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蘇州昱創流體科技有限公司

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蘇州昱創機械密封用碳石墨的類別及性能簡介

閱讀:73      發布時間:2025-2-5
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機械密封用碳石墨的類別及性能簡介


三、碳石墨

碳石墨是使用量最大、適用范圍廣的摩擦副材料。這是因為它具有下列特性:

具有良好的自潤滑性和低的摩擦系數、耐腐蝕性能良好、具有良好的耐溫性能、導熱性好且具有低的線脹系數、組對性能好、易于加工。

    機械密封用碳石墨材料大致分為如下幾類:

1.碳石墨    

從某種意義上講,碳石墨可分為硬質碳石墨和軟質電化石墨。它們由石油炭黑、油煙炭黑與焦油、瀝青等混合,經粉碎壓制成素坯,置于高溫中焙燒而成。兩者除材料的組分不一樣外,主要區別是后者需經2400~2800℃的高溫石墨化處理。

石墨在焙燒時,由于粘結劑物質產生揮發以及粘結劑的聚合、分解和碳化,從而出現空隙(有10%~30%的氣孔)。用作密封環會出現滲透性泄漏,而且強度低,因此要進行浸漬處理以補隙增強,經過浸漬處理后成為不透氣性產品,強度也得以提高。但耐溫和耐腐蝕性能都有不同程度的下降。所用浸漬物有三大類:有機樹脂、無機物和金屬。表6-23為碳石墨密封環材料分類表、表6-24為碳石墨密封環的物理力學性能表、表6-25為碳石墨密封環的熱性能參數表、表6-26為碳石墨密封環材料的抗化學腐蝕性能表、表6-27為碳石墨密封環的摩擦系數和推薦配對材料表。


6-23   碳石墨密封環材料分類

分類名稱、代號

系列名稱、代號

浸漬物或粘結劑

浸漬物代號

機械用碳類 M

碳一石墨  M1

環氧樹脂

H

呋喃樹脂

K

酚醛樹脂

F

巴氏合金

B

鋁合金

A

銅合金

P

D

G

玻璃

R

電化石墨  M2

環氧樹脂

H

呋喃樹脂

K

酚醛樹脂

F

巴氏合金

B

鋁合金

A

銅合金

P

D

G

分類名稱、代號

系列名稱、代號

浸漬物或粘結劑

浸漬物代號

機械用碳類  M

電化石墨 M2

玻璃

R


樹脂碳石墨 M3

樹脂粘結劑

特種石墨類

硅化石墨 T10

 

6-24   各類碳石墨密封環材料的物理力學性能

系列代號

浸漬物

肖氏硬度

HS

抗折強度

MPa

抗壓強度

MPa

體積密度

g/cm3

開口氣孔串%

M1

基體材料

40

25

50

1.40

20

環氧樹脂

65

49

176

1.60

2.0

呋喃樹脂

70

50

180

1.60

3.0

酚醛樹脂

60

48

176

1.80

2.5

巴氏合金

75

70

218

2.50

3.5

鋁合金

75

70

220

2.00

2.0

銅合金

70

70

230

2.50

3.0

70

65

220

2.20

3.0

70

70

200

2.90

2.5

玻璃

90

50

170

1.80

2.0

M2

基體材料

30

20

30

1.50

2.0

環氧樹脂

40

35

75

1.80

20

呋喃樹脂

40

40

80

1.78

3.0

酚醛樹脂

40

40

75

1.80

2.5

巴氏合金

40

45

80

2.40

3.5

鋁合金

40

60

130

2.00

2.0

銅合金

40

50

100

2.60

4.0

40

50

110

2.30

3.0

68

68

195

2.90

2.5

玻璃

60

45

100

1.80

2.0

M3

55

54

147

1.72

1.5

T10

100(洛氏)

45

150

1.79

2.0

 

 

 


 

 

表6-25  碳石墨密封環材料的熱性能參數表

系列代號

浸漬物

體膨脹系數

1×10-6 -1

熱導率

W/m·K

抗壓彈性模量

1×10-4 MPa

M1

4.0

5.0

1.0

環氧樹脂

4.8

4.6

1.2

呋喃樹脂

6.5

4.2

1.2

酚醛樹脂

7.0

4.6

1.2

巴氏合金

5.5

10.5

1.4

鋁合金

8.0

21.8

1.4

銅合金

6.5

25.0

1.7

5.5

21.0

2.0

7.8

3040a

2.0

玻璃

4.67

8.6b

M2

3.0

108.9

0.7

環氧樹脂

4.5

88.0

1.0

呋喃樹脂

6.0

83.7

1.0

酚醛樹脂

6.5

96.3

1.0

巴氏合金

5.0

104.7

1.1

鋁合金

7.0

104.7

1.1

銅合金

7.0

110.0

1.0

5.0

105.0

1.6

7.8

3040a

2.1

玻璃

4.67

8.6b

M3

20.0

6.7

1.2

T10

3.85.2

70

2.73.0

a試驗溫度為300         b試驗溫度為700

 

表6-26  碳石墨密封環材料的抗化學腐蝕性能表

介質

濃度%

碳石墨和電化石墨

浸漬樹脂

浸漬金屬、非金屬

樹脂碳石墨

硅化石墨

酚醛

環氧

呋喃

巴氏合金

合金

合金

玻璃

鹽酸

36

+

0

0

+

+

0

+

硫酸

50

+

0

+

+

0

+

硫酸

98

0

0

0

0

0

+

硝酸

50

0

0

0

0

0

+

硝酸

65

+

氫氟酸

40

+

0

+

0

+

磷酸

85

+

+

+

+

+

+

+

鉻酸

10

+

0

0

0

+

0

+

醋酸

36

+

+

0

+

0

+

+

+

氫氧化鈉

50

+

+

+

0

0

氫氧化鉀

50

+

+

+

0

0

海水

/

+

0

+

+

+

+

+

+

+

0

+

100

+

+

0

+

+

+

+

+

+

+

+

氨水

10

+

0

+

+

+

+

+

+

+

0

+

丙酮

100

+

0

0

+

0

+

+

+

+

+

0

+

尿素

/

+

+

+

+

0

+

+

+

+

+

+

四氟化碳

/

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

潤滑油

/

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

汽油

/

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

注:+為穩定;—為不穩定;0為尚穩定

 

表27  碳石墨密封環的摩擦系數和推薦配對材料表

系列代號

浸漬物

磨擦系數

推薦的配對材料

最高使用溫度℃

M1

樹脂

0.15

硬質合金、鍍鉻鋼、陶瓷、氮化硅、碳化硅、高硅鑄鐵、馬氏體不銹鋼(如9Cr189Cr18MoV),司太利特合金

200

低熔點

金屬

巴氏合金

0.15

200

鋁合金

300

高熔點

金屬

500

銅合金

400

900

非金屬

玻璃

0.11

610

M2

樹脂

0.25

陶瓷、硬質合金、青銅、不銹鋼、鍍鉻鋼、氮化硅、碳化硅、高硅鑄鐵、司太利特合金

200

低熔點

金屬

巴氏合金

0.25

200

鋁合金

300

高熔點

金屬

0.25

500

銅合金

400

0.15

900

非金屬

玻璃

0.13

610

M3

0.15

不銹鋼、黃銅、陶瓷、氮化硅、硬質合金

200

T10

0.10

石墨、硬質合金、硅化石墨、鑄鐵、陶瓷

500

注:磨擦系數系碳石墨配對9Cr18,在MM200型摩擦磨損試驗機上進行干摩擦的測定值。

 

2.樹脂熱壓石墨  

它是將燒結后的石墨粉碎,以酚醛樹脂或環氧樹脂等作粘結劑,混合后經熱壓的制品。它是不透氣性石墨,但導熱性較差、線膨脹系數大,適用于批量生產,成本低廉。主要用于汽車冷卻水泵、家用電器等低負荷的密封。

3.熱解石墨   

國產熱解石墨是用丙烯等碳氫化合物在高溫下經熱解,使碳蒸汽滲透到碳石墨坯體的氣孔中,起堵孔作用,形成高密、少孔、低透氣性的純碳石墨材料。其氣孔率<1%,抗壓強度為290MPa,硬度70~75HS,線脹系數0.36×10-8/℃。熱解石墨沒有機物和金屬,適用于高溫、強腐蝕工況。不適于批量生產,成本較高。

     四、聚四氟乙烯

     聚四氟乙烯PTFE是用氟石、等為原料,經加熱、裂解、聚合而制成的有機聚合物;由于它有許多優異的特性,已成為機械密封的重要材料。

聚四氟乙烯具有較好的耐腐蝕性。它的化學穩定性是已知塑料中好的,故以“塑料王"而著稱。它幾乎能耐所有強酸、強堿、強氧化劑,即使在高溫下也不發生作用。在王水中煮沸后重量及性能均無變化,并能耐各種有機溶劑。目前僅發現熔融堿金屬(或它的氨溶液)、元素氟在高溫下能與聚四氟乙烯作用。它的優異的化學穩定性為它適用于更多的流體介質提供了有利條件。

由于聚四氟乙烯材料極長的剛性分子鏈,氟原子有效的遮蔽了碳原子,使分子間的內聚力降低。因而使表面分子彼此易于滾動或滑動。所以聚四氟乙烯在與其它材料對磨時,它的分子首先向對磨材料轉移,在對磨材料表面上形成了一層約0.02~0.03微米厚的薄膜,故它是一種良好的減磨、自潤滑材料。聚四氟乙烯分子間低的吸引力還決定了它具有低的摩擦系數,其動靜摩擦系數均為0.04,相當于冰塊與冰塊之間的摩擦。聚四氟乙烯與鏡面金屬摩擦時,摩擦系數為0.09~0.12,但聚四氟乙烯在高速度、高負荷下,磨損很大。所以,在選用聚四氟乙烯材料時,應把許用PV值作為重要的設計參數。

聚四氟乙烯有很高的耐熱性和耐寒性,使用溫度為-180~250℃.在高溫使用時抗拉強度低,柔性和伸長率增加,而低溫時則相反。聚四氟乙烯的耐水性、耐候性、抗老化性、不燃性、韌性以及加工性能都很好,聚四氟乙烯的物理機械性能見表6-28.

聚四氟乙烯存在的最大問題就是具有冷流性,在負荷下要發生蠕變。此外聚四氟乙烯的線膨脹系數很大,其數值在(8~25)×10-5/℃范圍內。密封部位在長時間受壓及溫度變化時,產生流動變形,使密封端面比壓不斷變化,容易發生泄漏。表6-29列出了溫度、負荷對聚四氟乙烯冷流性變形的影響。

另外,聚四氟乙烯的導熱性很差,其導熱系數約為0.244W/(m·K)與金屬相差300多倍,故當聚四氟乙烯做為摩擦副時,摩擦熱很難導出,致使溫度升高,密封性能惡化。所以使用中要盡可能采取散熱降溫措施。

 

表6-28  聚四氟乙烯的物理機械性能

項目

單位

數值

比重


2.1~2.2

吸水率

%

<0.005

拉伸強度

(未淬火)

MPa

13.73~24.52

(淬火)

15.69~30.89

伸長率(斷裂)

%

250~350

彎曲強度

MPa

10.7913~.73

彎曲疲勞(δ=0.4mm)

萬次

20

壓縮強度(1%變形)

MPa

4.12

沖擊韌性×104

N·m/m2

≥1.27

硬度(HS)


50~65

摩擦系數(對鋼)


0.04

0.04

線脹系數×10-5(25~200℃)

1/℃

10~12

導熱系數

W/(m·K)

0.24

熱變形溫度(0.45MPa)

121

 

 

表6-29  聚四氟乙烯的冷流性

溫度(℃)

負荷(MPa)

時間(h)

變形(%)

常溫

4.1

1

50

8.3

24

4~8

50

13.7

24

25

120

4.5

軟化

 

為了克服以上不足,往往在純聚四氟乙烯中加入各種填料進行改性。目前常用的填充材料有石墨,二硫化鉬、玻璃粉、玻璃纖維、青銅粉等。加入填料后的聚四氟乙烯稱作填充聚四氟乙烯,填充聚四氟乙烯的原料要求見表6-30、幾種填充聚四氟乙烯的物理機械性能見表6-31。

 

 

 

6-30原料要求

序號

原材料名稱

規格與技術要求

生產單位

1

 

2

3

4

 

 

5

 

6

 

 

7

 

8

 

 

9

 

 

10

 

11

 

12

 

13

懸浮F4樹脂

 

懸浮F4樹脂

懸浮F4樹脂

F4分散液

 

 

玻璃化纖維

 

石墨

 

 

二氧化硅

 

二硫化鉬

 

 

炭黑

 

 

碳纖維

 

錫青銅

 

可溶性聚酰亞胺

 

聚苯

牌號SFX-2,平均粒徑25~50um,抗拉強度≥29.4Pa

M12

7A

初級粒子平均顆粒直徑0.2~0.25um濃度9.5%~35%,抗拉強度≥19.8MPa

 

無堿,表面無處理劑,纖維直徑8~10um,長徑比10:1

試劑石墨,顆粒≤30um,殘渣含量<0.15%,水分<0.5%,密度2.09~2.25g/cm3

 

純度≥99.5%,細度過270

 

MF-2,純度>98%,水分<0.5%,粗顆粒<30um95%,<10um5%

 

槽法炭黑,水分≤4.0%100目篩余物≤0.06%,無雜質(不通過20目者)

 

聚丙烯臘碳化纖維,碳含量≥95%,細度過200

ZQSnB-6-3,Sn6Zn6Pb3,細度過200

 

細度<55目,表現密度0.31g/mla,特性粘度>1.2

 

密度1.24g/cm3,500℃失重小于5%,細度過200目>98%

上海電化廠

 

(日)大金公司

(日)三井公司

上海有機氟材料研究所

 

 

南京玻璃纖維研究設計院

 

上海膠體化工廠

 

 

無錫精煉廠

 

上海膠體化工廠

 

 

上海炭黑廠

 

 

遼源耐酸材料廠

 

上海第二冶煉廠

 

上海樹脂研究所,徐州造漆廠

 

上海吳淞化工廠,青島化工研究所

 

表6-31 幾種填充聚四氟乙烯的物理機械性能

性能

     

20%

石墨

40%

石墨

25%青銅+20%玻璃纖維+10%石墨+5%石墨

40%青銅+20%玻璃纖維+10%石黑

40%玻璃纖維

40%玻璃粉+5%石墨

比重

2.16

2.15

2.45

2.70

2.28

2.28

抗拉強度(MPa)

16.4

13.9

13.8

15.9

16.0

11.2

斷裂伸長%

151

86

77

171

231

149

靜彎曲強度(MPa)

24.9

24.5

22.7

38.5

19.9

20.1

MN-IM磨損試驗機

摩擦系數

0.13

0.14

0.17

0.17

0.18

0.15

磨損毫克/10分

12

3.4

2.3

3.6

3.5

2.5

臺姆金磨損試驗機

摩擦系數

0.20

0.20

0.20

0.20

0.21

磨損毫克×10-3/40分

22.3

8.24

0.66

0.74

1.22

導熱系數[W/(m·K)]

0.43

0.47

0.41

0.43

0.24

0.43

線膨脹系數×10-4/℃

縱向

0~50

1.9

1.67

1.60

1.60

1.63

1.50

0~100

1.46

1.29

1.35

1.33

1.19

1.20

0~150

1.38

1.25

1.32

1.33

1.16

1.17

0~200

1.38

1.28

1.41

1.43

1.20

1.23

0~250

1.40

1.23

1.54

1.34

1.26

1.32

橫向

0~50

1.01

0.75

0.79

0.77

0.83

0.69

0~100

0.87

0.60

0.69

0.63

0.67

0.60

0~150

0.74

0.59

0.69

0.62

0.63

0.53

0~200

0.78

0.62

0.74

0.66

0.67

0.57

0~250

0.79

0.67

0.79

0.71

0.73

0.61

吸水率%(24小時)

+0.03

+0.04

+0.58

+1.00

+0.47

-0.77

五、其它金屬材料

1.鑄鐵、碳鋼

常用的鑄鐵材料有灰口鑄鐵和球墨鑄鐵,其耐磨性都很好,特別是球墨鑄鐵,不僅具有鑄鐵的優良特性,又兼有鋼的較高強度性能、耐磨性、抗氧化性及減振性也比鋼好,同時還可經過多種處理提高強度,是一種較好的摩擦副材料,它適用于油類 中性介質。

常用的碳鋼材料有45、50號鋼,經淬火后有較高的硬度和良好的耐磨性,適用于化學中性介質。

2.高硅鑄鐵

高硅鑄鐵是含硅10~17%及含碳0.5~1.2%的硅鐵合金。常用的高硅鑄鐵中含硅量約為14.5%,是一種優良的耐酸材料。由于材料表面產生了一層保護性很強的氧化硅膜,故它對各種濃度的硫酸、硝酸、有機酸、酸性鹽等介質有良好的耐腐蝕性。但在氫氟酸中卻腐蝕很快,也不耐強堿、鹽酸和熱的三氯化鐵溶液的腐蝕。

其缺點是質脆,耐溫度劇變性差,驟冷驟熱會炸裂。高硅鑄鐵的物理機械性能見表6-32。

表6-32高硅鑄鐵的物理機械性能

密度

(g/cm3

熔點

(℃)

導熱系數

(W/m·K)

抗彎強度

(MPa)

硬度

(HRC)

線脹系數×10-6/℃

<100

<200

6.9

1220

52.34

137.29~166.71

45~50

3.6

4.7

 

加入3%的鉬(Mo)和少量鉻的含鉬高硅鑄鐵可改進在鹽酸、氯化物、漂白粉等介質和其它氧化環境中的耐蝕性,并可減少孔隙。加入稀土元素可改善其脆性及加工性能。

3.鉻鋼、鉻鎳鋼

鉻鋼和鉻鎳鋼在機械密封摩擦副材料中也被廣泛采用。

常用的鉻鋼材料有3Cr13、4Cr13、9Cr18等,它們經淬火后有較高的硬度,耐腐蝕性比碳鋼好,適用于弱腐蝕性介質。

常用的鉻鎳鋼有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti等。它們具有良好的耐腐蝕性能,適用于強腐蝕性介質。其韌性大、硬度低、耐磨性不高。

4.青銅

機械密封摩擦副材料常用的青銅材料有ZQSn6-6-3、ZQSn10-1等,其彈性模數大,具有良好的導熱性、耐磨性、加工性、以及對硬質材料的相容性。但質軟,耐腐蝕性較差,適用于海水、油等中性介質。


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