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碳化硅材料在机械密封中的应用

时间:2019-08-08 作者:admin 来源:本站

机械密封是一种依靠弹性元件对密封副预紧,在介质与弹性元件压力共同作用下使密封副压紧而达到密封的轴向端面密封装置,其结构见图1。密封环分动环和静环2种,是构成机械密封的最主要元件。密封环的工作状况决定了机械密封的使用性能和寿命,而密封环材料的性能直接影响密封环的工作状况。因此,了解机械密封对密封材料性能的要求,选择合适的密封材料是保证机械密封安全运行的关键。


机械密封对密封付材料的性能要求

为了保证机械密封装置中的密封环正常运转,从减磨、耐腐蚀和防止咬合等方面考虑,

密封环常常配置成一对硬度不同的硬环和软环,通常硬环为动环,对硬环材料的性能有如下要求:

 

1) 足够的强度和刚度

在工况下(如压力、温度和滑动速度等)不损环,变形应尽量小,工况条件波动时仍能保持密封性。

 

2) 良好的摩擦学性能

运行时,密封环端面间始终处于接触并旋转状态,因此要求密封环材料具有良好的耐磨性,并保持流体膜良好的润滑性能和良好的边界润滑性能,以保证工况下有满意的使用寿命。

 

3) 良好的导热性、耐热性和耐热冲击能力

工作时,由于密封面间的润滑条件较差以及密封流体本身的温度,使得密封环处于较高的工作温度中,另外,还会出现温度的急剧变化,为此,要求材料有较高的导热系数和较小的线膨胀系数,承受热冲击时不开裂。

 

4) 良好的耐腐蚀性

耐腐蚀性好的密封环可抵制流体的腐蚀和腐蚀磨损,使其工作寿命长。

 

碳化硅的种类、特点和性能


目前,工业生产所用的机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,其性质也各不相同。根据制造方法的不同,有以下几种:常压烧结碳化硅、反应烧结碳化硅、热压烧结碳化硅、化学气相反应碳化硅和化学气相沉积碳化硅等。作为机械密封材料,前3种使用最为普遍。

 

 

1) 常压烧结碳化硅

 

采用粉末冶金的制造方法,原料用亚微米级的碳化硅颗粒,在不施加压力的条件下进行烧结,烧结密度可达理论密度的95%。烧结在惰性气体保护下或在真空中于1900~2200℃之间进行,一般要加入硼和碳作为烧结助剂。经模制和烧结后,碳化硅颗粒形成整体碳化硅元件。常压烧结碳化硅是所有碳化硅中最硬且耐腐蚀性最好的密封材料,因此在机械密封中应用最广泛。

 

 

2) 反应烧结碳化硅

 

用多孔碳型材与熔融硅反应,烧结成整体碳化硅。这种碳化硅中含有约  10%~12%的自由硅,这些自由硅对减小摩擦和磨损起了很好的作用。这种碳化硅材料的耐腐蚀性比常压烧结碳化硅差,但由于它可与碳石墨构成优异的密封副,因此API682中规定优先选用这种密封副。

 

 

3) 热压烧结碳化硅

 

由粒度≤1μm的碳化硅粉加上适当的添加剂,装入石墨模具内,在2000~2100℃的热压炉内,加压30~50MPa制成。热压烧结碳化硅是碳化硅中化学稳定性最好的一种,用作耐腐蚀密封副的密封面材料。

碳化硅陶瓷材料的性能随制备工艺的不同会发生一定的变化,表1为3种不同工艺制得的碳化硅材料的性能比较表,并与常被用作密封材料的碳化钨进行对比。

 

表1 碳化硅与碳化钨的性能

 

由表1可知,与碳化钨相比,碳化硅的密度低、耐腐蚀性能和热力性能好、摩擦系数低,在机械密封材料中具有明显的优势。碳化硅材料最值得注意的优良性能之一是硬度极高,因此被广泛地用作机械密封硬环。

碳化硅在机械密封中的应用

高温易引起摩擦副材料性能变化,使密封端面变形,硬度降低,造成机械密封寿命下降。因此,高温密封副材料的热变形、高温强度以及耐磨性等问题是选取密封副材料的关键。碳化硅具有很高的高温强度,在1400℃时的抗弯强度与常温时的抗弯强度值相同,因此碳化硅可用于高温工况下的机械密封。

 

碳化硅具有密度低、耐腐蚀性能和热力性能好与碳石墨配对以及自身配对时摩擦系数低、硬度极高等优良性能,完全适合作为机械密封的密封环材料,因此被广泛地应用于高PV值、高温、腐蚀性介质和含固体颗粒介质等工况下的机械密封。