机械密封材料浅析
王玉春
一、概述
在工业生产中，机械密封件的使用量日趋增大，主要由于随着社会的发展，人们对能源浪费，环境污染日趋重视，尤其在石化行业要坚决杜绝跑、冒、滴、漏等现象，因此密封技术的开发和利用日益成为国内外的一个重要课题。
由机械密封的工作原理可知，机械密封的密封性主要是靠在弹簧力和介质压力作用下相互紧密贴合，彼此间有相对运动的动静环来保证的，所以说机械密封的摩擦副是保证密封可靠性与寿命的关键元件。机械密封使用水平的好坏在很大程度上取决于材料，因此，正确合理地选用摩擦副材料，对保证密封的正常工作，延长使用寿命具有十分重要的意义。
目前，国内外在端面新材料中，碳化硅是发展迅速的材料之一，在端面密封的摩擦副零件中，常采用整体碳化硅或以碳化硅为基体的覆盖层（如碳化硅陶瓷），这种整体碳化硅或碳化硅陶瓷以其化学稳定性强和耐磨性能好为条件，使密封具有很高的耐腐蚀稳定性、高硬度、传导性和抗热冲击稳定性。
二、碳化硅陶瓷材料的性能
经过大量的实验研究及实践证明，SiC具有优良的性能，这些性能包括：
1.硬度高，耐磨性好;
2.比重低，比强度高;
3.弹性模量高;
4.抗热震性好，含 C 20-40%时其抗热震系数为69.6Cal/cm.S;
5. 导热率高，一般在37-110 W/m.k之间;
6.热膨胀系数低，一般为4-5×10-6l/℃;
7.摩擦系数低，约为硬质合金的一般：
8.耐化学腐蚀能力好;
SiC为典型的共价化合物，化学性质非常稳定。表3列出了SiC与其它几种材料的耐腐蚀性能比较。
9.耐高温性能好;
10.具有自润滑性。
（1）碳化硅陶瓷
磁力泵一般采用碳化硅陶瓷轴承。为防止游离的硅离子进入介质，一般应要求采用纯烧结的a级碳化硅。碳化硅滑动轴承，承载能力高，且具有极强的耐冲蚀、耐化学腐蚀、耐磨损和良好的耐热性，使用温度可达500。C以上。碳化硅滑动轴承的使用寿命一般可达3年以上。
（2）石墨
石墨具有较好的自润滑性能，可经受短时间的干运行，使用温度可达450℃，缺点是耐磨性能较差。石墨滑动轴承的使用寿命一般可达1年以上。由于石墨材质相对较软，因此屏蔽泵的滑动轴承较多地采用石墨材质。石墨滑动轴承与表面堆焊钨、铬、钴等硬质合金或等离子喷涂氮化硅一类硬质合金制成的轴套组成摩擦副，使用寿命可达一年以上。
也有些屏蔽泵厂商，由于较好地解决了前后两个滑动轴承座的对中问题，因此也可采用纯烧结a级碳化硅材质。如果使用情况良好，纯烧结 级碳化硅滑动轴承的寿命可达三年以上。
三、机械密封的摩擦副的选择
机械密封的摩擦副主要由动、静环组成，有时还有中间浮动环。
（1）对摩擦副密封环的设计要求！ 根据机械密封的工作特点和要求，应考虑下列问题：
1）摩擦副（密封副）的材料应选用该条件下摩擦和磨损量最少且耐腐蚀的并允许干摩擦（至少允许能在短时间内干摩擦）的材料。
2）选材时若比压或pv值超过允许值，则可采用减小面积比（采用平衡型密封）的办法。但必须注意随着面积比的减小，密封的可靠性下降，因为在缝隙内流体膜压作用下密封面有开启失效的可能性。
3）结构设计时应尽可能减小密封面平均直径，以降低周速和摩擦副温度。
4）摩擦副中软材料环的密封面宽度应比硬材料环窄，以免硬环对磨时陷入软环引起密封面剥落或强烈的磨损。软、硬环密封面宽度差对于轴径为5～150mm 的密封，其值为1～4mm。硬对硬的摩擦副的环宽可以相同，也可以不同，因为磨损极微，不致于互相嵌入。
5）随着密封宽度的减小，摩擦副内摩擦热减少而使散热性改善。此外，密封面的磨损也比较均匀，缝隙有效高度也会随之而减小。这样减小密封面宽度比较合理，但是太窄的密封面损坏的危险性增大（进入磨粒、出现擦伤、冲蚀磨损），局部强度下降和承磨突台的刚度下降。塑料的导热性差，宽度对温度有影响，因此塑料环宽应小于一般石墨环。气体端面密封由于磨粒对密封面损伤可能性较小，可以比液体端面密封宽度取得小些。但当气体端面密封承载能力较小时，宽度宜取大值。流体动压密封因为开槽，其宽度比普通机械密封大，流体静压密封的宽度比前两种密封更大，因为它是由力平衡和允许泄漏量来确定的。
6）密封环的斷面形状和定位方式应保证密封面变形量最小，形状尽可能趋向矩形或方形断面。脆性材料环要注意过渡断面处应是均缓过渡，圆角半径为 1～3mm，这样做，强度要比尖角过渡大一倍。
7）摩擦副组装时其定位和固装方式都有所不同，取决于密封的工作参数和结构，可以采用镶嵌、粘接、箍装等方式。
8）选择静、动环时，考虑动环的给热系数比静环大，因此考虑动环用导热率较高的材料制作。改变摩擦副环的形状也有利于改善摩擦副的给热情况并降低摩擦副温度。例如，在密封面附近开环形槽。导热串高的材料做成厚环，其散热效果将会改善。
9）摩擦副密封面不垂直对其工作有不良影响（如安装、制造、振幅和其它不良因素对工作有影响），因此必须采用结构和工艺措施保证最小的误差。动环误差一般比静环大，因此高速下采用静止式。
10）摩擦副环上径向作用力取决于对中精度、轴与轴套同心度和密封面不垂直度，应尽可能减小此力。
（2）对摩擦副材料的要求
1）机械强度高———耐压、耐压力变形;
2）自润滑性能好———耐干磨性、耐高负荷性;
3）材料配对性能好———磨合性好、无过大的磨损和对偶腐蚀（组对材料电位差<250mV）;
4）耐磨性好———寿命长;
5）导热性好———散热性好;
6）耐热性好———耐高温性能好;
7）耐热冲击性好———抗热裂性能好（耐热冲击系数高）;
8）耐腐蚀性强———耐腐蚀和耐冲击;9）线膨胀系数小———耐热变形、尺寸稳定性好;
四、结论
由于SiC具有如此优良的材料性能，由碳化硅和碳或不锈钢组成的摩擦副的磨损大大低于其他组对摩擦副的磨损，碳化硅的耐化学腐蚀性能较碳化钨或其它摩擦副材料强，尤其适用于恶劣环境中。如原使用锡青铜密封环与9Cr18不锈钢对磨，工作寿命极低，改用Al2O3陶瓷材料后，一般寿命可在1000小时左右，再改用烧结SiC密封环与9Cr18不锈钢对磨，寿命可提高到8400小时以上，而且磨损量很小，还可以继续使用。Sic材料的缺点是具有脆性，强度偏低，抗冲击能力差。这些有待于进一步改善，以其成为一种更加完美的机械密封摩擦副材料。
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