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離心泵機械密封材質選用

時間:2015-1-3 來源:浙江揚子江泵業有限公司

機械密封摩擦副材料
    根據統計,機械密封的泄漏大約有80%~95%是由于密封端面摩擦副造成的。除了要保持密封面平行之外,主要是摩擦副的材料問題。
(1)機械密封摩擦副材料應具備下列條件:
1)  機械強度高,能耐壓和耐壓力變形;
2)  具有耐干磨性,耐高載荷性,自潤滑性好;
3)  配對材料的磨合性好,無過大的磨損和對偶腐蝕;
4)  耐磨性好,壽命長;
5)  導熱性和散熱性好;
6)  耐高溫性能好;
7)  抗熱裂性能好;
8)  耐腐蝕性強;
9)  線膨脹系數小,能耐熱變形和尺寸穩定性好;
10) 切削加工性好,成型性能好;
11) 氣密性好;
12) 密度小。
    綜合衡量摩擦副材料,一般認為:浸漬樹脂或金屬的石墨材料,其導熱性和自潤滑性都很好,應優先考慮選用;強氧化性介質,應選用陶瓷材料;介質含顆粒,應選用硬對硬摩擦副材料,如碳化鎢-碳化鎢;強腐蝕介質,應選用填充聚四氟乙烯-陶瓷等。
機械密封軟面材料
(2)機械密封軟面材料主要包括:
    1)石墨。有兩種不同燒結石墨:碳石墨和電化石墨。前者質硬而脆,后者質軟、強度低、自潤滑性好。
    石墨具有良好的自潤滑性和良好的導熱性,具有良好的耐腐蝕性但不耐強氧化介質,具有抗熱沖擊性和低摩擦因數。然而石墨存在著氣孔率大、機械強度低的缺點。因此石墨用作軟面材料時,需要用浸漬等辦法來填塞孔隙,提高機械強度。
    選擇合適的浸漬劑是非常重要的。浸漬劑的性質決定了浸漬石墨的化學穩定性、熱穩定性、機械強度、使用溫度等。常用的浸漬樹脂有酚醛樹脂、環氧樹脂、呋喃樹脂等。酚醛樹脂耐酸性較好,環氧樹脂耐堿性好,而呋喃樹脂耐酸性和耐堿性均較好。常用的浸漬金屬有巴氏合金、銅合金、鋁合金、銻合金等。浸漬金屬石墨主要用90MPa,使用溫度可達500℃;浸銅或銅合金的碳石墨使用溫度為300℃;浸巴氏合金的碳石墨使用溫度為120~180℃。
(3)表7-19所列為碳石墨材料性能。

 

牌號

材料

體積密度/g.cm-3

硬度/HS

抗彎強度/MPa

抗壓強度/MPa

膨脹系數/C-1

氣孔率/%

使用溫度/℃

M121

碳石墨

1.56

65

25.5

73.65

4.0×10-6

17

350

M106H

M120H

M204H

M220H

 

浸環氧樹

脂碳石墨

 

1.60

1.68

1.90

1.90

60

60

40

45

29.42

41.19

29.42

39.23

107.87

88.26

68.65

83.36

11.0×10-6

11.0×10-6

8.0×10-6

11.0×10-6

5

5

5

5

200

200

200

200

M106K

浸呋喃樹

脂碳石墨

1.69

80

50

117.68

11.0×10-6

5

220

M232L

浸鋁合金

碳石墨

2.15

40

98.065

196.13

8.0×10-6

4

400

M106Y

M232Y

浸巴氏合

金碳石墨

2.36

2.06

60

50

58.84

39.23

196.13

147.1

6.0×10-6

6.0×10-6

5

5

180

180

M158K

浸呋喃樹

脂碳石墨

1.68

75~85

58.84~68.65

58.84~68.65

4.0×10-6

~6.0×10-6

<1

-103~250

M158H

浸環氧樹

脂碳石墨

1.70

65~76

196.13~294.2

147.1~196.13

4.0×10-6

~6.0×10-6

<1

-103~230

①導熱率為4.187W/(m.K);
②導熱率為5.44~6.28W/(m.K)
    硅化石墨是碳石墨材料經硅化處理而得的碳化硅-碳復合材料。硅化處理的方法有化學氣相反應法(CVR)和液硅浸滲法。化學氣相沉積法為美國和日本采用,而俄羅斯和德國則用液硅浸滲法。前者Si或SiO氣體在1800~2200℃的高溫下作硅化反應將表面轉化為SiC;而后者利用液體硅代替Si蒸汽或SiC氣體與CVR同樣作硅化處理。表7-20及表7-21列出了國內外硅化石墨的物理性能。
(4)表7-20CVR法硅化石墨的物理-力學性能

 

生產廠家

牌號

體積密度/g.cm-3

硬度

抗拉強度/MPa

抗彎強度/MPa

彈性模量/MPa

膨脹系數/C-1

抗壓強度/MPa

熱導率W/(m.K)-1

高工作溫度/℃

空氣中

惰性氣氛中

日本

鷹公司

ES-1

ES-3

2.8

1.8

95~105(HS)

85~100(HS)

22.6

42.2

68.6

83.4

114×103

24×103

4.5×10-6

4.2×10-6

129

147

50

70.95

200

400

 

日本皮拉公司

P1

1.84

3500(HV)

34.3

58.8

11.8×103

 

4×10-6

 

117.7

110.5

400

1600

日本日立

化成公司

HSC

HSC

1.85

2.00

3000(HV)

3000(HV)

 

59

68.6

35×103

41×103

4.4×10-6

4.4×10-6

 

116.32

116.32

 

 

美國純碳公司

PE-6923

2.15

100(HV)

34

55

28×103

 

4.4×10-6

 

138

68.63

260

 

英國加布蘭達夫公司

SiC-V

1.9

18.62(HV)

10.34

 

15.85×103

 

4.1×10-6

 

82.73

51.92

371

 

中國東新電碳廠

M456

1.84

100(HV)

2500(HV)

 

58.8

35×103

 

3.7(200℃)×10-6

 

118

 

 

 

日本東芝陶瓷公司

PADLTTE

2.54

2000(HV)

49

196

176×103

 

4.1×10-6

 

 

 

 

 

①浸漬樹脂。

(5)表7-21液硅浸滲硅化石墨

 

性能

廠家

俄羅斯新齊略賓斯克

德國順克埃貝公司

牌號

C-T

C-TT

CTII-0.5

U8019

體積密度/g.cm-3

抗壓強度/MPa

抗彎強度/MPa

抗拉強度/MPa

彈性模量/MPa

電阻系數μΩ.cm

沖擊韌性/J.m-2

斷裂韌性KIC/N.mm-3/2

疲勞強度/MPa

導熱系數/W.(m.℃)-1

線膨脹系數/℃-1

 

摩擦因數

2.5~2.7

294~314

88.3~108

39~49

88×10-3

 

2700

 

 

100~120

4.6×10-6

 

0.05

2.4~2.6

412~441

98~118

49~59

125×103

 

3900

 

 

150~175

4.2×10-6

 

0.04

2.5

235

76.5

39

58×103

 

2300

 

 

100

3.8×10-6

~4.0×10-6

0.04

2.65

 

190

 

140×103

130

1500

100

150

70

45×10-6

(20~1000℃)

    2)聚四氟乙烯特點。聚四氟乙烯具有較好的耐腐蝕性,很高的耐熱性和耐寒性,自潤滑性好,其動、靜摩擦因數均低于0.04.但它的導熱性差,為了克服其缺點,加入各種填充劑,成為填充四氟乙烯。表7-22列出聚四氟乙烯及填充四氟乙烯的性能。

(6)機械密封硬面材料

    1)工程陶瓷。常用的工程陶瓷有氧化鋁、氮化硅和碳化硅。陶瓷具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕性好及耐溫性好的特點,是較理想的動、靜環密封面材料。缺點是脆性大、硬度高機加工困難。表7-23列出國外某些陶瓷材料的典型制造法。

(7)表7-22聚四氟乙烯與填充四氟乙烯的物理-力學性能

 

性能

配方

聚四氟乙烯

填充20%石墨

填充40%石墨

25%青銅+20%玻璃纖維,10%石墨,5%炭黑

40%青銅,20%玻璃纖維,10%石墨

填充40%玻璃纖維

4%玻璃纖維5%石墨

密度/g.cm-3

抗拉強度/MPa

 

抗彎強度/MPa

斷裂伸長率/%

導熱率/W·(m·K)-1

硬度(HS)

抗拉強度(1%變形)/MPa

2.1~2.2

13.73~24.52未淬火

15.69~30.89淬火

10.79~13.73

250~350

0.24

50~65

4.12

2.16

16.4

 

24.9

151

0.48

2.15

13.8

 

22.7

77

0.41

2.45

13.8

 

22.7

77

0.41

2.7

15.9

 

38.5

171

0.43

2.28

16.0

 

19.9

231

0.24

2.28

11.2

 

20.1

149

0.43

MN-IM

磨損試驗機

摩擦因數

磨損量/mg.10min-1

 

0.04

0.13

12

0.14

3.4

0.17

2.3

0.17

3.6

0.18

3.5

0.15

2.5

合姆金磨

損試驗機

摩擦因數

磨損量/mg.40min-1

 

0.20

22.3×10-3

0.20

8.24×10-3

0.20

0.66×10-3

0.20

0.74×10-3

0.21

1.22×10-3

 

線膨脹系數/℃-1

縱向

0~50

0~100

0~150

0~200

0~250

(25~200)

1.0×10-4~1.0×10-4

1.9×10-4

1.46×10-4

1.38×10-4

1.38×10-4

1.40×10-4

1.67×10-4

1.29×10-4

1.25×10-4

1.28×10-4

1.23×10-4

1.60×10-4

1.35×10-4

1.32×10-4

1.41×10-4

1.54×10-4

1.60×10-4

1.33×10-4

1.33×10-4

1.43×10-4

1.34×10-4

1.63×10-4

1.19×10-4

1.16×10-4

1.20×10-4

1.26×10-4

1.50×10-4

1.20×10-4

1.17×10-4

1.23×10-4

1.32×10-4

橫向

0~60

0~100

0~150

0~200

0~250

 

1.01×10-4

0.87×10-4

0.74×10-4

0.78×10-4

0.79×10-4

0.75×10-4

0.60×10-4

0.59×10-4

0.62×10-4

0.67×10-4

0.79×10-4

0.69×10-4

0.69×10-4

0.74×10-4

0.79×10-4

0.77×10-4

0.63×10-4

0.62×10-4

0.66×10-4

0.71×10-4

0.83×10-4

0.67×10-4

0.63×10-4

0.67×10-4

0.73×10-4

0.69×10-4

0.60×10-4

0.53×10-4

0.57×10-4

0.61×10-4

吸水率/%

<0.005

+0.03

+0.04

+0.58

+1.00

+0.04

-0.77

(8)7-23某些陶瓷材料的典型制造法

 

制造方法

主要優點

主要缺點

示例

單體成型法

燒結法

1.各種形狀都能制造

2.單價低廉

尺寸精度高

(需要二次加工)

AL2O3

SiC

熱壓法

制品密度高

1.復雜形狀不行

2.生產性差

AL2O3

Si3N4

SiC

反應燒結法

1.任意形狀都可以

2.制造方法簡單

3.可能大批生產

制品密度小

SiC

Si3N4

 

涂層法

化學方法

化學氣相沉積法(CVD)

1.可得到高密度

2.形狀可任意選定

1.難以制造

2.涂層薄

3.各方向異性

SiC

TiC

BN

轉化法或反應法(CVR)

涂層薄

有空隙率

SiC

物理方法

物理氣相沉

積法(PVD)

噴鍍法

1.可得到耐低溫、高熔點涂層

2.附著力大

3.可大批生產

1.花費時間長

2.涂層溫度上升

3.涂層薄

SiC

TiC

TiN

等離子

噴涂法

1.可得到純的涂層

2.容易做到全面噴涂

涂層薄

SiC

TiC

TiN

熔射法

母材可任選

涂層密度小

AL2O3

Cr2O3

WC

    氧化鋁陶瓷AL2O3不僅具有很高的硬度及耐磨性,而且耐腐蝕性能也很好。除氫氟酸、氟硅酸及濃堿外,幾乎耐各種介質的腐蝕。它的膨脹系數小,導熱性良好,耐高溫和一定的溫度劇變。又因氧化鋁陶瓷制造工藝簡單,因此應用較廣。表7-24列出國產氧化鋁陶瓷的組成和性能。

(9)表7-34國產氧化鋁陶瓷的組成和物理-力學性能

 

材料

化學組成/%

密度/g.cm-3

硬度(HRA)

抗彎強度/MPa

熱導率/W.(m.K)-1

熱膨脹系數/℃-1

99瓷

AL2O399

MgO1

3.9

85~90

 

340~540

16.75

5.3×10-6

95瓷

AL2O394.5

SiO22

CaCO33.5

3.75

78~82

216~360

16.75

5.8×10-6

    氮化硅陶瓷的熱膨脹系數低(2.5~2.8)×10-6/℃,其抗溫度驟變性要比氧化鋁陶瓷好。它的強度及硬度高且摩擦因數低,有自潤滑性,是一種很好的耐磨材料。表7-35列出兩種氮化硅的物理-力學性能。

(10)表7-25氮化硅陶瓷的物理-力學性能

 

性能

反應燒結氮化硅

熱壓氮化硅

密度/g.cm-3

孔隙率/%

抗彎強度/MPa

抗壓強度/MPa

抗拉強度/MPa

抗沖擊強度/MPa

彈性模量/MPa

摩擦因數

硬度(HRA)

熱膨脹系數/℃-1

熱導率/W·(m·K)-1

電阻率(200℃)/Ω·cm

(700℃)/Ω·cm

2.5~2.6

13~16

196.13

1176.8

117.68~137.29

0.15~0.2

(1.670~2.16)×105

0.1

80~85

2.5×10-6

5.02

1018

108

3.13

<1

688.47~784.52

1569.1

-

0.39

-

-

91~92

(2.7~2.8)×10-6

-

-

-

    碳化硅陶瓷是近年發展的新材料。它具有很低的摩擦因數,很高的硬度,良好的耐磨性。它具有良好的化學穩定性、耐熱性和抗熱振性。

    碳化硅有反應燒結碳化硅、常壓燒結碳化硅和熱壓碳化硅。表7-26列出國產碳化硅的性能。

(11)表7-26國產碳化硅陶瓷的性能

 

材料

密度/g.cm-3

抗彎強度/MPa

彈性模量/MPa

熱膨脹系數/℃-1

硬度(HRA)

熱導率/W·(m·K)-1

熱壓SiC

3.1~3.2

441.3~539.37

3.92×105

4.5×10-6

 

93~94

83.74

常壓燒結SiC

3.0~3.10

372.65~451.11

4.07×105

4.3×10-6

 

91~92

92.11

反應燒結SiC

3.05

343.23~362.85

3.33×105

4.3×10-6

 

91~92

125.6

    2)硬質合金。硬質合金只要是碳化鎢WC。有鈷基碳化鎢WC-Co、鎳基碳化鎢WC-Ni和鈷-鎳基碳化鎢WC-Co-Ni。碳化鎢的特點:硬度高,耐磨性好;機械強度高,抗彎性好;導熱率較高而膨脹系數較小,密封面摩擦熱容易導出;無鈷硬質合金耐腐蝕性較好。表7-27列出國產碳化鎢的性能。

機械輔助密封材料

    機械密封的輔助密封是保證密封可靠和延長使用壽命的重要零件。輔助密封包括動、靜環的輔助密封圈。其作用是保證密封的軸與動環之間的靜環座(壓蓋)與靜環之間密封,補償密封面的偏斜和振動;保證使動、靜環端面緊密結合具有浮動性。

(12)表7-27國產碳化鎢硬質合金的物理-力學性能

 

牌號

化學成分/%

物理-力學性能

備注

WC

Co

密度

硬度(HRC)

抗彎強度/MPa

膨脹系數/℃-1(0~300℃)

YG3

97

3

14.9~15.3

91

10.29

 

耐腐蝕性好,可在高速下使用

YG6

94

6

14.6~15

89.5

10.20

4.5×10-6

 

耐摩性較高,有一定的沖擊韌性,常用作動、靜環材料

YG8

92

8

14.4~14.8

89

14.71

4.5×10-6

 

耐摩性較YG6差,有時也用作動、靜環材料

YG15

85

15

13.9~14.1

87

18.63

5.3×10-6

 

強度高,沖擊韌性好,常用作動、靜環材料

(13)機械密封對輔助密封圈材料的要求:

1)材料彈性好,特別是要求良好的復原性,永久變形要小;

2)不受流體介質的侵蝕,而且在介質中的膨脹和收縮都不大;

3)摩擦因數小和耐磨性好;

4)使用溫度范圍要廣,在高、低溫下不粘著、不變硬、脆和失彈;

5)要有適當的力學性能,如扯斷強度及其延伸率、耐壓等,在壓力作用下無顯著變形,有優良的抗撕裂性、耐磨性和耐壓性等;

6)便于加工并可得到高的精度;

7)抗介質腐蝕、溶解、溶脹、老化等性能好,對介質不應有污染等。

    作為輔助密封圈的材料有橡膠、塑料、石棉、膨脹石墨、石墨和金屬脹圈等。橡膠圈是使用廣的一種輔助密封圈。常用的橡膠密封圈材料有丁晴橡膠、氟橡膠、硅橡膠、氯丁橡膠、丁苯橡膠等。

    丁晴橡膠是常用的一種耐油橡膠。它是丁二烯和丙烯晴的共聚物。根據丙烯晴含量多少分成若干種:低丙烯晴(丁晴-18)、中丙烯晴(丁晴-26)和高丙烯晴(丁晴-40)、丙烯晴含量越高,它的耐油性越好,抗張強度、硬度和耐磨性、耐水性增加,透氣性減小。隨之而來,它在極性溶劑中是溶解度卻增大,耐腐蝕性也受到影響,彈性和耐寒性也變差。丁晴橡膠不耐撓曲,抗撕裂也較差。

    氟橡膠具有耐高溫、耐油、耐化學腐蝕的優點。氟橡膠中應用廣的是含氟烯烴共聚物,主要是26型和23型。26型中有氟橡膠-26系偏氟橡乙烯與六氟丙烯的乳液共聚物和氟橡膠-246系偏氟乙烯、六氟丙烯與四氟丙烯的三元共聚物。23型氟橡膠由偏氟乙烯與三氟氯乙烯在室溫及3.24MPa壓力下用懸浮聚合法制得的一種無定形橡膠狀共聚物。它不能用于液氨、氨水中。

    硅橡膠是由二甲基硅氧烷與其他有機硅單體在酸或堿性催化劑存在下聚合成的一種極性高分子聚合物。硅橡膠有很高的熱穩定性,但它有極性,容易在酸堿作用下發生離子型裂解,因此耐腐蝕性差,不適宜用于石油系溶劑(如苯、甲苯等)、丙酮、酮醚等有機溶劑。

    聚四氟乙烯具有優異的化學穩定性和耐油、耐溶劑、抗老化、耐溫性能,并有相當低的摩擦因數和一定的強度、彈性、柔性和不粘著性,因此廣泛用作各種溫度、壓力、腐蝕性介質條件下的密封圈。

    綜上所述,輔助密封材料,在一般介質中可使用橡膠材料制成的O形圈、墊圈和波紋管等;在腐蝕性介質中可使用聚四氟乙烯制成的V形圈、楔形環、墊圈和波紋管等;在高、低溫條件下可使用金屬波紋管。選用時應考慮材料的使用溫度和耐腐蝕性。幾種材料的使用溫度、適用介質見表7-28

(14)表7-28機械密封輔助密封材料列表

 

材料名稱

使用溫度/℃

使用介質或特性

橡膠

丁晴橡膠

-30~100

油、水、醇等

氯丁橡膠

-40~100

無機酸、堿溶液、水、醇等

乙丙橡膠

-50~100

堿、溶劑和各種化學、放射性介質

氟橡膠

-20~100

酸、油類、溶劑等

硅橡膠

-60~230

醇、堿、低溶脹性礦物質

聚四氟乙烯

-100~250

各種腐蝕性介質

金屬

沉淀硬化不銹鋼AM350

-40~450

熱處理后強度高,耐腐蝕性與1Cr18Ni9Ti相似

高鎳合金Inconel-750

-250~750

高、低溫強度好,耐腐蝕性好,但焊接困難,成本高

鎳鉬合金HastelloyC

約1000

耐腐蝕性好,不用熱處理,強度高,但成本高

機械密封主要零件材料選擇

    機械密封各主要零件的材料應根據使用工況進行選擇,見表7-29.

(15)常用機械密封主要零件材料

 

工況

摩擦副

輔助密封

介質

濃度

溫度/℃

旋轉環

靜止環

清水

 

室溫

石墨

陶瓷、高鎳鑄鐵、堆焊鈷鉻鎢

丁晴橡膠

河水

(含泥沙)

碳化鎢、碳化硅

碳化鎢、碳化硅

丁晴橡膠

海水

 

石墨

陶瓷,碳化鎢

丁晴橡膠

汽油

 

-20~80

石墨

高鎳鑄鐵,碳化鎢,陶瓷

氟橡膠

80~135

PTFE

煤油

 

-20~80

石墨

高鎳鑄鐵,碳化鎢,陶瓷

丁晴橡膠

80~200

氟橡膠,PTFE

柴油

 

-20~80

石墨

高鎳鑄鐵,碳化鎢,陶瓷

丁晴橡膠

80~200

氟橡膠,PTFE

機油

 

-20~30

石墨

高鎳鑄鐵,碳化鎢,堆焊鈷鉻鎢,青銅、陶瓷

丁晴橡膠

原油

 

-20~135

石墨

碳化鎢,陶瓷

氟橡膠

135~200

PTFE

(含雜質)

-20~135

碳化鎢

碳化鎢

氟橡膠

135~200

PTFE

輕質碳氫化合物

 

-20~80

石墨

碳化鎢

氟橡膠、PTFE

硫酸

<10%

-20~80

石墨

陶瓷

氟橡膠

>10%

-20~135

填充PTFE

PTFE

硝酸

<5%

-20~80

石墨

陶瓷、高硅鑄鐵

氟橡膠

>5%

填充PTFE

陶瓷

PTFE

醋酸

<30%

-20~135

填充PTFE

陶瓷

乙丙橡膠、PTFE

>30%

石墨

PTFE

 

-20~80

石墨、填充PTFE

高鎳鑄鐵、陶瓷、碳化鎢

乙丙橡膠

80~200

PTFE

食品

 

-20~80

石墨

陶瓷

丁晴橡膠

植物油

 

-20~80

石墨

高鎳鑄鐵、陶瓷

乙丙橡膠、PTFE

有機物

 

-20~80

石墨

碳化鎢、鑄鐵、堆焊鈷鉻鎢

乙丙橡膠、PTFE 

 

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