机械密封用碳石墨环现状与展望

1、机械密封用碳石墨环现状与展望朱斌 朱路 林建华 涂丽婵（泉州市玉杰旋转接头金属软管有限公司，福建泉州 362000）摘要：介绍了碳石墨材料的分类、特点以及国内外碳石墨材料的生产概况，结合旋转接头用碳石墨环制造应用，提出了对现行机械密封用碳石墨环技术标准的补充修订建议，针对国内碳石墨材料存在问题的现状，向行业主管部门提出了攻关愿望，结合国内碳石墨材料的技术进展和发展趋势进行了展望。关键词：碳石墨，机械密封，旋转接头，生产概况，展望the current situation and prospect of carbon graphite ring for mechanical sealszhu b

2、in zhu lu lin jianhua tu lichan(quanzhou yujie rotary joint & metal hose co.,ltd,fujian quanzhou 362000)abstract: introduce the classification,feature and production overview in domestic and foreign of carbon graphite material,combined with the manufacturing application of carbon graphite ring i

3、n rotary joints,propose supplement and amendment to the current standard of specification for carbon graphite ring for mechanical seals,in the light of current situation that in domestic carbon graphite material exist problems,propose to industry department to research, look ahead the technical prog

4、ress and development trend of current carbon graphite material.key words:carbon graphite,mechanical seal,rotary joint,production overview,prospect1前言碳石墨环因具有优良的耐高温性、自润滑性、低摩擦系数、耐磨损性、耐化学介质腐蚀性和良好的导热性、热膨胀系数小、对高低温交变性能的适应性以及材料的物理力学性能，作为机械密封应用领域中的关键部件已有两千多年的历史，并广泛应用于造纸、纺织、印染、化纤、橡胶、塑料、化工、医药、食品、卷烟、包装、印刷、机械、电器

5、、建材、冶金、钢铁、炼油、交通运输、军工等各工业部门【1】【2】。由于材料性能优良，制造原材料又多来源于炼油化工副产品，所以价格适宜，应用行业广泛，因此碳石墨制品制造在我国得到了快速发展。从1956年前苏联援建哈尔滨电碳厂、1966年四川自贡东新电碳厂成立等几家企业，发展到目前的三百多家电碳制造相关企业，不仅有了高等院校和科研单位，而且也有了行业管理机构和相关产品的技术标准，促进了碳制品生产的科学性、先进性和实用性。但由于资金，设备，体制等众多因素的影响，目前我国的高性能碳制品质量，较国外发达国家的先进技术水平，仍有较大差距。通用碳石墨环的制造质量，还较上世纪八九十年代的生产水平有逊色，用户反

6、映的密封失效问题比较突出。2机械密封用碳石墨材料的分类及特点碳石墨材料的生产，是按照骨料粒径，配方组成与内部结构不同分类的，基本上可分为毫米级（110mm）、忽米级（0.11mm）、丝米级（0.010.1mm）和微米级（0.0010.01mm）四类，通称为粗、中粗、细、超细结构碳石墨制品。其制造和性能特点分别为：1、毫米级结构碳石墨制品，通常用210mm粒径焦炭或无烟煤作为骨架结构，空隙处用6070%的细粉填充形成。制品规格越大，选用的骨料粒径越粗，通常是用搅混均匀的热料糊挤压或振动成型，制成品表面较粗糙。用相同工艺生产的产品较细颗粒结构的制品强度低，气孔孔径分布范围广。显著特点是所用原材料比

7、表面低，含粘合剂少，焙烧容易，石墨化、热处理过程不易开裂，不适于做高质量不透性机械密封制品。2、忽米级结构碳石墨制品，因其骨料粒径在0.11mm之间，配料中粘合剂含量略高于粗制品，宜采用挤压，振动或热模压制方法成型。制品的显著特点是内在结构均一良好，气孔分布均一性和孔径分布范围介于毫米级和丝米级之间，其密度，强度和加工表面粗糙度优于毫米级，是优于粗结构，接近细结构的碳石墨环制品。3、丝米级结构碳石墨制品，因制造骨料粒径细，配料中粘合剂含量高，通常采用混均匀磨粉冷模压成型，小规格细长制品也可采用挤压成型。焙烧时挥发份排除量大，易产生内裂，制品规格越大，生产难度越大，制品的显著特点是结构均一，强度

8、高，气孔孔径小且分布均匀。作为机械密封碳石墨材料，是可靠耐用的，但生产成本较高。4、微米级超细结构碳石墨制品，通常是用410m级超细炭素粉末为主要原材料，用超细粉磨粉机制粉，经等静压成型，采用特殊工艺或先进的焙烧窑炉热处理等方法生产。制品的显著特点是内在结构更细密，均一，强度高，能加工出表面精度和光洁度高的耐摩擦磨损的机械密封高性能制品，但生产成本高，是军工和宇航产品及其它高性能机械密封要求使用的材料。由上述可以看出，碳石墨环材料的生产工艺流程，虽然基本相同，即原材料选用配料（加粘结剂等）搅混均匀成型焙烧一次或多次浸渍二次或多次焙烧或石墨化粗品加工精加工。由于使用的原材料粒径大小、配料组成、粘

9、合剂性能、混料均匀度、成型焙烧工艺和设备、浸渍材料、工艺、次数、二次加工工艺和设备等不同，因而制品的性能和价格差异极大，所以在使用时，必须根据产品使用工况，做出产品级别、精度和价格的适宜选择。3国内外碳石墨材料生产概况碳石墨材料在机械密封技术中的应用历史悠久，我国科技工作者曾先后对前苏联，德国，法国，英国，美国，日本等发达国家碳石墨材料的生产、应用、发展动向，概况做过内容丰富的介绍【3】【4】。他们生产的种类比较齐全，大致分为焙烧的碳石墨材料，石墨化的碳石墨材料，浸树脂和浸金属的碳石墨材料，树脂粘结的碳石墨材料，氟化石墨材料与渗硅石墨材料等，从骨料到相关原材料、工艺、设备，直至碳石墨材料的品种

10、，型号，技术性能，使用范围到制品加工，应用及碳石墨材料发展动向等，大大激励了我国碳石墨材料的发展。哈尔滨电碳厂，自贡东新电碳厂，作为碳石墨材料早期生产的两大企业，为我国军民所用碳石墨材料的研发，产品的制造，应用及性能测试，相关标准的制订，引进消化吸收国外先进技术起到了积极的推动作用，使我国上世纪八九十年代碳制品的品种、质量和性能有了快速的提高，呈现在电站磨煤机上应用的m170d碳石墨材料的性能接近德国e10k的水平。研制的抗氧化碳石墨材料，已能满足航空发动机的使用性能要求。碳制品的制造内涵也有了明显的进步【5】【6】。但随着科学技术的进步，产品性能要求的提高，目前传统碳石墨材料存在的强度低，气

11、密性差，磨损率高，寿命短等众多弊病愈来愈暴露出来，突出表现在碳石墨材料硬度不均匀密度不均匀孔径大小不均匀，开孔，闭孔数量分布不均匀脆性大加工制造精度高的碳石墨环难度大研磨，抛光不易形成均匀光带和良好的密封面等等。使用中出现的问题是端面泄漏，局部或贯通开裂，润滑性能差等等。因此急待碳石墨材料制造厂家通过原材料的性能提高，配方设计改进，加工工艺和制造设备等多项措施来提高碳石墨材料的使用质量，从而达到高强度，高密度，气孔率低，抗氧化，摩擦系数低，耐磨损，光滑细腻，易加工制造等性能特点。与国外先进生产技术相比，国内碳石墨材料生产中所用原材料磨粉粒径均匀度、密度、配料技术水平、浸渍材料及工艺、毛坯制造设

12、备、焙烧工艺等均有较大差异，以致当前我国碳石墨材料的性能及应用，较德国的西格里、英国的摩根、美国的ge、法国的罗兰、日本的东洋等知名品牌仍有较大差异。4机械密封目前用碳石墨环技术标准简介按照现行机械密封用碳石墨密封环标准的分类、检验规则、物理力学性能要求、试验方法、标志、包装、运输、储存等方面规定的内容还是比较全面的，自2002年12月1日实施至今没有更新，其分类和对材料的物理力学性能的规定见表一、二。表1 碳石墨密封环的材料分类分类名称、代号系列名称、代号浸渍物或粘结剂浸渍物代号机械用碳类 m碳-石墨m1环氧树脂h呋喃树脂k酚醛树脂f巴氏合金b铝合金a铜合金p锑d银g玻璃r电化石墨m2环氧树

13、脂h呋喃树脂k酚醛树脂f巴氏合金b铝合金a铜合金p锑d银g机械用碳类 m电化石墨 m2玻璃r树脂碳石墨 m3树脂粘结剂特种石墨类 t硅化石墨 t10硅表2 碳石墨密封环标准中对材料的物理力学性能要求系列代号浸渍物肖氏硬度hs抗折强度mpa抗压强度mpa抗压弹性模量1×10-4mpa体积密度g/cm3开口气孔率 %摩擦系数体膨胀系数1×10-6-1热导率w/（m·k）最高使用温度m1基体材料4025501.01.4020/4.05.0/环氧树脂65491761.21.602.00.154.84.6200呋喃树脂70501801.21.603.06.54.2酚醛树脂6

14、0481761.21.802.57.04.6巴氏合金75702181.42.503.50.155.510.5200铝合金75702201.42.002.08.021.8300铜合金70702301.72.503.06.525.0500锑70652202.02.203.05.521.0400银70702002.02.902.57.83040a900玻璃9057170/1.802.00.114.678.6b610m2基体材料3020300.71.50200.253.0108.9/环氧树脂4035751.01.802.00.254.588.0200呋喃树脂4040801.01.783.06.083.

15、7酚醛树脂4040751.01.802.56.596.3巴氏合金4045801.12.403.50.255.0104.7200铝合金40601301.12.002.07.0104.7300铜合金40501001.02.604.07.0110.0500锑40501101.62.303.05.0105.0400银68681952.12.902.50.157.83040a900玻璃6045100/1.802.00.134.678.6b610m3无55541471.21.721.50.1520.06.7200t10硅100（洛氏）451502.73.01.792.00.103.85.270500备注1

16、、a试验温度为300。2、b试验温度为700。3、表中抗压弹性模量、摩擦系数、体膨胀系数、热导率、最高使用温度为引用资料参考数据。随着科学技术的进步和对产品性能要求提高，以及碳石墨材料的技术进展，2002年实施以来的机械密封用碳石墨环技术标准在目前应用中就有些不足，建议进行补充修订。5旋转接头用碳石墨环制造应用旋转接头是将流体介质由相对静止管道输送到旋转或摆转的管道，设备中的机械动密封装置，是固定管路向旋转、摆转设备输送和排除冷热传导介质的必不可少的关键基础件。一般常用的可分为单、双两种回路形式（也有少量多回路的），不同的结构形式有不同的特性，在接头所采用的制造材质、密封结构、摩擦力等方面也有

17、着显著的差异。基本结构包括外管（空心轴、管球）、内管（双向有）、外壳、端盖、尾盖、静密封环、密封圈、动密封环、弹簧及各进出联接口等部件。在众多旋转接头的应用中碳石墨密封环的好坏决定了旋转接头的使用寿命。现就碳石墨环的加工应用情况概况如下：1、碳石墨基材粒径粗糙、气孔率高，分布不均匀，孔径大小不等，进行复检0.6mpa气压测试时，每批次都有不同程度的泄漏，不合格率达30%以上。有的产品抗折，抗压强度达不到技术标准规定的力学性能要求，有的摩擦系数高于标准中的规定，硬度波动较大，体积密度不均衡等。因而给碳石墨环高质量的制造增加了很多麻烦，在搬运和加工安装过程中稍不注意，就会开裂或破碎。2、对于旋转接

18、头，高性能设备要求的用户，要确保使用寿命一年或更高的寿命要求，但目前国产的碳石墨环很难达到这一要求，使用现场反映的问题是硬度低了不耐磨，硬度高了耐磨性虽然好一些，但脆性又太大，有的还没有怎么磨损就断裂成不规则的数块，硬度稳定性差，使用寿命波动性大。在钢厂、纸箱设备、造纸设备上应用的旋转接头，经常出现由于碳石墨环不能承受振动和轴向力导致的破碎现象。在迫不得已的情况下，只好采用进口的碳石墨环产品，现场应用反映结果良好。在当前碳石墨环产品的应用中，兄弟单位反映结果基本上与我公司的应用情况相似。因此当前我国碳石墨材料的生产质量还是让人担忧的，我们建议行业领导与有关部门协同工作，从碳石墨材料制造的原料粒

19、径，配料，混料，压制，焙烧，浸渍等各工序环节科学抓起，加强力学性能检测，更新行业技术标准，加强制造碳石墨环力度评定，合理定价，以提高碳石墨环的应用质量和促进国民经济的快速发展。6展望当今碳石墨材料的技术进展有三大趋势：各向同性热解石墨是碳石墨材料中综合性能最佳的材料，它在各个方向性均为各向同性，结构紧密，其密度未浸渍时就可达到1.98g/cm3以上，开孔率极低（0.3%），抗折强度可达200mpa，抗压强度可达350mpa。由于制造原料粒径为0.32m，再加上采用独特的化学气相沉积法工艺和设备，因而质地均一，加工后的密封面精度和光洁度极高，具有极佳的机械密封性能和摩擦磨损特性。目前德国、日本、英国、俄罗斯，乌克兰等国，在各向同性热解石墨材料研制和应用方面都处于领先地位，俄罗斯研制的各向同性热解石墨材料，具有抗烧蚀，抗氧化，致密，光滑细腻，气孔降低，耐磨性好等特点，在宇航军工和高性能机械密封领域都有着广泛应用。碳-碳复合材料的研制和应用，也是碳石墨材料科技进展的重点，虽然制造方法较多，但碳纤维材料的加入制造的碳-碳复合材料更引人注目。它不仅能显著提高碳-碳复合材料的抗压、抗折强度和模量，降低摩擦系数，而且能大大提高碳石墨环的摩擦磨损性能和抗冲击强度，可满足更复杂工况条件下产品的使用要求。高强度高密度碳石墨密封材料虽有良好的力学性能，我国