机械密封常用摩擦副材料的选用

机械密封常用摩擦副材料的选用
机械密封摩擦副材料的选用
俞立
一、机械密封摩擦副材料的选用原则 (1)
二、造成摩擦副端面磨损的主要因素 (2)
三、摩擦副材料的基本要求 (3)
四、机械密封常用摩擦副材料 (4)
五、特殊工况的摩擦副材料的选用 (27)
六、小结 (29)
随着材料科学的发展，许多新材料、新工艺、新技术的层出不穷，为机械密封的设计、制造、应用等方面开拓了新的领域。

提高机械密封性能和使用寿命，设计是基础、材料是关键、系统是保证。

尤其对一些特殊工况，如高压、高温、低温、高速、高粘度、气相、真空、含固体颗粒和强腐蚀介质等，正确合理地选择机械密封摩擦副材料尤为重要。

虽然机械密封摩擦副材料品种繁多，但是多数是采用其它领域开发研制的新材料来为其所用。

作者从上世纪70年代开始，长期从事氧化铝、氮化硅、等离子喷涂、氧乙炔喷焊、耐腐蚀硬质合金、碳化硅以及碳石墨的后期处理等摩擦副材料的开发、研制和生产。

本文就目前常用的摩擦副材料的主要性能、特点、适用工况等作一介绍，供从事机械密封的结构设计、材料选用，现场应用等人员提供参考。

一、机械密封摩擦副材料的选用原则
机械密封设计选型是否合理，很大程度上取决于摩擦副材料的选配。

往往由于摩擦副材料选配不当而造成密封失效的事故屡见不鲜，而摩擦副材料的耐磨性能和使用寿命取决于密封介质的特性，使用温度、压力
和密封端面线速度等因素。

对一些特殊工况，要做到合理选用摩擦副材料，必须做大量的模拟试验或现场试验才能获得较好的实际效
果。

尤其是一种新材料的应用，除了在实验室、试验台进行试验外，必须作现场实际工况的运转试验和长时间的运行考核。

1.材料必须符合使用工况条件
机械密封使用工况包括：密封介质的特性(相态、腐蚀性、黏性等)、压力、温度、轴的转速、轴径和机器的操作方式（间歇式或连续式）、冲击、振动等。

在机械密封设计选型时，主要零件材料必须满足使用工况，并针对影响密封性能和使用寿命的主要因素加以综合考虑。

2.了解材料各项主要性能参数：
摩擦副材料包括有机材料、无机非金属材料和金属材料等，它们的性能各异，即使同一种材料还有不同的品种牌号。

品种牌号的各异，性能也有差异，只有了解了和掌握了这些材料的主要性能，才能根据使用工况合理选择材料。

3.充分发挥材料的特性、扬长避短
由于每种材料的特性不同，它们既具有各自的优良性能，又不可避免地有某些不足之处。

因此，目前还没有一种摩擦副材料是万能的，任何一种材料的性能均不可能达到十全十美，并不是所有工况都能适用。

为此，在进行结构设计和材料选用时，要充分发扬该材料的优点，尽可能避免其不利之处——“扬长避短”。

同时，为了降低材料承受苛刻工况的风险，保证稳定的密封性能和长周期可靠运行，在设计和选用机械密封时，应考虑配置相应的支持系统，如：冲洗、冷却、保温、分离等。

在安装维修时，也应采取必要的措施加以对材料的保护，以提高密封零件的重复使用率。

4.资源丰富、便于加工制造和维修、性价比合理，符合环保要求
在保证密封性能和使用寿命的前提下，应从资源丰富、便于加工制造、性价比合理、符合环保要求等出发来选用的材料，同时也应重视社会效益，给予全面的综合评价。

此外，某些新材料随着批量化生产、工艺技术的改进和应用范围的扩大，其价格逐步降低。

如：目前无压烧结碳化硅因生产成本已经达到或接近反应烧结碳化硅而被广泛采用。

5.摩擦副材料的合理选配
对不同的摩擦副材料进行合理的选配是一件非常重要的工作，只有根据不同的工况合理搭配摩擦副，才能充分发挥该摩擦副的优良性能，保证密封的正常使用，延长使用寿命。

二、造成摩擦副端面磨损的主要因素
1.粘着磨损
当摩擦副作相对运动时，由于固相焊合，接触表面的材料从一个表面迁移到另一个表面，出现粘着、撕脱、再粘着过程。

当粘着磨损严重时，会造成摩擦副咬死，致使端面温度急剧上升。

粘着磨损对摩擦副的破坏性最大，一般在干摩擦时尤其容易产生。

金属材料作为摩擦副时，更容易发生粘着磨损。

2.磨料磨损
它是由密封端面粗糙度及外来的磨蚀性颗粒的研磨所产生，它是密封端面的一种主要磨损形式。

3.腐蚀磨损
腐蚀磨损是在密封端面摩擦过程中，摩擦副同时与介质发生化学或电化学反应而产生物质损失的一种磨损。

由于不同介质对摩擦副的腐蚀机理以及摩擦副材料性能的不同，腐蚀磨损出现的形态也不尽相同。

4.表面磨损
它是由密封端面的疲劳裂纹和热应力裂纹所引起，尤其是密封端面因不均匀摩擦、发热温升而产生的热应力裂纹，会导致巨大的危害。

这种情况一旦出现，密封将迅速失效而破坏。

抗热冲击性能较差的脆性材料尤为严重，如：氧化铝陶瓷。

5.冲刷磨损
它由液体和气体高速流动产生的剥蚀作用所引起的一种磨损。

在运行状态下，磨擦副可能存在某一种磨损，但也可能同时存在一种以上的磨损，往往其中一种磨损是起主导作用。

当多种磨损存在的情况下，更加剧了摩擦副的磨损速率。

三、摩擦副材料的基本要求
对摩擦副材料的总的要求是耐磨、耐热、耐腐蚀，抗冲击和抗热
裂等。

1.耐磨性
由于设计时考虑到摩擦副端面处于边界摩擦或混合摩擦状态，使端面之间有一定的液膜存在，但在实际使用时，有可能出现短时或瞬间的干摩擦状态，使得摩擦系数增大造成发热和磨损特别严重。

因此，摩擦副材料能否承受瞬时的干摩擦是衡量摩擦副材料的综合性能指标，也是保证摩擦副使用寿命的重要因素，这是材料选择的第一个重要条件。

当密封介质中含有固体颗粒时，则密封端面还将承受磨粒磨损。

为此，应选择硬度较高、摩擦系数较小而热导率较高的材料来提高其耐磨性。

2.配对性
磨损副材料的配对性是组成摩擦副的两种材料耐磨性的综合反映。

只有选择配对合适的摩擦副材料，才能使摩擦副的摩擦系数小，自润滑性也能得到改善，并克服或减少电化学腐蚀。

3.抗热裂性
摩擦副端面产生的摩擦热会导致密封环的温度差，引起热变形，从而使端面磨损加剧，泄漏量增大，严重时还会因热应力过大而造成密封环的开裂。

材料的抗热冲击系数越大，则抗热冲击性越佳，因为它与热导率和机械强度成正比，与弹性模量和膨胀系数成反比，所以应选用热导率大、强度高、膨胀系数小的作摩擦副材料。

碳石墨、碳化硅、氮化硅、硬质合金等材料的抗热冲击系数较高，而氧化铝陶瓷的抗热冲击系数则较低。

4.机械强度和刚度
摩擦副在运行过程中受到各种力和力矩的作用，为避免摩擦副端面产生强度破坏或过量变形，必须选择具有足够强度和刚度的材料。

在高压力下，选用碳石墨环时，就必须在结构上予以考虑。

当介质压力更高时，一般不宜采用强度和刚度较低的碳石墨作摩擦副。

5.耐蚀性能
摩擦副材料必须耐介质的腐蚀。

当介质为电解液时，要防止电化学腐蚀的发生。

如钨钴硬质合金与青铜配对的摩擦副，在海水或某些
电解液中就会产生电化学腐蚀，致使硬质合金中粘结相钴被腐蚀，造成碳化物硬质相在机械作用下而磨蚀。

反应烧结碳化硅中残留有8～12%游离硅，它就不能在PH＞10的碱性介质中使用。

钨钴硬质合金一般也不能在酸性介质中使用。

碳石墨浸渍树脂后，它的耐蚀性就受到此类树脂的影响。

环氧树脂耐碱、酚醛树脂耐酸，而呋喃树脂的耐酸、耐碱性能均可。

四、机械密封常用摩擦副材料
(一)碳石墨
国内目前常用的机械密封摩擦副材料与国外基本一致，性能和质量虽有一定差距，但基本能满足国内的需求。

其中，硬质材料与国外的差距较小，而碳石墨材料与国外相比，无论是品种、性能、质量、工艺和装备的技术水平与先进国家相比还存在较大差距。

国外在国内开设的碳石墨公司或企业，均不将机械用碳石墨的生产放在国内，而是将其在国外生产的机械用碳石墨的半成品坯料运至国内，仅在国内作机械加工和后期处理。

由于国内生产机械用碳石墨的企业规模不大、研发水平较低，新材料开发能力较弱，工艺装备更新改造较慢、资金投入力度不够，从而近20多年来国内机械用碳石墨的发展步履艰难，技术落后国外。

目前，我国与国外机械用碳石墨的主要差距在坯体方面，一是可供选用的品种少；二是工艺较陈旧，石墨化程度较低，反映在碳石墨原料的颗粒较粗，焙烧后晶粒过大，致密度偏低，气孔率较高，还夹杂有较大的硬碳颗粒和杂质，从而在制品的硬度、强度、热导率、摩擦系数等方面与国外同类产品相比有相当大的差距。

表1是国内外碳石墨性能的比较。

此外，树脂浸渍工艺尚需改进，浸渍压力不高，浸渍深度较浅，使得碳石墨密封环的耐渗漏性能明显降低。

浸渍金属的工艺更为落后，工艺不稳定。

表1国内外碳石墨性能比较
碳石墨牌号国别制造厂商
密度
g/cm3硬度
HS
抗弯强度
MPa
线膨胀系数
×10-6/℃
热导率
cal/cm?s?℃
气孔率
%
M106(碳基)中国东新碳素 1.660～70455-18 M108(碳基)中国东新碳素1.660～70505-16 X520(石墨化)中国上海碳素1.75050---CY10(石墨化)英国摩根 1.67045 3.60.0312
由于碳石墨是一种耐磨、低摩擦系数（摩擦系数在0.01～0.08）,有优良的自润滑性和高热导率（100～110kcal/m.h.℃）、高抗热冲击性、低膨胀系数（4～5×10-6/℃）、耐多种介质腐蚀，并有良好的可加工性的材料，所以它的使用范围较广。

除了在含有颗粒、强氧化性介质以及高压条件之外，在绝大多数工况中，采用它与其它硬质材料配对是较为理想的摩擦副材料。

金刚石、石墨与碳是同素异构体。

由于它们的晶体结构的不同，随之性能就有极大的差异。

石墨的同一层碳原子间距为1.42?（1?=10-8cm），并以极强的共价键结合。

而层与层的碳原子间距为3.41?，仅以较弱的分子键（范德华力）相连，由于层间的结合力很低，并有规则的排列，所以层与层之间容易产生滑移，就有了良好的自润滑性。

碳与石墨的结构主要不同之处在于碳的层间碳原子间距较石墨大，
约为3.48～3.56?，而且层与层之间是无规则排列，有扭转或平移，呈错层结构。

金刚石是面心立方结构，它是目前地球上所有物质中硬度最高的材料。

众所周知，密封端面上存在的流体膜将大大地降低端面的磨损率。

由于碳石墨是一种低模量的材料，当密封端面被局部压缩时，就足以形成1.4μm的流体楔，有利于流体膜的形成。

碳石墨又是一种层状结构，它容易在对磨面上建立一层转移薄膜，这层薄膜使得摩擦系数与磨损率下降。

若这层薄膜未能形成，或者很快形成又迅速地被磨蚀，那么磨损率就会升高。

由此可见，碳石墨与其它硬质材料组成的摩擦副密封效果较好的原因之一，是因为在密封端面之间容易建立液体膜和形成一层润滑性好的碳石墨薄膜。

在机械密封设计和使用时，如果能适应使用条件，促使液体膜的形成，并控制碳石墨转移膜形成，则密封效果和使用寿命将会提高。

由于碳与石墨在结构上的不同，反映在性能上就有差异。

石墨的硬度较低，它的硬度一般在HS=40～60。

而有些硬碳的硬度可高达HS＞100。

石墨的导热性，导电性、自润滑性均较碳好；碳的热导率仅为石墨的1/100，碳的强度虽较高，但它的摩擦系数则比石墨大。

机械密封摩擦副用的都为碳石墨材料，它使碳与石墨可相互取长补短，性能也介于两者之间。

碳石墨中碳与石墨的比例随使用条件或对磨材料不同而要有所调整。

应当指出：机械密封摩擦副用的碳石墨硬度不是越高越耐磨，且国内少数碳石墨制造厂商，在碳石墨制品外面涂刷硅油，以增加外观光泽，博得用户的好感。

由于碳石墨的坯料中一般均有10～30％的气孔。

必需通过浸渍合成树脂、金属或硅酸盐（玻璃）等浸渍剂使其气孔率降至2％以下，成为不透性的碳石墨后才能使用。

通过浸渍处理后的碳石墨材料，不仅能堵塞其孔隙，还能提高它的强度、硬度等机械性能。

浸渍金属还可提高它的导热性能和使用温度。

由于浸渍剂不同，浸渍后碳石墨会因浸渍剂而受到一定的使用限制，有时往往不能充分发挥碳石墨本身的某些特点。

无浸渍剂的不透性碳石墨的试制成功，使它们的抗磨性能、
热性能和耐蚀性能均比含浸渍剂的碳石墨有所提高，并不会在使用中有“疱疤”的现象发生。

表2-5分别是国内和国外碳石墨密封环材料的品种和性能。

1.浸渍树脂类碳石墨
目前用于浸渍碳石墨密封环的树脂以酚醛树脂、环氧树脂和呋喃树脂三种居多数。

浸渍聚四氟乙烯树脂的碳石墨的耐腐蚀性优良。

酚醛树脂的耐酸性较好，环氧树脂耐碱性较好，而呋喃树脂的耐酸和耐碱性均较好。

浸渍树脂的碳石墨，虽有增加密度、硬度、强度等好处，但其耐热性能会因浸渍树脂而降低，一般使用温度＜200℃,从而影响了碳石墨在较高温度下使用的特点。

它的耐腐蚀性能也会受到不同浸渍物的限制而有所下降，有时还会产生“疱疤”现象。

但它与浸金属的碳石墨相比，其优点是没有烧粘倾向。

2.浸渍金属类碳石墨
浸渍金属的碳石墨密封环主要用于高温、非腐蚀性介质，如高温油之类。

它们的耐化学腐蚀一般较差，不宜在腐蚀性介质中使用。

浸渍的金属有铜合金、铝合金、巴氏合金、锑等，其中以浸锑的碳石墨居多，它的热导性好，使用温度可接近500℃。

浸渍金属的碳石墨强度较高，热导率高于浸渍树脂的碳石墨。

但是，当它们在超过极限使用温度时（接近金属熔点），金属会熔化，从碳石墨的空隙中渗出来，常常造成与其对磨环粘连在一起，产生粘着磨损。

3.不含浸渍剂的不透性碳石墨
不透性的碳石墨的机械性能可与浸渍树脂的碳石墨相媲美，而耐热性与抗热震性、耐蚀性都优于后者，在抗“疱疤”性能方面，可被看成是一显著的进步。

这种材料的抗热冲击系数高，是浸渍树脂碳石墨的2.5倍；在氧化气氛中最高使用温度可达400℃，在中性或还原性气氛中使用温度高达1300℃。

国内上世纪80年代开发生产的热解碳石墨就是这类材料中的一种。

采用丙烯等碳氢化合物在高温下经热解，使碳分子渗透到碳石墨坯体的气孔中，起增密作用，从而形成高致密、少空隙、低透气性的纯碳
石墨材料。

通过装机运转考核，证实它在高温、耐蚀等工况中使用效果良好。

表2我国机械密封用碳石墨分类(J B/8872-2002)
类别系列代号浸渍物或粘结剂浸渍物或粘结剂代号
碳一石墨封环M1环氧树脂
呋喃树脂
酚醛树脂
巴氏合金
铝合金
铜合金
锑
银
玻璃
H
K
F
B
A
P
D
G
R
电化石墨密封环M2环氧树脂
呋喃树脂
酚醛树脂
巴氏合金
铝合金
铜合金
锑
银
H
K
F
B
A
P
D
G
R
树脂碳石墨M3树脂粘结剂
特种石墨硅化石墨T10硅M3
表3我国各类碳石墨密封环材料物理力学性能(J B/8872-2002) 材料类别浸渍物
肖氏硬度
HS≧抗折强度
MPa≧
抗压强度
MPa≧
密度
g/cm3
开口气孔率
%≦
碳石墨
M1基体材料
环氧树脂
呋喃树脂
酚醛树脂
巴氏合金
铝合金
锑银玻璃40 65 70 60 75 75 70 70 70 90 25
49
50 48 70 70 70 65 70 50 50 176 180 176 218 220
230
220
200
170
1.40
1.60
1.60
1.80
2.50
2.00
2.50
2.20
2.90
1.80
2.0
2.0
3.0
2.5
3.5
2.0
3.0
3.0
2.5
2.0
电化石墨M2基体材料环氧树脂
呋喃树脂
酚醛树脂
巴氏合金
铝合金
铜合金锑
银
玻璃30 40 40 40 40 40 40 40 68 60 20 35 40 40 45 60 50 50 68 45 30 75 80 75 80 130
100
110
195
100
1.50
1.80
1.78
1.80
2.40
2.00
2.60
2.30
2.90
1.80
2.0
2.0
3.0
2.5
3.5
2.0
4.0
3.0
2.5
2.0
树脂碳石墨
M3
无5554147 1.72 1.5硅化石墨
T10
硅100（HRa）45150 1.79 2.0
表4碳石墨密封环的热性能参数值（200℃）(J B/8872-2002)
类别代号浸渍物
线膨胀系数
×10-61/℃导热系数W/m·K 碳石墨密封环M1
无
环氧树脂
呋喃树脂
酚醛树脂
巴氏合金
铝合金
铜合金
锑
银
玻璃
4.0
4.8
6.5
7.0
5.5
8.0
6.5
5.5
7.8
4.7
5.0
4.6
4.2
4.6
10.5
21.8
21.0
30～40
8.6
电化石墨密封环M2 无
环氧树脂
呋喃树脂
酚醛树脂
巴氏合金
铝合金
铜合金
锑
银
玻璃
3.0
4.5
6.0
6.5
5.0
7.0
7.0
5.0
7.8
4.7
108.9
88.0
83.7
96.3
104.7
110.0
105.5
30～40
8.6
硅化石墨T10硅 3.8～5.270
表5无浸渍剂的不透性碳石墨物理性能
抗弯强度MPa 抗压强度
MPa
冲击值
cm/kg
弹性模量
MPa×103
线膨胀系数
×10-6/℃
热导率
W/m.k
温度使用极限（℃）
氧化气氛中性还原气氛
53290 1.718 3.60.07400℃1300℃
4.树脂复合类碳石量
采用树脂、塑料作粘结剂与碳石墨粉经混合、压制或注塑成型的树脂复合碳石墨密封环被大量用于低参数的轻型密封，如：家用水泵、洗衣机等。

这类碳石墨密封环中含有的树脂量多达20%以上、导热率较低、许用PV值也低，但可采用自动线生产，批量大，价格低廉。

5.硅化石墨
硅化石墨（CVRSIC）又称渗硅石墨，是国外60年代发展起来的一种新型的碳石墨一碳化硅复合材料。

利用气相沉积工艺在碳石墨基体的表面生成一层了0.2～1.0mm厚的碳化硅层。

它被用作大负荷的径向轴承和止推轴承等零部件，也可以在强腐蚀、含颗粒、高温等各
种苛刻条件下可用作密封环。

它可与其他硬质材料或碳石墨组配摩擦副，还可以自行组配磨擦副，且具有瞬时的干运转性能。

由于硅化石墨的基体是一种低模量的碳石墨材料，因此易于形成和维持流体膜。

国外对硅化石墨与各种材料组配的摩擦副进行了一系列模拟工况试验，证实：A）用硅化石墨与碳石墨组配的摩擦副，较WC/C、AL2O3/C 的摩擦副具有更卓越的抗磨性能。

碳石墨的磨损量远比与上述两种硬质材料组配要小；B）硅化石墨比钨钴硬质合金（WC+CO）或氧化铝更适用于腐蚀性介质；C）硅化石墨的抗热震性是相当好的，把不含树脂的硅化石墨投入到接近熔点（1430K）处，并保持10分钟，然后取出立刻放入300K的水中急冷，10个密封环无一破裂，也不产生蜕皮现象。

而10个氧化铝密封环在同样实验条件下，均一一开裂；D）它的坯体为碳石墨材料，易于加工成各种复杂形状的制品。

在制造硅化石墨时，可采用几种工艺交替进行，这样获得的制品性能更佳。

一般硅化石墨的坯体内依然存在少量的游离硅，有的还有少量气孔存在。

国内已能制造硅化石墨密封环，并取得较好的使用效果。

表6比较了硅化石墨、氧化铝和硬质合金的耐腐蚀性能。

表6硅化石墨、氧化铝和硬质合金耐腐蚀性能比较
腐蚀介质温度（K）硅化石墨氧化铝WC+5·5%Co
50%铬酸
20%硫酸37%氢氧酸
96%硫酸70%氢氧化钠360
360
360
360
360
OK
OK
OK
OK
OK
Q
OK
Q
OK
Q
N
N
N
N
OK
注：OK—浸泡21天后，表面硬度值没有降低；Q—寿命短；N—不耐腐蚀。