机械密封材料

机械密封材料

2017-07-27 欧广进 机械密封

通常使用的机械密封是接触式密封，引进装置用的机械密封也是接触式密封.所以，合理选用摩擦副材料，对于保证密封性能、延长密封件使用寿命，减少备件费用等具有重要意义。

机械密封材料的作用和要求

机械密封最大的特点就是密封端面不断摩擦.从摩擦角度看，机械密封材料主要为摩擦副材料.实践证明，一种机械密封的摩擦副材料选配得当，如同结构设计合理一样重要。

一对摩擦副作相对滑动，由此产生摩擦热和磨损，虽然从设计、使用各方面考虑，希望在摩擦面形成液膜，不致发生干摩擦.引进的机械密封图纸上常注有:“所有密封不允许在干摩擦状态下运行”. 但实际操作中还会出现干摩擦运转.所以，资料【1】、【7】提出：密封面以固体接触来考虑，还要考虑到可能发生短期干摩擦。

对机械密封摩擦副材料的要求:

1.耐磨性好;

2.良好的导热性能;

3.高的热稳定性和抗热冲击性;

4北学稳定性好;

5.机械强度高、刚性大、变形小;

根据要求，机械密封摩擦副材料通常分为:硬质材料(如金属、金属氧化物、金属碳化物等)和软质材料(主要为石墨)两大类.

为了应付恶劣的工作条件和事故性运转，一般机械密封摩擦副材料采用硬一软相配，只有在特殊情况下或介质有颗粒、浆料时才采用硬一硬相配.

关于动、静材料具体匹配问题，资料【6】认为:“虽然从动力学观点来看。选哪种材料作动环或作静环没有差别，但实际上动环和静环的材料选择直接影响密封效果。这是由于动环形状复杂，在受压或压力波动情况下容易产生角变形，而使密封无法保证.所以动环一般选用弹性模量大的硬材料，

静环使用相对较软的材料匹配。”国内机械密封动、静材料配对也采用这种说法.而从引进的机械密封动、静环材料匹配的统计数字表明，国外机械密封公司对动、静材料的严配问题采取灵活的办法，而且有68%的动环采用石墨材料。

此外，机械密封材料根据使用条件和密封结构，可以将材料分为以下四个部分：

1、摩擦副材料—动环和静环材料；

2、辅助密封材料；

3、弹簧和波纹管材料;

4、结构件材料.

摩擦副材料—动环和静环材料

动环和静环材料常用的有:

一、硬质合金

硬质合金具有高硬度、高强度、大弹性模量，以及耐磨损、耐腐蚀、耐高温( > 600 )和线胀系数小等特点.因此，特别适用于高温和工作条件苛刻的场合。但硬质合金的缺点是脆性大，加工困难，棱边易碎，所以它多用粉末冶金方法制造。

通常称硬质合金为钨钻合金，其实它是金属碳化物，由碳化钨(或碳化钨与碳化钦)+粘结剂经烧结而成的复合合金.而粘结剂有钻、镍、担、铂等，钻为最常用的粘结剂，钻增加硬质合金的韧性，但钻量增多硬质合金的硬度下降，钻粘结剂的碳化钨不耐纯水的腐蚀，并且在600℃时就开始氧化，因此，钻粘结剂硬质合金更不宜用于酸中。钽作为粘结剂是以碳化担形式，由于它化学稳定性好可用于强氧化介质，但这种硬质合金价格昂贵。有人用铂做枯结剂的碳化钨用于密封液氧和硝酸时，表观出特别良好的性能。

机械密封用的硬质合金比一般所说的硬质合金范围要小，因为切削用的以及用于拉、拔、冲压模具的硬质合金不适宜用于机械密封。

瓷、金属或合金材料.其目的是节省贵重材料，同时又充分利用基体材料与表面材料的特点。

堆焊方法是在Cr钢或Cr-Ni i不锈钢环面上直接堆焊或开槽堆焊硬质合金，堆焊层最小0.8mm。因堆焊工艺复杂，堆焊层又具有气孔、夹渣和硬度不均匀和使用中容易产生裂纹等缺点，所以堆焊密封环的应用逐渐减少.

喷涂是在金属环上喷涂金属(如W, Mo, Ni等)、合金(如CoCr W合金、Ni合金、Co+WC等)、陶瓷(如氧化铝陶瓷、金属陶瓷)等材料.由于喷涂材料品种多，适应性广，工序少，所以喷涂材料的密封环已普遍用于机械密封上，引进装置的机械密封有相当一部分是在不锈钢密封环上喷涂陶瓷材料.按规定，喷涂层最小为0.25mm。

为了达到耐磨和耐蚀的目的，在轴和轴套上也采用喷涂材料，一般喷涂Colmonoy(铬化硼系化合物)，它有几种牌号，在轴(轴套)上喷涂的材料，通常是Colmonoy 6.其化学成分为:C 0.75. Cr13. Fe 4.75, Si4.25. B 3.0，其余Ni，硬度值HRC 56-61。

三、金属材料

常用金属材料有铸铁、不锈钢、镍基合金和铜合金.

1.铸铁类材料:普通铸铁、球墨铸铁、高硅耐蚀铸铁和高镍耐蚀铸铁(Ni-Resist) .

机械密封采用的普通灰口铸铁是HT200和HT250两种牌号，而球墨铸铁可选用QT600-3及QT700-2或相当的合金球墨铸铁.

普通灰口铸铁和球墨铸铁的机械性能如表5-2所示.

高硅耐蚀铸铁又称高硅铸铁、耐酸铁是含硅量14%~16%的铸铁，能耐硫酸、硝酸、醋酸和磷酸，如加人适量钥还能耐盐酸，但在碱和氢氛酸中不耐蚀，硬度高，生产方便，

是较理想的材料。日本国内推崇使用高硅铸铁，因为高硅铸铁的耐蚀性能在某种程度上超过从合金钢，在硝酸中玻璃填充聚四氟乙烯配铬镍钥不锈钢其性能不如玻璃填允聚四氟乙烯配高硅铸铁，而高硅铸铁在醋酸中的耐蚀性能大大优于钨铬钻合金。从日本引进的机械密封产品中未见到高硅铸铁，这可能受到API- 610规定影响或工作条件所限而采用N-Resist高镍耐蚀铸铁。编者认为，根据高硅铸铁的特性，适合铸成圆环形简单形状的铸件且不开裂，而生产成本仅占不锈钢的1/8左右，所以推广使用高硅铸铁用于中等载荷的耐蚀密封环，比较经济实用.同时，我国大连耐酸泵厂专业生产高硅铸铁已经30多年，积累了丰富的生产经验，该厂生产用于腐蚀介质的机械密封(114型)，普遍用在石油化工企业的设备上。

表5-3所示为国内外高硅耐蚀铸铁的化学成分和机械性能，表5-4为高硅耐蚀铸铁在硝酸、硫酸、盐酸、醋酸和氢氧化钠中的耐腐蚀性能.

关于腐蚀度等级的表示方法，资料介绍并不一致.有的用符号表示材料在某种介质中的耐蚀程度;有的用优、良、’可、劣四级说明材料的耐蚀程度.如果以每年腐蚀量多少毫来分级，则四级分类的腐蚀率为：

优:<0.05 （mm/a)

良:0.05~0.5 （mm/a）

可:0.5~1.5（mm/a）

劣:>1 .5(mm/a)

国际上通常以五级腐蚀度分类(表5-5).

2.不锈钢和镍基合金:不锈钢和镍基合金是作为密封环座使用，多数采用316型不锈钢，也有采用304, 430型不锈钢和Carpenter 42(镍合金)材料.只有个别的油泵和化学品泵机械密封的动、静环采用不锈钢材料.

引进装置机械密封用金属材料的化学成分和机械性能见表5-33.

3.铜合金用于摩擦副的铜合金通常是青铜类材料，其品种有锡锌青铜、磷青铜和高铅青铜。适用范围为油、盐类、醇、脂肪酸、海水等介质.

由于铜合金在乙烯和芳烃等介质中不适用.因此，在乙烯和芳烃等装置工艺设备用的机械密封不采用铜合金做摩擦副材料。

表5-6所列，为国内泵用、釜用机械密封青铜合金的化学成分和机械性能.

四、石墨 石墨是机械密封大量使用的材料，它用于动环或静环(国内多数用于静环)，这是因为石墨制品具有以下特点:

1.优良的自润滑性;

2.良好的抗化学腐蚀能力一能耐各种浓度的酸、碱、盐类及一切有机化合物的腐蚀;

3.较高的热导率和热稳定性能;

4.足够的机械强度和抗冲击能力;

5.材料易于加工成形。

国外把碳制品分为非晶休硬碳、碳石墨和电炉石墨。

国内将机械用石墨分为两种形态:一种是烧结的硬质材料，称为碳素石墨(碳石墨)，它质硬而脆;另一种是石墨化材料，质软强度低，自润滑性好，称为电化石墨。但以上两种形态的石级都有气孔率大(10%一30 % )、机械强度低的缺点，容易渗漏、破裂，一般用于压力不高，要求不严的场合.

为充分利用石墨的优点并改进其缺点，常采用浸渍、渗碳等办法来堵塞孔隙，以提高石墨的机械性能。

对于机械密封环来说，用于密封液体时，碳和石墨经过浸渍后的孔隙率原则上应低于2%;在密封纯的气体时孔隙率应低于1%。浸渍材料可用合成树脂、金属、熔融玻聚四氟乙烯悬浮液和盐类.根据使用要求和试压条件，以及密封环的壁厚和加工切削去除量等，浸渍工序可能进行几次.

浸渍石墨环要满足使用温度、耐蚀性能和试压不渗漏的要求.此外，导热性、强度和硬度都是主要参数。

机械密封用石墨分类如表5-7所示.

引进的机械密封用的石墨制品是由专业石墨制品公司生产.例如，日本碳研精工株式会社、西德Ringsdorf公司和Schunk u. Ebe公司、英国摩根公司等。但各国密封公司对自己机械密封石墨产品都另行编号，如英国克兰公司的石墨环材料有R, U牌号，布格曼公司有Buko1, 2, 3, 22, 30牌号，比拉公司有C1、C2、 C4牌号，Eagle公司有CB01, CB04, CB08等牌号以及炭研精工有A2、A3、A4、C2、C3、C4、E2等牌号.

国内对机械密封用石墨的研制起步较晚，但很快形成专业生产石墨制品的能力，并且有机械密封用的石墨制品。象哈尔滨电碳厂、四川自贡东新电碳厂和上海电碳厂是国内供应石墨制品(包括机械密封用石墨)3个厂，其石墨制品基本上能满足机械密封环的要

求。

表5-8为国内机械密封用右墨密封环分类及代号，表5-9为国内各类石墨密封环材料的物理机械性能，表5-10为碳石墨密封环材料的抗化学腐蚀性能，表5-11为国内外机械密封用石墨.材料性能比较表。

摩擦副材料除以上四类之外，还有聚四氟乙烯，关于聚四氟乙烯性能见本章第三节介绍。

辅助密封圈材料

辅助密封是指动环和轴(轴套)之间密封以及静环座的密封，辅助密封圈的作用就是阻止介质沿轴向泄漏或从静环座泄漏，补偿密封面的偏斜及振动，保证动、静环的紧密贴合。

辅助密封圈材料最常用的是聚四氟乙烯和橡胶，也有资料介绍采用金属和膨胀石墨密封圈。从使用的引进机械密封的密封圈来看，以聚四氟乙烯密封圈居多，其次是橡胶密封圈。

金属密封圈的材料有铝、铜、碳钢、不锈钢、蒙耐尔合金、高镍合金等，使用温度范围广;膨胀石墨是近年来发展的一种耐高温密封材料，但目前用于高温和低温的机械密封的密封圈，常常以金属波纹管代替金属和膨胀石墨密封圈。

一、聚四氟乙烯 聚四氟乙烯是常用的辅助密封圈材料，它从1938年问世以来，应用范围日益扩大，这是因为聚四氟乙烯具有以下一些特点🙁1)优良的耐化学侵蚀，耐老化性能;(2)使用温度范围广，在一180~十260℃都可使用;.(3)低摩擦系数和不粘性;(4)填充改性后耐磨性大幅度提高等优点，被称为当代塑料之王。当然，聚四氟乙烯也有机械性能受温度与负荷的影响较显著，线胀系数大，导热系数小，奇特的冷流性，在20℃左右时，体积变化明显(图5-3)等缺点，这是我们在应用时须加注意的。

引进的机械密封密封圈所用的聚四氟乙烯普遍采用杜邦公司的产品泰弗隆（Teflon）,也有采用Hoechst和ICI公司的产品。外商介绍的聚四氟乙烯的物理机械性能如表5-12所示。

聚四氟乙烯O形圈的硬度高，弹性差，同时在高温、高压下使用时很容易发生蠕变现象.为此，人们采用聚四氟乙烯包覆的橡胶O形圈.美国赤士盾(C hesterton)公司采用聚全氟乙丙烯(一种聚四氟乙烯与聚六氟丙烯的共聚物)包覆橡胶密封圈，西德Burgmann公司样本(国内70年代末引进装置中资料)也介绍两层聚四氟乙烯包覆橡胶的双重材料O形圈(图5-4)。这种双层不同材料结构的O形圈不但具有优良的耐蚀、耐热性能并具且有良好的弹性，可代替整体聚四氟乙烯O形圈.这种结构的O形圈在使用时要注意，外层包覆的点应朝向机械密封的安装方向，否则包覆层可能脱开.此外，为避免

泄漏，圈不要弯折，要存放在盒内.

我国于1960年开始研究及应用聚四氟乙烯，现已广泛用于石油化工行业。我国生产的聚四氟乙烯根据聚合方法不同分为两类(表5-13).

1.悬浮聚合聚四氟乙烯 标准：HG2一234-78

2.分散.聚合聚四氟乙烯 标准：HG2一234-67

二、橡胶材料

橡胶是典型的弹性材料，它在施加外力下发生形变，而除去外力时又能可逆变形，直至恢复原状.橡胶能适应很大的表面粗糙度，阻挡外来颗粒，加上本身的不透性，它是理想的密封材料.由于密封介质多数为油类(或含有油的成分)和腐蚀性液体或气体以及受温度影响，所以密封圈常用合成橡胶制成.此外，又因O形密封圈结构简单，装拆方便，有自封作用，动摩擦阻力小，耐压力，温度变化范围广，.所以橡胶大多做成O形密封圈。

目前使用的密封圈材料有:丁腈橡胶，氟橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶和聚氨脂橡胶等，引进的机械密封中以丁睛象胶(NBR, Buna-N),氟橡胶(FPM, Viton)居多.

国外的塑料和橡胶材料都是一些国际上有名的大化工公司产品，象美国杜邦公司( E. I. du Pont de Nemours & Co.). 3M公司，.英国石油化学品公司(BP Chemicals Ltd.)，西德拜耳公司((Bayer AG)等.这些公司实力雄厚，都有研究机构和专业人员，不断推出新品种并以商业名称命名，表5-17列举部分外国化工公司的塑料和橡胶材料的商业名称以资鉴别。’

除了上述化工公司的塑料、橡胶材料有商业名称之外，在各国大密封公司的产品中也有其自己的材料代号和商业名称.例如，日本比拉公司的Pilaflon (PTFE制品的商业.名称)，Pillarfoil(石墨垫的商业名称);美国杜拉公司的Kalamate (Stellite类合金的商业名称)和Duraflon (PTFE制品商业名称);其它象西德布格曼公司的Buko(石墨制品)，Buku(PTFE制品)，Buka(碳化物制品)以及Buke(陶瓷制品)也是商业名称。总之，材料以商业名称出现，这是国外材料的特点之一，我们在接触引进设备和材料时经常遇到这个问题，对于机械密封也不例外。

关于聚四氟乙烯和橡胶的使用温度范围，这在选用时要特别注意。为此，表5-18列举了有关标准资料以及密封公司推荐的聚四氟乙烯和橡胶密封圈的温度极限，供使用时参考。

表5-18中聚四氟乙烯和各种橡胶的温度极限是一般规定，各种资料介绍有些差别。其原因可能是聚四氟乙烯和橡胶尤其是合成橡胶的品种较多，就是同一名称的橡胶也有不同规格，而生产厂家又多，产;品的性能也不会一致.此外，聚四氟乙烯和橡胶密封圈因所

接触的介质不同，其使用温度范围也会有差别.因此，在应用四氟和橡胶密封圈时，可参照密封公司推荐的使用温度。例如，日本Eagle公司推荐的实用温度:聚四氟乙烯为-60~十250度，丁睛橡胶为一20~+100度 .氟橡胶为一20 ~ +200度.经过对比，从表5-18也可看出，英国克兰公司推荐的温度范围较为实用.按照英国克兰公司意见，密封温度选择，通常以一20~十230度温度范围考虑，超出这个范围则须另行安排.

近年来合成橡胶发展很快，热塑性弹性体品种也越来越多，既具塑料的耐蚀、耐温性能又具橡胶弹性的合成橡胶已经问世。例如，美国杜邦公司在1968年开发，1975年推出的新产品Perfluoro elastomer橡胶，商业名称为Kalrez这种产品具有橡胶的弹性，而其耐蚀性能与聚四氟乙烯相同，标准型Kalrez 4079的耐高温性能为260~316度。目前，已经有Kalrez做的O形圈和垫片供应市场.一些著名的密封公司如英国克兰公司，西德布格曼公司和日本Eagle公司已将Kalrez列入产品样品中。

表5-19所示为Kalrez的物理机械性能。