泵机械密封摩擦副材料

机械密封摩擦副材料摩擦副材料是指动环和静环的端面材料.机械密封的泄翻80%--95%是由于密封端面引起的，除了密封面相互的平行度和密封面与轴心的垂直度等以外.密封端面的材料选择非常重耍.只有正确选择康擦网材料配对.才能保证机械密封具有稳定可靠的留封性能。

一.摩擦副材料的荃本要求通常堆娜剐的动环和静环选用一硬一软两种材料配对使用，只有在特殊情况下(如介质有固体颐位等)才法用硬对硬材料配对使用。

血该副组对是材料物理力学性能、化学性能、摩擦特性的峥合应用.在选择摩擦朗材料组对时.应愈以下几点基本要求。

1.物理力学性能弹性模盆大.机械强度高，密度小.导热性好.热那肤系数低.耐热裂和热冲击性好.耐寒性和耐沮度的急变性好。

2.化学性能耐腐蚀性好.抗溶胀、老化。

3.摩擦学性能自润滑性好，康擦系数低.能承受短时间的干摩擦，耐磨性好.相容性好.由于摩擦副密封端面耍进行相对滑动，仅各自的材料耐磨性好还不够，还要考虑摩擦副材料组对的相容性问题。

相容性差的两种材料组成摩擦副时，易发生黏着磨损.只有相容性良好的材料组对，才能得到良好的自润滑性和耐磨性。

4.其他性能切削加工性好.成形性能好，材料来源方便。

目前用做摩擦副的材料很多。

最常用的摩擦副材料，软质材料主要有:碳石墨、聚四氟乙烯、铜合金等。

硬质材料主要有:硬质合金、工程陶瓷、金属等。

二.碳石墨碳石墨是机械密封摩擦副软质材料中用里最大、应用范圈最广的基本材料。

它具有许多优良的性能.如良好的自润滑性和低的摩擦系数，优良的耐腐蚀性能(除了强氧化性介质如王水、铬酸、浓硫酸及卤素外.能耐其他酸、碱、盐类及一切有机化合物的腐蚀)，导热性好、线璐胀系数低、组对性能好，且易于加工、成本低。

碳石墨是用焦炭粉和石墨粉(或炭墨)作基料，用沥青作钻结洲.经模压成形在高温下烧结而成。

然而，碳石墨存在肴气孔率大((18%~22%)，机械强度低的缺点。

因此.碳石墨用作密封环材料时，需要用浸渍等办法来填塞孔隙，并提高其强度。

浸渍剂的性质决定了浸渍石墨的化学稳定性、热稳定性、机械强度和可应用温度范围.目前常用的浸渍剂有合成树脂和金属两大类。

当使用温度低于或等于170℃时.可选用浸合成树脂的石墨。

常用的浸渍树脂有酚醛树脂、环氧树脂和呋喃树脂。

酚醛树脂耐欣性好.环氧树脂耐孩性好.呋喃树脂耐酸性和耐碱性都较好，因此浸呋喃树脂石墨环应用最为普遍。

当使用温度高于170℃时，应选用浸金属的石墨环，但应考虑所浸金属的熔点、耐介质腐蚀特性等.常用的浸渍金属有巴氏合金、铜合金、铝合金、锑合金等。

浸锑碳石墨抗弯与杭压强度高.分别达30MPa和90MPa,使用温度可达500℃；浸铜或铜合金的碳石墨使用温度为300℃,浸巴氏合金的碳石墨使用温度为120~180℃。

对密封用碳石墨来说，抗疱疤是个很重要的问题。

对疱疤较普遥的解释是一定量的流体被碳石里基层所吸收，由于摩擦热形成基层压力顶出，形成疤状凹坑。

月疱疤常在烃类产品或温度交变的场合下使用时可以发现。

采用碳化硅作为配对材料，可以减少甚至消除这一疱疤问题。

三.聚四氟乙烯聚四氟乙烯具有优异的耐腐蚀性(几乎能耐所有强酸、强碱和强氧化剂的腐蚀)，自润滑性好，具有很低的摩擦系数(仅0.04)，较高的耐热性(高至250℃)和耐寒性(低至一180℃)，耐水性、抗老化性、不燃性、韧性及加工性能都很好。

但它也存在着导热性差(仅为钢的1/200)，耐磨性差，成形时流动性差，热膨胀系数大(约为钢的10倍)，长期受力下容易变形(称为冷流性)等缺点。

为克服这些缺点，通常是在聚四氟乙烯中加人适量的各种填充剂，构成填充聚四氟乙烯。

最常用的填充剂有玻璃纤维、石墨等。

填充聚四氟乙烯密封环常用于腐蚀性介质环境中。

聚四氟乙烯的填充材料有玻璃粉(或纤维)、石墨、青铜粉等。

一般加人石墨与二硫化钼可增加自润滑性;加人青铜粉可提高其导热性;加人玻璃粉可改善其尺寸稳定性及耐磨性。

为获得较好的综合性能，较适宜的填充料含量为10%~20%石墨、15%~30%MoS2,10%~25%SiO2及40%青铜粉。

食品、医药机械用密封，不应选用碳石墨或填充石墨的聚四氟乙烯作摩擦副材料，因为被磨损的石墨粉有可能进人产品，形成对产品的污染。

即使石墨无害，也会使产品染色，影响产品的纯净度和外观质量。

对于这种情况，填充玻璃纤维的聚四氟乙烯是优选材料。

四.硬质合金硬质合金是一类依靠粉末冶金方法制造获得的金属碳化物。

它依靠某些合金元素，如钴、镍、钢等，作为黏结相，将碳化钨、碳化钦等硬质相在高温下烧结黏合而成。

硬质合金具有硬度高(87~94HRA)、强度大(其抗弯强度一般都在1400MPa以上)、耐磨损、耐高温、热导率高、线胀系数小、摩擦系数低、组对性能好及具有一定的耐腐蚀能力等综合优点，是机械密封不可缺少的摩擦副材料。

常用的硬质合金有钻基碳化钨(WC-Co)硬质合金、镍基碳化钨(WC-Ni)硬质合金、镍钴基碳化钨(WC-Ni-Cr)硬质合金、钢结碳化钦硬质合金。

钴基碳化钨(WC-Co)硬质合金是机械密封摩擦副中应用最广的硬质合金，但由于其黏结相耐腐蚀性能不好，不适用于腐蚀性环境。

为了克服钻基碳化钨硬质合金耐蚀性差的缺陷，出现了镍基碳化钨(WC-Ni)硬质合金，含镍6%~11%，其耐蚀性能有很大提高，但硬度有所降低，在某些场合中使用受到了一定限制。

因此出现了镍铬基碳化钨(WC-Ni-Cr)硬质合金，它不仅有很好的耐腐蚀性，其强度和硬度也与钻基碳化钨硬质合金相当，是一种性能良好的耐腐蚀硬质合金。

钢结硬质合金是以碳化钦(TiC)为硬质相、合金钢为赫结相的硬质合金，其硬度与耐磨性与一般硬质合金接近，机加工性能与一般金属材料类同。

金属坯材烧结后经退火即可加工，加工后再经高温淬火与低温回火等适当热处理后，便具有高硬度(69~73HRC)、高耐磨性和高刚性(弹性模量较高)，并具有较高的强度与一定的韧性。

另外，由于TiC颗粒呈圆形，所以它的摩擦系数大大降低，且具有良好的自润滑性。

同时它还有良好的抗冲击能力，可用在温度有剧烈变化的场合。

硬质合金的高硬度、高强度，良好的耐磨性和抗颗粒性，使其广泛适用于重负荷条件或用在含有颗粒、固体及结晶介质的场合。

五.工程陶瓷工程陶瓷具有硬度高、耐腐蚀性好、耐磨性好及耐温变性好的特点，是较理想的密封环端面材料。

缺点是抗冲击韧性低、脆性大、硬度高、机加工困难。

目前用于机械密封摩擦副的主要是氧化铝陶瓷(A1203)、氮化硅陶瓷(Si3N4)和碳化硅陶瓷(SiC)。

1.氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷的主要成分是A1203和Si02,A1203含量超过60%的叫刚玉瓷。

目前用作机械密封环较多的是含A120395%-99.8%的刚玉瓷，分别被简称为95瓷和”瓷。

A12 03含量很高的刚玉瓷除氢氟酸、氟硅酸及热浓碱外，几乎耐各种介质的耐蚀。

但抗拉强度较低，抗热冲击能力稍差，易发生热裂。

其热裂主要由于温度变化引起的热应力达到了材料的屈服极限。

在A1203含量为95%的刚玉瓷坯料中加人0.5%~2%的Cr2O3，经1700~1750℃高温焙烧可制得呈粉红色的铬刚玉陶瓷，它的耐温度急变性能好，脆性降低，抗冲击性能得到提高。

铬刚玉陶瓷与填充玻璃纤维聚四氟乙烯组对，用于耐腐蚀机械密封时性能很好。

氧化铝陶瓷密封环由于优良的耐腐蚀性能和耐磨性能，被广泛应用于耐腐蚀机械密封中。

但值得注意的是，一套机械密封的动静环不能都使用氧化铝陶瓷制造，因有产生静电的危险。

2.氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷(Si3N4)是20世纪70年代我国为发展耐腐蚀用机械密封而开发的材料。

通过反应烧结法生产的氮化硅陶瓷(Si3N4)应用较多。

能耐除氢氟酸以外的所有无机酸及30%的碱溶液的腐蚀，热膨胀系数小、导热性好，抗热冲击性能优于氧化铝陶瓷，且摩擦系数较低，有一定的自润滑性。

在耐腐蚀机械密封中，Si3 N;与碳石墨组对性能良好，而与填充玻璃纤维聚四氟乙烯组对时，Si3N4的磨耗大，其磨损机理有待深人研究。

Si3N4与Si3N4组对的性能也不太好，会导致较大的磨损率。

3.碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷(SiC)是新型的、性能非常良好的摩擦副材料。

它重量轻、比强度高、抗辐射能力强;具有一定的自润滑性，摩擦系数小;硬度高、耐磨损、组对性能好;化学稳定性高、耐腐蚀，它与强氧化性物质只有在500~600℃的高温下才起反应，在一般机械密封的使用范围内，几乎耐所有酸、碱;耐热性好(在1600℃下不变化，极限工作温度可达2400℃)，导热性能良好，耐热冲击。

自20世纪80年代以来，国内外各大机械密封公司纷纷把碳化硅作为高pv值的新一代摩擦副组对材料。

根据制造工艺不同，碳化硅分为反应烧结SiC、常压烧结SiC和热压SiC三种。

机械密封中常用的为反应烧结SiC。

六.金属材料铸铁和模具钢、轴承钢等特殊钢不耐腐蚀，不能用于水类液体和药液，通常用于低负荷、油类液体，一般工艺过程中很少用它。

斯太利特(钻铬钨合金)也属于此类。

七.表面复层材料随着表面工程技术和摩擦学的发展，机械密封材料也发展到通过表面技术来改进材料的性能。

1.表面堆焊硬质合金在金属表面堆焊硬质合金可以有效地改善耐磨性能及耐腐蚀性能。

目前机械密封上使用的堆焊硬质合金主要有钻基合金、镍基合金和铁基合金。

这类合金具有自熔性和低熔点的特性，有良好的耐磨和抗氧化特性，但不耐非氧化性酸和热浓碱。

它的硬度不算高，抗热裂能力也较差，不宜用于带颗粒介质的密封和高速密封，比较适宜在中等负荷的条件下作摩擦副材料。

2.表面热喷涂热喷涂是利用一种热源，将金属、合金、陶瓷、塑料及复合材料、组合材料等粉末或丝材、棒材加热到熔化或半熔化状态，并用高速气流雾化，以一定的速度喷洒于经预处理过的工作表面上形成喷涂层。

如将喷涂层再用火炬或感应加热方法重熔，使其与工件表面呈冶金结合，则称为热喷焊。

机械密封用的热喷涂硬质材料多为各种陶瓷。

将高熔点的陶瓷喷涂在基体金属上，其表面可获得耐磨、耐蚀的涂层，涂层厚度可以控制，一般能从几十微米到几毫米，这样材料就兼有基体材料的韧性和涂层的耐蚀及耐磨性，并且可以大大降低密封环的成本。

3.表面烧覆碳化钨耐磨层表面烧覆碳化钨耐磨层是用铸造碳化钨(WC)粉为原料，以铜或NiP 合金作黏结剂，直接冷压在金属(不锈钢或碳钢)表面，然后经高温烧结而成。

在的表面烧覆碳化钨而得耐磨层，国外称为RC合金(ralit copper)。

它制成密封环既节省碳化钨又缩短加工工时，可大大降低成本，同时还可克服常用热套或加密封垫镶嵌环在高温下可能出现从座圈中脱出的缺点，或密封垫材料蠕变、炭化而失效的弊端。

同时根据需要能方便地控制耐磨层厚度(可控制在1~4mm)。

实际使用结果表明，在高温(>290℃)油类介质和含固体磨粒的场合，RC合金是一种具有优良耐磨性和热稳定性的密封材料。