機械密封材料選用知識

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一、對機械密封的摩擦副材料有哪些要求

機械密封的材料是其賴以存在和發(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，進行熱交換。在相對運動和摩擦的情況下完成密封的任務(wù)，因此對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)在物理機械性能方面要有較高的彈性模量、強度及許用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)材料來源方便，加工制造容易，成本低廉。

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二、制造摩擦副的材料有哪幾類

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，應(yīng)揚長避短，根據(jù)具體條件合理選用。

三、為什么常用碳—石墨來做摩擦副

碳—石墨(以下簡稱石墨)是摩擦副中經(jīng)常選用的材料，這是因為它有許多優(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。因此能及時將產(chǎn)生的摩擦熱散失，從而降低密封端面的溫度，這對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，其熱變形較小，對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，除強氧化性介質(zhì)如王水、鉻酸、濃硫酸及鹵族無素外，可耐其它酸、堿、鹽及一切有機化合物的腐蝕。需要說明的是其耐蝕程度隨石墨的種類和浸漬劑的不同而異。

4)極好的自潤滑性。這是因為石墨與金屬或其它材料相對摩擦時，石墨轉(zhuǎn)移到金屬表面，形成石墨與石墨的相對摩擦。此外石墨還有低的摩擦系數(shù)，石墨與金屬對磨時摩擦系數(shù)為0.04～0.05，在全液潤滑條件下，摩擦系數(shù)僅為0.008～0.01。

5)石墨的抗拉強度較低，抗壓強度較高，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)。可以很方便地進行各種加工。 其突出的缺點是氣孔率較大，一般在18%～22%。為彌補此缺點，實際應(yīng)用的石墨都是浸漬過的，以堵塞氣孔，提高密封性。

四、石墨有幾種?各有何特點?

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)溫度與時間的不同，可以制成具有不同物理機械性能的石墨。一種稱高強石墨，又稱碳素石墨，其特點是質(zhì)硬而脆，導(dǎo)熱系數(shù)低，加工困難；另一種為石墨化石墨，又稱電化石墨，其特點是質(zhì)軟、強度低，自潤滑性好。

由于石墨制造過程中，經(jīng)高溫燒結(jié)，其中的瀝青揮發(fā)掉，形成氣孔，.必經(jīng)浸漬方可使用。浸漬后的石墨對導(dǎo)熱性無明顯的影響，而強度和硬度卻有顯著提高。

除上述石墨外，還有樹脂石墨，它是用合成樹脂做粘結(jié)劑，與石墨粉混合均勻，壓制成形，升溫到樹脂固化溫度而成。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)點是價格便宜。

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五、石墨浸漬劑有哪些？各有何特點？

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、機械強度和應(yīng)用溫度等。目前常用的浸漬劑可分為兩大類:合成樹脂和金屬。一般情況下，大都浸漬合成樹脂，而浸漬金屬的石墨使用較少。這是因為合成樹脂沒有熔融傾向，當超過允許的溫度使用極限時，也不會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，常常和與其對磨的金屬粘連在一起。合成樹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要注意兩個問題:金屬的熔點不可過低，實踐證明，鉛、錫以及巴氏合金等低熔點金屬，不能用做浸漬劑;另一個問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。

目前國內(nèi)外廣泛使用各種合成樹脂浸漬劑。其中有酚醛樹脂、呋喃樹脂和環(huán)氧樹脂等，根據(jù)不同的介質(zhì)性質(zhì)選用不同的浸漬劉。酚醛樹脂耐酸性較好，環(huán)氧樹脂耐堿性介質(zhì)的腐蝕，吠喃樹脂耐酸堿性能都較好，因此，咬喃樹脂用得較普遍。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，尤其是溫度超過200℃以后，合成樹脂分解和碳化，導(dǎo)致石墨硬度和強度下降，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100℃時，磨損量增加較快。

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為了克服上述缺點，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？適用什么介質(zhì)？

我國煉油行業(yè)最早的機械密封摩擦副材料就是鑄鐵對石墨。鑄鐵具有價格低，加工制造容易的優(yōu)勢。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，改善了潤滑狀況。其缺點是耐蝕性差，因此只能用于中性介質(zhì)和PV值不高的場合。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)，可明顯延長使用壽命，而價格卻很低。英國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)。

九、高硅鐵有何特點

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性很強的氧化硅膜，故它對各種濃度的硫酸、硝酸、有機酸、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，也不耐強堿、鹽酸和熱的三氯化鐵溶液的腐蝕。

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

高硅鐵的物理機械性能見表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的高速機械密封上就用W18Cr4V制造動環(huán)，連續(xù)運轉(zhuǎn)達兩年。某些合金鋼的性能見表9。

十一、哪些青銅材料可做密封環(huán)

青銅牌號很多，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。

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十二、在強腐蝕性介質(zhì)中采用什么材料的密封環(huán)

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，強腐蝕性介質(zhì)逐漸增多，對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。材料問題不解決，生產(chǎn)就無法進行。這里介紹兩種耐腐蝕合金，鎳鋁合金0Ni65Mo28Fe5V和鎳鉻鋁合金00Cr16Ni-60Mo17W4，它們分別相當于國外的哈氏合金（Has.B）和哈氏合金C（Has.C）。前者對鹽酸、硫酸和磷酸有很好的耐腐蝕性，高溫下仍有較高的強度和尺寸穩(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(除沸點外)都有很好的耐蝕性，可鑄造、鍛造和焊接，唯獨加工較困難。上二種耐蝕合金的最太缺點是價格昂貴。它們的化學(xué)成分和有關(guān)性能見表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的粉末，混以熔點較低的金屬，壓制成型，高溫下燒結(jié)，較低熔點的金屬熔化，將金屬碳化物粘結(jié)成一個整體，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。

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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?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)的機械密封的理想摩擦副材料。

2)抗彎強度高。硬質(zhì)合金的坑彎強度一般都在1400MPa以上，抗彎強度的大小與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)材料的機械密封有較強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，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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