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碳化硅密封材料应用于不同工况的机械密封
添加:2022-10-14 17:27:46    游览:2109    来源:网络

  碳化硅材料的优越性能表现在:优异的力学性能、耐腐蚀性能和良好的摩擦学性能,因此在密封材料的多个领域得到了开发和应用,根据应用的特点,可归结为以下六个工况的机械密封。

  1、碳化硅应用于高密封介质压力的机械密封

  机械密封在高压下工作,密封端面需要承受很大的载荷,这就要求密封材料必须具有很高的强度和刚度,不然密封端面就会因受压而变形,导致泄漏或快速磨损,从而导致机械密封失效。碳化硅材料是一种高强度、高刚度、高弹性模量的材料,在高压下不易产生变形。同时,碳化硅的抗压强度很高,如常压烧结碳化硅的抗弯强度为410 MPa,而抗压强度为2 800 MPa以上,是抗弯强度的7 倍,完全可以承受高的端面应力,满足使用要求。

  2、碳化硅应用于高转速机械密封

  在高速的工作状态下,因线速度高,摩擦付的发热磨损和振动将是工作过程中所要面对的重要问题,因此,要求作为旋转密封的材料应该具有高强度和低密度。这样旋转环在高速运行时产生的离心力小,引起的振动与偏摆也小,从而保持密封端面的稳定贴合。碳化硅的密度要比密封用的硬质合金材料小得多,而且具有很高的弹性模量,保证了碳化硅密封端面在高速工况下不易产生变形和振动,保持端面稳定贴合。由于碳化硅密度低、热力性能好、摩擦系数小,在高速旋转密封材料中具有明显的优势,因此被广泛地应用到机械密封硬环。

  目前,通常把密封流体的压力( P) 和密封面间的平均滑动速度( V) 的乘积( 即 PV 值) 作为机械密封工作能力的指标,用来衡量机械密封使用的极限值[6] 。随着技术的发展,机械密封的 PV值不断提高,因而对密封付材料的要求也越来越高,由于碳化硅陶瓷材料的优异性能,在密封行业也越来越受到重视,随着碳化硅密封材料应用的广泛性,碳化硅的高精度加工也迅速发展起来,可以使密封端面的粗糙度在几十纳米甚至几个纳米[12] ,避免了由于端面的局部凸起而使密封付产生梨削作用,保证了密封面的稳定贴合,从而提高了机械密封的使用寿命。

  3、 碳化硅应用于高温机械密封

  高温易引起摩擦付材料性能变化,使密封端面变形,硬度降低,造成机械密封寿命下降。因此,高温密封付材料的热变形、高温强度以及耐磨性等问题是选取密封付材料时考虑的关键。碳化硅具有很高的高温强度,比如热压碳化硅在 1600℃时的抗弯强度基本与常温时的相同[13] ,因而不会出现类似金属的高温蠕变现象,又由于碳化硅陶瓷的自润滑作用,从而在两端面间旋转时也不会出现粘着磨损,因此碳化硅可用于高温工况下的机械密封(相关阅读:高温、低温、高压环境下的机械密封使用要点)。

  4、 碳化硅应用于腐蚀性介质机械密封

  用于腐蚀性介质的机械密封,腐蚀磨损是引起摩擦付材料失效的主要形式。这种腐蚀性作用极强,会直接或迅速地引起密封性能的变化,所以要根据密封介质的特点进行密封付材料的选择。碳化硅具有良好的化学稳定性,耐腐蚀性较强,因此可以应用于多种腐蚀性强的酸、碱性介质中( 部分耐蚀性能见表2) 。

表2 碳化硅材料在各种试验液中的腐蚀情况表

  5、 碳化硅应用于含有固体颗粒的机械密封

  机械密封在实际应用过程中,被密封流体经常含有固体颗粒,比如待处理的废水、某些海域的海水、一些容易结晶的化学溶液等,这些液体中都含有硬质颗粒,并且在机械密封装置工作时易沉积在摩擦付端面。这些颗粒不仅引起密封端面严重的颗粒磨损, 而且使密封面产生局部发热而引起热裂。因此,在选用密封付材料时需要硬硬配对,碳化硅由于硬度高、耐磨损和抗热裂等特性,因此在这类工况下碳化硅作为机械密封付的一种或两种端面材料成为比较理想的选择, 但实际选用硬硬配对时, 并非随意两种硬度高的材料就可以,密封付材料间也要有一定的硬度差,用完全相同的材料组成密封付时效果并不好。吴仁荣等[14]在船用离心海水泵密封材料的选取时, 首先选用的是反应烧结碳化硅自身配对,使用时效果较差,后选用热压烧结碳化硅配常压烧结碳化硅后效果大大提高。

  6、碳化硅应用于干摩擦机械密封

  正常情况下,机械密封不希望出现干摩擦,但在某些情况下又不可能完全避免,比如,机械密封面由于流体作用力增大,间隙减小,会使密封付因密封面微凸体开始接触而温度升高或其它原因而开始发生干摩擦; 此外,大多数密封在开、停时也会短暂地发生半干摩擦或干摩擦。由于密封面干摩擦会使摩擦系数增大和磨损加剧,导致密封环烧损或热应力开裂,从而发生泄漏[1] 。为此,要求密封付材料具有耐高温以及良好的摩擦学性能。而碳化硅材料就具备这样的性能,热压碳化硅在 1 600 ℃ 时性能不衰减,密封面旋转摩擦过程中,在较低的温度时,碳化硅内部的微小石墨颗粒可以起到润滑剂的作用,随着温度的升高,无定形氧化硅在 600 ℃ 时开始形成,800 ~ 900 ℃ 时完整连续地覆盖在碳化硅上,由于氧化硅比碳化硅软,很好地起到固体润滑剂作用[15] 。因此,可以看出,碳化硅拥有良好的抗粘着磨损能力,即使在特殊的工作状态下,碳化硅也完全能够满足工作的需要。

  [1]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京: 机械工业出版社,2001

  [6]于新奇.碳化硅材料在机械密封中的应用[J].河北工业科技,2005,22( 3) : 134—137

  [12]刘桂玲.碳化硅表面改性和光学镜面加工的研究现状[J].无机材料学报,2007,22( 5) : 769—774.

  [14]吴仁荣.船用海水泵的机械密封故障分析及对策[J].流体机械,2005,33( 1) : 45—47.

  [15]周松青.碳化硅陶瓷摩擦化学磨损机理及磨损图的研究[J].硅酸盐学报,2002,30( 5) : 641—644.

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