油品與密封材料相容性分析

阮少軍，費逸偉，吳楠，彭顯才，劉鴻銘

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

油品與密封材料相容性分析

阮少軍，費逸偉，吳楠，彭顯才，劉鴻銘

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

油品與密封材料相容性的好壞對于阻止油品泄露、防止灰塵、水分進入、維持和轉(zhuǎn)換能量有重要作用。為了分析不同油品與常用密封材料間的相容性問題，文章首先對合成橡膠、合成樹脂、金屬密封材料、非金屬密封材料及密封劑等密封材料的特性、適用范圍、使用溫度等進行了分析。在此基礎(chǔ)上，著重分析了潤滑油、噴氣燃料及液壓油與常用密封材料間的相容性情況，結(jié)果表明：對潤滑油而言，硅橡膠的相容性最好，三元乙丙橡膠的相容性最差；對噴氣燃料而言，丁腈橡膠、氟橡膠及氟硅橡膠均具有良好的相容性；對液壓油而言，氟橡膠、聚四氟乙烯、尼龍、苯乙烯塑料具有良好的相容性。

密封材料；相容性；合成橡膠

0 引言

密封材料常被用來封堵結(jié)合面間隙并阻止通道泄露，其作用是防止外界灰塵、水分等雜質(zhì)的侵入以及工作介質(zhì)的泄露。為了保證密封材料的密封性能，需要其具有極高的相容性、良好的隨動性、較高的致密性和高強度等要求，不過尚未有一種材料能夠完全滿足所有條件，在實際使用中仍要根據(jù)使用條件、材料特性和細節(jié)需求來具體選擇適合的密封材料。

相容性實際是指所用油品對密封材料沒有侵蝕性且密封材料不會造成油品污染，對于機械設(shè)備而言，油品與密封材料相容性差不僅會導(dǎo)致涂料溶解、橡膠膨脹，甚至能加速油品的變質(zhì)。因此本文在充分介紹各類密封材料的基礎(chǔ)上，著重以噴氣燃料、潤滑油及液壓油為例，對不同密封材料的相容性進行分析，為密封材料與油料間的選擇搭配提供相應(yīng)的理論支撐。

1 密封材料

密封材料的種類繁多，王亞萍等[1]將其分為合成橡膠、合成樹脂、金屬密封材料、非金屬密封材料及密封劑。不同的密封材料不僅應(yīng)用范圍與條件各有差別，而且作用不一，例如橡膠、聚四氟乙烯等制做的墊片主要起堵塞密封、防止泄露的作用；而軸承合金、碳素材料則因其極好的耐熱性常用于摩擦副材料。

合成橡膠作為應(yīng)用最為廣泛的密封材料，種類繁多且性能各異，常作為墊片、軟填料、油封等主體材料，其具體的特點及用途見表1[1]。

表1 合成橡膠的類型、特點和用途

合成樹脂的密度小、耐油性好、抗腐蝕、耐沖擊、具有很好的塑性，常用的有聚四氟乙烯、聚酰胺、聚甲醛等，詳見表2[1]。由于合成樹脂隨著溫度變化其柔性、彈性變化很大，所以在實際使用中要想獲得比較滿意的密封效果，就必須根據(jù)工作條件正確地選擇合適的密封材料。

表2 常用合成樹脂的特性及用途

金屬類密封材料主要包括鑄鐵、銅、青銅和硬質(zhì)合金等，其中鑄鐵以高耐磨性、高強度、極佳的抗氧化性及減震性能常用做摩擦副材料，工作條件為油性和中性介質(zhì)；鋼一般可分為45鋼、鉻鋼及鉻鎳鋼等，45鋼的耐磨性和力學(xué)性能較好，適用中性介質(zhì)，鉻鋼的硬度高，適用于弱腐蝕性介質(zhì)，而鉻鎳鋼的耐腐蝕性強，但耐磨性及硬度低，故適用于強腐蝕性介質(zhì)；銅材料的導(dǎo)熱性好、耐磨、易加工，可用于工作環(huán)境為油、水等介質(zhì)的密封墊圈；硬質(zhì)合金的硬度極高，強度極大，耐腐蝕性及抗顆粒沖刷性都很好，但其不耐鹽酸及硝酸，可應(yīng)用在所有的油、水和氣等介質(zhì)。

其他非金屬密封材料主要有皮革、紙、石棉、毛氈、陶瓷及石墨等[1]。皮革作為一種纖維類材料，具有很好的柔性和較高的抗拉強度，其多孔性的結(jié)構(gòu)能夠吸收油液而產(chǎn)生自潤滑效果，摩擦因數(shù)及啟動摩擦小，不過自然條件下的皮革作為密封材料很容易發(fā)生泄漏，所以常需對其進行浸漬處理，用填充劑填滿皮革的纖維孔隙，皮革密封適用于那些制造精度低，表面粗糙度高的滑動表面，不過因其取材難，成本高，現(xiàn)在的使用大大縮減了，只是在一些特殊場合使用；密封紙板主要用在制作墊片和襯墊上，可分為襯墊紙板和軟鋼紙板二類，襯墊紙板又可分為浸漬與未浸漬，浸漬襯墊板的吸水性小，彈性好，在與水接觸的汽柴油機中用做密封墊片，未浸漬襯墊板的吸水性大，主要用于制作法蘭和其他平面連接處的密封墊片，而軟鋼紙板強度高，常用在拖拉機發(fā)動機上作為密封墊片；石棉可分為蛇紋石棉及角閃石石棉，其具有高的耐熱性，紡紗性及高油水吸附力，廣泛用于制作石棉橡膠板、耐油石棉橡膠板及襯墊石棉板；毛氈按照制得零件可分為油封毛氈、襯墊毛氈及過濾毛氈，常用于液壓、氣動、真空等機械密封材料；陶瓷可分為氧化物、氮化物及硼化物陶瓷，因其強度高，耐腐蝕性好，常被用于制作摩擦副硬環(huán)；石墨分為硬石墨及石墨纖維二種形態(tài)，其摩擦因數(shù)小，自潤滑性能好，導(dǎo)電性好、耐熱性及耐溫度變化能力高，當(dāng)環(huán)境溫度超過400 ℃才開始氧化，并且石墨是很好的化學(xué)惰性材料，有很好的可加工性，常被用在摩擦副材料中。

密封劑分為干性和濕性，使用溫度在-100～260 ℃[1]，對于結(jié)合面加工精度不好的材料，使用密封劑能夠有效防止漏油。

2 油品與密封材料的相容性

密封材料常被用來防止流體泄漏、穩(wěn)定壓力、維持或轉(zhuǎn)換能量，在機械發(fā)動機等以油品為介質(zhì)的使用環(huán)境中，密封材料是否具有良好的相容性將會直接影響機械設(shè)備性能的發(fā)揮。下面分別以潤滑油、噴氣燃料及液壓油為例，對不同密封材料的相容性加以分析。

2.1潤滑油

潤滑油與密封材料不相容一方面會造成金屬腐蝕、橡膠過分膨脹、加速油品變質(zhì)等問題，另一方面因橡膠密封材料體積溶脹或收縮也會導(dǎo)致油品的泄漏。針對漏油情況，特就潤滑油與橡膠密封材料的相容性做以分析，常使用的橡膠密封材料分為丁腈橡膠、丁苯橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠和氟橡膠，在溫度120 ℃，接觸時間為70 h的條件下，潤滑油和橡膠密封材料接觸后，橡膠密封材料的體積膨脹率不能超過5%，邵氏硬度變化不能超過±5IRHD。華平等[2]詳細考察了石蠟基油、環(huán)烷基油、甲基硅油、甲苯基硅油、聚α-烯烴、季戊四醇酯及新戊二醇酯與不同橡膠密封材料的相容性情況，結(jié)果見表3[2]。

表3 各類潤滑油樣在不同橡膠密封材料中的體積膨脹率及硬度 %

為了便于分析表2中不同油品與橡膠材料的相容性，圖1和圖2分別表示各類密封材料在不同潤滑油品中的體積溶脹及邵氏硬度的變化情況，其中油品編號1～7分別代表石蠟基油、環(huán)烷基油、甲基硅油、甲苯基硅油、聚α-烯烴、季戊四醇酯及新戊二醇酯。

按照規(guī)定，一方面橡膠密封材料的體積膨脹率不能超過5%。從圖1 中不難看出，1號油品(石蠟基油)與丁腈膠、氟橡膠及硅橡膠的體積膨脹率均符合要求；2號油品(環(huán)烷基油)中丁腈膠和氟橡膠的體積膨脹率滿足需要；3號油品(甲基硅油)中三元乙丙膠、丁腈膠和氟橡膠亦滿足條件；4號油品(甲苯基硅油)中五種橡膠密封材料的體積膨脹率均與規(guī)定符合；5號油品(聚α-烯烴)除了三元乙丙膠不符合條件外，其他橡膠均符合規(guī)定；6號油品(季戊四醇酯)除了丁苯膠外其他橡膠均符合要求；7號油品(新戊二醇酯)和6號油品的情況類似。

圖1 各類密封材料在不同潤滑油品中的體積溶脹

另一方面，也要求邵氏硬度變化不能超過±5IRHD。從圖2不難發(fā)現(xiàn)，1號油品(石蠟基油)滿足要求的有丁腈膠、氟橡膠及硅橡膠；2號油品(環(huán)烷基油)五種密封橡膠材料均不能達到要求；3號油品(甲基硅油)與2號油品的情況類似；4號油品(甲苯基硅油)中氟橡膠和硅橡膠的硬度需要與規(guī)定符合；5號油品(聚α-烯烴)中丁腈膠、丁苯膠和硅橡膠可以滿足需要；6號油品(季戊四醇酯)中五種橡膠材料均能達到要求；7號油品(新戊二醇酯)除了丁苯膠不符合要求外，其他橡膠都能符合要求。

圖2 各類密封橡膠材料在不同潤滑油品中的邵氏硬度

綜合兩方面的因素，即橡膠密封材料的體積膨脹率不能超過5%，邵氏硬度變化不能超過±5IRHD，可以得出硅橡膠的相容性最好，三元乙丙膠的相容性最差，從專用性的角度來看，聚α-烯烴和丁苯膠的相容性最好，季戊四醇酯與丁腈膠的相容性最好。

2.2噴氣燃料

噴氣燃料的重要使用性能之一便是橡膠的相容性，在研究某型發(fā)動機燃油系統(tǒng)的使用情況時，邢彬等[3-4]重點考察了丁腈橡膠(5080-2)、氟硅橡膠(FS4270)、氟硅橡膠(FS6265)、氟橡膠(FX-4)及氟橡膠(FX-16)在浸油后的扯斷伸長率、體積質(zhì)量變化及壓縮變形情況，具體的試驗結(jié)果見表4[3]。

表4 噴氣燃料中各類合成橡膠的拉斷伸長率、體積質(zhì)量變化及壓縮變形 %

表4中RP-3和RP-5分別代表同批膠料浸噴氣燃料和高閃點噴氣燃料，分析其相關(guān)檢測項目的試驗結(jié)果可知，丁腈橡膠(5080-2)的拉斷伸長率均符合要求，說明其作為密封材料在噴氣燃料的介質(zhì)環(huán)境中彈性較好；氟橡膠(FX-4)及氟橡膠(FX-16)的試驗結(jié)果相近，表明其受壓后回彈性相當(dāng)；氟硅橡膠(FS4270)及氟硅橡膠(FS6265)相比較而言，氟硅橡膠(FS4270)對于3號噴氣燃料(RP-3)的適應(yīng)性較好，而氟硅橡膠(FS6265)對于RP-3及RP-5的相容性接近。從中不難發(fā)現(xiàn)，在噴氣燃料的使用環(huán)境中，上述五種合成橡膠均具有良好的相容性。

2.3液壓油

液壓系統(tǒng)中使用的密封材料大多是高分子彈性體，極特殊條件下也會使用金屬及塑料元件。由于液壓系統(tǒng)中使用了葉片泵，造成其工作時壓力大，磨損嚴重，所以油品中添加了抗磨劑，同時為了保證油品的使用效果，也加入了極壓抗磨劑，這樣一來，密封材料很容易與液壓油中含有的某些化學(xué)元素反應(yīng)，油品中各類化學(xué)元素的含量不同，對密封材料性質(zhì)的影響亦有所區(qū)別，黃興等依據(jù)上述物質(zhì)與密封元件間相似相溶的原理，對常用密封材料的相容性進行了分類對比，詳見表5[5]。

表5 各類液壓油和常用密封材料的相容性

在液壓系統(tǒng)中，除了液壓油與密封材料的相容性會影響密封效果外，呂兆岐等還發(fā)現(xiàn)諸如液壓油的黏度等物理性質(zhì)也會對密封效果造成影響[6]，因此根據(jù)不同的使用條件，合理的選擇密封材料并做到正確的維護就顯得尤為重要。

3 結(jié)束語

機械正常運轉(zhuǎn)時，油品在與密封材料接觸面上的流動是雙向進行的，一邊從大氣側(cè)流向油品側(cè)，另一方面又從油品側(cè)流向大氣側(cè)，而且在其運動過程中密封元件與其接觸配合面之間會形成一層潤滑膜，依靠潤滑膜的存在來達到防止磨損、密封及避免泄漏的目的。影響潤滑膜的因素有很多，機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度、壓力均會對其造成影響，因此在密封材料的選用上，在滿足基本需求的條件下，為了達到更好的密封效果，應(yīng)該選擇那些摩擦系數(shù)小、自潤滑性能較好的密封材料。

油品與密封材料相容性的好壞對于防止液體的泄露、維持壓力的恒定及能量的轉(zhuǎn)移至關(guān)重要。在具體的生產(chǎn)實踐中，要依據(jù)所用油品的理化性能及工作環(huán)境對不同密封材料進行合理地選用。只有從各個細小環(huán)節(jié)上嚴格把關(guān)，才能保證機械設(shè)備正常、可靠、安全的運轉(zhuǎn)。

[1] 王亞萍,韓桂華,焦衛(wèi)兵.液壓泄漏防治技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012:31-49.

[2] 華平,凌付軍,朱忠華.橡膠與潤滑油的相容性考察[J].合成潤滑材料,2011,38(1):7-9.

[3] 邢彬,史艷梅,崔琳.航空發(fā)動機用橡膠混煉與高閃點噴氣燃料相容性研究[J].橡塑技術(shù)與裝備,2013,39:15-16

[4] 師昌緒，劉伯操.航空材料手冊[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[5] 黃興,蔡琦.液壓油對密封件性能的影響[J].液壓氣動與密封,2004(5):14-16.

[6] 呂兆岐,謝全.潤滑油品研究與應(yīng)用指南[M].北京:中國石化出版社,1997.

Analysis of Compatibility of Oil and Sealing Materials

RUAN Shao-jun, FEI Yi-wei, WU Nan, PENG Xian-cai, LIU Hong-ming

(Department of Aviation Oil and Material, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

The compatibility of oil and sealing materials has an important impact on preventing oil leakage, preventing dust and water from entering, maintaining and transferring energy. In order to analyze the compatibility between different oils and common sealing materials, in this paper, the characteristics, range of application，and temperature of synthetic rubber, synthetic resin, metal sealing materials, nonmetallic sealing materials and sealant are analyzed. On this basis, the compatibility of lubricating oil, jet fuel and hydraulic oil with common sealing materials is analyzed emphatically. The conclusions are as follows: the compatibility of silicone rubber is the best for lubricating oil, and the compatibility of ethylene propylene terpolymer rubber is the worst; in the case of jet fuel, acrylonitrile-butadiene rubber, fluorine rubber and fluorocarbon silicone rubber have good compatibility; for hydraulic oil, fluorine rubber, polytetrafluoroethylene, nylon, styrene plastic have good compatibility.

sealing materials; compatibility; synthetic rubber

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.05.005

1002-3119(2017)05-0023-05

TE626.3

A

2017-04-28。

阮少軍,空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系在讀碩士研究生,主要研究方向：航空油料應(yīng)用技術(shù)。E-mail：1104510331@qq.com