密封材料的选择

碳石墨、 工程陶瓷
硬质合金
黑色及有 色金属 贵金属
碳钢、铸铁、高硅铸铁、不锈钢、 垫片、软填料、成型填料、活塞环、 高铬镍合金；铜、铝、铅、锌、锡 机械密封，迷宫密封、间隙密封、 动力密封、防尘密封、全封闭密封 及其合金 金、银、铟、钽 高真空密封、高压密封、低温密 封
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第二节 高分子材料
一、橡胶
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③硅橡胶 有极好的耐热性，在低温下仍能保持良好的 抗磨性，适用温度范围宽，良好的抗氧化和耐候 性，但耐磨性及抗溶剂、油、酸、碱等介质的性 能差。
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二、聚四氟乙烯
1、PTEE的摩擦磨损特性 在低负荷范围，随负荷的增大，表面分子间距离 减小，分子外围的氟原子负电荷相斥作用增加， 分子内聚力减弱，摩擦系数相应降低，但分子间 距离的减小是有一定限度的，所以在高负荷下， 摩擦系数将于恒定。 当速度v＜1.1cm/s时，摩擦系数很小，而当速度达 到0.5~4m/s时，摩擦系数为0.2左右。 而摩擦系数与温度几乎无关，从超低温至PTEE的 熔点，摩擦系数几乎不变，只有在表面温度高于 熔点时，摩擦系数才会急剧增大。
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2、碳纤维材料 ① 碳纤维是以各种天然纤维或人造纤维为原料，通 过梳理、预氧化、碳化等步骤制成。主要用聚丙 烯腈作原料。原料以一般纺织机将纤维梳整成卷 后，置于210~230℃的恒温加热炉中进行预氧化， 然后在惰性气氛中于1000~1100℃的高温下进行碳 化，最后需在2000~3000℃下经过石墨化处理。 ② 具有很高的比强度和比刚度和优良的导热性、耐 蚀性和减摩性，用于阀门、往复泵、离心泵，尤 其在高温、超低温条件下的应用显示出良好的密 封效果，比普通石棉材料的使用寿命可提高5~10 倍。但成本较高，适宜工况苛刻的场合。
第三节 碳——石墨
一、机械密封碳——石墨一般性能（抗磨石墨）
1、生产方法 将炭质材料（无烟煤、焦炭、石油焦等）粉 碎，加上沥青、煤焦油捏合，再用水压机成 型，在2500~3000℃，隔绝空气烧结，就得 到人造石墨。
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2、物理机械性能
① 非金属材料中唯一能导电的材料，有较高的导热性。 膨胀系数小，热稳定性高，能经受温度的剧烈变化， 特别适合作传热设备。但耐温受到浸渍材料的限制， 强度不太高，塑性差，质脆，机械加工性能好。在 空气中的最高使用温度为400℃，在还原性或惰性 气氛里，可达3000℃。 ② 石墨由于孔隙率很大（30%），不能用作独立的构 造材料。用各种合成树脂（其它金属、非金属也可） 将石墨浸渍消除孔隙率，这样得到的石墨称为不透 性石墨，浸渍后孔隙率大为减少，机械强度增加， 而导热性并不降低。主要可车、锯、钻孔和套丝扣， 但不能焊接、铸造和压力加工。
橡胶、塑 料
合成橡胶、天然橡胶；氟塑料、尼 垫片、成型填料；油封；软填料、 龙、聚乙烯、酚醛塑料、氯化聚醚、硬填料、活塞环、机械密封、防尘 聚苯硫醚 密封件、全封闭密封件
膨胀石墨 垫片、软填料 碳-石墨；氧化铝瓷、滑石瓷、金 机械密封、硬填料、动力密封、间 属陶瓷、氮化硅、碳化硅、碳化硼、 隙密封 喷涂陶瓷 碳化钨、斯太利堆焊合金、RC耐 磨合金、钢结硬质合金 机械密封
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1、膨胀石墨的性能与应用
② 膨胀石墨既有普通石墨的优良热稳定性、高 导热率和耐蚀性，同时又具有独特的可压缩 性和回弹性。主要用在阀、泵以及各种化工 设备上的密封垫片和填料中，在磨损后仍具 有一定的回弹能力，可自动补偿径向间隙， 保持良好的密封状态。 ③ 膨胀石墨的晶体由于膨胀的结果，其层间距 离比天然石墨的理论值增大了几十倍甚至上 百倍，使得层间本来就很弱的范德华力进一 步减弱。因此极易产生切变滑移，即它的强 度很低。
第四源自文库 密封材料
教学重点：
拓展学生知识面
教学难点：
无
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第一节 密封材料的选用原则
一、密封工作特点对材料的要求
① 耐蚀性：能抵抗大多数介质的腐蚀性， 且不易老化、溶胀； ② 综合机械性能：高的抗拉强度，良好的 塑性，抗冲击能力强，硬度适中，且弹 性模量较大； ③ 耐磨性：耐磨，有自润滑性，摩擦系数 小； ④ 传热系数大，热膨胀系数小，且能承受 温度的波动； ⑤ 良好的经济加工性能，来源广泛。
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3、摩擦磨损特性
① 碳原子以共价键结合，结合力较大，较稳定。 石墨本身有一定的自润滑性能和优良的减摩性。 当石墨与金属对磨时摩擦系数为0.04~0.05（无 腐蚀情况）。
② 除强氧化性介质（如硝酸、浓度60%以上的铬 酸、发烟硫酸、溴、氟和过氧化氢等）中会软 化、膨胀，对各种酸、碱、盐和有机化合物具 有很高的化学稳定性。
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② 有机非金属材料 种类 a. 非金属材料，如木材、炭精、石墨；
b. 塑料，如缩聚塑料、聚合塑料、沥青混合物 等；
c. 衬里及覆盖层，如橡皮、涂料等； d. 胶凝材料，如酚醛胶泥；
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② 有机非金属材料 耐蚀性 a．材料
分子结构为饱和，耐蚀性高。，不饱和的耐蚀性 较差；分子为立体结构，耐蚀性好，线性结构， 耐蚀性较差；分子量越大越耐蚀。 b．介质
密封材料
45（淬火回火） 3Cr13（油淬） C15高硅铸铁 WC（YG-8） 斯太得合金 锡青铜 Al2O3（99%） 金属陶瓷 （77%Cr,23% Al2O3） 碳石墨（浸呋喃树脂） 碳石墨（浸酚醛树脂） 碳石墨（浸锑） 聚四氟乙烯 Th﹒Sp（J/cm﹒Sec） 177.4 77.0 51.4~68.5 142.7 11.3~24.8 156.9~179.3 33.1 20.5 145.2 321.9 590.9 0.39
③ 材料的价格与来源
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2、非金属材料的耐蚀能力
① 无机非金属材料
耐蚀能力与化学成份、矿物质组成、孔隙率、结构 类型（无定型或结晶型）以及腐蚀介质的性质有关， 其耐蚀性通常由耐酸度或耐碱度评定。 耐酸度：表示无机非金属材料耐酸能力的指标。
g2 K 100% g1
g2------试验后重量，g1-----原重
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五、密封材料的种类及用途
3、金属及非金属结构材料 主要是用于制造要求较高的摩擦副材料，其它机 械零件也可使用。 4、油、脂及固体润滑剂 作为密封润滑系统及作为软填料的浸渍剂 和添加剂。详细情况参看表4-2。
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表4-2密封材料种类及用途
种类 动、植、矿 物纤维及人 造纤维 材料名称 用途
毛、毡、皮革；棉、麻、纸、软木； 垫片、软填料、防尘密封件、成型 石棉；有机合成纤维、玻璃纤维、 填料、油封、夹布橡胶密封件 碳纤维、陶瓷纤维
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二、密封材料的耐磨性及其评定方法
① 耐磨性是密封材料应该具备的主要性能。材 料的耐磨性是指某种材料在一定的摩擦条件 下抵抗磨损的能力。材料硬度大，越耐磨， 材料的磨损率与它的硬度成反比，同时也与 它的减摩性成反比。因此不能简单的认为硬 材料比软材料耐磨。例如聚四氟乙烯、浸渍 石墨。 ② 材料的磨损特性并不是材料的固有特性，而 是摩擦学系统的特性。因此材料的耐磨性必 定与工作条件有关，如载荷、速度、温度、 材料性质和润滑状态等等，撇开具体的环境 去讨论某种材料的耐磨性是没有意义的。
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五、密封材料的种类及用途 1、纤维及弹塑性体材料
这类材料具有低的弹性模量，高泊桑比，在较低 压力作用下可获得较大的弹性变形。主要用于软 填料、成型寺料、垫片、油封等元件的主体材料。 如石棉、橡胶、聚四氟乙烯及膨胀石墨等。 2、抗磨及减摩材料 这类材料耐磨性好，或有减摩性。在较高PV值 下使用，耐热、耐寒，导热系数大，主要用于 机械密封、硬填料密封、间隙密封等的摩擦副 元件。例不透性石墨、硬质合金、陶瓷等。
此类材料有良好的减摩性，故较耐磨。
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二、硅铸铁 1、耐蚀性 在氢氟酸、氟化物、碱、卤素、三氯化铁、亚硫 酸、次氯酸盐和王水中会受到强烈腐蚀，在任何 浓度和温度的硫酸、硝酸、室温盐酸、磷酸、醋 酸、蚁酸及各种有机酸中均可使用，在各种盐类 溶液和有机介质中稳定性也很高。 2、耐磨性 它的硬度大，质脆，耐磨性较好。但物理、 机械性能差，机械强度低，热裂倾向大。
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三、密封材料的耐蚀性及其评定 1、金属材料的耐蚀能力 ① 介质的性质、温度和压力
根据密封所处的介质（氧化性或还原性）、 浓度（低、中、高）及介质对腐蚀速度的影响。 另外要考虑密封所处的温度（高温或低温）。 密封所处的压力（常压、中压、高压还是真 空）。
② 密封的类型与结构
根据密封的类型与结构选择材料，如内装 式、外装式。
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③ 材料的耐磨性通常以 磨损率的倒数来表示， 即：
1 W
式中 ε------材料耐磨性 W------磨损率，即材料在单位时间或单位滑动 距离内产生的磨损量
④ 相对耐磨性来表示， 它是试验材料与标准 （或参考）材料在相 同磨损条件下的耐磨 性之比。
t r s
1 Wt
1 Ws
Ws Wt
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二、膨胀石墨及碳纤维密封材料 1、膨胀石墨的性能与应用 ① 膨胀石墨又称柔性石墨，可挠性石墨。它是 以天然石墨为原料，经净化处理后浸入化学 处理剂中，加热至100℃，使石墨粒子被筛剂 充分润湿；用水冼净，于加热炉中升温至 1000℃左右，使进入石墨粒层间的硫酸氢基 和水分发生爆炸性的分解，气化，造成石墨 层间急剧膨胀，晶体沿某方向的距离可比原 来扩大100~300倍，最后用一般模压、辊压或 冲压的方法制成板状、带状及填料环等各种 规格的制品。
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4、密封用橡胶品种及适用范围
①丁腈橡胶 丁二烯与丙烯腈的共聚物，抗石油、汽油和 酯族烃的能力是它的主要特点，且有较高好的耐 磨、耐热、抗老化性能，但不耐光照，在芳香族 环烃和卤代烃溶剂及有机酸、酮、胺、酯、醚中 均不能使用。 ②氟橡胶 含氟原子橡胶的总称。具有优良的耐热和耐 腐蚀性能，良好的耐磨和抗撕裂性，但回弹及低 温性能较差。
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二、聚四氟乙烯
2、PTEE的耐蚀性 外围原子是氟原子，表面具有高度惰性，对水和溶 剂的渗透率都很小，因而几乎不会发生其它高分子 聚合物常见的溶解和溶胀。 除熔融的碱金属、无水氢氟酸、三氟化氯及元素氟 在高温及一定压力下能破坏PTEE外，对各种强酸、 强碱、强氧化剂、有机溶剂甚至沸腾的“王水”都 有优异的耐蚀性。
1、橡胶的力学与热性能 所有的高分子材料与金属相比，强度低得多，力 学性能受温度的影响很大。 对于橡胶，无论是否硫化，其结构基本都是线型 的。线型高聚物分子结构具有二种运动单元，一 种是大分子链的整体，另一种是链中的个别链段。 线性高聚物在不同的范围呈现出玻璃态、高弹态、 粘流态三种不同的力学状态。
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二、聚四氟乙烯
3、PTEE的力学与热性能 易出现高弹形变和塑性形变，服从虎克定律的弹 性变形只有在较低的应力条件下才存在。 热稳定性是工程塑料中最突出的，其使用温度范 围一般在-180~+250℃。但其线膨胀系数高，导热 性低。因此随着温度上升体积膨胀十分显著，因 而限制了PTEE的使用。
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除氧化性介质和有机溶剂外，耐酸、碱、盐。
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四、密封材料的耐热冲击性能
耐热冲击性能表示材料抗热冲击的能力，它 是由耐热冲击系数体现出来的。耐热冲击能 力越大，越不容易产生热裂。 对介质温度和PV值过高的场合，要选择耐 热冲击系数大的材料。耐热冲击系数可参看 下表。
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表4-1常用密封摩擦副材料的耐热冲击系数
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2、橡胶的摩擦特性
与其它高聚物一样，在干的状态下，刚性表面越 光滑，接触面越大，粘着磨损增大。如果在湿的 状态下，界面被一层很薄的液膜隔离，可以大大 降低粘着作用。另外，粗糙的表面相对光滑有表 面具有更大的粘着可能性。
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3、橡胶的耐蚀性
①高聚物的腐蚀形式 一种形式是溶剂分子渗入材料内部破坏大分 子之间的次价键，产生溶解和溶胀；另一种形式 是由于活性分子与大分子发生化学反应，引起大 分子链的主价键断裂。 ②橡胶的耐蚀性 一般不耐氧化性介质，在醛、醚、酮等很多 溶剂中要发生溶胀和溶解，但在非氧化性酸、碱、 盐类溶液中有很高的化学稳定性。同时，它的腐 蚀性随温度的升高，耐蚀性降低。
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第四节 金属及其合金
一、碳钢和普通铸铁 1、耐蚀性 在非氧化性酸中发生析氢腐蚀；在水中构成微电 池或氧的浓差电池而发生吸氧腐蚀，在中性盐溶 液中发生吸氧腐蚀。在PH＞9.5重量百分比浓度不 超过30%的碱溶液中是耐蚀的，在高温的熔融碱 中遭到强烈腐蚀。在浓的强氧化性介质内可钝化， 在高温气体中发生化学腐蚀。 2、耐磨性