机械密封材料

机械密封由若干零件组成，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。

（1）机械密封端面（摩擦副）材料

（2）机械密封的辅助密封材料

（3）机械密封其它结构材料
 

（1）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。

1.1物理力学性能：强度 、刚度、导热系数、热膨胀系数、耐腐蚀性能、摩擦学性能。

1.2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。

1.3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、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。

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

1、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）

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。

机械密封用石墨一般是用焦炭粉和石墨粉（或炭黑）作基料，用沥青作粘接剂，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。

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。

2、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。

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。

3、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，不像日用陶瓷材料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（AI₂O₃）、碳化硅陶瓷（SiC）和氮化硅陶瓷（Si₃Ni₄）。

4、填充聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE）是化学稳定性最好的有机聚合物，几乎能耐所有强酸、强碱和强氧化剂的腐蚀。目前仅发现熔融碱金属（或它的氨溶液）、元素氟 和三氟化氯在高温下能与四氟乙烯作用。

在聚四氟乙烯的分子长链中，氟原子有效地遮蔽了碳原子，使分子间的内聚力降低，因而使表面分子彼此容易滚动或滑动，具有很低的摩擦系数，是一种极好的减摩、自润滑材料。

聚四氟乙烯存在的最大的问题就是具有冷流性，即在载荷的作用下，随时间增长而产生永久变形，产生蠕变。此外，聚四氟乙烯的热膨胀系数大（8-25）×10¯5/℃，约为钢的10倍；导热性能很差（0.244W/m.K），仅为钢的1/200。为克服这些缺点，通常是在聚四氟乙烯中加入适量的各种填充剂，构成填充聚四氟乙烯。最常用的填充剂有玻璃纤维、石墨等。填充聚四氟乙烯密封环常用于腐蚀性介质环境中。

填充玻璃纤维20% 的聚四氟乙烯环可以与多种陶瓷材料组对，如与铬钢玉陶瓷组对，在 稀硫酸泵中应用效果很好。填充15%玻璃纤维、5%石墨的密封环常与氧化铝陶瓷组队。用于强腐蚀介质。填充15% 钛白粉、5%玻璃纤维的密封环与碳化硅组对适用于硫酸、硝酸介质等。

5、端面摩擦副材料

用作机械密封摩擦副的材料还有铸铁、碳钢、铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢、工具钢、轴承钢、青铜等。

我过炼油行业最早的机械密封就是铸铁对石墨。铸铁具有良好的减摩、耐磨特性，且价格低、加工制造容易。普通铸铁耐蚀性差，只适用于油类和中性介质。加入合金元素形成的合金铸铁，提高了耐蚀性，可用于许多工况。某著名国际公司的某些机械密封就采用合金铸铁做非旋转环，使用效果很好。

（2）机械密封的辅助密封材料

机械密封的辅助密封包括旋转环辅助密封、非旋转环辅助密封，也包括端盖与密封腔体间的密封、轴套与轴的密封。从端面形状看，有O形圈、方形圈（垫）、平垫、V形垫、楔形垫、包裹垫、包裹O形圈等。

根据辅助密封的作用，要求材料具有良好的弹性、低的摩擦系数，能耐介质的腐蚀、耐溶解和溶胀，耐老化，在压缩后及长期的工作中有较小的永久变形，在高温下使用具有不粘着性，在低温下不硬脆而失去弹性，具有一定的强度和抗压性。辅助密封常用的材料有合成橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨、金属材料等。

合成橡胶

橡胶是一种弹性很好的高分子材料，具有良好的弹性和一定的强度，具有较好的气密性、不透水性、耐磨、耐温、耐压、耐腐蚀，是一种被广泛采用的辅助密封材料。不同种类的橡胶有不同 耐腐蚀性能、耐溶剂性能和耐温性能，在选用时要加以注意。机械密封辅助密封常用的合成橡胶有丁腈橡胶（NBR）、氟橡胶（FPM）、乙丙橡胶（EPM）、硅橡胶。

1.1丁腈橡胶  最常用的辅助密封圈材料，它以优异的耐油、耐老化著称，也具有良好的耐磨性能。丁腈橡胶的性能与丙烯腈的含量有关，丙烯腈含量高，耐油性能好，强度、硬度、耐磨性、耐水性增加，但耐蚀性、弹性和低温性变差。辅助密封圈一般采用中、高丙烯腈含量（丙烯腈含量为26¯40%，即丁腈-26、丁腈-40）的丁腈橡胶，尤其以丁腈-40橡胶应用最为广泛，但低温工况辅助密封圈材料应选用丁腈-26橡胶。丁腈橡胶对矿物油、动植物油、脂肪烃有优良的耐蚀性，但值得注意的是，它不耐磷酸酯系液压油，不耐强酸、芳烃、酯、酮、醚、卤代烃等介质的腐蚀。

1.2氟橡胶  通常所说的氟橡胶是指含氟烯烃共聚物，是产量最大的一种氟橡胶，有两种类型，即23型氟橡胶。23型氟橡胶是偏氟乙烯与三氟氯乙烯的共聚物，有优异的耐强酸性能，特别耐发烟硝酸，但加工困难。26型氟橡胶是目前最通用的氟橡胶品种，为适应各种用途，其生产牌号繁多，但基本品种有氟橡胶-26和氟橡胶-246。

1.3乙丙橡胶  具有优异的耐老化性能、耐热性能，能在150℃下长期使用而物理机械性能变化缓慢。它耐磨损性、耐腐蚀性能较好，但对碳氢化合物油类稳定性差，因而不可用于矿物油中。如果借助于润滑脂、润滑油来安装机械密封，也得考虑这一因素的影响。但它特别耐硅油、磷酸酯液压油合成润滑剂，耐酮、醇溶液、中等强度的酸碱，同时也耐高压水蒸汽。

1.4硅橡胶  具有很宽的温度是使用范围（﹣100¯350℃）和很高的热稳定性，一般可在200¯300℃下长期使用。硅橡胶无毒、无味，对人体无不良影响，但耐溶剂性差，且易在酸碱作用下发生离子性裂解，在高压水蒸汽中会产生分解，机械强度低、不耐磨。主要用于各种高、低温、高速旋转等场合下的动植物油、矿物油、氧、弱酸、弱碱等介质，不适用于苯、甲苯、丙酮等溶剂性介质，也不适用于高压水蒸汽。

1.5聚四氟乙烯  几乎能耐所有强酸、强碱和强氧化剂的腐蚀；因具有很低的摩擦系数，是一种极好的减摩、自润滑材料，但其导热性能很差，仅0.244W/（m.K）。添加青铜粉、二硫化钼、石墨等，可改善其导热性和自润滑性。

聚四氟乙烯有很高的耐热性和耐寒性，使用温度范围为-180¯250℃。耐水性、耐老化性、不燃性、韧性及加工性能都很好。常制成V形圈，作旋转环和非旋转环的辅助密封。另外，可用聚四氟乙烯包覆其它材料，如聚四氟乙烯包覆不锈钢、聚四氟乙烯包覆橡胶，形成复合材料辅助密封，由于它们结合了两种或两种以上材料的优点，具有更加良好的密封效果。

1.6柔性石墨  既有普通石墨的优良热稳定性、化学稳定性和高导热性，同时又具有独特的可压缩性和回弹性。它能耐高低温，在输送介质温度不低于200℃时 ，辅助密封材料应优先采用柔性石墨。但柔性石墨的强度较低，应注意加强和保护。

 模压成矩形圈、楔形圈、垫片的柔性石墨常用于机械密封非旋转环辅助密封圈、旋转环辅助密封圈、金属波纹管密封的波纹管组件与轴套连接的静密封垫。

1.7金属材料  在高压下，尤其是高压和高温同时存在时，前述几种材料并不能胜任，这时只有选用金属材料来制作辅助密封。根据不同的工作条件有不同的金属材料供选用，金属空心O形圈的材料有OCr18Ni9，OCr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni9Ti等，对于端面为三角形的楔形垫，则常采用铬钢，如OCr13。对于平垫则多采用紫铜或铝垫。

对于高压高温条件下，上述材料的强度和弹性模量会明显下降，此时应采用耐热合金，如因科镍合金（Inconel）。

（3）机械密封其它结构材料

弹性元件材料  机械密封的弹性加载元件有压缩螺旋弹簧、波形弹簧、金属波纹管等。要求材料耐腐蚀、耐疲劳、耐高低温，强度极限高、弹性极限高，长期工作仍有足够弹力维持密封端面的紧密贴合。

其它结构件材料  机械密封的其它结构件，如弹簧座、推环、旋转环座、非旋转环座、紧定螺钉、传动销等，虽非关键部件，但其设计选材也不能忽视，除应满足机械强度要求外，还要球耐腐蚀。一般情况下用2Cr13，在腐蚀性介质中，需要分别选用1Cr18Ni9Ti、OCr18Ni12Mo2Ti、蒙乃尔合金等。