機械密封故障原因——摩擦副材料分析

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，宜在低負荷條件下使用。碳化硅陶瓷與碳石墨組對可用于高負荷條件。

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)