机械密封材料的选用知识

      1. 对机械密封的摩擦副材料有哪些要求?

　　机械密封的材料是其赖以存在和发展的基础。摩擦副在高速旋转中要抵抗介质的腐蚀，承受一定的压力，进行热交换。在相对运动和摩擦的情况下完成密封的任务，因此对材料提出了以下一些要求：

　　1)在防腐蚀方面要有良好的化学稳定性，能抵抗介质的腐蚀、磨蚀、溶解和溶胀;

　　2)在物理机械性能方面要有较高的弹性模量、强度及许用PV值，低的摩擦系数和线膨胀系数，优良的耐磨性和自润滑性以及良好的不渗透性等;

　　3)在热力性能方面要有很好的导热性，耐热，耐寒性和耐温度的急变性;

　　4)材料来源方便，加工制造容易，成本低廉。

　　2.制造摩擦副的材料有哪几类?

　　目前制造摩擦副的材料很多。常用的非金属材料有碳-石墨、陶瓷、聚四氟乙烯和塑料等;常用的金属材料有硬质合金、镍铬钢、铬钢、青铜、碳钢和铸铁等;此外还用堆焊、烧结、喷涂等表面处理及复合工艺改变或改善摩擦副的表面性能。各种材料都具有一定的特性，在选择摩擦副材料时，应扬长避短，根据具体条件合理选用。

　　3.为什么常用碳-石墨来做摩擦副?

　　碳-石墨(以下简称石墨)是摩擦副中经常选用的材料，这是因为它有许多优良性能，如下：

　　1)较高的导热性。碳的导热系数20~40W/(m.K)，石墨的导热系数40~128w/(m.K)，仅次于银、铜和铝，是非金属材料中唯一具有高导热率的材料，比某些金属(例如司太利硬质合金和哈氏合金等)的导热率高得多。因此能及时将产生的摩擦热散失，从而降低密封端面的温度，这对提高其可靠性和使用寿命都是非常必要的。

　　2)较低的线膨胀系数。石墨的线膨胀系数为2×10ˉ6～6×10ˉ8/℃，大约是金属的1/2～1/4。在温度升高时，其热变形较小，对保持密封端面的平行是有利的。低的膨胀系数加上高的导热率，使其具有良好的热稳定性，耐热、耐寒和耐热冲击性能好，在承受温度剧变的时候不产生裂纹。

　　3)良好的耐腐蚀性。石墨的化学稳定性很好，在空气中400℃以下稳定，除强氧化性介质如王水、铬酸、浓硫酸及卤族元素外，可耐其它酸、碱、盐及一切有机化合物的腐蚀。需要说明的是其耐蚀程度随石墨的种类和浸渍剂的不同而异。

　　4)极好的自润滑性。这是因为石墨与金属或其它材料相对摩擦时，石墨转移到金属表面，形成石墨与石墨的相对摩擦。此外石墨还有低的摩擦系数，石墨与金属对磨时摩擦系数为0.04～0.05，在全液润滑条件下，摩擦系数仅为0.008～0.01。

　　5)石墨的抗拉强度较低，抗压强度较高，属于一种脆性材料。由于硬度较低，常用做摩擦副中的软环。可以很方便地进行各种加工。 其突出的缺点是气孔率较大，一般在18%～22%。为弥补此缺点，实际应用的石墨都是浸渍过的，以堵塞气孔，提高密封性。

　　4.石墨有几种?各有何特点?

　　石墨是用焦炭粉和石墨粉(或炭黑)，用沥青做粘结剂，经模压成型在高温下烧结而成。根据所用原料和烧结温度与时间的不同，可以制成具有不同物理机械性能的石墨。一种称高强石墨，又称碳素石墨，其特点是质硬而脆，导热系数低，加工困难;另一种为石墨化石墨，又称电化石墨，其特点是质软、强度低，自润滑性好。

　　由于石墨制造过程中，经高温烧结，其中的沥青挥发掉，形成气孔，必经浸渍方可使用。浸渍后的石墨对导热性无明显的影响，而强度和硬度却有显著提高。

　　除上述石墨外，还有树脂石墨，它是用合成树脂做粘结剂，与石墨粉混合均匀，压制成形，升温到树脂固化温度而成。这种石墨允许使用的PV值不高，石化行业较少采用，其优点是价格便宜。

　　5.石墨浸渍剂有哪些?各有何特点?

　　石墨浸渍剂的性质决定了浸渍石墨的化学稳定性、热稳定性、机械强度和应用温度等。目前常用的浸渍剂可分为两大类:合成树脂和金属。一般情况下，大都浸渍合成树脂，而浸渍金属的石墨使用较少。这是因为合成树脂没有熔融倾向，当超过允许的温度使用极限时，也不会像金属浸渍的石墨那样，很快地失效;浸渍石墨的金属熔化时，常常和与其对磨的金属粘连在一起。合成树脂浸渍的石墨在耐蚀性方面还优于金属浸渍的石墨。选择金属做浸渍剂时要注意两个问题:金属的熔点不可过低，实践证明，铅、锡以及巴氏合金等低熔点金属，不能用做浸渍剂;另一个问题是浸渍的金属要耐介质的腐蚀。在化学性质不十分清楚，或化学成分变化较大的介质中，不可贸然采用浸金属的石墨。例如在原油泵和常减压塔底泵的密封中，不能采用巴氏合金和铜(包括铜合金)浸渍的石墨，可以选用浸锑的石墨。

　　目前国内外广泛使用各种合成树脂浸渍剂。***酚醛树脂、呋喃树脂和环氧树脂等，根据不同的介质性质选用不同的浸渍刘。酚醛树脂耐酸性较好，环氧树脂耐碱性介质的腐蚀，呋喃树脂耐酸碱性能都较好，因此，呋喃树脂用得较普遍。此外，还有采用浸渍聚四氟乙烯悬浮液的，耐蚀性更佳，由于其工艺不太稳定，故未能推广应用。工作温度升高时，尤其是温度超过200℃以后，合成树脂分解和碳化，导致石墨硬度和强度下降，使磨损加剧。

　　为了克服上述缺点，出现了浸渍沥青的石墨。它是将沥青加热到一定的温度，加压浸渍后，再将石墨升温，使沥青挥发，分解和碳化，以填塞石墨中的气孔，这样反复进行多次，最终得到合格的石墨。

　　6.制造密封环用哪些金属材料

　　如果说摩擦副中的软环大都用石墨制造，那么制造硬环则大都用金属。根据工况(压力、温度、速度等)和介质的性质不同，则采用不同的金属。***铸铁和碳钠、高硅铁、合金钢、青铜、耐蚀金属和硬质合金等。这些材料在价格和加工制造的难易程度上有很大的差别，必须掌握它们的性能，以最低的成本，选择适用的材料。

　　7.铸铁和碳钢有何特点?适用什么介质?

　　我国炼**业最早的机械密封摩擦副材料就是铸铁对石墨。铸铁具有价格低，加工制造容易的优势。硬度虽然不高，但耐磨性不亚于堆焊硬质合金，使用中不会出现裂纹等。其原因是导热系数大，为堆焊硬质合金的3~4倍。铸铁组织比较疏松，可吸附微量液体，形成含油摩擦面，改善了润滑状况。其缺点是耐蚀性差，因此只能用于中性介质和PV值不高的场合。为提高其耐蚀性，采用了合金铸铁，在其中加入适量元素(如铝、镍和铬等)，可明显延长使用寿命，而价格却很低。约翰克兰密封公司就采用合金铸铁做静环，使用效果较好。

　　常用的碳钢有45、50号钢，经淬火后提高了硬度和耐磨性，可用于中性介质的密封环。

　　8.高硅铁有何特点?

　　高硅铸铁是含硅10%~17%及含碳甲0.5%~1.2%的硅铁合金。常用的高硅铁中含硅量约14.5%，是一种优良的耐酸材料。由于材料表面有一层保护性很强的氧化硅膜，故它对各种浓度的硫酸、硝酸、有机酸、酸性盐等介质有良好的耐腐蚀性。但在氢氟酸中却很快腐蚀，也不耐强碱、盐酸和热的三氯化铁溶液的腐蚀。

　　其缺点是质脆，耐温度剧变性差，骤冷骤热会炸裂。因此，在安装过程中不能用力敲打。此外硬度较高(HRc45~50)，加工困难。

　　9.哪些合金钢可制做密封环?

　　合金钢经热处理后，硬度和耐磨性**提高，加工制造比较容易，成本较低，有些场合可以使用。常用的铬钢材料有3Cr13、4Cr13、9Cr18，耐腐蚀性比碳钢好，适用于弱腐蚀性介质。也有用1Crl8Ni9、1Crl8Ni9Ti、Crl8Ni12Me2Ti制做密封环的耐腐蚀性很好，但硬度低，耐磨性差。还有用高速工具钢和轴承钢制做密封环的，如W18Cr4V和Gcrg等。胜利炼油厂在石油气离心压缩机的高速机械密封上就用W18Cr4V制造动环，连续运转达两年。

　　10.哪些青铜材料可做密封环?

　　青铜牌号很多，可用做密封环的青铜有:ZQSn6-6-3和ZQSn1G-1等，其弹性模量大，具有良好的导热性、耐磨性，加工性以及对硬质材料的相溶性。但质软、耐腐蚀性较差，适用于海水，油等介质中。

　　11.在强腐蚀性介质中采用什么材料的密封环?

　　随着生产的发展，强腐蚀性介质逐渐增多，对材料提出了更高的要求。例如氢氟酸、各种浓度和温度下的硫酸和盐酸等。材料问题不解决，生产就无法进行。这里介绍两种耐腐蚀合金，镍铝合金0Ni65Mo28Fe5V和镍铬铝合金00Cr16Ni-60Mo17W4，它们分别相当于国外的哈氏合金(Has.B)和哈氏合金C(Has.C)。前者对盐酸、硫酸和磷酸有很好的耐腐蚀性，高温下仍有较高的强度和尺寸稳定性，切削加工性能好;而哈氏合金C在氧化(或还原)性强腐蚀性介质中是最耐蚀的合金之一，在600℃以下各种浓度的氟化氢气体中仍很耐蚀，在高温氢氟酸气体中也很耐蚀，在各种浓度的硝酸中(除沸点外)都有很好的耐蚀性，可铸造、锻造和焊接，唯独加工较困难。以上两种耐蚀合金的最大缺点是价格昂贵。

　　12.什么是硬质合金?常用的硬质合金有哪些?

　　金属的碳化物(如碳化钨等)，有许多优良性能，制做密封环是非常合适的。但是，由于这些碳化物的熔点非常高，用普通的冶炼方法是行不通的。通常用粉末冶金的方法，它是将碳化物制成很细的粉末，混以熔点较低的金属，压制成型，高温下烧结，较低熔点的金属熔化，将金属碳化物粘结成一个整体，便可得到硬质合金。常用的硬质合金有以钴做粘结剂的碳化钨硬质合金;以镍和铬为粘结剂的耐腐蚀硬质合金;以钢铁为粘结剂的钢结硬质合金以及各种堆焊用的硬质合金焊条等。

　　13.硬质合金有哪些优良性能?

　　1)硬度高。碳化钨硬质合金的硬度一般在HRA87~94之间，在相当的温度范围内，硬度基本不变。由于磨粒磨损的磨损率与硬度成反比，所以高硬度的硬质合金材料，是密封含有悬浮性颗粒介质的机械密封的理想摩擦副材料。

　　2)抗弯强度高。硬质合金的坑弯强度一般都在1400MPa以上，抗弯强度的大小与WC晶粒的大小有关。

　　3)导热系数高而线膨胀系数小。WC-Co系硬质合金的导热系数比高速钢高1~2倍，而线膨胀系数则比高速钢和碳钢小得多。因此用硬质合金做摩擦副环材料的机械密封有较强的耐热冲击性能和承载能力。

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　　4)有一定的耐腐蚀能力。不同的硬质合金牌号，在各种介质中的耐腐蚀性能不同。因此，可根据具体的介质性质选择不同的硬质合金。