機械密封材料

機械密封由若干零件組成，各零件材料根據(jù)其所起的作用、結(jié)構(gòu)特征和使用條件來進行選擇或研制與開發(fā)。

機械密封材料包括摩擦副材料、輔助密封材料、加載彈性元件材料和其它結(jié)構(gòu)件材料。正確合理地選擇各種材料，特別是端面摩擦副材料，對保證機械密封工作的穩(wěn)定性，延長其使用壽命、降低成本等有著重要意義。材料的選擇往往成為一個十分關(guān)鍵的問題，甚至決定密封的成敗。

（1）機械密封端面（摩擦副）材料

（2）機械密封的輔助密封材料

（3）機械密封其它結(jié)構(gòu)材料
 

（1）機械密封端面（摩擦副）材料

①摩擦副材料的主要性能：物理力學性能、耐腐蝕性能和摩擦學性能。

1.1物理力學性能：強度 、剛度、導熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、耐腐蝕性能、摩擦學性能。

1.2耐腐蝕性能：摩擦副暴露于被密封流體，要使機械密封能正常發(fā)揮作用，其腐蝕性能必須加以考慮。首先應(yīng)考慮最耐蝕的材料。機械密封端面材料中，從耐蝕性的角度考慮，優(yōu)秀的材料有石墨材料、工程陶瓷材料、填充玻璃纖維聚四氟乙烯材料等。值得注意的是許多耐腐蝕性能優(yōu)良的金屬材料，如哈氏合金B(yǎng)、哈氏合金C等用作摩擦副并不適宜，因為它們并沒有伴隨有良好的摩擦學性能。

1.3摩擦學性能：摩擦、磨損和潤滑等是評價機械密封端面摩擦副材料的摩擦學性能的重要參數(shù)。摩擦系數(shù)f，磨損速率可以反映端面的潤滑狀態(tài)。潤滑狀態(tài)良好，則摩擦系數(shù)小、磨損速率低；摩擦系數(shù)大、磨損速率高。密封壽命短，且端面發(fā)熱嚴重、液膜汽化，嚴重時會導致端面熱裂，造成密封迅速失效。低摩擦系數(shù)的獲得，依靠材料本身的自潤滑能力和外界能提供的潤滑條件。

②常用的端面摩擦副材料

石墨、硬質(zhì)合金、工程陶瓷、填充聚四氟乙烯、端面摩擦副材料

1、石墨材料

自然界中碳元素構(gòu)成的三種物質(zhì)形態(tài)：金剛石（結(jié)晶形炭）、石墨（結(jié)晶形炭）、煤炭（不具有晶體特征的無定形炭）

石墨是機械密封中用量最大、應(yīng)用范圍最廣的摩擦副組對材料。它具有許多優(yōu)良的性能，如良好的自潤滑性和低的摩擦系數(shù)、優(yōu)良的耐腐蝕性能，導熱性好、線膨脹系數(shù)低、組對性能好，且易于加工、成本低。

機械密封用石墨一般是用焦炭粉和石墨粉（或炭黑）作基料，用瀝青作粘接劑，經(jīng)模壓成型在高溫下燒結(jié)而成。根據(jù)所用原料及燒結(jié)時間、燒結(jié)溫度的不同，可以制成具有各種不同機械 物理性能的燒結(jié)石墨，常見的有炭素石墨和石墨化石墨兩種，兩者除材料的組分不一樣外，主要區(qū)別是石墨化石墨是燒結(jié)需經(jīng)2400-2800℃的高溫石墨化處理。

炭素石墨：簡稱炭（碳）石墨，又稱為高強石墨、硬質(zhì)石墨等，其特點是強度高、硬度大、耐磨損，但脆性大、導熱系數(shù)低。它是機械密封常選的軟環(huán)材料。

石墨化石墨：又稱電化石墨、軟質(zhì)石墨，其特點是質(zhì)軟、強度低，自潤滑性能好、加工容易。它適宜于介質(zhì)清潔 ，但潤滑性能差，或易產(chǎn)生干摩擦的工況，如輕烴介質(zhì)。

2、硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是一類依靠粉末冶金方法制造獲得的金屬碳化物。它依靠某些合金元素，如鈷、鎳、鋼等，作為粘結(jié)相，將碳化鎢、碳化鈦等硬質(zhì)相在高溫下燒結(jié)粘合而成。硬質(zhì)合金具有硬度高（HRA87-94）、強度大（其抗彎強度一般都在1400MPa以上）、導熱系數(shù)高而線膨脹系數(shù)小，且具有一定的耐蝕能力。

機械密封摩擦副常用的硬質(zhì)合金有：鈷基碳化鎢（WC-Co）硬質(zhì)合金、鎳基碳化鎢硬質(zhì)合金（WC-Ni）、鎳鉻基（WC-Ni-Cr）碳化鎢硬質(zhì)合金、鋼結(jié)碳化鈦硬質(zhì)合金。

3、工程陶瓷

工程陶瓷是工程上應(yīng)用的一大類陶瓷材料，其原料都是經(jīng)過人工制備的，不像日用陶瓷材料和化工陶瓷直接取自天然原料，因此其成分和配方比較容易控制，制品質(zhì)量穩(wěn)定。工程陶瓷的共同特點是均具有極好的化學穩(wěn)定性，硬度高，耐磨損，但抗沖擊韌性低，脆性大。目前用于機械密封摩擦副的主要是氧化鋁陶瓷（AI?O?）、碳化硅陶瓷（SiC）和氮化硅陶瓷（Si?Ni?）。

4、填充聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE）是化學穩(wěn)定性最好的有機聚合物，幾乎能耐所有強酸、強堿和強氧化劑的腐蝕。目前僅發(fā)現(xiàn)熔融堿金屬（或它的氨溶液）、元素氟 和三氟化氯在高溫下能與四氟乙烯作用。

在聚四氟乙烯的分子長鏈中，氟原子有效地遮蔽了碳原子，使分子間的內(nèi)聚力降低，因而使表面分子彼此容易滾動或滑動，具有很低的摩擦系數(shù)，是一種極好的減摩、自潤滑材料。

聚四氟乙烯存在的最大的問題就是具有冷流性，即在載荷的作用下，隨時間增長而產(chǎn)生永久變形，產(chǎn)生蠕變。此外，聚四氟乙烯的熱膨脹系數(shù)大（8-25）×10¯5/℃，約為鋼的10倍；導熱性能很差（0.244W/m.K），僅為鋼的1/200。為克服這些缺點，通常是在聚四氟乙烯中加入適量的各種填充劑，構(gòu)成填充聚四氟乙烯。最常用的填充劑有玻璃纖維、石墨等。填充聚四氟乙烯密封環(huán)常用于腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中。

填充玻璃纖維20% 的聚四氟乙烯環(huán)可以與多種陶瓷材料組對，如與鉻鋼玉陶瓷組對，在 稀硫酸泵中應(yīng)用效果很好。填充15%玻璃纖維、5%石墨的密封環(huán)常與氧化鋁陶瓷組隊。用于強腐蝕介質(zhì)。填充15% 鈦白粉、5%玻璃纖維的密封環(huán)與碳化硅組對適用于硫酸、硝酸介質(zhì)等。

5、端面摩擦副材料

用作機械密封摩擦副的材料還有鑄鐵、碳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼、工具鋼、軸承鋼、青銅等。

我過煉油行業(yè)最早的機械密封就是鑄鐵對石墨。鑄鐵具有良好的減摩、耐磨特性，且價格低、加工制造容易。普通鑄鐵耐蝕性差，只適用于油類和中性介質(zhì)。加入合金元素形成的合金鑄鐵，提高了耐蝕性，可用于許多工況。某著名國際公司的某些機械密封就采用合金鑄鐵做非旋轉(zhuǎn)環(huán)，使用效果很好。

（2）機械密封的輔助密封材料

機械密封的輔助密封包括旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封、非旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封，也包括端蓋與密封腔體間的密封、軸套與軸的密封。從端面形狀看，有O形圈、方形圈（墊）、平墊、V形墊、楔形墊、包裹墊、包裹O形圈等。

根據(jù)輔助密封的作用，要求材料具有良好的彈性、低的摩擦系數(shù)，能耐介質(zhì)的腐蝕、耐溶解和溶脹，耐老化，在壓縮后及長期的工作中有較小的永久變形，在高溫下使用具有不粘著性，在低溫下不硬脆而失去彈性，具有一定的強度和抗壓性。輔助密封常用的材料有合成橡膠、聚四氟乙烯、柔性石墨、金屬材料等。

合成橡膠

橡膠是一種彈性很好的高分子材料，具有良好的彈性和一定的強度，具有較好的氣密性、不透水性、耐磨、耐溫、耐壓、耐腐蝕，是一種被廣泛采用的輔助密封材料。不同種類的橡膠有不同 耐腐蝕性能、耐溶劑性能和耐溫性能，在選用時要加以注意。機械密封輔助密封常用的合成橡膠有丁腈橡膠（NBR）、氟橡膠（FPM）、乙丙橡膠（EPM）、硅橡膠。

1.1丁腈橡膠  最常用的輔助密封圈材料，它以優(yōu)異的耐油、耐老化著稱，也具有良好的耐磨性能。丁腈橡膠的性能與丙烯腈的含量有關(guān)，丙烯腈含量高，耐油性能好，強度、硬度、耐磨性、耐水性增加，但耐蝕性、彈性和低溫性變差。輔助密封圈一般采用中、高丙烯腈含量（丙烯腈含量為26¯40%，即丁腈-26、丁腈-40）的丁腈橡膠，尤其以丁腈-40橡膠應(yīng)用最為廣泛，但低溫工況輔助密封圈材料應(yīng)選用丁腈-26橡膠。丁腈橡膠對礦物油、動植物油、脂肪烴有優(yōu)良的耐蝕性，但值得注意的是，它不耐磷酸酯系液壓油，不耐強酸、芳烴、酯、酮、醚、鹵代烴等介質(zhì)的腐蝕。

1.2氟橡膠  通常所說的氟橡膠是指含氟烯烴共聚物，是產(chǎn)量最大的一種氟橡膠，有兩種類型，即23型氟橡膠。23型氟橡膠是偏氟乙烯與三氟氯乙烯的共聚物，有優(yōu)異的耐強酸性能，特別耐發(fā)煙硝酸，但加工困難。26型氟橡膠是目前最通用的氟橡膠品種，為適應(yīng)各種用途，其生產(chǎn)牌號繁多，但基本品種有氟橡膠-26和氟橡膠-246。

1.3乙丙橡膠  具有優(yōu)異的耐老化性能、耐熱性能，能在150℃下長期使用而物理機械性能變化緩慢。它耐磨損性、耐腐蝕性能較好，但對碳氫化合物油類穩(wěn)定性差，因而不可用于礦物油中。如果借助于潤滑脂、潤滑油來安裝機械密封，也得考慮這一因素的影響。但它特別耐硅油、磷酸酯液壓油合成潤滑劑，耐酮、醇溶液、中等強度的酸堿，同時也耐高壓水蒸汽。

1.4硅橡膠  具有很寬的溫度是使用范圍（﹣100¯350℃）和很高的熱穩(wěn)定性，一般可在200¯300℃下長期使用。硅橡膠無毒、無味，對人體無不良影響，但耐溶劑性差，且易在酸堿作用下發(fā)生離子性裂解，在高壓水蒸汽中會產(chǎn)生分解，機械強度低、不耐磨。主要用于各種高、低溫、高速旋轉(zhuǎn)等場合下的動植物油、礦物油、氧、弱酸、弱堿等介質(zhì)，不適用于苯、甲苯、丙酮等溶劑性介質(zhì)，也不適用于高壓水蒸汽。

1.5聚四氟乙烯  幾乎能耐所有強酸、強堿和強氧化劑的腐蝕；因具有很低的摩擦系數(shù)，是一種極好的減摩、自潤滑材料，但其導熱性能很差，僅0.244W/（m.K）。添加青銅粉、二硫化鉬、石墨等，可改善其導熱性和自潤滑性。

聚四氟乙烯有很高的耐熱性和耐寒性，使用溫度范圍為-180¯250℃。耐水性、耐老化性、不燃性、韌性及加工性能都很好。常制成V形圈，作旋轉(zhuǎn)環(huán)和非旋轉(zhuǎn)環(huán)的輔助密封。另外，可用聚四氟乙烯包覆其它材料，如聚四氟乙烯包覆不銹鋼、聚四氟乙烯包覆橡膠，形成復合材料輔助密封，由于它們結(jié)合了兩種或兩種以上材料的優(yōu)點，具有更加良好的密封效果。

1.6柔性石墨  既有普通石墨的優(yōu)良熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和高導熱性，同時又具有獨特的可壓縮性和回彈性。它能耐高低溫，在輸送介質(zhì)溫度不低于200℃時 ，輔助密封材料應(yīng)優(yōu)先采用柔性石墨。但柔性石墨的強度較低，應(yīng)注意加強和保護。

 模壓成矩形圈、楔形圈、墊片的柔性石墨常用于機械密封非旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈、旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈、金屬波紋管密封的波紋管組件與軸套連接的靜密封墊。

1.7金屬材料  在高壓下，尤其是高壓和高溫同時存在時，前述幾種材料并不能勝任，這時只有選用金屬材料來制作輔助密封。根據(jù)不同的工作條件有不同的金屬材料供選用，金屬空心O形圈的材料有OCr18Ni9，OCr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni9Ti等，對于端面為三角形的楔形墊，則常采用鉻鋼，如OCr13。對于平墊則多采用紫銅或鋁墊。

對于高壓高溫條件下，上述材料的強度和彈性模量會明顯下降，此時應(yīng)采用耐熱合金，如因科鎳合金（Inconel）。

（3）機械密封其它結(jié)構(gòu)材料

彈性元件材料  機械密封的彈性加載元件有壓縮螺旋彈簧、波形彈簧、金屬波紋管等。要求材料耐腐蝕、耐疲勞、耐高低溫，強度極限高、彈性極限高，長期工作仍有足夠彈力維持密封端面的緊密貼合。

其它結(jié)構(gòu)件材料  機械密封的其它結(jié)構(gòu)件，如彈簧座、推環(huán)、旋轉(zhuǎn)環(huán)座、非旋轉(zhuǎn)環(huán)座、緊定螺釘、傳動銷等，雖非關(guān)鍵部件，但其設(shè)計選材也不能忽視，除應(yīng)滿足機械強度要求外，還要球耐腐蝕。一般情況下用2Cr13，在腐蝕性介質(zhì)中，需要分別選用1Cr18Ni9Ti、OCr18Ni12Mo2Ti、蒙乃爾合金等。