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展的基礎。摩擦副在高速旋轉中要抵抗介質的腐蝕，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，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穩定性，能抵抗介質的腐蝕、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，低的摩擦系數和線膨脹系數，優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。

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合金、鎳鉻鋼、鉻鋼、青銅、碳鋼和鑄鐵等;此外還用堆焊、燒結、噴涂等表面處理及復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，應揚長避短，根據具體條件合理選用。

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三、為什么常用碳—石墨來做摩擦副

碳—石墨(以下簡稱石墨)是摩擦副中經常選用的材料，這是因為它有許多優良性能。

1)較高的導熱性。碳的導熱系數20~40W/(m.K)，石墨的導熱系數40~128w/(m.K)，僅次于銀、銅和鋁，是非金屬材料中唯一具有高導熱率的材料，比某些金屬(例如司太利硬質合金和哈氏合金等)的導熱率高得多。因此能及時將產生的摩擦熱散失，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。石墨的線澎脹系數為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。低的膨服系數加上高的導熱率，使其具有良好的熱穩定性，耐熱、耐寒和耐熱沖擊性能好·在承受溫度劇變的時候不產生裂紋。

3)良好的耐腐蝕性。石墨的化學穩定性很好，在空氣中400℃以下穩定，除強氧化性介質如王水、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，石墨與金屬對磨時摩擦系數為0.04～0.05，在全液潤滑條件下，摩擦系數僅為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。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)，用瀝青做粘結劑，經模壓成型在高溫下燒結而成。根據所用原料和燒結溫度與時間的不同，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，其特點是質硬而脆，導熱系數低，加工困難；另一種為石墨化石墨，又稱電化石墨，其特點是質軟、強度低，自潤滑性好。

由于石墨制造過程中，經高溫燒結，其中的瀝青揮發掉，形成氣孔，.必經浸漬方可使用。浸漬后的石墨對導熱性無明顯的影響，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，石化行業較少采用，其優點是價格便宜。

五、石墨浸漬劑有哪些？各有何特點？

石墨浸漬劑的性質決定了浸漬石墨的化學穩定性、熱穩定性、機械強度和應用溫度等。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的腐蝕。在化學性質不十分清楚，或化學成分變化較大的介質中，不可貿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、呋喃樹脂和環氧樹脂等，根據不同的介質性質選用不同的浸漬劉。酚醛樹脂耐酸性較好，環氧樹脂耐堿性介質的腐蝕，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，由于其工藝不太穩定，故未能推廣應用。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，分解和碳化，以填塞石墨中的氣孔，這樣反復進行多次，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、制造密封環用哪些金屬材料

如果說摩擦副中的軟環大都用石墨制造，那么制造硬環則大都用金屬。根據工況(壓力、溫度、速度等)和介質的性質不同，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？

我國煉油行業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，加工制造容易的優勢。硬度雖然不高，但耐磨性不亞于堆焊硬質合金，使用中不會出現裂紋等。其原因是導熱系數大，為堆焊硬質合金的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，使用效果較好。

常用的碳鋼有45、50號鋼，經淬火后提高了硬度和耐磨性，可用于中性介質的密封環。

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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。

十、哪些合金鋼可制做密封環

合金鋼經熱處理后，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。也有用1Crl8Ni9、1Crl8Ni9Ti、Crl8Ni12Me2Ti制做密封環的耐腐蝕性很好，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，連續運轉達兩年。某些合金鋼的性能見表9。

十一、哪些青銅材料可做密封環

青銅牌號很多，可用做密封環的青銅有:ZQSn6-6-3和ZQSn1G-1等，其彈性模量大，具有良好的導熱性、耐磨性，加工性以及對硬質材料的相溶性。但質軟、耐腐蝕性較差，適用于海水，油等介質中。

十二、在強腐蝕性介質中采用什么材料的密封環

隨著生產的發展，強腐蝕性介質逐漸增多，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。它們的化學成分和有關性能見表10、11。

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十三、什么是硬質合金?常用的硬質合金有哪些?

金屬的碳化物(如碳化鎢等)，有許多優良性能，制做密封環是非常合適的。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，較低熔點的金屬熔化，將金屬碳化物粘結成一個整體，便可得到硬質合金。常用的硬質合金有以鈷做粘結劑的碳化鎢硬質合金；以鎳和鉻為粘結劑的耐腐蝕硬質合金；以鋼鐵為粘結劑的鋼結硬質合金以及各種堆焊用的硬質合金焊條等。

十四、硬質合金有哪些優良性能

1）硬度高。碳化鎢硬質合金的硬度一般在.HRA87~94之間，在相當的溫度范圍內，硬度基本不變。由于磨粒磨損的磨損率與硬度成反比，所以高硬度的硬質合金材料，是密封含有懸浮性顆粒介質的機械密封的理想摩擦副材料。

2)抗彎強度高。硬質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。

3）導熱系數高而線膨脹系數小。WC-Co系硬質合金的導熱系數比高速鋼高1~2倍，而線膨脹系數則比高速鋼和碳鋼小得多。因此用硬質合金做摩擦副環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。不同的硬質合金牌號，在各種介質中的耐腐蝕性能不同。.因此，可根據具體的介質性質選擇不同的硬質合金。

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謝謝分項