机械密封故障原因——摩擦副材料分析

发布时间：2024-05-08 浏览次数：599

用作摩擦副的材料虽然很多，然而确定机械密封摩擦副合适的组对材料并非容易。从组对材料的相容性、耐磨蚀性等角度出发，往往要通过大量的台架试验，以及现场应用的经验积累，才能确定磨擦副的优化组合。此外，还要通过合理的结构设计，才能充分发挥材料优异的性能。

一、碳石墨

碳石墨有几十种可供选用，其性质各异。必须了解各种碳石墨的牌号、性能及供货来源，合理选用。以下介绍一些失效形式及如何选用这类材料。

1、高磨损

目前，在选材时普遍存在着一种倾向，即无论何种工况一律采用硬质碳石墨，认为硬度越髙越耐磨。然而，在有些工况下却并非如此。例如，对介质的润滑性差，或无润滑性，或易产生干摩擦的场合，如轻烃介质，使用硬质的 M106k磨损较大，而釆用软质的高纯电化石墨磨损小，这是因为软质石墨具有优良的低摩擦性能，它是由于石墨晶体自润滑性能好，运转期间有一层极薄的石墨膜向对偶件表面转移，使摩擦面得到润滑，摩擦系数下降，磨损减小。当组对材料为喷涂陶瓷时，以选用中等硬度的石墨为宜。

若介质中固体颗粒含量超过5%时，碳石墨不宜作单端面机械密封的组对材料，也不宜作串联布置中的主密封环。否则，密封件会出现高磨损。

2、泡疤

在热油泵中，常会发现机械密封的碳石墨环端面上出现凹坑、疤块。这是在选用碳石墨材料时，没有充分研究浸渍物与碳石墨材料结合的温度。由于浸渍物的不同，碳石墨密封件的适用温度范围也就不同。例如，浸酚醛树脂石墨， 当摩擦副表面温度超过180°C时，树脂会在密封端面分解形成硬粒和析出挥发物，形成疤痕，从而极大地增加摩擦力，使表面损伤而出现泄漏。在条件允许的情况下，减小摩擦副的接触宽度，对降低摩擦热造成的温升是有效的。所以，适当减小碳石墨环摩擦宽度，有利于防止泡疤的发生。质量较差的碳石墨环，因内部气孔较多，使用时气孔膨胀，将碳微粒及树脂挥发物吹出而形成泡疤，而且将会引起密封端面黏着。因此，高温工况推荐用浸铜或浸锑石墨。

3、咬合破裂

在高温场合下， 选择浸渍金属碳石墨是有利的。因为无论是接触端面温度或导热系数都要比浸渍树脂的高许多。但是，在机械密封运行时，若出现干摩擦，密封更容易失效，端面瞬时高温，金属浸渍物会出现熔滴 ，造成端面咬焊而使密封件破裂。浸巴氏合金，铜合金或锑的碳石墨环，不宜用于高温干摩擦工况。高温干摩擦运转应采用浸银石墨。金属银具有良好的自润滑性，可有效地防止咬合破裂现象发生。

4、断裂

石墨的裂纹是由传动件的振动、 密封圈的胀大以及石墨环本身界面的尖角处应力集中造成的。当碳石墨环用于高黏度流体中时， 特别是做浮装式非补偿环， 由于流体的黏性阻力， 使碳石墨密封环产生前后颠簸而碎裂。因此， 碳石墨密封环应使用流体黏度界限制在 30Pa.s 以下，对高黏度流体，可用铜合金环替代碳石墨环。

5、变形

浮装式碳石墨非补偿环，在高压下容易产生变形，故高压工况推荐用接触式安装。大轴径的非补偿环，更应注意其形状及外形尺寸的设计，增大径向及轴向尺寸以防变形。夹紧式结构的碳石墨环，当轴径在100mm以上时，用聚四氟乙烯0形圈夹紧，容易造成碳石墨环变形，因此，推荐用橡胶O形圈。

二、工程陶瓷

工程陶瓷是耐腐蚀用机械密封不可缺少的摩擦副材料之一。若选用不当，也会出现很多问题。陶瓷是一种硬、 脆且对切口及热冲击敏感的材料。以下介绍使用工程陶瓷易出现的失效形式及选材方法。

1、断裂

脆性是所有陶瓷共有的缺点。特别是棱角部位受冲击载荷易裂。设计上尽量采用简单的形状，避免有尖角存在。安装、拆卸、储运过程中应极其小心， 不能有冲击载荷。装配过紧是陶瓷环破裂的主要原因（其强度为硬质合金的 1/4)。热冲击也是陶瓷环破裂的常见原因，密封装置可能会暂时短时间地干运转，因而温度升髙，当液体突然进入密封界面，使瓷环骤然冷却，于是产生了难以承受的热应力而破坏。所以，无论哪种陶瓷都要考虑其耐温度骤变的性能。髙温工况下，若经常出现骤冷现象，好不采用氧化铝陶瓷，可用其它材料替换。纯度为 95%的氧化铝陶瓷易于破裂。纯度越髙、粒度越细的髙纯氧化铝瓷环却不易破裂。

为弥补陶瓷强度低的缺点，可用镶装结构。为防止脱环，多采用钛合金材料作环座，过盈量一般在0.05~0.08mm 范围内选取。这样，既避免瓷环碎或脱环，又可保持两者材料在耐腐蚀方面的同一性。

陶瓷材料的机械强度虽然低，但要是结构设计合理，使用和操作得当，在给定工况条件下，使用寿命仍然较长。

2、组对性能

氮化硅陶瓷用作机械密封摩擦副材料具有选择性。例如，在稀硫酸中氮化硅与填充玻璃纤维聚四氟乙烯组对时，氮化硅的磨耗大， 而与碳石墨组对时效果较好；用铬钢玉陶瓷与填充玻璃纤维聚四氟乙烯组对时，效果佳。氮化硅陶瓷相互组对不仅磨耗大，泄漏量也大，宜在低负荷条件下使用。碳化硅陶瓷与碳石墨组对可用于高负荷条件。

三、 硬质合金

尽管硬质合金的组对性能好，但随使用工况不同，其组对性能也具有选择性。

钴基硬质合金彼此组对，在高温场合端面容易产生热裂纹；若用镍基硬质合金与钴基硬质合金组对则可得以改善。

硬质合金中的碳化物在室温下一般能抗大多数酸碱的腐蚀。用钴作为粘结剂的钴基硬质合金，由于钴易被氧化以及耐蚀性差，所以耐蚀性能不够理想， 容易产生粘着、 腐蚀磨损。

热水泵宜采用镍基硬质合金，例如，用镍基硬质合金与碳石墨组对比用钴基硬质合金与碳石墨组对的寿命高一倍。当泵停用较长一段时间后，后者的起动转矩约为前者的4倍。

(来源：机械密封)