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離心泵機械密封材質(zhì)選用
機械密封摩擦副材料
根據(jù)統(tǒng)計，機械密封的泄漏大約有80%～95%是由于密封端面摩擦副造成的。除了要保持密封面平行之外，主要是摩擦副的材料問題。
(1)機械密封摩擦副材料應(yīng)具備下列條件：
1） 機械強度高，能耐壓和耐壓力變形；
2） 具有耐干磨性，耐高載荷性，自潤滑性好；
3） 配對材料的磨合性好，無過大的磨損和對偶腐蝕；
4） 耐磨性好，壽命長；
5） 導(dǎo)熱性和散熱性好；
6） 耐高溫性能好；
7） 抗熱裂性能好；
8） 耐腐蝕性強；
9） 線膨脹系數(shù)小，能耐熱變形和尺寸穩(wěn)定性好；
10） 切削加工性好，成型性能好；
11） 氣密性好；
12） 密度小。
綜合衡量摩擦副材料，一般認(rèn)為：浸漬樹脂或金屬的石墨材料，其導(dǎo)熱性和自潤滑性都很好，應(yīng)優(yōu)先考慮選用；強氧化性介質(zhì)，應(yīng)選用陶瓷材料；介質(zhì)含顆粒，應(yīng)選用硬對硬摩擦副材料，如碳化鎢-碳化鎢；強腐蝕介質(zhì)，應(yīng)選用填充聚四氟乙烯-陶瓷等。
機械密封軟面材料
(2)機械密封軟面材料主要包括：
1）石墨。有兩種不同燒結(jié)石墨：碳石墨和電化石墨。前者質(zhì)硬而脆，后者質(zhì)軟、強度低、自潤滑性好。
石墨具有良好的自潤滑性和良好的導(dǎo)熱性，具有良好的耐腐蝕性但不耐強氧化介質(zhì)，具有抗熱沖擊性和低摩擦因數(shù)。然而石墨存在著氣孔率大、機械強度低的缺點。因此石墨用作軟面材料時，需要用浸漬等辦法來填塞孔隙，提高機械強度。
選擇合適的浸漬劑是非常重要的。浸漬劑的性質(zhì)決定了浸漬石墨的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、機械強度、使用溫度等。常用的浸漬樹脂有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、呋喃樹脂等。酚醛樹脂耐酸性較好，環(huán)氧樹脂耐堿性好，而呋喃樹脂耐酸性和耐堿性均較好。常用的浸漬金屬有巴氏合金、銅合金、鋁合金、銻合金等。浸漬金屬石墨主要用90MPa，使用溫度可達500℃；浸銅或銅合金的碳石墨使用溫度為300℃；浸巴氏合金的碳石墨使用溫度為120～180℃。
(3)表7-19所列為碳石墨材料性能。牌號
材料
體積密度/g.cm-3
硬度/HS
抗彎強度/MPa
抗壓強度/MPa
膨脹系數(shù)/C-1
氣孔率/%
使用溫度/℃
M121
碳石墨
1.56
65
25.5
73.65
4.0×10-6
17
350
M106H
M120H
M204H
M220H
浸環(huán)氧樹
脂碳石墨
1.60
1.68
1.90
1.90
60
60
40
45
29.42
41.19
29.42
39.23
107.87
88.26
68.65
83.36
11.0×10-6
11.0×10-6
8.0×10-6
11.0×10-6
5
5
5
5
200
200
200
200
M106K①
浸呋喃樹
脂碳石墨
1.69
80
50
117.68
11.0×10-6
5
220
M232L
浸鋁合金
碳石墨
2.15
40
98.065
196.13
8.0×10-6
4
400
M106Y
M232Y
浸巴氏合
金碳石墨
2.36
2.06
60
50
58.84
39.23
196.13
147.1
6.0×10-6
6.0×10-6
5
5
180
180
M158K②
浸呋喃樹
脂碳石墨
1.68
75～85
58.84～68.65
58.84～68.65
4.0×10-6
～6.0×10-6
<1
-103～250
M158H②
浸環(huán)氧樹
脂碳石墨
1.70
65～76
196.13～294.2
147.1～196.13
4.0×10-6
～6.0×10-6
<1
-103～230
①導(dǎo)熱率為4.187W/(m.K);
②導(dǎo)熱率為5.44～6.28W/(m.K)
硅化石墨是碳石墨材料經(jīng)硅化處理而得的碳化硅-碳復(fù)合材料。硅化處理的方法有化學(xué)氣相反應(yīng)法（CVR）和液硅浸滲法。化學(xué)氣相沉積法為美國和日本采用，而俄羅斯和德國則用液硅浸滲法。前者Si或SiO氣體在1800～2200℃的高溫下作硅化反應(yīng)將表面轉(zhuǎn)化為SiC；而后者利用液體硅代替Si蒸汽或SiC氣體與CVR同樣作硅化處理。表7-20及表7-21列出了國內(nèi)外硅化石墨的物理性能。
(4)表7-20CVR法硅化石墨的物理-力學(xué)性能生產(chǎn)廠家
牌號
體積密度/g.cm-3
硬度
抗拉強度/MPa
抗彎強度/MPa
彈性模量/MPa
膨脹系數(shù)/C-1
抗壓強度/MPa
熱導(dǎo)率W/(m.K)-1
zui高工作溫度/℃
空氣中
惰性氣氛中
日本
鷹公司
ES-1①
ES-3
2.8
1.8
95～105(HS)
85～100(HS)
22.6
42.2
68.6
83.4
114×103
24×103
4.5×10-6
4.2×10-6
129
147
50
70.95
200
400
日本皮拉公司
P1
1.84
3500(HV)
34.3
58.8
11.8×103
4×10-6
117.7
110.5
400
1600
日本日立
化成公司
HSC
HSC①
1.85
2.00
3000(HV)
3000(HV)
59
68.6
35×103
41×103
4.4×10-6
4.4×10-6
116.32
116.32
美國純碳公司
PE-6923①
2.15
100(HV)
34
55
28×103
4.4×10-6
138
68.63
260
英國加布蘭達夫公司
SiC-V
1.9
18.62(HV)
10.34
15.85×103
4.1×10-6
82.73
51.92
371
中國東新電碳廠
M456
1.84
100(HV)
2500(HV)
58.8
35×103
3.7(200℃)×10-6
118
日本東芝陶瓷公司
PADLTTE
2.54
2000(HV)
49
196
176×103
4.1×10-6
①浸漬樹脂。
(5)表7-21液硅浸滲硅化石墨
性能
廠家
俄羅斯新齊略賓斯克
德國順克埃貝公司
牌號
C-T
C-TT
CTII-0.5
U8019
體積密度/g.cm-3
抗壓強度/MPa
抗彎強度/MPa
抗拉強度/MPa
彈性模量/MPa
電阻系數(shù)μΩ.cm
沖擊韌性/J.m-2
斷裂韌性KIC/N.mm-3/2
疲勞強度/MPa
導(dǎo)熱系數(shù)/W.(m.℃)-1
線膨脹系數(shù)/℃-1
摩擦因數(shù)
2.5～2.7
294～314
88.3～108
39～49
88×10-3
2700
100～120
4.6×10-6
0.05
2.4～2.6
412～441
98～118
49～59
125×103
3900
150～175
4.2×10-6
0.04
2.5
235
76.5
39
58×103
2300
100
3.8×10-6
～4.0×10-6
0.04
2.65
190
140×103
130
1500
100
150
70
45×10-6
（20～1000℃）
2）聚四氟乙烯特點。聚四氟乙烯具有較好的耐腐蝕性，很高的耐熱性和耐寒性，自潤滑性好，其動、靜摩擦因數(shù)均低于0.04.但它的導(dǎo)熱性差，為了克服其缺點，加入各種填充劑，成為填充四氟乙烯。表7-22列出聚四氟乙烯及填充四氟乙烯的性能。
(6)機械密封硬面材料
1）工程陶瓷。常用的工程陶瓷有氧化鋁、氮化硅和碳化硅。陶瓷具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕性好及耐溫性好的特點，是較理想的動、靜環(huán)密封面材料。缺點是脆性大、硬度高機加工困難。表7-23列出國外某些陶瓷材料的典型制造法。
(7)表7-22聚四氟乙烯與填充四氟乙烯的物理-力學(xué)性能
性能
配方
聚四氟乙烯
填充20%石墨
填充40%石墨
25%青銅+20%玻璃纖維，10%石墨，5%炭黑
40%青銅，20%玻璃纖維，10%石墨
填充40%玻璃纖維
4%玻璃纖維5%石墨
密度/g.cm-3
抗拉強度/MPa
抗彎強度/MPa
斷裂伸長率/%
導(dǎo)熱率/W·(m·K)-1
硬度(HS)
抗拉強度（1%變形）/MPa
2.1～2.2
13.73～24.52未淬火
15.69～30.89淬火
10.79～13.73
250～350
0.24
50～65
4.12
2.16
16.4
24.9
151
0.48
2.15
13.8
22.7
77
0.41
2.45
13.8
22.7
77
0.41
2.7
15.9
38.5
171
0.43
2.28
16.0
19.9
231
0.24
2.28
11.2
20.1
149
0.43
MN-IM
磨損試驗機
摩擦因數(shù)
磨損量/mg.10min-1
0.04
0.13
12
0.14
3.4
0.17
2.3
0.17
3.6
0.18
3.5
0.15
2.5
合姆金磨
損試驗機
摩擦因數(shù)
磨損量/mg.40min-1
0.20
22.3×10-3
0.20
8.24×10-3
0.20
0.66×10-3
0.20
0.74×10-3
0.21
1.22×10-3
線膨脹系數(shù)/℃-1
縱向
0～50
0～100
0～150
0～200
0～250
(25～200)
1.0×10-4～1.0×10-4
1.9×10-4
1.46×10-4
1.38×10-4
1.38×10-4
1.40×10-4
1.67×10-4
1.29×10-4
1.25×10-4
1.28×10-4
1.23×10-4
1.60×10-4
1.35×10-4
1.32×10-4
1.41×10-4
1.54×10-4
1.60×10-4
1.33×10-4
1.33×10-4
1.43×10-4
1.34×10-4
1.63×10-4
1.19×10-4
1.16×10-4
1.20×10-4
1.26×10-4
1.50×10-4
1.20×10-4
1.17×10-4
1.23×10-4
1.32×10-4
橫向
0～60
0～100
0～150
0～200
0～250
1.01×10-4
0.87×10-4
0.74×10-4
0.78×10-4
0.79×10-4
0.75×10-4
0.60×10-4
0.59×10-4
0.62×10-4
0.67×10-4
0.79×10-4
0.69×10-4
0.69×10-4
0.74×10-4
0.79×10-4
0.77×10-4
0.63×10-4
0.62×10-4
0.66×10-4
0.71×10-4
0.83×10-4
0.67×10-4
0.63×10-4
0.67×10-4
0.73×10-4
0.69×10-4
0.60×10-4
0.53×10-4
0.57×10-4
0.61×10-4
吸水率/%
<0.005
+0.03
+0.04
+0.58
+1.00
+0.04
-0.77
(8)7-23某些陶瓷材料的典型制造法
制造方法
主要優(yōu)點
主要缺點
示例
單體成型法
燒結(jié)法
1.各種形狀都能制造
2.單價低廉
尺寸精度高
（需要二次加工）
AL2O3
SiC
熱壓法
制品密度高
1.復(fù)雜形狀不行
2.生產(chǎn)性差
AL2O3
Si3N4
SiC
反應(yīng)燒結(jié)法
1.任意形狀都可以
2.制造方法簡單
3.可能大批生產(chǎn)
制品密度小
SiC
Si3N4
涂層法
化學(xué)方法
化學(xué)氣相沉積法（CVD）
1.可得到高密度
2.形狀可任意選定
1.難以制造
2.涂層薄
3.各方向異性
SiC
TiC
BN
轉(zhuǎn)化法或反應(yīng)法（CVR）
涂層薄
有空隙率
SiC
物理方法
物理氣相沉
積法（PVD）
噴鍍法
1.可得到耐低溫、高熔點涂層
2.附著力大
3.可大批生產(chǎn)
1.花費時間長
2.涂層溫度上升
3.涂層薄
SiC
TiC
TiN
等離子
噴涂法
1.可得到純的涂層
2.容易做到全面噴涂
涂層薄
SiC
TiC
TiN
熔射法
母材可任選
涂層密度小
AL2O3
Cr2O3
WC
氧化鋁陶瓷AL2O3不僅具有很高的硬度及耐磨性，而且耐腐蝕性能也很好。除氫氟酸、氟硅酸及濃堿外，幾乎耐各種介質(zhì)的腐蝕。它的膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性良好，耐高溫和一定的溫度劇變。又因氧化鋁陶瓷制造工藝簡單，因此應(yīng)用較廣。表7-24列出國產(chǎn)氧化鋁陶瓷的組成和性能。
(9)表7-34國產(chǎn)氧化鋁陶瓷的組成和物理-力學(xué)性能
材料
化學(xué)組成/%
密度/g.cm-3
硬度(HRA)
抗彎強度/MPa
熱導(dǎo)率/W.(m.K)-1
熱膨脹系數(shù)/℃-1
99瓷
AL2O399
MgO1
3.9
85～90
340～540
16.75
5.3×10-6
95瓷
AL2O394.5
SiO22
CaCO33.5
3.75
78～82
216～360
16.75
5.8×10-6
氮化硅陶瓷的熱膨脹系數(shù)低（2.5～2.8）×10-6/℃,其抗溫度驟變性要比氧化鋁陶瓷好。它的強度及硬度高且摩擦因數(shù)低，有自潤滑性，是一種很好的耐磨材料。表7-35列出兩種氮化硅的物理-力學(xué)性能。
(10)表7-25氮化硅陶瓷的物理-力學(xué)性能
性能
反應(yīng)燒結(jié)氮化硅
熱壓氮化硅
密度/g.cm-3
孔隙率/%
抗彎強度/MPa
抗壓強度/MPa
抗拉強度/MPa
抗沖擊強度/MPa
彈性模量/MPa
摩擦因數(shù)
硬度(HRA)
熱膨脹系數(shù)/℃-1
熱導(dǎo)率/W·(m·K)-1
電阻率(200℃)/Ω·cm
(700℃)/Ω·cm
2.5～2.6
13～16
196.13
1176.8
117.68～137.29
0.15～0.2
(1.670～2.16)×105
0.1
80～85
2.5×10-6
5.02
1018
108
3.13
<1
688.47～784.52
1569.1
-
0.39
-
-
91～92
(2.7～2.8)×10-6
-
-
-
碳化硅陶瓷是近年發(fā)展的新材料。它具有很低的摩擦因數(shù)，很高的硬度，良好的耐磨性。它具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性和抗熱振性。
碳化硅有反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、常壓燒結(jié)碳化硅和熱壓碳化硅。表7-26列出國產(chǎn)碳化硅的性能。
(11)表7-26國產(chǎn)碳化硅陶瓷的性能
材料
密度/g.cm-3
抗彎強度/MPa
彈性模量/MPa
熱膨脹系數(shù)/℃-1
硬度(HRA)
熱導(dǎo)率/W·(m·K)-1
熱壓SiC
3.1～3.2
441.3～539.37
3.92×105
4.5×10-6
93～94
83.74
常壓燒結(jié)SiC
3.0～3.10
372.65～451.11
4.07×105
4.3×10-6
91～92
92.11
反應(yīng)燒結(jié)SiC
3.05
343.23～362.85
3.33×105
4.3×10-6
91～92
125.6
2）硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金只要是碳化鎢WC。有鈷基碳化鎢WC-Co、鎳基碳化鎢WC-Ni和鈷-鎳基碳化鎢WC-Co-Ni。碳化鎢的特點：硬度高，耐磨性好；機械強度高，抗彎性好；導(dǎo)熱率較高而膨脹系數(shù)較小，密封面摩擦熱容易導(dǎo)出；無鈷硬質(zhì)合金耐腐蝕性較好。表7-27列出國產(chǎn)碳化鎢的性能。
機械輔助密封材料
機械密封的輔助密封是保證密封可靠和延長使用壽命的重要零件。輔助密封包括動、靜環(huán)的輔助密封圈。其作用是保證密封的軸與動環(huán)之間的靜環(huán)座（壓蓋）與靜環(huán)之間密封，補償密封面的偏斜和振動；保證使動、靜環(huán)端面緊密結(jié)合具有浮動性。
(12)表7-27國產(chǎn)碳化鎢硬質(zhì)合金的物理-力學(xué)性能
牌號
化學(xué)成分/%
物理-力學(xué)性能
備注
WC
Co
密度
硬度(HRC)
抗彎強度/MPa
膨脹系數(shù)/℃-1(0～300℃)
YG3
97
3
14.9～15.3
91
10.29
耐腐蝕性好，可在高速下使用
YG6
94
6
14.6～15
89.5
10.20
4.5×10-6
耐摩性較高，有一定的沖擊韌性，常用作動、靜環(huán)材料
YG8
92
8
14.4～14.8
89
14.71
4.5×10-6
耐摩性較YG6差，有時也用作動、靜環(huán)材料
YG15
85
15
13.9～14.1
87
18.63
5.3×10-6
強度高，沖擊韌性好，常用作動、靜環(huán)材料
(13)機械密封對輔助密封圈材料的要求：
1）材料彈性好，特別是要求良好的復(fù)原性，*變形要小；
2）不受流體介質(zhì)的侵蝕，而且在介質(zhì)中的膨脹和收縮都不大；
3）摩擦因數(shù)小和耐磨性好；
4）使用溫度范圍要廣，在高、低溫下不粘著、不變硬、脆和失彈；
5）要有適當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，如扯斷強度及其延伸率、耐壓等，在壓力作用下無顯著變形，有優(yōu)良的抗撕裂性、耐磨性和耐壓性等；
6）便于加工并可得到高的精度；
7）抗介質(zhì)腐蝕、溶解、溶脹、老化等性能好，對介質(zhì)不應(yīng)有污染等。
作為輔助密封圈的材料有橡膠、塑料、石棉、膨脹石墨、石墨和金屬脹圈等。橡膠圈是使用zui廣的一種輔助密封圈。常用的橡膠密封圈材料有丁晴橡膠、氟橡膠、硅橡膠、氯丁橡膠、丁苯橡膠等。
丁晴橡膠是常用的一種耐油橡膠。它是丁二烯和丙烯晴的共聚物。根據(jù)丙烯晴含量多少分成若干種：低丙烯晴（丁晴-18）、中丙烯晴（丁晴-26）和高丙烯晴（丁晴-40）、丙烯晴含量越高，它的耐油性越好，抗張強度、硬度和耐磨性、耐水性增加，透氣性減小。隨之而來，它在極性溶劑中是溶解度卻增大，耐腐蝕性也受到影響，彈性和耐寒性也變差。丁晴橡膠不耐撓曲，抗撕裂也較差。
氟橡膠具有耐高溫、耐油、耐化學(xué)腐蝕的優(yōu)點。氟橡膠中應(yīng)用zui廣的是含氟烯烴共聚物，主要是26型和23型。26型中有氟橡膠-26系偏氟橡乙烯與六氟丙烯的乳液共聚物和氟橡膠-246系偏氟乙烯、六氟丙烯與四氟丙烯的三元共聚物。23型氟橡膠由偏氟乙烯與三氟氯乙烯在室溫及3.24MPa壓力下用懸浮聚合法制得的一種無定形橡膠狀共聚物。它不能用于液氨、氨水中。
硅橡膠是由二甲基硅氧烷與其他有機硅單體在酸或堿性催化劑存在下聚合成的一種極性高分子聚合物。硅橡膠有很高的熱穩(wěn)定性，但它有極性，容易在酸堿作用下發(fā)生離子型裂解，因此耐腐蝕性差，不適宜用于石油系溶劑（如苯、甲苯等）、丙酮、酮醚等有機溶劑。
聚四氟乙烯具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐油、耐溶劑、抗老化、耐溫性能，并有相當(dāng)?shù)偷哪Σ烈驍?shù)和一定的強度、彈性、柔性和不粘著性，因此廣泛用作各種溫度、壓力、腐蝕性介質(zhì)條件下的密封圈。
綜上所述，輔助密封材料，在一般介質(zhì)中可使用橡膠材料制成的O形圈、墊圈和波紋管等；在腐蝕性介質(zhì)中可使用聚四氟乙烯制成的V形圈、楔形環(huán)、墊圈和波紋管等；在高、低溫條件下可使用金屬波紋管。選用時應(yīng)考慮材料的使用溫度和耐腐蝕性。幾種材料的使用溫度、適用介質(zhì)見表7-28
(14)表7-28機械密封輔助密封材料列表
材料名稱
使用溫度/℃
使用介質(zhì)或特性
橡膠
丁晴橡膠
-30～100
油、水、醇等
氯丁橡膠
-40～100
無機酸、堿溶液、水、醇等
乙丙橡膠
-50～100
堿、溶劑和各種化學(xué)、放射性介質(zhì)
氟橡膠
-20～100
酸、油類、溶劑等
硅橡膠
-60～230
醇、堿、低溶脹性礦物質(zhì)
聚四氟乙烯
-100～250
各種腐蝕性介質(zhì)
金屬
沉淀硬化不銹鋼AM350
-40～450
熱處理后強度高，耐腐蝕性與1Cr18Ni9Ti相似
高鎳合金Inconel-750
-250～750
高、低溫強度好，耐腐蝕性好，但焊接困難，成本高
鎳鉬合金HasloyC
約1000
耐腐蝕性，不用熱處理，強度高，但成本高
機械密封主要零件材料選擇
機械密封各主要零件的材料應(yīng)根據(jù)使用工況進行選擇，見表7-29.
（15）常用機械密封主要零件材料
工況
摩擦副
輔助密封
介質(zhì)
濃度
溫度/℃
旋轉(zhuǎn)環(huán)
靜止環(huán)
清水
室溫
石墨
陶瓷、高鎳鑄鐵、堆焊鈷鉻鎢
丁晴橡膠
河水
（含泥沙）
碳化鎢、碳化硅
碳化鎢、碳化硅
丁晴橡膠
海水
石墨
陶瓷，碳化鎢
丁晴橡膠
汽油
-20～80
石墨
高鎳鑄鐵，碳化鎢，陶瓷
氟橡膠
80～135
PTFE
煤油
-20～80
石墨
高鎳鑄鐵，碳化鎢，陶瓷
丁晴橡膠
80～200
氟橡膠，PTFE
柴油
-20～80
石墨
高鎳鑄鐵，碳化鎢，陶瓷
丁晴橡膠
80～200
氟橡膠，PTFE
機油
-20～30
石墨
高鎳鑄鐵，碳化鎢，堆焊鈷鉻鎢，青銅、陶瓷
丁晴橡膠
原油
-20～135
石墨
碳化鎢，陶瓷
氟橡膠
135～200
PTFE
（含雜質(zhì)）
-20～135
碳化鎢
碳化鎢
氟橡膠
135～200
PTFE
輕質(zhì)碳?xì)浠衔?/span>
-20～80
石墨
碳化鎢
氟橡膠、PTFE
硫酸
<10%
-20～80
石墨
陶瓷
氟橡膠
>10%
-20～135
填充PTFE
PTFE
硝酸
<5%
-20～80
石墨
陶瓷、高硅鑄鐵
氟橡膠
>5%
填充PTFE
陶瓷
PTFE
醋酸
<30%
-20～135
填充PTFE
陶瓷
乙丙橡膠、PTFE
>30%
石墨
PTFE
堿
-20～80
石墨、填充PTFE
高鎳鑄鐵、陶瓷、碳化鎢
乙丙橡膠
80～200
PTFE
食品
-20～80
石墨
陶瓷
丁晴橡膠
植物油
-20～80
石墨
高鎳鑄鐵、陶瓷
乙丙橡膠、PTFE
有機物
-20～80
石墨
碳化鎢、鑄鐵、堆焊鈷鉻鎢
乙丙橡膠、PTFE
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