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2024-05-08
用作摩擦副的材料雖然很多,然而確定機械密封摩擦副合適的組對材料并非容易。從組對材料的相容性、耐磨蝕性等角度出發(fā),往往要通過大量的臺架試驗,以及現(xiàn)場應(yīng)用的經(jīng)驗積累,才能確定磨擦副的優(yōu)化組合。此外,還要通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計,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、性能及供貨來源,合理選用。以下介紹一些失效形式及如何選用這類材料。
1、高磨損
目前,在選材時普遍存在著一種傾向,即無論何種工況一律采用硬質(zhì)碳石墨,認(rèn)為硬度越髙越耐磨。然而,在有些工況下卻并非如此。例如,對介質(zhì)的潤滑性差,或無潤滑性,或易產(chǎn)生干摩擦的場合,如輕烴介質(zhì),使用硬質(zhì)的 M106k磨損較大,而釆用軟質(zhì)的高純電化石墨磨損小,這是因為軟質(zhì)石墨具有優(yōu)良的低摩擦性能,它是由于石墨晶體自潤滑性能好,運轉(zhuǎn)期間有一層極薄的石墨膜向?qū)ε技砻孓D(zhuǎn)移,使摩擦面得到潤滑,摩擦系數(shù)下降,磨損減小。當(dāng)組對材料為噴涂陶瓷時,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5%時,碳石墨不宜作單端面機械密封的組對材料,也不宜作串聯(lián)布置中的主密封環(huán)。否則,密封件會出現(xiàn)高磨損。
2、泡疤
在熱油泵中,常會發(fā)現(xiàn)機械密封的碳石墨環(huán)端面上出現(xiàn)凹坑、疤塊。這是在選用碳石墨材料時,沒有充分研究浸漬物與碳石墨材料結(jié)合的溫度。由于浸漬物的不同,碳石墨密封件的適用溫度范圍也就不同。例如,浸酚醛樹脂石墨, 當(dāng)摩擦副表面溫度超過180°C時,樹脂會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,使用時氣孔膨脹,將碳微粒及樹脂揮發(fā)物吹出而形成泡疤,而且將會引起密封端面黏著。因此,高溫工況推薦用浸銅或浸銻石墨。
3、咬合破裂
在高溫場合下, 選擇浸漬金屬碳石墨是有利的。因為無論是接觸端面溫度或?qū)嵯禂?shù)都要比浸漬樹脂的高許多。但是,在機械密封運行時,若出現(xiàn)干摩擦,密封更容易失效,端面瞬時高溫,金屬浸漬物會出現(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。高溫干摩擦運轉(zhuǎn)應(yīng)采用浸銀石墨。金屬銀具有良好的自潤滑性,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件的振動、 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)用于高黏度流體中時, 特別是做浮裝式非補償環(huán), 由于流體的黏性阻力, 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)使用流體黏度界限制在 30Pa.s 以下,對高黏度流體,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。大軸徑的非補償環(huán),更應(yīng)注意其形狀及外形尺寸的設(shè)計,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,用聚四氟乙烯0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械密封不可缺少的摩擦副材料之一。若選用不當(dāng),也會出現(xiàn)很多問題。陶瓷是一種硬、 脆且對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)的失效形式及選材方法。
1、斷裂
脆性是所有陶瓷共有的缺點。特別是棱角部位受沖擊載荷易裂。設(shè)計上盡量采用簡單的形狀,避免有尖角存在。安裝、拆卸、儲運過程中應(yīng)極其小心, 不能有沖擊載荷。裝配過緊是陶瓷環(huán)破裂的主要原因(其強度為硬質(zhì)合金的 1/4)。熱沖擊也是陶瓷環(huán)破裂的常見原因,密封裝置可能會暫時短時間地干運轉(zhuǎn),因而溫度升髙,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,無論哪種陶瓷都要考慮其耐溫度驟變的性能。髙溫工況下,若經(jīng)常出現(xiàn)驟冷現(xiàn)象,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。純度越髙、粒度越細(xì)的髙純氧化鋁瓷環(huán)卻不易破裂。
為彌補陶瓷強度低的缺點,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。
陶瓷材料的機械強度雖然低,但要是結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,使用和操作得當(dāng),在給定工況條件下,使用壽命仍然較長。
2、組對性能
氮化硅陶瓷用作機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時,氮化硅的磨耗大, 而與碳石墨組對時效果較好;用鉻鋼玉陶瓷與填充玻璃纖維聚四氟乙烯組對時,效果佳。氮化硅陶瓷相互組對不僅磨耗大,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)合金的組對性能好,但隨使用工況不同,其組對性能也具有選擇性。
鈷基硬質(zhì)合金彼此組對,在高溫場合端面容易產(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)合金與碳石墨組對比用鈷基硬質(zhì)合金與碳石墨組對的壽命高一倍。當(dāng)泵停用較長一段時間后,后者的起動轉(zhuǎn)矩約為前者的4倍。
(來源:機械密封)
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