机械密封用材料_2013

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• 设法改善端面的润滑状态，降低其摩擦和磨损一直是
机械密封的主要发展方向。从材料角度考虑，不断出 现了许多性能优异的摩擦副材料，如石墨材料、碳化 硅陶瓷等；从结构上考虑，出现了许多结构设计方案 及其冲洗、润滑方案；同时出现了气膜润滑或液膜润
滑的非接触机械密封。
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② 常用的端面摩擦副材料
• 石墨 • 硬质合金 • 工程陶瓷 • 填充聚四氟乙烯 • 端面摩擦副材料组对规律
1765 1274 1079
3000 3148 -
2922 3069 -
钢结硬质合金的主要特点是烧结成形后可以进行机械加工， 然后在进行热处理。在硝酸、硫酸、氨水等介质中使用，有 良好的耐腐蚀性能。但不耐强碱、盐酸和三氯化铁热溶液的 腐蚀。
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工程陶瓷
• 工程陶瓷是工程上应用的一大类陶瓷材料，其原料都是 经过人工制备的，不像日用陶瓷和化工陶瓷直接取自天 然原料，因此其成分和配方比较容易控制，制品质量稳 定。工程陶瓷的共同特点是均具有极好的化学稳定性， 硬度高，耐磨损，但抗冲击韧性低，脆性大。目前用于 机械密封摩擦副的主要是氧化铝陶瓷（Al2O3）、碳化硅 陶瓷（SiC）和氮化硅陶瓷（Si3Ni4）。
• 机械密封用石墨一般是用焦炭粉和石墨粉（或炭黑）作 基料，用沥青作粘结剂，经模压成型在高温下烧结而成。 根据所用原料及烧结时间、烧结温度的不同，可以制成 具有各种不同机械物理性能的烧结石墨，常见的有炭素 石墨和石墨化石墨两种，两者除材料的组分不一样外， 主要区别是石墨化石墨是烧结需经2400~2800℃的高温石 墨化处理。
YG8
92
8
14.5~14.9
89
1470
5.1
YG15
85
15
13.9~14.2
87
2058
6.3
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钴基硬质合金耐蚀性能
稳定性 稳定 轻微腐蚀 腐蚀 不可用 清水、氟里昂、 海水、 煤油、汽油、酒 矿坑水、 精、 甲醇、 丙酮、 锅炉水、 醚、四氯化碳、 酯类溶剂、 液态甲烷、液 羟氨、 氢、 液氦、 液氮、 造纸黑液、 液氧、氩气 无水氟化氢 含硫水、硫 盐酸、硝酸、 酸铁、食 磷酸、 稀硫酸 醋、 （100℃） 、 冰醋酸、 氢氟酸、 稀硫酸 氢氧化钠 （室温） 、 （>100℃） 干氯气 湿氯气
H 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。它以碳化钨为主体，钴为粘结相，用粉末冶金 方法压制烧结而成。但金属钴易氧化，耐蚀性较差。
主要化学 成分（%） WC YG6 94 Co 6 14.6~15 89.5 1421 5.0 牌号 密度 3 （g/cm ） 硬度 （HRA） 抗弯强度 2 （N/mm ） 线胀系数 -6 ×10 /℃
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密度 牌号 (g/cm )
3
钢结硬质合金的力学性能
硬度（HRC） 退火 39~46 46 45 淬火 68~72 70~73 62~66 抗弯强度 （MPa） 冲击韧性 （× 4 2 10 N.m/m ） 5.88 2.94 1.47 弹性模量(Mpa) 退火 淬火
GT35 R5 R8
6.50 6.40 6.25
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类别 牌号 浸渍 物 M121 纯炭类 M238 M120H M238H M102F M202 M106K M254K M106D 浸金属类 M254D 锑 环氧 环氧 酚醛 酚醛 呋喃 呋喃 锑
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碳石墨材料牌号及性能举例
体 积 密 度 3 （g/cm ） 1.56 1.70 1.70 1.88 1.80 1.82 1.65 1.82 2.20 2.20 抗弯强度 （Mpa） 30 35 55 50 39 39 65 45 65 35 抗压强度 （Mpa） 85 75 200 105 98 93 240 100 190 80 硬度 （HS） 65 40 85 55 50 45 95 55 75 35 气 孔 率 （%） 15 15 1.0 1.5 3.0 2.5 1.5 2.0 2.0 2.0 线胀系数 （ × 10-6/℃） 4 3 4.8 4.5 6.5 6.0 7.2 6.5 使用温度 ℃ 350 450 200 200 200 200 200 200 350 450
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镍基硬质合金、镍铬基硬质合金的性能
合金 类别 牌号 主要化学 成分（%） WC WC-Ni YWN8 92 CrNi 8 14.4~14. 8 14.6~14. 8 14.6~15 88 1470 5.3 密度 3 （g/cm ） 硬度 （HRA） 抗弯强度 2 （N/mm ） 线胀系数 -6 ×10 /℃
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强度； 刚度；
⑴
机械密封端面（摩擦副）材料
• ①摩擦副材料的主要性能：物理力学性能、耐腐蚀性能 和摩擦学性能。
导热系数； 热膨胀系数； 耐腐蚀性能； 摩擦学性能。
H强度
•
强度是保证密封环整体完整、不发生破裂的重要指标。 大多数密封环是由脆性材料制造，其抗压强度大于抗拉 强度。结构设计上也考滤这一因素，使密封环在受压状 态下工作。一般说来，强度并不是主要关心的问题。可 是，有些应用场合，高压流体作用于密封环的内圆周， 使得密封环承受拉伸载荷。在这种情况下，必须考虑可 能出现的拉应力失效，可以考虑采用金属材料镶嵌结构。
浸渍树脂 类
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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，作为粘结相，将碳化钨、碳化钛 等硬质相在高温下烧结粘合而成。硬质合金具有硬度高 （HRA87~94）、强度大（其抗弯强度一般都在1400MPa以上）、导 热系数高而线膨胀系数小，且具有一定的耐蚀能力。
H 刚度
• 刚度决定着密封环抵抗变形的能力。除密封环的结构因素
外，材料的弹性模量E是密封环刚度的主要决定因素。密封
环的刚度影响着端面的变形锥（两密封端面形成的锥角） 和端面的波度。高刚度密封环的变形很小，对密封性能的 影响可以得到有效控制。浸树脂石墨的弹性模量E为20GPa 左右，而碳化钨硬质合金的弹性模量可达650GPa。
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石墨材料
自然界中碳元素构成的三种物质形态： 金刚石（结晶形炭）、石墨（结晶形炭）、煤炭（不具有 晶体特征的无定形炭）
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• 石墨是机械密封中用量最大、应用范围最广的摩擦副组 对材料。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，导热性好、线膨胀 系数低、组对性能好，且易于加工、成本低。
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低磨损率的获得: 一种是依靠端面的高硬度而耐磨损，即抗磨； 另一种则是依靠材料的自润滑、低摩擦而获得，即减摩。 自润滑特性是机械密封端面材料要求的一项特性，这是 因为考虑到机器在启动时，密封界面尚未形成润滑液膜，或 者密封件在接近介质沸点状态下操作时，润滑液膜会发生闪 蒸而破坏，这时会产生瞬时的干摩擦。
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• 目前常用的浸渍剂有合成树脂和金属两大类。当使用温
度小于或等于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 树脂耐酸性好，环氧树脂耐碱性好，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。 当使用温度大于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。浸锑石墨 是高温介质环境常选用的一种浸金属石墨。
使用介质
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镍基碳化钨硬质合金（WC-Ni）、 镍铬基（WC-Ni-Cr）碳化钨硬质合金
• 为了克服钴基碳化钨硬质合金耐蚀性差的缺陷，出现了镍 基碳化钨硬质合金（WC-Ni），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。因此又出现了镍铬基（WC-Ni-Cr）碳化钨硬质合 金，它不仅有很好的耐腐蚀性，其强度和硬度与钴基碳化 钨硬质合金相当，是一种性能十分良好的耐腐蚀硬质合 金 。
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4-3 机械密封材料
• 机械密封由若干零件所组成，各零件材料根据其所起的作 用、结构特征和使用条件来进行选择或研制与开发。 • 机械密封材料包括摩擦副材料、辅助密封材料、加载弹性 元件材料和其它结构件材料。正确合理地选择各种材料， 特别是端面摩擦副材料，对保证机械密封工作的稳定性， 延长其使用寿命、降低成本等有着重要意义。材料的选择 往往成为一个十分关键的问题，甚至决定密封的成败。 ⑴ 机械密封端面（摩擦副）材料 ⑵ 机械密封的辅助密封材料 ⑶ 机械密封其它结构材料
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• 热膨胀系数α：以多种方式影响着密封的性能。 由于存在轴向和径向的温度梯度，将影响端面的变形锥； 同时，如果材料的轴向膨胀沿圆周方向是变化的，则密封 端面将形成波形表面。 密封环和镶嵌环套的相对变形差，可能导致密封环的脱落， 或镶嵌环套、密封环的碎裂。 给定温差下的热应力正比于αE，而αE影响着发生表面裂 纹和整体热裂的敏感性。
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耐腐蚀性能
• 摩擦副暴露于被密封流体，要使机械密封能正常发挥作 用，其耐腐蚀性能必须加以考虑。首先应考虑最耐蚀的 材料。机械密封端面材料中，从耐蚀性的角度考虑，优 秀的材料有石墨材料、工程陶瓷材料、填充玻璃纤维聚 四氟乙烯材料等。 • 值得注意的是许多耐腐蚀性能优良的金属材料，如哈氏 合金B、哈氏合金C等用作摩擦副并不适宜，因为它们并 没有伴随有良好的摩擦学性能。
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• 炭素石墨:简称炭（碳）石墨，又称为高强石墨、硬质石 墨等，其特点是强度高、硬度大、耐磨损，但脆性大、 导热系数低。它是机械密封常选的软环材料。 • 石墨化石墨:又称电化石墨、软质石墨，其特点是质软、 强度低，自润滑性能好、加工容易。它适宜于介质清洁， 但润滑性能差，或易产生干摩擦的工况，如轻烃介质。
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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，作为粘结 相，将碳化钨、碳化钛等硬质相在高温下烧结粘合而成。 硬质合金具有硬度高（HRA87-94）、强度大（其抗弯强 度一般都在1400MPa以上）、导热系数高而线膨胀系数 小，且具有一定的耐蚀能力。 • 机械密封摩擦副常用的硬质合金有： 钴基碳化钨（WC-Co）硬质合金、 镍基碳化钨硬质合金（WC-Ni）、 镍铬基（WC-Ni-Cr）碳化钨硬质合金、 钢结碳化钛硬质合金。
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• 烧结石墨在焙烧过程中，由于粘结剂中挥发物质产生挥 发，粘结剂发生聚合、分解和炭化，从而出现10-30%的 气孔。烧结石墨直接用作密封环会出现渗透性泄漏，且 强度较低。因此，有必要进行浸渍处理以获得不透性石 墨制品，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。
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热性能参数、导热系数k和热膨胀系数α
• 导热系数k的大小决定着将端面摩擦热量传递给周围介质的 能力。导热系数越大，传递热量越快、传递一定热量所需 的温度梯度越小、端面温度越低、端面液膜沸腾的危险性 越小、密封环热裂的可能性也越小。浸树脂石墨的导热系 数约为6 W/(m· K), 而反应烧结碳化硅的导热系数可达42 W/( m· K),无压烧结碳化硅的导热系数更高，有时可达92 W/( m· K)。
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氧化铝（Al2O3)陶瓷
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氧化铝陶瓷的主要成分是Al2O3和SiO2。 Al2O3超过60%的叫刚 玉瓷。目前用作机械密封环较多的是95~99.8% Al2O3的刚玉 陶瓷，分别被简称为95瓷和99瓷。纯度高的氧化铝陶瓷则硬 度高、耐蚀能力强。Al2O3含量很高的刚玉陶瓷除氢氟酸和热 浓碱外，对其它各种腐蚀性介质都十分耐蚀。刚玉瓷晶体结 构致密，主要以离子键结合，键合力很强，从而具有很高的 硬度，显示了优异的耐磨性，但抗热冲击能力稍差，应避免 造成干摩擦或与轴有局部摩擦等情况出现，同时应避免温度 骤变。
WC-Ni-Cr
W7
91
9
90
1520
4.5
WC-Co
YG6
94
(Co)6
89.5
1421
5.0
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钢结碳化钛硬质合金
• 钢结硬质合金是人们找到的一种新型摩擦副材料。它是以 钢为粘结相，以碳化钛（TiC）为硬质相的硬质合金材料。 经过适当热处理后，具有高硬度HRC62~72）、高耐磨性和 高刚性等特点，并具有良好的韧性和抗热冲击能力，适宜 于温度有剧烈变化的场合。当然，与硬质合金相比，硬度 要差一些。
H摩擦学性能
• 摩擦、磨损和润滑等是评价机械密封端面摩擦副材料的摩 擦学性能的重要参数。摩擦系数f, 磨损速率可以反映端面 的润滑状态。润滑状态良好，则摩擦系数小、磨损速率低。 摩擦系数大，则磨损速率高、密封寿命短，且端面发热严 重、液膜汽化，严重时会导致端面热裂，造成密封迅速失 效。 • 低摩擦系数的获得，依靠材料本身的自润滑能力和外界能 提供的润滑条件。