機(jī)械密封材料

機(jī)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(lái)進(jìn)行選擇或研制與開發(fā)。

機(jī)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(duì)保證機(jī)械密封工作的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)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(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題，甚至決定密封的成敗。

（1）機(jī)械密封端面（摩擦副）材料

（2）機(jī)械密封的輔助密封材料

（3）機(jī)械密封其它結(jié)構(gòu)材料
 

（1）機(jī)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(xué)性能、耐腐蝕性能和摩擦學(xué)性能。

1.1物理力學(xué)性能：強(qiáng)度 、剛度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、耐腐蝕性能、摩擦學(xué)性能。

1.2耐腐蝕性能：摩擦副暴露于被密封流體，要使機(jī)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(jī)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?yàn)樗鼈儾](méi)有伴隨有良好的摩擦學(xué)性能。

1.3摩擦學(xué)性能：摩擦、磨損和潤(rùn)滑等是評(píng)價(jià)機(jī)械密封端面摩擦副材料的摩擦學(xué)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(rùn)滑狀態(tài)。潤(rùn)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(yán)重、液膜汽化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)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(rùn)滑能力和外界能提供的潤(rùn)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(wú)定形炭）

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

機(jī)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(shí)間、燒結(jié)溫度的不同，可以制成具有各種不同機(jī)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(jiǎn)稱炭（碳）石墨，又稱為高強(qiáng)石墨、硬質(zhì)石墨等，其特點(diǎn)是強(qiáng)度高、硬度大、耐磨損，但脆性大、導(dǎo)熱系數(shù)低。它是機(jī)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(diǎn)是質(zhì)軟、強(qiáng)度低，自潤(rùn)滑性能好、加工容易。它適宜于介質(zhì)清潔 ，但潤(rùn)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(qiáng)度大（其抗彎強(qiáng)度一般都在1400MPa以上）、導(dǎo)熱系數(shù)高而線膨脹系數(shù)小，且具有一定的耐蝕能力。

機(jī)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(guò)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(diǎn)是均具有極好的化學(xué)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(jī)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(xué)穩(wěn)定性最好的有機(jī)聚合物，幾乎能耐所有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和強(qiáng)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(zhǎng)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(dòng)或滑動(dòng)，具有很低的摩擦系數(shù)，是一種極好的減摩、自潤(rùn)滑材料。

聚四氟乙烯存在的最大的問(wèn)題就是具有冷流性，即在載荷的作用下，隨時(shí)間增長(zhǎng)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(dǎo)熱性能很差（0.244W/m.K），僅為鋼的1/200。為克服這些缺點(diǎn)，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(duì)，如與鉻鋼玉陶瓷組對(duì)，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(duì)。用于強(qiáng)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(duì)適用于硫酸、硝酸介質(zhì)等。

5、端面摩擦副材料

用作機(jī)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(guò)煉油行業(yè)最早的機(jī)械密封就是鑄鐵對(duì)石墨。鑄鐵具有良好的減摩、耐磨特性，且價(jià)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(guó)際公司的某些機(jī)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(jī)械密封的輔助密封材料

機(jī)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(zhǎng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)要加以注意。機(jī)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(qiáng)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(duì)礦物油、動(dòng)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(qiáng)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(shuō)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(qiáng)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(hào)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(zhǎng)期使用而物理機(jī)械性能變化緩慢。它耐磨損性、耐腐蝕性能較好，但對(duì)碳?xì)浠衔镉皖惙€(wěn)定性差，因而不可用于礦物油中。如果借助于潤(rùn)滑脂、潤(rùn)滑油來(lái)安裝機(jī)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(rùn)滑劑，耐酮、醇溶液、中等強(qiáng)度的酸堿，同時(shí)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(zhǎng)期使用。硅橡膠無(wú)毒、無(wú)味，對(duì)人體無(wú)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(huì)產(chǎn)生分解，機(jī)械強(qiáng)度低、不耐磨。主要用于各種高、低溫、高速旋轉(zhuǎn)等場(chǎng)合下的動(dòng)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(qiáng)酸、強(qiáng)堿和強(qiáng)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(rùn)滑材料，但其導(dǎo)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(dǎo)熱性和自潤(rùn)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(fù)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(diǎn)，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(xué)穩(wěn)定性和高導(dǎo)熱性，同時(shí)又具有獨(dú)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(shí) ，輔助密封材料應(yīng)優(yōu)先采用柔性石墨。但柔性石墨的強(qiáng)度較低，應(yīng)注意加強(qiáng)和保護(hù)。

 模壓成矩形圈、楔形圈、墊片的柔性石墨常用于機(jī)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(shí)存在時(shí)，前述幾種材料并不能勝任，這時(shí)只有選用金屬材料來(lái)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(duì)于端面為三角形的楔形墊，則常采用鉻鋼，如OCr13。對(duì)于平墊則多采用紫銅或鋁墊。

對(duì)于高壓高溫條件下，上述材料的強(qiáng)度和彈性模量會(huì)明顯下降，此時(shí)應(yīng)采用耐熱合金，如因科鎳合金（Inconel）。

（3）機(jī)械密封其它結(jié)構(gòu)材料

彈性元件材料  機(jī)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(qiáng)度極限高、彈性極限高，長(zhǎng)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(jī)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(dòng)銷等，雖非關(guān)鍵部件，但其設(shè)計(jì)選材也不能忽視，除應(yīng)滿足機(jī)械強(qiáng)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。