用作摩擦副的材料雖然很多，然而確定機(jī)械密封摩擦副合適的組對(duì)材料并非容易。從組對(duì)材料的相容性、耐磨蝕性等角度出發(fā)，往往要通過(guò)大量的臺(tái)架試驗(yàn)，以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)積累，才能確定磨擦副的優(yōu)化組合。此外，還要通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能充分發(fā)揮材料優(yōu)異的性能。
一、碳石墨
碳石墨有幾十種可供選用，其性質(zhì)各異。必須了解各種碳石墨的牌號(hào)、性能及供貨來(lái)源，合理選用。以下介紹一些失效型式及如何選用這類材料。
1.高磨損 目前，在選材時(shí)普遍存在著一種傾向，即無(wú)論何種工況一律采用硬質(zhì)碳石墨，認(rèn)為硬度越高越耐磨。然而，在有些工況下卻并非如此。例如，對(duì)介質(zhì)的潤(rùn)滑性差，或無(wú)潤(rùn)滑性，或易產(chǎn)生干摩擦的場(chǎng)合，如輕烴介質(zhì)，使用硬質(zhì)的M106k磨損較大，而采用軟質(zhì)的高純電化石墨磨損小，這是因?yàn)檐涃|(zhì)石墨具有優(yōu)良的低摩擦性能，它是由于石墨晶體自潤(rùn)滑性能好，運(yùn)轉(zhuǎn)期間有一層極薄的石墨膜向?qū)ε技砻孓D(zhuǎn)移，使摩擦面得到潤(rùn)滑，摩擦系數(shù)下降，磨損減小。當(dāng)組對(duì)材料為噴涂陶瓷時(shí)，以選用中等硬度的石墨為宜。
若介質(zhì)中固體顆粒含量超過(guò)5%時(shí)，碳石墨不宜作單端面機(jī)械密封的組對(duì)材料，也不宜作串聯(lián)布置中的主密封環(huán)。否則，密封件會(huì)出現(xiàn)高磨損。
2.泡疤 在熱油泵中，常會(huì)發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封的碳石墨環(huán)端面上出現(xiàn)凹坑、疤塊。這是在選用碳石墨材料肘，沒(méi)有充分研究浸漬物與碳石墨材料結(jié)合的結(jié)合溫度。隨浸漬物的不同，碳石墨密封件的適用溫度范圍也就不同。例如，浸酚醛樹(shù)脂石墨，當(dāng)摩擦副表面溫度超過(guò)180℃時(shí)，樹(shù)脂會(huì)在密封端面分解形成硬粒和析出揮發(fā)物，形成疤痕，從而極大地增加摩擦力，使表面損傷而出現(xiàn)泄漏。在條件允許的情況下，減小摩擦副的接觸寬度，對(duì)降低摩擦熱造成的溫升是有效的。所以，適當(dāng)減小碳石墨環(huán)摩擦寬度，有利于防止泡疤的發(fā)生。質(zhì)量較差的碳石墨環(huán)，因內(nèi)部氣孔較多，使用時(shí)氣孔膨脹，將碳微粒及樹(shù)脂揮發(fā)物吹出而形成泡疤，而且時(shí)將引起密封端面粘著。因此，高溫工況推薦用浸銅或浸銻石墨。
3.咬合破裂 在高溫場(chǎng)合下，選擇浸漬金屬碳石墨是有利的。因?yàn)闊o(wú)論是接觸端面的咬合溫度或?qū)嵯禂?shù)都要比浸漬樹(shù)脂的高許多。但是，在機(jī)械密封運(yùn)行時(shí)，若出現(xiàn)干摩擦，密封更容易失效，端面瞬時(shí)高溫，金屬浸漬物會(huì)出現(xiàn)熔滴，造成端面咬焊而使密封件破裂。浸巴氏合金，銅合金或銻的碳石墨環(huán)，不宜用于高溫干摩擦工況。高溫干摩擦運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)采用浸銀石墨。金屬銀具有良好的自潤(rùn)滑性，可有效地防止咬合破裂現(xiàn)象發(fā)生。
4.斷裂 石墨的裂紋是由傳動(dòng)件的振動(dòng)、密封圈的脹大以及石墨環(huán)本身界面的尖角處應(yīng)力集中造成的。當(dāng)碳石墨環(huán)用于高粘度流體中時(shí)，特別是做浮裝式非補(bǔ)償環(huán)，由于流體的粘性阻力，使碳石墨密封環(huán)產(chǎn)生前后顛簸而碎裂。因此，碳石墨密封環(huán)應(yīng)使用流體粘度界限制在30Pa·s以下，對(duì)高粘度流體，可用銅合金環(huán)替代碳石墨環(huán)。
5.變形 浮裝式碳石墨非補(bǔ)償環(huán)，在高壓下容易產(chǎn)生變形，故高壓工況推薦用接觸式安裝。大軸徑的非補(bǔ)償環(huán)，更應(yīng)注意其形狀及外形尺寸的設(shè)計(jì)，增大徑向及軸向尺寸以防變形。夾緊式結(jié)構(gòu)的碳石墨環(huán)，當(dāng)軸徑在100mm以上時(shí)，用聚四氟乙烯O形圈夾緊，容易造成碳石墨環(huán)變形，因此，推薦用橡膠O形圈。
二、工程陶瓷
工程陶瓷是耐腐蝕用機(jī)械密封的摩擦副材料之一。若選用不當(dāng)，將會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。陶瓷是一種硬、脆且對(duì)切口及熱沖擊敏感的材料。以下介紹使用工程陶瓷易出現(xiàn)的失效型式及選材方法。
1.斷裂 脆性是所有陶瓷共有的缺點(diǎn)。特別是棱角部位受沖擊載荷易裂。設(shè)計(jì)上盡量采用簡(jiǎn)單的形狀，避免有尖角存在。安裝、拆卸、儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中應(yīng)極其小心，不能有沖擊載荷。裝配過(guò)緊是陶瓷環(huán)破裂的主要原因(其強(qiáng)度為硬質(zhì)合金1/4)。熱沖擊也是陶瓷環(huán)破裂的常見(jiàn)原因，密封裝置可能會(huì)暫短地干運(yùn)轉(zhuǎn)，因而溫度升高，當(dāng)液體突然進(jìn)入密封界面，使瓷環(huán)驟然冷卻，于是產(chǎn)生了難以承受的熱應(yīng)力而破壞。所以，無(wú)論哪種陶瓷都要考慮其耐溫度驟變的性能。高溫工況下，若經(jīng)常出現(xiàn)驟冷現(xiàn)象，最好不采用氧化鋁陶瓷，可用其它材料替換。純度為95%的氧化鋁陶瓷易于破裂。純度越高、粒度越細(xì)的高純氧化鋁瓷環(huán)卻不易破裂。
為彌補(bǔ)陶瓷強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，可用鑲裝結(jié)構(gòu)。為防止脫環(huán)，多采用鈦合金材料作環(huán)座，過(guò)盈量一般在0.05～0.08mm范圍內(nèi)選取。這樣，既避免瓷環(huán)碎或脫環(huán)，又可保持兩者材料在耐腐蝕方面的同一性。
陶瓷材料的機(jī)械強(qiáng)度雖然低，但是要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，使用和操作得當(dāng)，在給定工況條件下，使用壽命仍然較長(zhǎng)。
2..組對(duì)性能 氮化硅陶瓷用作機(jī)械密封摩擦副材料具有選擇性。例如，在稀硫酸中氮化硅與填充玻璃纖維聚四氟乙烯組對(duì)時(shí)，氮化硅的磨耗大，而與碳石墨組對(duì)時(shí)效果較好；用鉻鋼玉陶瓷與填充玻璃纖維聚四氟乙烯組對(duì)時(shí)。氮化硅陶瓷相互組對(duì)不僅磨耗大，泄漏量也大，宜在低負(fù)荷條件下使用。碳化硅陶瓷與碳石墨組對(duì)可用于高負(fù)荷條件。
三、硬質(zhì)合金
盡管硬質(zhì)合金的組對(duì)性能好，但隨使用工況不同，其組對(duì)性能也具有選擇性。
鈷基硬質(zhì)合金彼此組對(duì)，在高溫場(chǎng)合端面容易產(chǎn)生熱裂紋；若用鎳基硬質(zhì)合金與鈷基硬質(zhì)合金組對(duì)則可得以改善。
硬質(zhì)合金中的碳化物在室溫下一般能抗大多數(shù)酸堿的腐蝕。用鈷作為粘結(jié)劑的鈷基硬質(zhì)合金，由于鈷易被氧化以及耐蝕性差，所以耐蝕性能不夠理想，容易產(chǎn)生粘著、腐蝕磨損。熱水泵宜采用鎳基硬質(zhì)合金，例如，用鎳基硬質(zhì)合金與碳石墨組對(duì)比用鈷基硬質(zhì)合金與碳石墨組對(duì)的壽命高一倍。當(dāng)泵停用較長(zhǎng)一段時(shí)間后，后者的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為前者的4倍。
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