2012年上海机械工程学会流体工程分会密封专业委员会 “密封技术讲习会” 机械密封摩擦副材料的选用 机械密封摩擦副材料的选用 机机械械密密封封摩摩擦擦副副材材料料的的选选用用 俞 立 俞 立 俞俞 立立 一、 机械密封摩擦副材料的选用原则 一、 机械密封摩擦副材料的选用原则 一一、、 机机械械密密封封摩摩擦擦副副材材料料的的选选用用原原则则1 二、 造成摩擦副端面磨损的主要因素2 三、 摩擦副材料的基本要求3 四、 机械密封常用摩擦副材料4 五、 特殊工况的摩擦副材料的选用27 六、 小结29 随着材料科学的发展，许多新材料、新工艺、新技术的层出不穷，为机械密封的设计、制造、应用等方 面开拓了新的领域。 提高机械密封性能和使用寿命，设计是基础、材料是关键、系统是保证。尤其对一些特殊工况，如高压、 高温、低温、高速、高粘度、气相、真空、含固体颗粒和强腐蚀介质等，正确合理地选择机械密封摩擦副材 料尤为重要。虽然机械密封摩擦副材料品种繁多，但是多数是采用领域开发研制的新材料来为其所用。 作者从上世纪70年始，长期从事氧化铝、氮化硅、等离子喷涂、氧乙炔喷焊、耐腐蚀硬质合金、碳 化硅以及碳石墨的后期处理等摩擦副材料的开发、研制和生产。本文就目前常用的摩擦副材料的主要性能、 特点、适用工况等作一介绍，供从事机械密封的结构设计、材料选用，现场应用等人员提供参考。 一、 机械密封摩擦副材料的选用原则 一、 机械密封摩擦副材料的选用原则 一一、、 机机械械密密封封摩摩擦擦副副材材料料的的选选用用原原则则 机械密封设计选型是否合理，很大程度上取决于摩擦副材料的选配。往往由于摩擦副材料选配不当而造 成密封失效的事故屡见不鲜，而摩擦副材料的耐磨性能和使用寿命取决于密封介质的特性，使用温度、压力 1 2012年上海机械工程学会流体工程分会密封专业委员会 “密封技术讲习会” 和密封端面线速度等因素。对一些特殊工况，要做到合理选用摩擦副材料，必须做大量的模拟试验或现场试 验才能获得较好的实际效果。尤其是一种新材料的应用，除了在实验室、试验台进行试验外，必须作现场实 际工况的运转试验和长时间的运行考核。 1. 材料必须符合使用工况条件 机械密封使用工况包括：密封介质的特性(相态、腐蚀性、黏性等)、压力、温度、轴的转速、轴径和机 器的操作方式（间歇式或连续式）、冲击、振动等。在机械密封设计选型时，主要零件材料必须满足使用工况， 并针对影响密封性能和使用寿命的主要因素加以综合考虑。 2. 了解材料各项主要性能参数： 摩擦副材料包括有机材料、无机非金属材料和金属材料等，它们的性能各异，即使同一种材料还有不同 的品种牌号。品种牌号的各异，性能也有差异，只有了解了和掌握了这些材料的主要性能，才能根据使用工 况合理选择材料。 3. 充分发挥材料的特性、扬长避短 由于每种材料的特性不同，它们既具有各自的优良性能，又不可避免地有某些不足之处。因此，目前还 没有一种摩擦副材料是万能的，任何一种材料的性能均不可能达到十全十美，并不是所有工况都能适用。为 此，在进行结构设计和材料选用时，要充分发扬该材料的优点，尽可能避免其不利之处——“扬长避短”。同 时，为了降低材料承受苛刻工况的风险，保证稳定的密封性能和长周期可靠运行，在设计和选用机械密封时， 应考虑配置相应的支持系统，如：冲洗、冷却、保温、分离等。在安装维修时，也应采取必要的措施加以对 材料的保护，以提高密封零件的重复使用率。 4. 资源丰富、便于加工制造和维修、性价比合理，符合环保要求 在保证密封性能和使用寿命的前提下，应从资源丰富、便于加工制造、性价比合理、符合环保要求等出 发来选用的材料，同时也应重视社会效益，给予全面的综合评价。此外，某些新材料随着批量化生产、工艺 技术的改进和应用范围的扩大，其价格逐步降低。如：目前无压烧结碳化硅因生产成本已经达到或接近反应 烧结碳化硅而被广泛采用。 5. 摩擦副材料的合理选配 对不同的摩擦副材料进行合理的选配是一件非常重要的工作，只有根据不同的工况合理搭配摩擦副，才 能充分发挥该摩擦副的优良性能，保证密封的正常使用，延长使用寿命。 二、 造成摩擦副端面磨损的主要因素 1. 粘着磨损 当摩擦副作相对运动时，由于固相焊合，接触表面的材料从一个表面迁移到另一个表面，出现粘着、撕 脱、再粘着过程。当粘着磨损严重时，会造成摩擦副咬死，致使端面温度急剧上升。粘着磨损对摩擦副的破 坏性最大，一般在干摩擦时尤其容易产生。金属材料作为摩擦副时，更容易发生粘着磨损。 2 2012年上海机械工程学会流体工程分会密封专业委员会 “密封技术讲习会” 2. 磨料磨损 它是由密封端面粗糙度及外来的磨蚀性颗粒的研磨所产生，它是密封端面的一种主要磨损形式。 3. 腐蚀磨损 腐蚀磨损是在密封端面摩擦过程中，摩擦副同时与介质发生化学或电化学反应而产生物质损失的一种磨 损。 由于不同介质对摩擦副的腐蚀机理以及摩擦副材料性能的不同，腐蚀磨损出现的形态也不尽相同。 4. 表面磨损 它是由密封端面的疲劳裂纹和热应力裂纹所引起，尤其是密封端面因不均匀摩擦、发热温升而产生的热 应力裂纹，会导致巨大的危害。这种情况一旦出现，密封将迅速失效而破坏。抗热冲击性能较差的脆性材料 尤为严重，如：氧化铝陶瓷。 5. 冲刷磨损 它由液体和气体高速流动产生的剥蚀作用所引起的一种磨损。 在运行状态下，磨擦副可能存在某一种磨损，但也可能同时存在一种以上的磨损，往往其中一种磨损是 起主导作用。当多种磨损存在的情况下，更加剧了摩擦副的磨损速率。 三、 摩擦副材料的基本要求 对摩擦副材料的总的要求是耐磨、耐热、耐腐蚀，抗冲击和抗热裂等。 1. 耐磨性 由于设计时考虑到摩擦副端面处于边界摩擦或混合摩擦状态，使端面之间有一定的液膜存在，但在实际 使用时，有可能出现短时或瞬间的干摩擦状态，使得摩擦系数增大造成发热和磨损特别严重。因此，摩擦副 材料能否承受瞬时的干摩擦是衡量摩擦副材料的综合性能指标，也是保证摩擦副使用寿命的重要因素，这是 材料选择的第一个重要条件。当密封介质中含有固体颗粒时，则密封端面还将承受磨粒磨损。为此，应选择 硬度较高、摩擦系数较小而热导率较高的材料来提高其耐磨性。 2. 配对性 磨损副材料的配对性是组成摩擦副的两种材料耐磨性的综合反映。只有选择配对合适的摩擦副材料，才 能使摩擦副的摩擦系数小，自润滑性也能得到改善，并克服或减少电化学腐蚀。 3. 抗热裂性 摩擦副端面产生的摩擦热会导致密封环的温度差，引起热变形，从而使端面磨损加剧，泄漏量增大，严 重时还会因热应力过大而造成密封环的开裂。材料的抗热冲击系数越大，则抗热冲击性越佳，因为它与热导 率和机械强度成正比，与弹性模量和膨胀系数成反比，所以应选用热导率大、强度高、膨胀系数小的作摩擦 副材料。碳石墨、碳化硅、氮化硅、硬质合金等材料的抗热冲击系数较高，而氧化铝陶瓷的抗热冲击系数则 较低。 3 2012年上海机械工程学会流体工程分会密封专业委员会 “密封技术讲习会” 4. 机械强度和刚度 摩擦副在运行过程中受到各种力和力矩的作用，为避免摩擦副端面产生强度破坏或过量变形，必须选择 具有足够强度和刚度的材料。在高压力下，选用碳石墨环时，就必须在结构上予以考虑。当介质压力更高时， 一般不宜采用强度和刚度较低的碳石墨作摩擦副。 5. 耐蚀性能 摩擦副材料必须耐介质的腐蚀。当介质为电解液时，要防止电化学腐蚀的发生。如钨钴硬质合金与青铜 配对的摩擦副，在海水或某些电解液中就会产生电化学腐蚀，致使硬质合金中粘结相钴被腐蚀，造成碳化物 硬质相在机械作用下而磨蚀。反应烧结碳化硅中残留有8～12%游离硅，它就不能在PH＞10的碱性介质中使 用。钨钴硬质合金一般也不能在酸性介质中使用。碳石墨浸渍树脂后，它的耐蚀性就受到此类树脂的影响。 环氧树脂耐碱、酚醛树脂耐酸，而呋喃树脂的耐酸、耐碱性能均可。 四、 机械密封常用摩擦副材料 (一) 碳石墨 国内目前常用的机械密封摩擦副材料与国外基本一致，性能和质量虽有一定差距，但基本能满足国内的 需求。其中，硬质材料与国外的差距较小，而碳石墨材料与国外相比，无论是品种、性能、质量、工艺和装 备的技术水平与先进国家相比还存在较大差距。国外在国内开设的碳石墨公司或企业，均不将机械用碳石墨 的生产放在国内，而是将其在国外生产的机械用碳石墨的半成品坯料运至国内，仅在国内作机械加工和后期 处理。由于国内生产机械用碳石墨的企业规模不大、研发水平较低，新材料开发能力较弱，工艺装备更新改 造较慢、资金投入力度不够，从而近20多年来国内机械用碳石墨的发展步履艰难，技术落后国外。 目前，我国与国外机械用碳石墨的主要差距在坯体方面，一是可供选用的品种少；二是工艺较陈旧，石 墨化程度较低，反映在碳石墨原料的颗粒较粗，焙烧后晶粒过大，致密度偏低，气孔率较高，还夹杂有较大 的硬碳颗粒和杂质，从而在制品的硬度、强度、热导率、摩擦系数等方面与国外同类产品相比有相当大的差 距。表1是国内外碳石墨性能的比较。此外，树脂浸渍工艺尚需改进，浸渍压力不高，浸渍深度较浅，使得 碳石墨密封环的耐渗漏性能明显降低。浸渍金属的工艺更为落后，工艺不稳定。 表1 国内外碳石墨性能比较 密度 硬度 抗弯强度 线膨胀系数 热导率 气孔率 碳石墨牌号 国别 制造厂商 3 -6 g/cm HS MPa ×10 /℃ cal/cm•s•℃ % M106 (碳基) 中国 东新碳素 1.6 60～70 45 5 - 18 M108(碳基) 中国 东新碳素 1.6 60～70 50 5 - 16 X520(石墨化) 中国 上海碳素 1.7 50 50 - - - CY10(石墨化) 英国 摩 根 1.6 70 45 3.6 0.03 12 4 2012年上海机械工程学会流体工程分会密封专业委员会 “密封技术讲习会” KC40(石墨化) 日本 东洋碳素 1.7 70 50 3.0 0.02 - KC60(碳基) 日本 东洋碳素 1.75 100 75 4.0 0.02 - B2(石墨化) 日本 碳 研 1.77 85 67 3.6 - - C2(碳基) 日本 碳 研 1.77 105 53 3.6 - - C2080(碳基) 日本 东海碳素 1.63 100 95 3.5 0.07 16 C2080(石墨化) 日本 东海碳素 1.63 75 70 2.8 0.07 16 由于碳石墨是一种耐磨、低摩擦系数（摩擦系数在0.01～0.08）,有优良的自润滑性和高热导率（100～ -6 . . 110kcal/m h ℃）、高抗热冲击性、低膨胀系数（4～5×10 /℃）、耐多种介质腐蚀，并有良好的可加工性的 材料，所以它的使用范围较广。除了在含有颗粒、强氧化性介质以及高压条件之外，在绝大多数工况中，采 用它与硬质材料配对是较为理想的摩擦副材料。 金刚石、石墨与碳是同素异构体。由于它们的晶体结构的不同，随之性能就有极大的差异。 -8 石墨的同一层碳原子间距为1.42Å（1Å=10 cm），并以极强的共价键结合。而层与层的碳原子间距为3.41 Å，仅以较弱的分子键（范德华力）相连，由于层间的结合力很低，并有规则的排列，所以层与层之间容易产 生滑移，就有了良好的自润滑性。 碳与石墨的结构主要不同之处在于碳的层间碳原子间距较石墨大，约为3.48～3.56 Å，而且层与层之间 是无规则排列，有扭转或平移，呈错层结构。 金刚石是面心立方结构，它是目前地球上所有物质中硬度最高的材料。 众所周知，密封端面上存在的流体膜将大大地降低端面的磨损率。由于碳石墨是一种低模量的材料，当 密封端面被局部压缩时，就足以形成1.4μm的流体楔，有利于流体膜的形成。碳石墨又是一种层状结构，它 容易在对磨面上建立一层转移薄膜，这层薄膜使得摩擦系数与磨损率下降。若这层薄膜未能形成，或者很快 形成又迅速地被磨蚀，那么磨损率就会升高。由此可见，碳石墨与硬质材料组成的摩擦副密封效果较好 的原因之。
