Le choix du matériau de votre joint est crucial, car il influe directement sur la qualité, la durée de vie et les performances de l'application, et contribue à limiter les problèmes ultérieurs. Nous allons ici examiner l'influence de l'environnement sur le choix du matériau, ainsi que les matériaux les plus courants et leurs applications optimales.
Facteurs environnementaux
L'environnement auquel un joint sera exposé est un facteur déterminant dans le choix de sa conception et de ses matériaux. Les matériaux d'étanchéité doivent présenter plusieurs propriétés essentielles pour tous les environnements, notamment une surface d'étanchéité stable, une bonne conductivité thermique, une résistance chimique et une résistance à l'usure élevée.
Dans certains environnements, ces propriétés devront être plus robustes que dans d'autres. Parmi les autres propriétés des matériaux à prendre en compte en fonction de l'environnement, citons la dureté, la rigidité, la dilatation thermique, la résistance à l'usure et la résistance chimique. En gardant ces éléments à l'esprit, vous trouverez le matériau idéal pour votre joint.
L'environnement peut également déterminer s'il convient de privilégier le coût ou la qualité du joint. Dans les environnements abrasifs et difficiles, les joints peuvent être plus onéreux, car les matériaux doivent être suffisamment résistants pour supporter ces conditions.
Dans de tels environnements, investir dans un joint d'étanchéité de haute qualité sera rentable à long terme, car cela permettra d'éviter les arrêts de production, les réparations et les remises en état ou le remplacement coûteux du joint qu'entraînerait un joint de moindre qualité. Cependant, pour les applications de pompage avec un fluide très propre et lubrifiant, un joint moins cher peut être préférable à des roulements de meilleure qualité.
Matériaux d'étanchéité courants
Carbone
Le carbone utilisé dans les faces d'étanchéité est un mélange de carbone amorphe et de graphite, dont les proportions déterminent les propriétés physiques du carbone final. C'est un matériau inerte et stable, qui peut être autolubrifiant.
Il est largement utilisé comme l'une des faces d'extrémité des joints mécaniques et constitue également un matériau courant pour les joints circonférentiels segmentés et les segments de piston, en conditions sèches ou avec une faible lubrification. Ce mélange carbone/graphite peut aussi être imprégné d'autres matériaux afin de lui conférer différentes caractéristiques, telles qu'une porosité réduite, une meilleure résistance à l'usure ou une plus grande robustesse.
Les joints mécaniques en carbone imprégné de résine thermodurcissable sont les plus courants. La plupart des carbones imprégnés de résine sont capables de fonctionner dans une large gamme de produits chimiques, des bases fortes aux acides forts. Ils présentent également de bonnes propriétés de frottement et un module d'élasticité adéquat pour limiter les déformations dues à la pression. Ce matériau convient à un usage général jusqu'à 260 °C (500 °F) dans l'eau, les fluides de refroidissement, les carburants, les huiles, les solutions chimiques légères, ainsi que dans les applications agroalimentaires et pharmaceutiques.
Les joints en carbone imprégné d'antimoine ont également démontré leur efficacité grâce à la résistance et au module d'élasticité de l'antimoine, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications haute pression exigeant un matériau plus robuste et rigide. Ces joints présentent par ailleurs une meilleure résistance au cloquage lors de l'utilisation de fluides à haute viscosité ou d'hydrocarbures légers, ce qui en fait la norme pour de nombreuses applications en raffinerie.
Le carbone peut également être imprégné de formateurs de film tels que des fluorures pour les applications à sec, cryogéniques et sous vide, ou d'inhibiteurs d'oxydation comme les phosphates pour les applications à haute température, à grande vitesse et à turbines jusqu'à 800 pieds/seconde et environ 537 °C (1 000 °F).
Céramique
Les céramiques sont des matériaux inorganiques non métalliques composés de substances naturelles ou synthétiques, le plus souvent d'oxyde d'aluminium ou d'alumine. Elles possèdent un point de fusion élevé, une dureté élevée, une grande résistance à l'usure et à l'oxydation, ce qui explique leur utilisation répandue dans des secteurs tels que la mécanique, la chimie, le pétrole, la pharmacie et l'automobile.
L'alumine possède d'excellentes propriétés diélectriques et est couramment utilisée pour les isolateurs électriques, les composants résistants à l'usure, les billes de broyage et les composants haute température. À haute pureté, elle présente une excellente résistance chimique à la plupart des fluides de process, à l'exception de certains acides forts, ce qui explique son utilisation dans de nombreuses applications de joints mécaniques. Cependant, sa fragilité sous l'effet des chocs thermiques limite son utilisation dans certaines applications où ce risque est critique.
Le carbure de silicium est fabriqué par fusion de silice et de coke. Chimiquement similaire à la céramique, il possède de meilleures propriétés lubrifiantes et est plus dur, ce qui en fait une solution résistante à l'usure idéale pour les environnements difficiles.
Il peut également être rodé et poli, ce qui permet de remettre à neuf un joint à plusieurs reprises au cours de sa durée de vie. On l'utilise généralement dans des applications mécaniques, notamment les joints mécaniques, en raison de sa bonne résistance à la corrosion chimique, de sa haute résistance mécanique et thermique, de sa dureté élevée, de sa bonne résistance à l'usure, de son faible coefficient de frottement et de sa résistance aux hautes températures.
Utilisé pour les faces d'étanchéité mécanique, le carbure de silicium améliore les performances, prolonge la durée de vie des joints, réduit les coûts de maintenance et diminue les coûts d'exploitation des équipements rotatifs tels que les turbines, les compresseurs et les pompes centrifuges. Les propriétés du carbure de silicium varient selon son procédé de fabrication. Le carbure de silicium à liaison réactionnelle est obtenu par agglomération de particules de carbure de silicium lors d'un processus de réaction.
Ce procédé n'affecte pas significativement la plupart des propriétés physiques et thermiques du matériau, mais il limite sa résistance chimique. Les produits chimiques les plus problématiques sont les bases (et autres produits chimiques à pH élevé) ainsi que les acides forts ; par conséquent, le carbure de silicium lié par réaction ne doit pas être utilisé dans ces applications.
Le carbure de silicium autofritté est fabriqué par frittage direct de particules de carbure de silicium à l'aide d'agents de frittage non oxydes, dans un environnement inerte à des températures supérieures à 2 000 °C. Du fait de l'absence de matériau secondaire (tel que le silicium), le matériau fritté directement présente une résistance chimique à presque tous les fluides et conditions de traitement susceptibles d'être rencontrés dans une pompe centrifuge.
Le carbure de tungstène est un matériau très polyvalent, à l'instar du carbure de silicium, mais il est mieux adapté aux applications à haute pression grâce à sa plus grande élasticité qui lui permet de fléchir légèrement et d'éviter toute déformation de la surface. Comme le carbure de silicium, il peut être rodé et poli.
Le carbure de tungstène est le plus souvent fabriqué sous forme de carbure cémenté, sans tentative de liaison entre les particules. Un métal secondaire est ajouté pour lier ou cimenter ces particules, ce qui donne un matériau combinant les propriétés du carbure de tungstène et du liant métallique.
Ce procédé a été mis à profit pour conférer au carbure de tungstène une ténacité et une résistance aux chocs supérieures à celles du carbure de tungstène seul. L'un des points faibles du carbure de tungstène cémenté est sa densité élevée. Autrefois utilisé, le carbure de tungstène lié au cobalt a progressivement été remplacé par le carbure de tungstène lié au nickel, ce dernier ne présentant pas la compatibilité chimique requise par l'industrie.
Le carbure de tungstène lié au nickel est largement utilisé pour les faces d'étanchéité où des propriétés de haute résistance et de haute ténacité sont souhaitées, et il présente une bonne compatibilité chimique généralement limitée par le nickel libre.
GFPTFE
Le GFPTFE présente une bonne résistance chimique, et l'ajout de fibres de verre réduit le frottement des surfaces d'étanchéité. Il est idéal pour les applications relativement propres et est moins coûteux que d'autres matériaux. Des variantes sont disponibles pour mieux adapter le joint aux exigences et à l'environnement, améliorant ainsi ses performances globales.
Buna
Le Buna (également connu sous le nom de caoutchouc nitrile) est un élastomère économique utilisé pour les joints toriques, les mastics et les pièces moulées. Reconnu pour ses performances mécaniques, il est particulièrement adapté aux applications pétrolières, pétrochimiques et chimiques. Sa rigidité le rend également très populaire pour les applications impliquant le pétrole brut, l'eau, divers alcools, les graisses silicones et les fluides hydrauliques.
Le Buna, un copolymère de caoutchouc synthétique, offre d'excellentes performances pour les applications exigeant une bonne adhérence aux métaux et une résistance à l'abrasion. Cette composition chimique le rend également idéal pour les applications d'étanchéité. De plus, sa faible résistance aux acides et aux bases douces lui permet de supporter les basses températures.
Le Buna est limité dans les applications soumises à des facteurs extrêmes tels que les températures élevées, les intempéries, la lumière du soleil et les applications de résistance à la vapeur, et ne convient pas aux agents de désinfection de nettoyage en place (NEP) contenant des acides et des peroxydes.
EPDM
L'EPDM est un caoutchouc synthétique couramment utilisé dans l'automobile, la construction et la mécanique pour la fabrication de joints d'étanchéité, de tubes et de rondelles. Plus cher que le Buna, il offre néanmoins une excellente résistance aux variations thermiques, aux intempéries et aux contraintes mécaniques grâce à sa haute résistance à la traction durable. Polyvalent, il est idéal pour les applications impliquant l'eau, le chlore, l'eau de Javel et autres substances alcalines.
Grâce à ses propriétés élastiques et adhésives, l'EPDM reprend sa forme initiale une fois étiré, quelle que soit la température. Son utilisation est déconseillée avec les huiles de pétrole, les fluides, les hydrocarbures chlorés et les solvants hydrocarbonés.
Viton
Le Viton est un caoutchouc hydrocarboné fluoré, durable et haute performance, principalement utilisé pour les joints toriques et les joints d'étanchéité. Plus cher que d'autres caoutchoucs, il reste la solution privilégiée pour les applications d'étanchéité les plus exigeantes.
Résistant à l'ozone, à l'oxydation et aux conditions climatiques extrêmes, y compris aux matériaux tels que les hydrocarbures aliphatiques et aromatiques, les fluides halogénés et les acides forts, il fait partie des fluoroélastomères les plus robustes.
Le choix du matériau d'étanchéité approprié est essentiel à la réussite d'une application. Bien que de nombreux matériaux d'étanchéité soient similaires, chacun remplit des fonctions spécifiques pour répondre à des besoins particuliers.
Date de publication : 12 juillet 2023