse, che controllano il tasso di perdita, la finitura superficiale e la resistenza meccanica.
D: Le guarnizioni in tungsteno-molibdeno sono un'alternativa alle guarnizioni in carburo?
Costituiscono un'alternativa in molti impieghi corrosivi e ad alta temperatura, ma dove prevale l'usura abrasiva, le tenute in carburo cementato spesso rimangono la scelta più economica e vengono confrontate durante la selezione.
