機(jī)械密封材料淺析

王玉春

一、概述

在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械密封件的使用量日趨增大，主要由于隨著社會的發(fā)展，人們對能源浪費，環(huán)境污染日趨重視，尤其在石化行業(yè)要堅決杜絕跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象，因此密封技術(shù)的開發(fā)和利用日益成為國內(nèi)外的一個重要課題。

由機(jī)械密封的工作原理可知，機(jī)械密封的密封性主要是靠在彈簧力和介質(zhì)壓力作用下相互緊密貼合，彼此間有相對運動的動靜環(huán)來保證的，所以說機(jī)械密封的摩擦副是保證密封可靠性與壽命的關(guān)鍵元件。機(jī)械密封使用水平的好壞在很大程度上取決于材料，因此，正確合理地選用摩擦副材料，對保證密封的正常工作，延長使用壽命具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外在端面新材料中，碳化硅是發(fā)展迅速的材料之一，在端面密封的摩擦副零件中，常采用整體碳化硅或以碳化硅為基體的覆蓋層（如碳化硅陶瓷），這種整體碳化硅或碳化硅陶瓷以其化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)和耐磨性能好為條件，使密封具有很高的耐腐蝕穩(wěn)定性、高硬度、傳導(dǎo)性和抗熱沖擊穩(wěn)定性。

二、碳化硅陶瓷材料的性能

經(jīng)過大量的實驗研究及實踐證明，SiC具有優(yōu)良的性能，這些性能包括：

1.硬度高，耐磨性好;

2.比重低，比強(qiáng)度高;

3.彈性模量高;

4.抗熱震性好，含 C 20-40%時其抗熱震系數(shù)為69.6Cal/cm.S;

5. 導(dǎo)熱率高，一般在37-110 W/m.k之間;

6.熱膨脹系數(shù)低，一般為4-5×10-6l/℃;

7.摩擦系數(shù)低，約為硬質(zhì)合金的一般：

8.耐化學(xué)腐蝕能力好;

SiC為典型的共價化合物，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。表3列出了SiC與其它幾種材料的耐腐蝕性能比較。

9.耐高溫性能好;

10.具有自潤滑性。

（1）碳化硅陶瓷

磁力泵一般采用碳化硅陶瓷軸承。為防止游離的硅離子進(jìn)入介質(zhì)，一般應(yīng)要求采用純燒結(jié)的a級碳化硅。碳化硅滑動軸承，承載能力高，且具有極強(qiáng)的耐沖蝕、耐化學(xué)腐蝕、耐磨損和良好的耐熱性，使用溫度可達(dá)500。C以上。碳化硅滑動軸承的使用壽命一般可達(dá)3年以上。

（2）石墨

石墨具有較好的自潤滑性能，可經(jīng)受短時間的干運行，使用溫度可達(dá)450℃，缺點是耐磨性能較差。石墨滑動軸承的使用壽命一般可達(dá)1年以上。由于石墨材質(zhì)相對較軟，因此屏蔽泵的滑動軸承較多地采用石墨材質(zhì)。石墨滑動軸承與表面堆焊鎢、鉻、鈷等硬質(zhì)合金或等離子噴涂氮化硅一類硬質(zhì)合金制成的軸套組成摩擦副，使用壽命可達(dá)一年以上。

也有些屏蔽泵廠商，由于較好地解決了前后兩個滑動軸承座的對中問題，因此也可采用純燒結(jié)a級碳化硅材質(zhì)。如果使用情況良好，純燒結(jié) 級碳化硅滑動軸承的壽命可達(dá)三年以上。

三、機(jī)械密封的摩擦副的選擇

機(jī)械密封的摩擦副主要由動、靜環(huán)組成，有時還有中間浮動環(huán)。

（1）對摩擦副密封環(huán)的設(shè)計要求！ 根據(jù)機(jī)械密封的工作特點和要求，應(yīng)考慮下列問題：

1）摩擦副（密封副）的材料應(yīng)選用該條件下摩擦和磨損量最少且耐腐蝕的并允許干摩擦（至少允許能在短時間內(nèi)干摩擦）的材料。

2）選材時若比壓或pv值超過允許值，則可采用減小面積比（采用平衡型密封）的辦法。但必須注意隨著面積比的減小，密封的可靠性下降，因為在縫隙內(nèi)流體膜壓作用下密封面有開啟失效的可能性。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡可能減小密封面平均直徑，以降低周速和摩擦副溫度。

4）摩擦副中軟材料環(huán)的密封面寬度應(yīng)比硬材料環(huán)窄，以免硬環(huán)對磨時陷入軟環(huán)引起密封面剝落或強(qiáng)烈的磨損。軟、硬環(huán)密封面寬度差對于軸徑為5～150mm 的密封，其值為1～4mm。硬對硬的摩擦副的環(huán)寬可以相同，也可以不同，因為磨損極微，不致于互相嵌入。

5）隨著密封寬度的減小，摩擦副內(nèi)摩擦熱減少而使散熱性改善。此外，密封面的磨損也比較均勻，縫隙有效高度也會隨之而減小。這樣減小密封面寬度比較合理，但是太窄的密封面損壞的危險性增大（進(jìn)入磨粒、出現(xiàn)擦傷、沖蝕磨損），局部強(qiáng)度下降和承磨突臺的剛度下降。塑料的導(dǎo)熱性差，寬度對溫度有影響，因此塑料環(huán)寬應(yīng)小于一般石墨環(huán)。氣體端面密封由于磨粒對密封面損傷可能性較小，可以比液體端面密封寬度取得小些。但當(dāng)氣體端面密封承載能力較小時，寬度宜取大值。流體動壓密封因為開槽，其寬度比普通機(jī)械密封大，流體靜壓密封的寬度比前兩種密封更大，因為它是由力平衡和允許泄漏量來確定的。

6）密封環(huán)的斷面形狀和定位方式應(yīng)保證密封面變形量最小，形狀盡可能趨向矩形或方形斷面。脆性材料環(huán)要注意過渡斷面處應(yīng)是均緩過渡，圓角半徑為 1～3mm，這樣做，強(qiáng)度要比尖角過渡大一倍。

7）摩擦副組裝時其定位和固裝方式都有所不同，取決于密封的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)，可以采用鑲嵌、粘接、箍裝等方式。

8）選擇靜、動環(huán)時，考慮動環(huán)的給熱系數(shù)比靜環(huán)大，因此考慮動環(huán)用導(dǎo)熱率較高的材料制作。改變摩擦副環(huán)的形狀也有利于改善摩擦副的給熱情況并降低摩擦副溫度。例如，在密封面附近開環(huán)形槽。導(dǎo)熱串高的材料做成厚環(huán)，其散熱效果將會改善。

9）摩擦副密封面不垂直對其工作有不良影響（如安裝、制造、振幅和其它不良因素對工作有影響），因此必須采用結(jié)構(gòu)和工藝措施保證最小的誤差。動環(huán)誤差一般比靜環(huán)大，因此高速下采用靜止式。

10）摩擦副環(huán)上徑向作用力取決于對中精度、軸與軸套同心度和密封面不垂直度，應(yīng)盡可能減小此力。

（2）對摩擦副材料的要求

1）機(jī)械強(qiáng)度高———耐壓、耐壓力變形;

2）自潤滑性能好———耐干磨性、耐高負(fù)荷性;

3）材料配對性能好———磨合性好、無過大的磨損和對偶腐蝕（組對材料電位差<250mV）;

4）耐磨性好———壽命長;

5）導(dǎo)熱性好———散熱性好;

6）耐熱性好———耐高溫性能好;

7）耐熱沖擊性好———抗熱裂性能好（耐熱沖擊系數(shù)高）;

8）耐腐蝕性強(qiáng)———耐腐蝕和耐沖擊;9）線膨脹系數(shù)小———耐熱變形、尺寸穩(wěn)定性好;

四、結(jié)論

由于SiC具有如此優(yōu)良的材料性能，由碳化硅和碳或不銹鋼組成的摩擦副的磨損大大低于其他組對摩擦副的磨損，碳化硅的耐化學(xué)腐蝕性能較碳化鎢或其它摩擦副材料強(qiáng)，尤其適用于惡劣環(huán)境中。如原使用錫青銅密封環(huán)與9Cr18不銹鋼對磨，工作壽命極低，改用Al2O3陶瓷材料后，一般壽命可在1000小時左右，再改用燒結(jié)SiC密封環(huán)與9Cr18不銹鋼對磨，壽命可提高到8400小時以上，而且磨損量很小，還可以繼續(xù)使用。Sic材料的缺點是具有脆性，強(qiáng)度偏低，抗沖擊能力差。這些有待于進(jìn)一步改善，以其成為一種更加完美的機(jī)械密封摩擦副材料。