機(jī)械密封材料選用知識(shí)

一、鈷基硬質(zhì)合金有哪些特點(diǎn)機(jī)械密封用的硬質(zhì)合金以鈷基碳化鎢應(yīng)用最廣，它是由硬度極高的碳化鎢（WC）加鉆（Co)或其它鐵族金屬做為粘結(jié)劑，用粉末冶金方法壓制燒結(jié)而成。它的最大特點(diǎn)是硬度高、導(dǎo)熱率高和線膨脹系數(shù)低。硬質(zhì)合金中WC等硬質(zhì)相耐腐蝕性很強(qiáng)，在酸堿等腐蝕性介質(zhì)中十分穩(wěn)定。但粘接金屬的耐蝕性能較差，往往密封介質(zhì)首先將粘接金屬腐蝕，使硬質(zhì)相WC等孤立而失去依靠，在相對(duì)摩擦中迅速磨掉。所以WC-Co硬質(zhì)合金不適用于具有腐蝕性的場合。但在一般溫度下的硫酸和沸點(diǎn)以下的苛性鈉等介質(zhì)中有較強(qiáng)的耐腐蝕性。

WC-Co材料沖擊韌性低而脆性高，機(jī)械加工價(jià)格昂貴。常用硬質(zhì)合金的物理和機(jī)械性能見表12。二、什么是耐腐蝕硬質(zhì)合金為克服WC-Co中粘結(jié)相的耐腐蝕性差的缺陷，出現(xiàn)了以Ni為粘結(jié)相WC為硬質(zhì)相的耐腐蝕硬質(zhì)合金。性能和WC-Co類硬質(zhì)合金相近，耐蝕性有所提高。其化學(xué)成分WC占89~94%，Ni占11~6%，WC-Nii的物理機(jī)械性能見表13。在醋酸、硫酸、燒堿等介質(zhì)中耐腐蝕性能優(yōu)良，在鹽酸、磷酸中耐蝕性能良好。還有的用WC-Ni-Cr代替WC-Co和WC-Ni。WC-Ni-Cr不僅有很好的耐腐蝕性，其強(qiáng)度和硬度與WC-Co相當(dāng)，并且無磁性，是一種良好的耐腐蝕硬質(zhì)合金。WC-Ni-Cr具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)(83.7~58.6W/(m·K))，較低的線膨脹系數(shù)(4X10ˉ6~4.5x10ˉ61/℃)。在鹽酸以及在55%NaOH和2%NaC1的混合溶液中有很好的耐蝕性。三、哪種硬質(zhì)合金可以焊接為解決熱裝式密封環(huán)松脫的缺點(diǎn)，國內(nèi)出現(xiàn)了一種可以焊接的硬質(zhì)合金。它是以鎳為粘結(jié)相的碳化鉻硬質(zhì)合金（Cr3-C2-Ni），牌號(hào)為CN15。與YG6比較具有重量輕（比重為7~7.5）、耐腐蝕和抗氧化等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榫€膨脹系數(shù)（500℃以下為10.2x10ˉ61/℃）和不銹鋼相近，合金成分同屬Cr-Ni基，可直接與環(huán)座焊接。焊接時(shí)，清洗好環(huán)座和硬質(zhì)合金環(huán)，并在其間鋪放一層Ni基粉末，然后置于真空電阻爐中，經(jīng)1100℃高溫?zé)Y(jié)，保溫隨爐冷卻，經(jīng)回火處理，然后加工到要求尺寸。其耐腐蝕情況見表14。四、鋼結(jié)硬質(zhì)合金有哪些特點(diǎn)鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以鋼為粘結(jié)相，碳化鈦為硬質(zhì)相的一種硬質(zhì)合金。它有很高的耐磨性和剛性(彈性模量高)，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度、硬度和一定的韌性。由于TiC比重小，所以重量較輕;同時(shí)TiC顆粒呈圓形，摩擦系數(shù)大大降低，并且有較好的自潤滑性。該合金還具有良好的抗熱震性，可用在溫度有劇變的場合。其突出的特點(diǎn)還是它的加工工藝性好，并可進(jìn)行熱處理，熱處理后尺寸變化小，變形量在尺寸誤差范圍內(nèi)。此外，它還具有良好的可焊性和可鍛性。鋼結(jié)硬質(zhì)合金的耐腐蝕性能隨鋼基的類型不同而異。它們?cè)诤Ｋ蛪A液中的耐蝕性較好，在其它介質(zhì)中的耐蝕情況和機(jī)械性能見表15、16。五、表面堆焊用硬質(zhì)合金有哪些在密封環(huán)表面上堆焊一層硬質(zhì)合金,可提高密封環(huán)的耐磨性和耐腐蝕性，且價(jià)格較低，是一種常用的方法。堆焊用的硬質(zhì)合金有鉻基1號(hào)、鈷基1號(hào)及鈷基2號(hào)，其成分及性能見表17。鉻基1號(hào)的堆焊層具有良好的耐汽蝕、耐腐蝕性能；鈷基1號(hào)堆焊層具有較高的硬度，耐酸性好；鈷基2號(hào)堆焊層具有耐高溫及在高溫下保持高硬度的特性。堆焊硬質(zhì)合金雖然有一定的耐腐蝕性，但不耐強(qiáng)酸、熱堿的腐蝕。它的硬度不算高，抗熱裂能力較差，且堆焊工藝要求較高，不宜用于帶顆粒介質(zhì)的密封和高速密封。上述堆焊用硬質(zhì)合金，堆焊前和堆焊后的熱處理要求較嚴(yán)格，堆焊中易出現(xiàn)氣孔和裂紋等缺陷。國內(nèi)研制出了一種新型的堆焊用硬質(zhì)合金。它是Fe-Cr-C系，型號(hào)為EDZCr55-1和EDZCr-60，是一種耐磨性高、韌性和抗裂性好的堆焊用電焊條。前者堆焊后硬度HRC55，沖擊韌性可達(dá)10N.m/c㎡以上；EDZCr-60的硬度為HRC60，但韌性稍差。這種堆焊硬質(zhì)合金焊條堆焊工藝簡單，交直流焊機(jī)均可。焊前僅將工件預(yù)熱到200℃左右，焊接過程中不用伴熱，焊后用保溫材料覆蓋即可。該焊條價(jià)格低，是一種很有前途的堆焊用硬質(zhì)合金。六、哪些陶瓷可以做密封環(huán)？各有何特點(diǎn)？陶瓷具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和很高的耐磨性，價(jià)格較低。由于對(duì)沖擊、振動(dòng)和溫度劇變很敏感，導(dǎo)熱系數(shù)低，所以只能用于pv值不高的腐蝕性介質(zhì)中。常用的陶瓷有氧化鋁(AI?O?)、氮化硅(Si8N4)、碳化硼(B4C)、碳化鈦(TiC)及碳化硅(SiC)等。有的制成整體的陶瓷環(huán)，有的在密封環(huán)表面噴涂一層陶瓷。氧化鋁陶瓷具有很好的耐腐蝕性，可以經(jīng)受各種酸類、堿類、鹽類和各種有機(jī)溶劑及強(qiáng)氧化劑的腐蝕。其性能與氧化鋁的含量有關(guān)，氧化鋁含量高，性能好，耐磨性好。氧化鋁的硬度僅次于金剛石和碳化硼，可RC85~86，機(jī)械強(qiáng)度和普通鑄鐵差不多，且原材料來源廣泛，制造工藝簡單。由于質(zhì)脆和導(dǎo)熱性不好，所以常用來作噴涂材料。需要指出的是動(dòng)靜環(huán)不能都用氧化鋁制造，因有產(chǎn)生靜電的危險(xiǎn)。氮化硅是一種新開發(fā)出來的密封環(huán)材料，除具有優(yōu)良的耐腐蝕性外，由于線膨脹系數(shù)小(2.5x10ˉ6~2.8×10ˉ61/℃)，抗熱震性能比氧化鋁好得多。在空氣中，從室溫到1000℃的范圍內(nèi)，能經(jīng)受幾十次至幾百次的急冷和急熱的循環(huán)而不開裂。氮化硅的耐磨性好，摩擦系數(shù)較低。氮化硅根據(jù)其制造方法的不同有反應(yīng)燒結(jié)氮化硅和熱壓氮化硅。熱壓氮化硅強(qiáng)度較高，用于不需要進(jìn)行機(jī)械加工的零件，反應(yīng)燒結(jié)氮化硅由于制造工藝的特點(diǎn)，而被廣泛采用。這些陶瓷的物理機(jī)械性能見表18。七、碳化硅有哪些特點(diǎn)?使用中應(yīng)注意什么?碳化硅是一種新型陶瓷，是到目前為止發(fā)現(xiàn)的最好的摩擦副材料，具備各種優(yōu)良性能。例如物理性能、熱學(xué)性能和化學(xué)性能，甚至防輻射性能都不例外。在膠著性能方面，碳化硅會(huì)生成氧化硅的保護(hù)膜，它可被大多數(shù)液體濕潤。碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為氧化鋁的10倍。這些特性，結(jié)合其超級(jí)硬度，使它本身以及對(duì)磨材料有很長的使用壽命。它的耐腐蝕性很好，在強(qiáng)氧化性介質(zhì)中，只有在500~600℃的高溫下才起反應(yīng)，幾乎耐所有的酸和堿。制造方法可分為熱壓燒結(jié)SiC常壓燒結(jié)SiC,反應(yīng)燒結(jié)SiC、化學(xué)氣相反應(yīng)SiC(又稱硅化石墨)和化學(xué)氣相沉積SiC。前三種為整體碳化硅，后兩種是在石墨表面上形成的SiC覆蓋層。制造方法不同性能也不同，常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)SiC致密度高達(dá)97%以上:反應(yīng)燒結(jié)SiC其中有一定數(shù)量的游離硅和孔隙;化學(xué)氣相沉積和化學(xué)氣相反應(yīng)SiC則表層為SiC，基體為石墨。它們共同的特點(diǎn)是摩擦副端面都是致密極硬的SiC。其性能見表19和表20。使用SiC時(shí)應(yīng)注意的同題:根據(jù)使用條件的不同選用不同的SiC。大批量產(chǎn)品，常壓燒結(jié)或反應(yīng)燒結(jié)SiC為宜；形狀復(fù)雜的產(chǎn)品應(yīng)采用易成型的常壓燒結(jié)SiC，價(jià)格較低；若介質(zhì)為強(qiáng)氧化劑，宜選用常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)SiC，在高pv值下使用熱壓燒結(jié)SiC；若介質(zhì)含有固體顆粒應(yīng)選用SiC自身配對(duì)或SiC對(duì)硬質(zhì)合金。SiC是一種脆性材料，強(qiáng)度和抗沖擊韌性很差。設(shè)計(jì)密封環(huán)時(shí)應(yīng)考慮SiC環(huán)的形狀要簡單，不宜在環(huán)上開槽打孔，避免和減少應(yīng)力集中；磨削加工時(shí)轉(zhuǎn)速要高些，進(jìn)刀量不可過大，避免崩邊掉角現(xiàn)象；裝配時(shí)嚴(yán)禁敲打；包裝應(yīng)采取防震措施；此外，還要精心安裝和使用。八、聚四氟乙烯有哪些特性?用其制造的密封環(huán)適用于什么場合?聚四氟乙烯具有很好的耐腐蝕性。它的化學(xué)穩(wěn)定性是已知塑料中最好的，故以“塑料王”著稱。它幾乎能耐所有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和強(qiáng)氧化劑的腐蝕。目前發(fā)現(xiàn)僅熔融堿金屬(或它的氨溶液)、元素氟和三氟化氯在高溫下能與聚四氟乙烯作用。聚四氟乙烯的分子結(jié)構(gòu)決定了表面分子彼此容易滾動(dòng)和滑動(dòng)，所以聚四氟乙烯在與其它材料對(duì)磨時(shí)，它的分子首先向?qū)δゲ牧限D(zhuǎn)移，在對(duì)磨材料表面上形成了一層約0.02~0.03μm厚的薄膜，故它是一種極好的減磨、自潤滑材料。聚四氟乙烯有低的摩擦系數(shù)，其動(dòng)靜摩擦系數(shù)均為0.04，與金屬鏡面對(duì)磨其摩擦系數(shù)為0.09~0.12。聚四氟乙烯有很高的耐熱性和耐寒性，使用溫度為一18~250℃，耐水性、耐老化性、不燃性、韌性及加工性能都很好。聚四氟乙烯也存在一些缺點(diǎn)，使用范圍受到一定的限制。最大的缺點(diǎn)就是冷流性，即在負(fù)荷下發(fā)生蠕變;此外，線膨脹系數(shù)很大，在8×10ˉ5~25×10ˉ51/℃范圍內(nèi)，不同溫度下的數(shù)值見圖54，了解這一性質(zhì)對(duì)其儲(chǔ)存和加工制造時(shí)的溫度控制是有意義的。此外，聚四氟乙烯導(dǎo)熱性很差，為0.244W/(m.K)與金屬相差300多倍。故用聚四氟乙烯做密封環(huán)時(shí)，摩擦熱很難導(dǎo)出，使溫度升高，密封性能惡化。所以這種密封環(huán)只能用在pv值不高的場合且還要采取降溫散熱措施。只有在腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì)爭用其它材料不能滿足需要時(shí)才選用聚四氟乙烯做密封環(huán)。但是輔助密封圈卻經(jīng)常采用聚四氟乙烯來制造。為了克服聚四氟乙烯的不足，往往在其間如入各種添加劑，以改善其性能。制造密封環(huán)時(shí)，常加入二氧化硅積玻璃粉，可以增加尺寸穩(wěn)定性和提高耐磨性，此外還有的加入青銅粉、二硫化鋁、石墨等，可改善導(dǎo)熱性和自潤滑性。填充物一般不超過15~20%。如表21。九、輔助密封圈常用哪些材料制造機(jī)械密封的輔助密封圈包括動(dòng)環(huán)密封圈和靜環(huán)密封圈。根據(jù)其作用，要求輔助密封圈材料具有良好的彈性、低的摩擦系數(shù)，能耐介質(zhì)的腐蝕、溶解和溶脹，耐老化，在壓縮之后及長期工作中有較小的永久變形，在高溫下使用具有不粘著性，低溫下不硬脆而失去彈性，具有一定的強(qiáng)度和抗壓性。另外，要求材料來源方便，成本低廉等。輔助密封圈材料主要使用各種橡膠、聚四氟乙烯、柔性石墨和金屬墊片等?？筛鶕?jù)不同的工作條件，選用不同的密封圈材料。十、常用哪些合成橡膠制造輔助密封圈？各有何特點(diǎn)？橡膠是一種彈性很好的高分子材料。具有良好的彈性和一定的強(qiáng)度，具有較好的氣密性、不透水性、耐磨、耐溫、耐壓、耐腐蝕性能，是一種廣為采用的輔助密封圈材料。橡膠分為天然橡膠和合成橡膠。天然橡膠在彈性、強(qiáng)度和加工性能及綜合性能方面優(yōu)于合成橡膠，但在耐溫、耐腐蝕、耐溶解等性能上則不如合成橡膠。通過采用不同的橡膠品種、配方、混煉和硫化工藝可得到各具特點(diǎn)的合成橡膠。1)丁睛橡膠(NBR)丁腈橡膠是丁二烯和丙烯腈的共聚物。常用的丙諾腈含量為40%的丁腈橡膠耐油、抗老化性能良好，并具有耐熱、耐磨和耐腐蝕等性能，廣泛用于接觸汽油及其它油類的設(shè)備。它也能耐堿和非氧化性稀酸腐蝕，但不耐氧化性酸(如硝酸和鉻酸等)、芳烴、酯、酮、醚、鹵代烴等的腐蝕。煉油廠凝縮油中由于含有芳烴等介質(zhì)，所以在這種場合不能用丁腈橡膠。低溫下也不宜采用。2)硅橡膠(MVQ)硅橡膠是由二甲基硅氧烷與其它有機(jī)硅單體，在酸性(或堿性)催化劑下，聚合成的一種線性高分子彈性體。硅橡膠具有很寬的使用溫度范圍(﹣100~350℃)和很高的熱穩(wěn)定性，一般可在200~300℃下長期使用。主要用于高、低溫下的動(dòng)植物油、礦物油、氧、弱酸和弱堿等物質(zhì)的密封。其缺點(diǎn)是強(qiáng)度低、不耐磨、價(jià)格高。3)氟橡膠(FPM)氟橡膠是含有氟原子的一種合成高分子彈性體，具有耐高溫、耐油及耐多種化學(xué)藥品浸蝕的特點(diǎn)。目前氟橡膠有三個(gè)品種:FPM2301，即氟橡膠23-11，,具有優(yōu)異的耐強(qiáng)酸性能；FPM2602，即氟橡膠26-41，耐熱性能、耐溶劑性能優(yōu)于FPM2301，但工藝性能較差；FPM隨2461，即氟橡膠246，其耐熱、耐溶劑性能比FPM2602還要好。目前制造輔助密封圈采用的氟橡膠主要是FPM2602。它可在250℃下長期使用，300℃下能短期使用，其耐腐蝕性能是彈性體中最好的一種，但低溫性能較差，價(jià)格貴，限制了其使用范圍。十一、高壓下采用什么材料制造輔助密封圈前述幾種材料僅適于一般工況下使用的輔助密封圈。高壓下，尤其是高壓和高溫同時(shí)存在時(shí)，它們不能勝任，這時(shí)只好選用金屬材料制造。根據(jù)不同的工作條件有不同的金屬材料供選用。高壓下，金屬“0“形環(huán)常用的材料為:Cr18Ni9、Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni9Ti和Cr18Ni11Nb等；對(duì)于斷面形狀為三角形的金屬密封圈則常采用鉻鋼，如0Cr13等；對(duì)于一些平墊則多采用紫銅或鋁墊。高壓高溫條件下(比如400℃以上)，上述材料的強(qiáng)度和彈性模量明顯下降，應(yīng)采用耐熱合金，例如因科鎳合金或鉻鎳鐵合金一x等材料。除上述兒節(jié)中談到的用單一材料制造的輔助密封圈外，還有用復(fù)合材料制造的密封圈。例如，聚四氟乙烯包不銹鋼，聚四氟乙烯包橡膠等，由于有良好的密封效果使用潛力很大。十二、制造機(jī)械密封彈簧的材料有嘟些機(jī)械密封的彈簧應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，耐介質(zhì)的腐蝕和在工作溫度下長期使用剛度不衰減或衰減很少。常用的彈簧材料有磷青銅、鈹銅、65Mn、60Si2Mn、50CrV、3Cr13、4Cr13、1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti等。磷青銅和鈹銅的彈簧用在油類和海水中；碳素鋼彈簧則宜用于常溫?zé)o腐蝕介質(zhì)中；50CrV用于高溫油類介質(zhì)中居多，鉻鋼用于弱腐蝕性介質(zhì)中；不銹鋼1Cr18Ni9Ti和Cr18Ni12Mo2Ti可用于稀硝酸、醋酸，尿素等腐蝕性介質(zhì)中，對(duì)于一些強(qiáng)酸還需采用包覆措施。表22是主要彈簧材料的有關(guān)數(shù)據(jù)，供參考。十三、制造波紋管的材料有哪些工作條件不同采用不同的材料制造。對(duì)于介質(zhì)壓力和溫度不高的情況下可采用橡膠制造，價(jià)格低廉，又能滿足密封的要求。對(duì)于腐蝕性介質(zhì)，可采用聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯制造。上述兩類材料的剛度較小，常輔之以彈簧才能達(dá)到要求的彈簧比壓。用金屬制造的波紋管有較高的使用溫度和彈簧比壓，應(yīng)用較廣。前一節(jié)談的彈簧材料，大都可以用來制造波紋管。長期使用中發(fā)現(xiàn)，這些材料在高溫下工作幾乎都出現(xiàn)彈力下降的缺陷。十四、高溫下工作的波紋管選用什么材料目前國際上應(yīng)用的高溫波紋管材料為AM350。AM350屬于沉淀硬化型不銹鋼。所謂沉淀硬化是指在一定的條件下，由過飽和固溶體中析出另一相而導(dǎo)致的硬化作用。沉淀便化型不銹鋼是一種超高強(qiáng)度的高合金鋼，通常含鉻量大于12%，合金元素總含量約22%~25%，經(jīng)過高溫固溶處理后冷卻到室溫時(shí)保持奧氏體組織，適于加工成型，然后進(jìn)行中間處理和冷處理(一73℃)能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，再經(jīng)時(shí)效處理析出彌散分布的碳化物和其它金屬間化合物，從而達(dá)到較高強(qiáng)度和硬化的目的。所以又稱時(shí)效硬化，日本則稱之為析出硬化，一般習(xí)慣上稱為沉淀硬化。

AM-350是典型的沉淀硬化型不銹鋼，其化學(xué)成分見表23，機(jī)械性能和持久強(qiáng)度見表24、25。AM-350在工藝性能方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)越性，它在固溶后既有奧氏體鋼的優(yōu)點(diǎn)(易于冷加工成形)，隨后經(jīng)過強(qiáng)化處理又具有馬氏體鋼的特色(強(qiáng)度硬度高)，并且熱處理溫度不高，沒有變形及氧化的缺點(diǎn)，所以是一種制作焊接