機(jī)械密封材料選用知識(shí)

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一、對(duì)機(jī)械密封的摩擦副材料有哪些要求

機(jī)械密封的材料是其賴(lài)以存在和發(fā)展的基礎(chǔ)。摩擦副在高速旋轉(zhuǎn)中要抵抗介質(zhì)的腐蝕，承受一定的壓力，進(jìn)行熱交換。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)和摩擦的情況下完成密封的任務(wù)，因此對(duì)材料提出了一些要求。

1)在防腐蝕方面要有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能抵抗介質(zhì)的腐蝕、磨蝕、溶解和溶脹;

2)在物理機(jī)械性能方面要有較高的彈性模量、強(qiáng)度及許用PV值，低的摩擦系數(shù)和線膨脹系數(shù)，優(yōu)良的耐磨性和自潤(rùn)滑性以及良好的不滲透性等;

3)在熱力性能方面要有很好的導(dǎo)熱性，耐熱，耐寒性和耐溫度的急變性;

4)材料來(lái)源方便，加工制造容易，成本低廉。

二、制造摩擦副的材料有哪幾類(lèi)

目前制造摩擦副的材料很多。常用的非金屬材料有碳一石墨、陶瓷、聚四氟乙烯和塑料等;常用的金屬材料有硬質(zhì)合金、鎳鉻鋼、鉻鋼、青銅、碳鋼和鑄鐵等;此外還用堆焊、燒結(jié)、噴涂等表面處理及復(fù)合工藝改變或改善摩擦副的表面性能。各種材料都具有一定的特性，在選擇摩擦副材料時(shí)，應(yīng)揚(yáng)長(zhǎng)避短，根據(jù)具體條件合理選用。

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三、為什么常用碳—石墨來(lái)做摩擦副

碳—石墨(以下簡(jiǎn)稱(chēng)石墨)是摩擦副中經(jīng)常選用的材料，這是因?yàn)樗性S多優(yōu)良性能。

1)較高的導(dǎo)熱性。碳的導(dǎo)熱系數(shù)20~40W/(m.K)，石墨的導(dǎo)熱系數(shù)40~128w/(m.K)，僅次于銀、銅和鋁，是非金屬材料中唯一具有高導(dǎo)熱率的材料，比某些金屬(例如司太利硬質(zhì)合金和哈氏合金等)的導(dǎo)熱率高得多。因此能及時(shí)將產(chǎn)生的摩擦熱散失，從而降低密封端面的溫度，這對(duì)提高其可靠性和使用壽命都是非常必要的。

2)較低的線膨脹系數(shù)。石墨的線澎脹系數(shù)為2×10ˉ6～6×10ˉ8/℃，大約是金屬的1/2～1/4。在溫度升高時(shí)，其熱變形較小，對(duì)保持密封端面的平行是有利的。低的膨服系數(shù)加上高的導(dǎo)熱率，使其具有良好的熱穩(wěn)定性，耐熱、耐寒和耐熱沖擊性能好·在承受溫度劇變的時(shí)候不產(chǎn)生裂紋。

3)良好的耐腐蝕性。石墨的化學(xué)穩(wěn)定性很好，在空氣中400℃以下穩(wěn)定，除強(qiáng)氧化性介質(zhì)如王水、鉻酸、濃硫酸及鹵族無(wú)素外，可耐其它酸、堿、鹽及一切有機(jī)化合物的腐蝕。需要說(shuō)明的是其耐蝕程度隨石墨的種類(lèi)和浸漬劑的不同而異。

4)極好的自潤(rùn)滑性。這是因?yàn)槭c金屬或其它材料相對(duì)摩擦?xí)r，石墨轉(zhuǎn)移到金屬表面，形成石墨與石墨的相對(duì)摩擦。此外石墨還有低的摩擦系數(shù)，石墨與金屬對(duì)磨時(shí)摩擦系數(shù)為0.04～0.05，在全液潤(rùn)滑條件下，摩擦系數(shù)僅為0.008～0.01。

5)石墨的抗拉強(qiáng)度較低，抗壓強(qiáng)度較高，屬于一種脆性材料。由于硬度較低，常用做摩擦副中的軟環(huán)。可以很方便地進(jìn)行各種加工。 其突出的缺點(diǎn)是氣孔率較大，一般在18%～22%。為彌補(bǔ)此缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用的石墨都是浸漬過(guò)的，以堵塞氣孔，提高密封性。

四、石墨有幾種?各有何特點(diǎn)?

石墨是用焦炭粉和石墨粉(或炭黑)，用瀝青做粘結(jié)劑，經(jīng)模壓成型在高溫下燒結(jié)而成。根據(jù)所用原料和燒結(jié)溫度與時(shí)間的不同，可以制成具有不同物理機(jī)械性能的石墨。一種稱(chēng)高強(qiáng)石墨，又稱(chēng)碳素石墨，其特點(diǎn)是質(zhì)硬而脆，導(dǎo)熱系數(shù)低，加工困難；另一種為石墨化石墨，又稱(chēng)電化石墨，其特點(diǎn)是質(zhì)軟、強(qiáng)度低，自潤(rùn)滑性好。

由于石墨制造過(guò)程中，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，其中的瀝青揮發(fā)掉，形成氣孔，.必經(jīng)浸漬方可使用。浸漬后的石墨對(duì)導(dǎo)熱性無(wú)明顯的影響，而強(qiáng)度和硬度卻有顯著提高。

除上述石墨外，還有樹(shù)脂石墨，它是用合成樹(shù)脂做粘結(jié)劑，與石墨粉混合均勻，壓制成形，升溫到樹(shù)脂固化溫度而成。這種石墨允許使用的PV值不高，石化行業(yè)較少采用，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜。

五、石墨浸漬劑有哪些？各有何特點(diǎn)？

石墨浸漬劑的性質(zhì)決定了浸漬石墨的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和應(yīng)用溫度等。目前常用的浸漬劑可分為兩大類(lèi):合成樹(shù)脂和金屬。一般情況下，大都浸漬合成樹(shù)脂，而浸漬金屬的石墨使用較少。這是因?yàn)楹铣蓸?shù)脂沒(méi)有熔融傾向，當(dāng)超過(guò)允許的溫度使用極限時(shí)，也不會(huì)像金屬浸漬的石墨那樣，很快地失效;浸漬石墨的金屬熔化時(shí)，常常和與其對(duì)磨的金屬粘連在一起。合成樹(shù)脂浸漬的石墨在耐蝕性方面還優(yōu)于金屬浸漬的石墨。選擇金屬做浸漬劑時(shí)要注意兩個(gè)問(wèn)題:金屬的熔點(diǎn)不可過(guò)低，實(shí)踐證明，鉛、錫以及巴氏合金等低熔點(diǎn)金屬，不能用做浸漬劑;另一個(gè)問(wèn)題是浸漬的金屬要耐介質(zhì)的腐蝕。在化學(xué)性質(zhì)不十分清楚，或化學(xué)成分變化較大的介質(zhì)中，不可貿(mào)然采用浸金屬的石墨。例如在原油泵和常減壓塔底泵的密封中，不能采用巴氏合金和銅(包括銅合金)浸漬的石墨，可以選用浸銻的石墨。

目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用各種合成樹(shù)脂浸漬劑。其中有酚醛樹(shù)脂、呋喃樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂等，根據(jù)不同的介質(zhì)性質(zhì)選用不同的浸漬劉。酚醛樹(shù)脂耐酸性較好，環(huán)氧樹(shù)脂耐堿性介質(zhì)的腐蝕，吠喃樹(shù)脂耐酸堿性能都較好，因此，咬喃樹(shù)脂用得較普遍。此外，還有采用浸漬聚四氟乙烯懸浮液的，耐蝕性更佳，由于其工藝不太穩(wěn)定，故未能推廣應(yīng)用。工作溫度升高時(shí)，尤其是溫度超過(guò)200℃以后，合成樹(shù)脂分解和碳化，導(dǎo)致石墨硬度和強(qiáng)度下降，使磨損加劇，圖53表明該種材料在不同溫度下的磨損量，超過(guò)100℃時(shí)，磨損量增加較快。

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為了克服上述缺點(diǎn)，出現(xiàn)了浸漬瀝青的石墨。它是將瀝青加熱到一定的溫度，加壓浸漬后，再將石墨升溫，使瀝青揮發(fā)，分解和碳化，以填塞石墨中的氣孔，這樣反復(fù)進(jìn)行多次，最終得到合格的石墨。

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六、常用浸漬石墨的耐腐蝕性能怎祥

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七、制造密封環(huán)用哪些金屬材料

如果說(shuō)摩擦副中的軟環(huán)大都用石墨制造，那么制造硬環(huán)則大都用金屬。根據(jù)工況(壓力、溫度、速度等)和介質(zhì)的性質(zhì)不同，則采用不同的金屬。其中有鑄鐵和碳鈉、高硅鐵、合金鋼、青銅、耐蝕金屬和硬質(zhì)合金等。這些材料在價(jià)格和加工制造的難易程度上有很大的差別，必須掌握它們的性能，以最低的成本，選擇適用的材料。

八、鑄鐵和碳鋼有何特點(diǎn)？適用什么介質(zhì)？

我國(guó)煉油行業(yè)最早的機(jī)械密封摩擦副材料就是鑄鐵對(duì)石墨。鑄鐵具有價(jià)格低，加工制造容易的優(yōu)勢(shì)。硬度雖然不高，但耐磨性不亞于堆焊硬質(zhì)合金，使用中不會(huì)出現(xiàn)裂紋等。其原因是導(dǎo)熱系數(shù)大，為堆焊硬質(zhì)合金的3~4倍。鑄鐵組織比較疏松，可吸附微量液體，形成含油摩擦面，改善了潤(rùn)滑狀況。其缺點(diǎn)是耐蝕性差，因此只能用于中性介質(zhì)和PV值不高的場(chǎng)合。為提高其耐蝕性，采用了合金鑄鐵，在其中加入適量元素(如鋁、鎳和鉻等)，可明顯延長(zhǎng)使用壽命，而價(jià)格卻很低。英國(guó)克蘭密封公司就采用合金鑄鐵做靜環(huán)，使用效果較好。

常用的碳鋼有45、50號(hào)鋼，經(jīng)淬火后提高了硬度和耐磨性，可用于中性介質(zhì)的密封環(huán)。

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九、高硅鐵有何特點(diǎn)

高硅鑄鐵是含硅10%~17%及含碳甲0.5%~1.2%的硅鐵合金。常用的高硅鐵中含硅量約14.5%，是一種優(yōu)良的耐酸材料。由于材料表面有一層保護(hù)性很強(qiáng)的氧化硅膜，故它對(duì)各種濃度的硫酸、硝酸、有機(jī)酸、酸性鹽等介質(zhì)有良好的耐腐蝕性。但在氫氟酸中卻很快腐蝕，也不耐強(qiáng)堿、鹽酸和熱的三氯化鐵溶液的腐蝕。

其缺點(diǎn)是質(zhì)脆，耐溫度劇變性差，驟冷驟熱會(huì)炸裂。因此，在安裝過(guò)程中不能用力敲打。此外硬度較高(HRc45~50)，加工困難。

高硅鐵的物理機(jī)械性能見(jiàn)表7、8。

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十、哪些合金鋼可制做密封環(huán)

合金鋼經(jīng)熱處理后，硬度和耐磨性大大提高，加工制造比較容易，成本較低，有些場(chǎng)合可以使用。常用的鉻鋼材料有3Cr13、4Cr13、9Cr18，耐腐蝕性比碳鋼好，適用于弱腐蝕性介質(zhì)。也有用1Crl8Ni9、1Crl8Ni9Ti、Crl8Ni12Me2Ti制做密封環(huán)的耐腐蝕性很好，但硬度低，耐磨性差。還有用高速工具鋼和軸承鋼制做密封環(huán)的，如W18Cr4V和Gcrg等。勝利煉油廠在石油氣離心壓縮機(jī)的高速機(jī)械密封上就用W18Cr4V制造動(dòng)環(huán)，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)兩年。某些合金鋼的性能見(jiàn)表9。

十一、哪些青銅材料可做密封環(huán)

青銅牌號(hào)很多，可用做密封環(huán)的青銅有:ZQSn6-6-3和ZQSn1G-1等，其彈性模量大，具有良好的導(dǎo)熱性、耐磨性，加工性以及對(duì)硬質(zhì)材料的相溶性。但質(zhì)軟、耐腐蝕性較差，適用于海水，油等介質(zhì)中。

十二、在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中采用什么材料的密封環(huán)

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)逐漸增多，對(duì)材料提出了更高的要求。例如氫氟酸、各種濃度和溫度下的硫酸和鹽酸等。材料問(wèn)題不解決，生產(chǎn)就無(wú)法進(jìn)行。這里介紹兩種耐腐蝕合金，鎳鋁合金0Ni65Mo28Fe5V和鎳鉻鋁合金00Cr16Ni-60Mo17W4，它們分別相當(dāng)于國(guó)外的哈氏合金（Has.B）和哈氏合金C（Has.C）。前者對(duì)鹽酸、硫酸和磷酸有很好的耐腐蝕性，高溫下仍有較高的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，切削加上性能好;而哈氏合金C在氧化(或還原)性強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中是最耐蝕的合金之一，在600℃以下各種濃度的氟化.氫氣體中仍很耐蝕，在高溫氫氟酸氣體中也很耐蝕，在各種濃度的硝酸中(除沸點(diǎn)外)都有很好的耐蝕性，可鑄造、鍛造和焊接，唯獨(dú)加工較困難。上二種耐蝕合金的最太缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。它們的化學(xué)成分和有關(guān)性能見(jiàn)表10、11。

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十三、什么是硬質(zhì)合金?常用的硬質(zhì)合金有哪些?

金屬的碳化物(如碳化鎢等)，有許多優(yōu)良性能，制做密封環(huán)是非常合適的。但是，由于這些碳化物的熔點(diǎn)非常高，用普通的冶揀方法是行不通的。通常用粉末冶金的方法，它是將碳化物制成很細(xì)的粉末，混以熔點(diǎn)較低的金屬，壓制成型，高溫下燒結(jié)，較低熔點(diǎn)的金屬熔化，將金屬碳化物粘結(jié)成一個(gè)整體，便可得到硬質(zhì)合金。常用的硬質(zhì)合金有以鈷做粘結(jié)劑的碳化鎢硬質(zhì)合金；以鎳和鉻為粘結(jié)劑的耐腐蝕硬質(zhì)合金；以鋼鐵為粘結(jié)劑的鋼結(jié)硬質(zhì)合金以及各種堆焊用的硬質(zhì)合金焊條等。

十四、硬質(zhì)合金有哪些優(yōu)良性能

1）硬度高。碳化鎢硬質(zhì)合金的硬度一般在.HRA87~94之間，在相當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，硬度基本不變。由于磨粒磨損的磨損率與硬度成反比，所以高硬度的硬質(zhì)合金材料，是密封含有懸浮性顆粒介質(zhì)的機(jī)械密封的理想摩擦副材料。

2)抗彎強(qiáng)度高。硬質(zhì)合金的坑彎強(qiáng)度一般都在1400MPa以上，抗彎強(qiáng)度的大小與WC晶粒的大小有關(guān)。

3）導(dǎo)熱系數(shù)高而線膨脹系數(shù)小。WC-Co系硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱系數(shù)比高速鋼高1~2倍，而線膨脹系數(shù)則比高速鋼和碳鋼小得多。因此用硬質(zhì)合金做摩擦副環(huán)材料的機(jī)械密封有較強(qiáng)的耐熱沖擊性能和承載能力。

4）有一定的耐腐蝕能力。不同的硬質(zhì)合金牌號(hào)，在各種介質(zhì)中的耐腐蝕性能不同。.因此，可根據(jù)具體的介質(zhì)性質(zhì)選擇不同的硬質(zhì)合金。

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謝謝分項(xiàng)

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