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。
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 | ||
銻 | D | ||
銀 | 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 | ||
銻 | D | ||
銀 | 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 | 硅 | — |
表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 | |
銻 | ≥70 | ≥65 | ≥220 | ≥2.20 | ≤3.0 | |
銀 | ≥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 | |
銻 | ≥40 | ≥50 | ≥110 | ≥2.30 | ≤3.0 | |
銀 | ≥68 | ≥68 | ≥195 | ≥2.90 | ≤2.5 | |
玻璃 | ≥60 | ≥45 | ≥100 | ≥1.80 | ≤2.0 | |
M3 | 無 | ≥55 | ≥54 | ≥147 | ≥1.72 | ≤1.5 |
T10 | 硅 | ≥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 | 無 | 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 | |
銻 | 5.5 | 21.0 | 2.0 | |
銀 | 7.8 | 30～40a | 2.0 | |
玻璃 | 4.67 | 8.6b | — | |
M2 | 無 | 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 | |
銻 | 5.0 | 105.0 | 1.6 | |
銀 | 7.8 | 30～40a | 2.1 | |
玻璃 | 4.67 | 8.6b | — | |
M3 | 無 | 20.0 | 6.7 | 1.2 |
T10 | 硅 | 3.8～5.2 | 70 | 2.7～3.0 |
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 | 鋁 合金 | 銅 合金 | 銻 | 銀 | 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 | + |
苯 | 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9Cr18，9Cr18MoV），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 | 銻 | 500 | |||
銅合金 | 400 | ||||
銀 | 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 | 銻 | ≤0.25 | 500 | ||
銅合金 | 400 | ||||
銀 | ≤0.15 | 900 | |||
非金屬 | 玻璃 | ≤0.13 | 610 | ||
M3 | 無 | ≤0.15 | 不銹鋼、黃銅、陶瓷、氮化硅、硬質合金 | 200 | |
T10 | 硅 | ≤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MM—200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） | 動 | 0.04 | |
靜 | 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。
表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目
MF-2，純度＞98%，水分＜0.5%，粗顆粒＜30um占95%，＜10um占5%
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目 ZQSnB-6-3,Sn6Zn6Pb3,細度過200目
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 配 方 | 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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