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(huì)的發(fā)展，人們對(duì)能源浪費(fèi)，環(huán)境污染日趨重視，尤其在石化行業(yè)要堅(jiān)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(guó)內(nèi)外的一個(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(duì)保證密封的正常工作，延長(zhǎng)使用壽命具有十分重要的意義。

目前，國(guó)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(shí)驗(yàn)研究及實(shí)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(shí)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(jià)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(rùn)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(jí)碳化硅。碳化硅滑動(dòng)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(dòng)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(rùn)滑性能，可經(jīng)受短時(shí)間的干運(yùn)行，使用溫度可達(dá)450℃，缺點(diǎn)是耐磨性能較差。石墨滑動(dòng)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(duì)較軟，因此屏蔽泵的滑動(dòng)軸承較多地采用石墨材質(zhì)。石墨滑動(dòng)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(gè)滑動(dòng)軸承座的對(duì)中問題，因此也可采用純燒結(jié)a級(jí)碳化硅材質(zhì)。如果使用情況良好，純燒結(jié) 級(jí)碳化硅滑動(dòng)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(dòng)、靜環(huán)組成，有時(shí)還有中間浮動(dòng)環(huán)。

（1）對(duì)摩擦副密封環(huán)的設(shè)計(jì)要求！ 根據(jù)機(jī)械密封的工作特點(diǎn)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(shí)間內(nèi)干摩擦）的材料。

2）選材時(shí)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?yàn)樵诳p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(jì)時(shí)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(duì)磨時(shí)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(duì)于軸徑為5～150mm 的密封，其值為1～4mm。硬對(duì)硬的摩擦副的環(huán)寬可以相同，也可以不同，因?yàn)槟p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(huì)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(xiǎn)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(tái)的剛度下降。塑料的導(dǎo)熱性差，寬度對(duì)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(duì)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(shí)，寬度宜取大值。流體動(dòng)壓密封因?yàn)殚_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?yàn)樗怯闪ζ胶夂驮试S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(shí)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(dòng)環(huán)時(shí)，考慮動(dòng)環(huán)的給熱系數(shù)比靜環(huán)大，因此考慮動(dòng)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(huì)改善。

9）摩擦副密封面不垂直對(duì)其工作有不良影響（如安裝、制造、振幅和其它不良因素對(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(rùn)滑性能好———耐干磨性、耐高負(fù)荷性;

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

4）耐磨性好———壽命長(zhǎng);

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(duì)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(duì)磨，工作壽命極低，改用Al2O3陶瓷材料后，一般壽命可在1000小時(shí)左右，再改用燒結(jié)SiC密封環(huán)與9Cr18不銹鋼對(duì)磨，壽命可提高到8400小時(shí)以上，而且磨損量很小，還可以繼續(xù)使用。Sic材料的缺點(diǎn)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。