机械密封摩擦副材料
根据统计，机械密封的泄漏大约有80%～95%是由于密封端面摩擦副造成的。除了要保持密封面平行之外，主要是摩擦副的材料问题。
(1)机械密封摩擦副材料应具备下列条件：
1） 机械强度高，能耐压和耐压力变形；
2） 具有耐干磨性，耐高载荷性，自润滑性好；
3） 配对材料的磨合性好，无过大的磨损和对偶腐蚀；
4） 耐磨性好，寿命长；
5） 导热性和散热性好；
6） 耐高温性能好；
7） 抗热裂性能好；
8） 耐腐蚀性强；
9） 线膨胀系数小，能耐热变形和尺寸稳定性好；
10） 切削加工性好，成型性能好；
11） 气密性好；
12） 密度小。
综合衡量摩擦副材料，一般认为：浸渍树脂或金属的石墨材料，其导热性和自润滑性都很好，应优先考虑选用；强氧化性介质，应选用陶瓷材料；介质含颗粒，应选用硬对硬摩擦副材料，如碳化钨-碳化钨；强腐蚀介质，应选用填充聚四氟乙烯-陶瓷等。
机械密封软面材料
(2)机械密封软面材料主要包括：
1）石墨。有两种不同烧结石墨：碳石墨和电化石墨。前者质硬而脆，后者质软、强度低、自润滑性好。
石墨具有良好的自润滑性和良好的导热性，具有良好的耐腐蚀性但不耐强氧化介质，具有抗热冲击性和低摩擦因数。然而石墨存在着气孔率大、机械强度低的缺点。因此石墨用作软面材料时，需要用浸渍等办法来填塞孔隙，提高机械强度。
选择合适的浸渍剂是非常重要的。浸渍剂的性质决定了浸渍石墨的化学稳定性、热稳定性、机械强度、使用温度等。常用的浸渍树脂有酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂等。酚醛树脂耐酸性较好，环氧树脂耐碱性好，而呋喃树脂耐酸性和耐碱性均较好。常用的浸渍金属有巴氏合金、铜合金、铝合金、锑合金等。浸渍金属石墨主要用90MPa，使用温度可达500℃；浸铜或铜合金的碳石墨使用温度为300℃；浸巴氏合金的碳石墨使用温度为120～180℃。
(3)表7-19所列为碳石墨材料性能。
|
牌号 |
材料 |
体积密度/g.cm-3 |
硬度/HS |
抗弯强度/MPa |
抗压强度/MPa |
膨胀系数/C-1 |
气孔率/% |
使用温度/℃ |
|
M121 |
碳石墨 |
1.56 |
65 |
25.5 |
73.65 |
4.0×10-6 |
17 |
350 |
|
M106H M120H M204H M220H |
浸环氧树 脂碳石墨
|
1.60 1.68 1.90 1.90 |
60 60 40 45 |
29.42 41.19 29.42 39.23 |
107.87 88.26 68.65 83.36 |
11.0×10-6 11.0×10-6 8.0×10-6 11.0×10-6 |
5 5 5 5 |
200 200 200 200 |
|
M106K① |
浸呋喃树 脂碳石墨 |
1.69 |
80 |
50 |
117.68 |
11.0×10-6 |
5 |
220 |
|
M232L |
浸铝合金 碳石墨 |
2.15 |
40 |
98.065 |
196.13 |
8.0×10-6 |
4 |
400 |
|
M106Y M232Y |
浸巴氏合 金碳石墨 |
2.36 2.06 |
60 50 |
58.84 39.23 |
196.13 147.1 |
6.0×10-6 6.0×10-6 |
5 5 |
180 180 |
|
M158K② |
浸呋喃树 脂碳石墨 |
1.68 |
75～85 |
58.84～68.65 |
58.84～68.65 |
4.0×10-6 ～6.0×10-6 |
<1 |
-103～250 |
|
M158H② |
浸环氧树 脂碳石墨 |
1.70 |
65～76 |
196.13～294.2 |
147.1～196.13 |
4.0×10-6 ～6.0×10-6 |
<1 |
-103～230 |
①导热率为4.187W/(m.K);
②导热率为5.44～6.28W/(m.K)
硅化石墨是碳石墨材料经硅化处理而得的碳化硅-碳复合材料。硅化处理的方法有化学气相反应法（CVR）和液硅浸渗法。化学气相沉积法为美国和日本采用，而俄罗斯和德国则用液硅浸渗法。前者Si或SiO气体在1800～2200℃的高温下作硅化反应将表面转化为SiC；而后者利用液体硅代替Si蒸汽或SiC气体与CVR同样作硅化处理。表7-20及表7-21列出了国内外硅化石墨的物理性能。
(4)表7-20CVR法硅化石墨的物理-力学性能
|
生产厂家 |
牌号 |
体积密度/g.cm-3 |
硬度 |
抗拉强度/MPa |
抗弯强度/MPa |
弹性模量/MPa |
膨胀系数/C-1 |
抗压强度/MPa |
热导率W/(m.K)-1 |
最高工作温度/℃ |
|
|
空气中 |
惰性气氛中 |
||||||||||
|
日本 鹰公司 |
ES-1① ES-3 |
2.8 1.8 |
95～105(HS) 85～100(HS) |
22.6 42.2 |
68.6 83.4 |
114×103 24×103 |
4.5×10-6 4.2×10-6 |
129 147 |
50 70.95 |
200 400 |
|
|
日本皮拉公司 |
P1 |
1.84 |
3500(HV) |
34.3 |
58.8 |
11.8×103
|
4×10-6
|
117.7 |
110.5 |
400 |
1600 |
|
日本日立 化成公司 |
HSC HSC① |
1.85 2.00 |
3000(HV) 3000(HV) |
|
59 68.6 |
35×103 41×103 |
4.4×10-6 4.4×10-6 |
|
116.32 116.32 |
|
|
|
美国纯碳公司 |
PE-6923① |
2.15 |
100(HV) |
34 |
55 |
28×103
|
4.4×10-6
|
138 |
68.63 |
260 |
|
|
英国加布兰达夫公司 |
SiC-V |
1.9 |
18.62(HV) |
10.34 |
|
15.85×103
|
4.1×10-6
|
82.73 |
51.92 |
371 |
|
|
中国东新电碳厂 |
M456 |
1.84 |
100(HV) 2500(HV) |
|
58.8 |
35×103
|
3.7(200℃)×10-6
|
118 |
|
|
|
|
日本东芝陶瓷公司 |
PADLTTE |
2.54 |
2000(HV) |
49 |
196 |
176×103
|
4.1×10-6
|
|
|
|
|
①浸渍树脂。
(5)表7-21液硅浸渗硅化石墨
|
性能 |
厂家 |
|||
|
俄罗斯新齐略宾斯克 |
德国顺克埃贝公司 |
|||
|
牌号 |
||||
|
C-T |
C-TT |
CTII-0.5 |
U8019 |
|
|
体积密度/g.cm-3 抗压强度/MPa 抗弯强度/MPa 抗拉强度/MPa 弹性模量/MPa 电阻系数μΩ.cm 冲击韧性/J.m-2 断裂韧性KIC/N.mm-3/2 疲劳强度/MPa 导热系数/W.(m.℃)-1 线膨胀系数/℃-1
摩擦因数 |
2.5～2.7 294～314 88.3～108 39～49 88×10-3
2700
100～120 4.6×10-6
0.05 |
2.4～2.6 412～441 98～118 49～59 125×103
3900
150～175 4.2×10-6
0.04 |
2.5 235 76.5 39 58×103
2300
100 3.8×10-6 ～4.0×10-6 0.04 |
2.65
190
140×103 130 1500 100 150 70 45×10-6 （20～1000℃） |
2）聚四氟乙烯特点。聚四氟乙烯具有较好的耐腐蚀性，很高的耐热性和耐寒性，自润滑性好，其动、静摩擦因数均低于0.04.但它的导热性差，为了克服其缺点，加入各种填充剂，成为填充四氟乙烯。表7-22列出聚四氟乙烯及填充四氟乙烯的性能。
(6)机械密封硬面材料
1）工程陶瓷。常用的工程陶瓷有氧化铝、氮化硅和碳化硅。陶瓷具有硬度高、耐磨性好、耐腐蚀性好及耐温性好的特点，是较理想的动、静环密封面材料。缺点是脆性大、硬度高机加工困难。表7-23列出国外某些陶瓷材料的典型制造法。
(7)表7-22聚四氟乙烯与填充四氟乙烯的物理-力学性能
|
性能 |
配方 |
||||||||
|
聚四氟乙烯 |
填充20%石墨 |
填充40%石墨 |
25%青铜+20%玻璃纤维，10%石墨，5%炭黑 |
40%青铜，20%玻璃纤维，10%石墨 |
填充40%玻璃纤维 |
4%玻璃纤维5%石墨 |
|||
|
密度/g.cm-3 抗拉强度/MPa
抗弯强度/MPa 断裂伸长率/% 导热率/W·(m·K)-1 硬度(HS) 抗拉强度（1%变形）/MPa |
2.1～2.2 13.73～24.52未淬火 15.69～30.89淬火 10.79～13.73 250～350 0.24 50～65 4.12 |
2.16 16.4
24.9 151 0.48 |
2.15 13.8
22.7 77 0.41 |
2.45 13.8
22.7 77 0.41 |
2.7 15.9
38.5 171 0.43 |
2.28 16.0
19.9 231 0.24 |
2.28 11.2
20.1 149 0.43 |
||
|
MN-IM 磨损试验机 |
摩擦因数 磨损量/mg.10min-1
|
0.04 |
0.13 12 |
0.14 3.4 |
0.17 2.3 |
0.17 3.6 |
0.18 3.5 |
0.15 2.5 |
|
|
合姆金磨 损试验机 |
摩擦因数 磨损量/mg.40min-1 |
|
0.20 22.3×10-3 |
0.20 8.24×10-3 |
0.20 0.66×10-3 |
0.20 0.74×10-3 |
0.21 1.22×10-3 |
|
|
|
线膨胀系数/℃-1 |
纵向 |
0～50 0～100 0～150 0～200 0～250 |
(25～200) 1.0×10-4～1.0×10-4 |
1.9×10-4 1.46×10-4 1.38×10-4 1.38×10-4 1.40×10-4 |
1.67×10-4 1.29×10-4 1.25×10-4 1.28×10-4 1.23×10-4 |
1.60×10-4 1.35×10-4 1.32×10-4 1.41×10-4 1.54×10-4 |
1.60×10-4 1.33×10-4 1.33×10-4 1.43×10-4 1.34×10-4 |
1.63×10-4 1.19×10-4 1.16×10-4 1.20×10-4 1.26×10-4 |
1.50×10-4 1.20×10-4 1.17×10-4 1.23×10-4 1.32×10-4 |
|
横向 |
0～60 0～100 0～150 0～200 0～250 |
|
1.01×10-4 0.87×10-4 0.74×10-4 0.78×10-4 0.79×10-4 |
0.75×10-4 0.60×10-4 0.59×10-4 0.62×10-4 0.67×10-4 |
0.79×10-4 0.69×10-4 0.69×10-4 0.74×10-4 0.79×10-4 |
0.77×10-4 0.63×10-4 0.62×10-4 0.66×10-4 0.71×10-4 |
0.83×10-4 0.67×10-4 0.63×10-4 0.67×10-4 0.73×10-4 |
0.69×10-4 0.60×10-4 0.53×10-4 0.57×10-4 0.61×10-4 |
|
|
吸水率/% |
<0.005 |
+0.03 |
+0.04 |
+0.58 |
+1.00 |
+0.04 |
-0.77 |
||
(8)7-23某些陶瓷材料的典型制造法
|
制造方法 |
主要优点 |
主要缺点 |
示例 |
|||
|
单体成型法 |
烧结法 |
1.各种形状都能制造 2.单价低廉 |
尺寸精度高 （需要二次加工） |
AL2O3 SiC |
||
|
热压法 |
制品密度高 |
1.复杂形状不行 2.生产性差 |
AL2O3 Si3N4 SiC |
|||
|
反应烧结法 |
1.任意形状都可以 2.制造方法简单 3.可能大批生产 |
制品密度小 |
SiC Si3N4
|
|||
|
涂层法 |
化学方法 |
化学气相沉积法（CVD） |
1.可得到高密度 2.形状可任意选定 |
1.难以制造 2.涂层薄 3.各方向异性 |
SiC TiC BN |
|
|
转化法或反应法（CVR） |
涂层薄 |
有空隙率 |
SiC |
|||
|
物理方法 |
物理气相沉 积法（PVD） |
喷镀法 |
1.可得到耐低温、高熔点涂层 2.附着力大 3.可大批生产 |
1.花费时间长 2.涂层温度上升 3.涂层薄 |
SiC TiC TiN |
|
|
等离子 喷涂法 |
1.可得到纯的涂层 2.容易做到全面喷涂 |
涂层薄 |
SiC TiC TiN |
|||
|
熔射法 |
母材可任选 |
涂层密度小 |
AL2O3 Cr2O3 WC |
|||
氧化铝陶瓷AL2O3不仅具有很高的硬度及耐磨性，而且耐腐蚀性能也很好。除氢氟酸、氟硅酸及浓碱外，几乎耐各种介质的腐蚀。它的膨胀系数小，导热性良好，耐高温和一定的温度剧变。又因氧化铝陶瓷制造工艺简单，因此应用较广。表7-24列出国产氧化铝陶瓷的组成和性能。
(9)表7-34国产氧化铝陶瓷的组成和物理-力学性能
|
材料 |
化学组成/% |
密度/g.cm-3 |
硬度(HRA) |
抗弯强度/MPa |
热导率/W.(m.K)-1 |
热膨胀系数/℃-1 |
|
99瓷 |
AL2O399 MgO1 |
3.9 |
85～90
|
340～540 |
16.75 |
5.3×10-6 |
|
95瓷 |
AL2O394.5 SiO22 CaCO33.5 |
3.75 |
78～82 |
216～360 |
16.75 |
5.8×10-6 |
氮化硅陶瓷的热膨胀系数低（2.5～2.8）×10-6/℃,其抗温度骤变性要比氧化铝陶瓷好。它的强度及硬度高且摩擦因数低，有自润滑性，是一种很好的耐磨材料。表7-35列出两种氮化硅的物理-力学性能。
(10)表7-25氮化硅陶瓷的物理-力学性能
|
性能 |
反应烧结氮化硅 |
热压氮化硅 |
|
密度/g.cm-3 孔隙率/% 抗弯强度/MPa 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 抗冲击强度/MPa 弹性模量/MPa 摩擦因数 硬度(HRA) 热膨胀系数/℃-1 热导率/W·(m·K)-1 电阻率(200℃)/Ω·cm (700℃)/Ω·cm |
2.5～2.6 13～16 196.13 1176.8 117.68～137.29 0.15～0.2 (1.670～2.16)×105 0.1 80～85 2.5×10-6 5.02 1018 108 |
3.13 <1 688.47～784.52 1569.1 - 0.39 - - 91～92 (2.7～2.8)×10-6 - - - |
碳化硅陶瓷是近年发展的新材料。它具有很低的摩擦因数，很高的硬度，良好的耐磨性。它具有良好的化学稳定性、耐热性和抗热振性。
碳化硅有反应烧结碳化硅、常压烧结碳化硅和热压碳化硅。表7-26列出国产碳化硅的性能。
(11)表7-26国产碳化硅陶瓷的性能
|
材料 |
密度/g.cm-3 |
抗弯强度/MPa |
弹性模量/MPa |
热膨胀系数/℃-1 |
硬度(HRA) |
热导率/W·(m·K)-1 |
|
热压SiC |
3.1～3.2 |
441.3～539.37 |
3.92×105 |
4.5×10-6
|
93～94 |
83.74 |
|
常压烧结SiC |
3.0～3.10 |
372.65～451.11 |
4.07×105 |
4.3×10-6
|
91～92 |
92.11 |
|
反应烧结SiC |
3.05 |
343.23～362.85 |
3.33×105 |
4.3×10-6
|
91～92 |
125.6 |
2）硬质合金。硬质合金只要是碳化钨WC。有钴基碳化钨WC-Co、镍基碳化钨WC-Ni和钴-镍基碳化钨WC-Co-Ni。碳化钨的特点：硬度高，耐磨性好；机械强度高，抗弯性好；导热率较高而膨胀系数较小，密封面摩擦热容易导出；无钴硬质合金耐腐蚀性较好。表7-27列出国产碳化钨的性能。
机械辅助密封材料
机械密封的辅助密封是保证密封可靠和延长使用寿命的重要零件。辅助密封包括动、静环的辅助密封圈。其作用是保证密封的轴与动环之间的静环座（压盖）与静环之间密封，补偿密封面的偏斜和振动；保证使动、静环端面紧密结合具有浮动性。
(12)表7-27国产碳化钨硬质合金的物理-力学性能
|
牌号 |
化学成分/% |
物理-力学性能 |
备注 |
||||
|
WC |
Co |
密度 |
硬度(HRC) |
抗弯强度/MPa |
膨胀系数/℃-1(0～300℃) |
||
|
YG3 |
97 |
3 |
14.9～15.3 |
91 |
10.29 |
|
耐腐蚀性好，可在高速下使用 |
|
YG6 |
94 |
6 |
14.6～15 |
89.5 |
10.20 |
4.5×10-6
|
耐摩性较高，有一定的冲击韧性，常用作动、静环材料 |
|
YG8 |
92 |
8 |
14.4～14.8 |
89 |
14.71 |
4.5×10-6
|
耐摩性较YG6差，有时也用作动、静环材料 |
|
YG15 |
85 |
15 |
13.9～14.1 |
87 |
18.63 |
5.3×10-6
|
强度高，冲击韧性好，常用作动、静环材料 |
(13)机械密封对辅助密封圈材料的要求：
1）材料弹性好，特别是要求良好的复原性，永久变形要小；
2）不受流体介质的侵蚀，而且在介质中的膨胀和收缩都不大；
3）摩擦因数小和耐磨性好；
4）使用温度范围要广，在高、低温下不粘着、不变硬、脆和失弹；
5）要有适当的力学性能，如扯断强度及其延伸率、耐压等，在压力作用下无显著变形，有优良的抗撕裂性、耐磨性和耐压性等；
6）便于加工并可得到高的精度；
7）抗介质腐蚀、溶解、溶胀、老化等性能好，对介质不应有污染等。
作为辅助密封圈的材料有橡胶、塑料、石棉、膨胀石墨、石墨和金属胀圈等。橡胶圈是使用最广的一种辅助密封圈。常用的橡胶密封圈材料有丁晴橡胶、氟橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶等。
丁晴橡胶是常用的一种耐油橡胶。它是丁二烯和丙烯晴的共聚物。根据丙烯晴含量多少分成若干种：低丙烯晴（丁晴-18）、中丙烯晴（丁晴-26）和高丙烯晴（丁晴-40）、丙烯晴含量越高，它的耐油性越好，抗张强度、硬度和耐磨性、耐水性增加，透气性减小。随之而来，它在极性溶剂中是溶解度却增大，耐腐蚀性也受到影响，弹性和耐寒性也变差。丁晴橡胶不耐挠曲，抗撕裂也较差。
氟橡胶具有耐高温、耐油、耐化学腐蚀的优点。氟橡胶中应用最广的是含氟烯烃共聚物，主要是26型和23型。26型中有氟橡胶-26系偏氟橡乙烯与六氟丙烯的乳液共聚物和氟橡胶-246系偏氟乙烯、六氟丙烯与四氟丙烯的三元共聚物。23型氟橡胶由偏氟乙烯与三氟氯乙烯在室温及3.24MPa压力下用悬浮聚合法制得的一种无定形橡胶状共聚物。它不能用于液氨、氨水中。
硅橡胶是由二甲基硅氧烷与其他有机硅单体在酸或碱性催化剂存在下聚合成的一种极性高分子聚合物。硅橡胶有很高的热稳定性，但它有极性，容易在酸碱作用下发生离子型裂解，因此耐腐蚀性差，不适宜用于石油系溶剂（如苯、甲苯等）、丙酮、酮醚等有机溶剂。
聚四氟乙烯具有优异的化学稳定性和耐油、耐溶剂、抗老化、耐温性能，并有相当低的摩擦因数和一定的强度、弹性、柔性和不粘着性，因此广泛用作各种温度、压力、腐蚀性介质条件下的密封圈。
综上所述，辅助密封材料，在一般介质中可使用橡胶材料制成的O形圈、垫圈和波纹管等；在腐蚀性介质中可使用聚四氟乙烯制成的V形圈、楔形环、垫圈和波纹管等；在高、低温条件下可使用金属波纹管。选用时应考虑材料的使用温度和耐腐蚀性。几种材料的使用温度、适用介质见表7-28
(14)表7-28机械密封辅助密封材料列表
|
材料名称 |
使用温度/℃ |
使用介质或特性 |
|
|
橡胶 |
丁晴橡胶 |
-30～100 |
油、水、醇等 |
|
氯丁橡胶 |
-40～100 |
无机酸、碱溶液、水、醇等 |
|
|
乙丙橡胶 |
-50～100 |
碱、溶剂和各种化学、放射性介质 |
|
|
氟橡胶 |
-20～100 |
酸、油类、溶剂等 |
|
|
硅橡胶 |
-60～230 |
醇、碱、低溶胀性矿物质 |
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聚四氟乙烯 |
-100～250 |
各种腐蚀性介质 |
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金属 |
沉淀硬化不锈钢AM350 |
-40～450 |
热处理后强度高，耐腐蚀性与1Cr18Ni9Ti相似 |
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高镍合金Inconel-750 |
-250～750 |
高、低温强度好，耐腐蚀性好，但焊接困难，成本高 |
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镍钼合金HastelloyC |
约1000 |
耐腐蚀性最好，不用热处理，强度高，但成本高 |
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机械密封主要零件材料选择
机械密封各主要零件的材料应根据使用工况进行选择，见表7-29.
（15）常用机械密封主要零件材料
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工况 |
摩擦副 |
辅助密封 |
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介质 |
浓度 |
温度/℃ |
旋转环 |
静止环 |
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清水 |
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室温 |
石墨 |
陶瓷、高镍铸铁、堆焊钴铬钨 |
丁晴橡胶 |
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河水 |
（含泥沙） |
碳化钨、碳化硅 |
碳化钨、碳化硅 |
丁晴橡胶 |
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海水 |
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石墨 |
陶瓷，碳化钨 |
丁晴橡胶 |
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汽油 |
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-20～80 |
石墨 |
高镍铸铁，碳化钨，陶瓷 |
氟橡胶 |
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80～135 |
PTFE |
||||
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煤油 |
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-20～80 |
石墨 |
高镍铸铁，碳化钨，陶瓷 |
丁晴橡胶 |
|
80～200 |
氟橡胶，PTFE |
||||
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柴油 |
|
-20～80 |
石墨 |
高镍铸铁，碳化钨，陶瓷 |
丁晴橡胶 |
|
80～200 |
氟橡胶，PTFE |
||||
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机油 |
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-20～30 |
石墨 |
高镍铸铁，碳化钨，堆焊钴铬钨，青铜、陶瓷 |
丁晴橡胶 |
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原油 |
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-20～135 |
石墨 |
碳化钨，陶瓷 |
氟橡胶 |
|
135～200 |
PTFE |
||||
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（含杂质） |
-20～135 |
碳化钨 |
碳化钨 |
氟橡胶 |
|
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135～200 |
PTFE |
||||
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轻质碳氢化合物 |
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-20～80 |
石墨 |
碳化钨 |
氟橡胶、PTFE |
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硫酸 |
<10% |
-20～80 |
石墨 |
陶瓷 |
氟橡胶 |
|
>10% |
-20～135 |
填充PTFE |
PTFE |
||
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硝酸 |
<5% |
-20～80 |
石墨 |
陶瓷、高硅铸铁 |
氟橡胶 |
|
>5% |
填充PTFE |
陶瓷 |
PTFE |
||
|
醋酸 |
<30% |
-20～135 |
填充PTFE |
陶瓷 |
乙丙橡胶、PTFE |
|
>30% |
石墨 |
PTFE |
|||
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碱 |
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-20～80 |
石墨、填充PTFE |
高镍铸铁、陶瓷、碳化钨 |
乙丙橡胶 |
|
80～200 |
PTFE |
||||
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食品 |
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-20～80 |
石墨 |
陶瓷 |
丁晴橡胶 |
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植物油 |
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-20～80 |
石墨 |
高镍铸铁、陶瓷 |
乙丙橡胶、PTFE |
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有机物 |
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-20～80 |
石墨 |
碳化钨、铸铁、堆焊钴铬钨 |
乙丙橡胶、PTFE |