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        碳化硅材料在機械密封中的應用

        2019-08-08 15:06

        機械密封是一種依靠彈性元件對密封副預緊,在介質與彈性元件壓力共同作用下使密封副壓緊而達到密封的軸向端面密封裝置,其結構見圖1。密封環分動環和靜環2種,是構成機械密封的最主要元件。密封環的工作狀況決定了機械密封的使用性能和壽命,而密封環材料的性能直接影響密封環的工作狀況。因此,了解機械密封對密封材料性能的要求,選擇合適的密封材料是保證機械密封安全運行的關鍵。


        機械密封對密封付材料的性能要求

        為了保證機械密封裝置中的密封環正常運轉,從減磨、耐腐蝕和防止咬合等方面考慮,

        密封環常常配置成一對硬度不同的硬環和軟環,通常硬環為動環,對硬環材料的性能有如下要求:

         

        1) 足夠的強度和剛度

        在工況下(如壓力、溫度和滑動速度等)不損環,變形應盡量小,工況條件波動時仍能保持密封性。

         

        2) 良好的摩擦學性能

        運行時,密封環端面間始終處于接觸并旋轉狀態,因此要求密封環材料具有良好的耐磨性,并保持流體膜良好的潤滑性能和良好的邊界潤滑性能,以保證工況下有滿意的使用壽命。

         

        3) 良好的導熱性、耐熱性和耐熱沖擊能力

        工作時,由于密封面間的潤滑條件較差以及密封流體本身的溫度,使得密封環處于較高的工作溫度中,另外,還會出現溫度的急劇變化,為此,要求材料有較高的導熱系數和較小的線膨脹系數,承受熱沖擊時不開裂。

         

        4) 良好的耐腐蝕性

        耐腐蝕性好的密封環可抵制流體的腐蝕和腐蝕磨損,使其工作壽命長。

         

        碳化硅的種類、特點和性能


        目前,工業生產所用的機械密封端面材料中有近一半采用碳化硅。碳化硅的制造方法很多,其性質也各不相同。根據制造方法的不同,有以下幾種:常壓燒結碳化硅、反應燒結碳化硅、熱壓燒結碳化硅、化學氣相反應碳化硅和化學氣相沉積碳化硅等。作為機械密封材料,前3種使用最為普遍。

         

         

        1) 常壓燒結碳化硅

         

        采用粉末冶金的制造方法,原料用亞微米級的碳化硅顆粒,在不施加壓力的條件下進行燒結,燒結密度可達理論密度的95%。燒結在惰性氣體保護下或在真空中于1900~2200℃之間進行,一般要加入硼和碳作為燒結助劑。經模制和燒結后,碳化硅顆粒形成整體碳化硅元件。常壓燒結碳化硅是所有碳化硅中最硬且耐腐蝕性最好的密封材料,因此在機械密封中應用最廣泛。

         

         

        2) 反應燒結碳化硅

         

        用多孔碳型材與熔融硅反應,燒結成整體碳化硅。這種碳化硅中含有約  10%~12%的自由硅,這些自由硅對減小摩擦和磨損起了很好的作用。這種碳化硅材料的耐腐蝕性比常壓燒結碳化硅差,但由于它可與碳石墨構成優異的密封副,因此API682中規定優先選用這種密封副。

         

         

        3) 熱壓燒結碳化硅

         

        由粒度≤1μm的碳化硅粉加上適當的添加劑,裝入石墨模具內,在2000~2100℃的熱壓爐內,加壓30~50MPa制成。熱壓燒結碳化硅是碳化硅中化學穩定性最好的一種,用作耐腐蝕密封副的密封面材料。

        碳化硅陶瓷材料的性能隨制備工藝的不同會發生一定的變化,表1為3種不同工藝制得的碳化硅材料的性能比較表,并與常被用作密封材料的碳化鎢進行對比。

         

        表1 碳化硅與碳化鎢的性能

         

        由表1可知,與碳化鎢相比,碳化硅的密度低、耐腐蝕性能和熱力性能好、摩擦系數低,在機械密封材料中具有明顯的優勢。碳化硅材料最值得注意的優良性能之一是硬度極高,因此被廣泛地用作機械密封硬環。

        碳化硅在機械密封中的應用

        高溫易引起摩擦副材料性能變化,使密封端面變形,硬度降低,造成機械密封壽命下降。因此,高溫密封副材料的熱變形、高溫強度以及耐磨性等問題是選取密封副材料的關鍵。碳化硅具有很高的高溫強度,在1400℃時的抗彎強度與常溫時的抗彎強度值相同,因此碳化硅可用于高溫工況下的機械密封。

         

        碳化硅具有密度低、耐腐蝕性能和熱力性能好與碳石墨配對以及自身配對時摩擦系數低、硬度極高等優良性能,完全適合作為機械密封的密封環材料,因此被廣泛地應用于高PV值、高溫、腐蝕性介質和含固體顆粒介質等工況下的機械密封。

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