自润滑材料专利2015-2

1、自润滑材料专利2015-21、前言密封是重要的机械基础零部件，在国民经济的各个领域应用广泛，在设备运行中起重要的作用。随着我国自动化设备、机械、化工、石油、动力、原子能等工业以及航空航天技术的发展，密封的作用日益重要。在现代化工业技术迅速发展进程中，各类设备工作压力日益提高、工作温度高范围宽、运行速度高，对密封的要求更加严格。当密封失效时，除普通的泄露外，可能造成爆炸、剧毒释放、核辐射等灾难性事故，这类密封类失效直接威胁着人类健康和生命，高可靠性密封是特种设备的极其重要的核心零部件，PTFE弹簧蓄能密封是重要的高可靠性密封之一。PTFE弹簧蓄能密封是由PTFE复合材料密封和耐腐蚀的不锈钢金属弹

2、簧组成。密封圈安装在沟槽内，弹簧受压，形成向外的张力，促使密封唇紧贴密封沟槽及工作面，由于弹簧永久给密封唇提供弹力，能弥补密封磨损和配合零件的偏心，由此形成从真空到高压范围内的密封。另外流体压力对密封唇口施加应力，压力越大，总的密封压力升高，密封唇与沟槽及工作面贴合的越充分，由此形成高压密封。密封是由PTFE、PEEK、PVDF、UHMWPE、PI等及其复合材料经机械加工制成，材料决定了弹簧蓄能密封圈的性能，适用于-260到+300温度范围，密封几乎所有的液体、化学制品和气体。其中聚四氟乙烯（PTFE）及其复合材料用途极其广泛。聚四氟乙烯（PTFE）具有化学稳定性、耐高低温性能、摩擦系数低、自

3、润滑性等优良性能,因而它在各行各业中得到了广应用。聚四氟乙烯具有许多优异的性能，但也有不足之处，因而需通过加入填充剂形成复合材料，性能得到改善，其耐磨性能大幅度提高，抵御塑性蠕变的能力提高23倍，由负荷作用引起的初始变形降低3060，刚性提高23倍，受热尺寸稳定性增加2倍，硬度增大1015。不同填充剂可以赋予复合材料不同的性能。聚四氟乙烯及其复合材料的性能见表1。根据工况选择合适的聚四氟乙烯复合材料，提高密封的机械性能。本文针弹簧蓄能密封的几何形状及其PTFE复合材料做了简单阐述。表1填充聚四氟乙烯摩擦性能 填充剂 纯PTFE 碳纤15 玻纤20 聚苯酯20 石墨5 MoS2 5干摩擦系数 0

4、.13 0.17 0.18 0.16磨痕宽度mm 14.5 4.8 5.2 4.8聚四氟乙烯复合材料经过机械加工制成各种形状，再与适当的金属弹簧组合形成PTFE弹簧蓄能密封，并且配合抗高压承压环的使用，进一步提高密封的抗压性能。聚四氟乙烯复合材料及金属弹簧的几何形状尺寸对密封的性能具有较大影响，对聚四氟乙烯复合材料密封几何形状尺寸进行优化、合理设计，满足弹簧蓄能密封的各种工况要求。金属弹簧有多种形式可供选择，有O型弹簧，V型弹簧，U型弹簧，满足不同运动形式的密封要求。在有些场合可由不同材质的O形圈替代金属弹簧做为弹性体使用。2、弹簧蓄能密封用PTFE复合材料 聚四氟乙烯的常用填充剂为：锡青铜粉

5、、石墨、二硫化钼、玻璃纤维、碳纤维、聚苯酯、聚酰亚胺等，通过填充改性后的聚四氟乙烯复合材料的抗压性能有所不同，相对而言，纯聚四氟乙烯抗压强度较低；聚四氟乙烯填充石墨后，其抗压强度较低；聚四氟乙烯填充聚苯酯后，其抗压强度略大于纯聚四氟乙烯；聚四氟乙烯填充碳纤维后，其抗压强度略大于聚四氟乙烯填充聚苯酯；聚四氟乙烯填充铜粉后，其抗压强度较大。根据工况条件选择合适的聚四氟乙烯复合材料，同时考虑抗压性能与摩擦磨损性能的平衡。聚四氟乙烯复合材料的配方可以采用填充剂并用，如：聚四氟乙烯、铜粉、二硫化钼/石墨、碳纤维并用；聚四氟乙烯、玻璃纤维、二硫化钼/石墨并用；聚四氟乙烯、聚苯酯、二硫化钼/石墨、碳纤维并用

6、;聚四氟乙烯、聚酰亚胺、二硫化钼。通过多元共混，采用不同比例的固体润滑剂-二硫化钼或石墨，兼顾聚四氟乙烯复合材料抗压性能与摩擦磨损性能，提高聚四氟乙烯复合材料密封的工作寿命。聚四氟乙烯及其复合材料的性能见表1，表2。表2填充聚四氟乙烯材料性能 配方编号 材料性能 010203040506070809拉伸强度Mpa282014.52214.715.617.216.617伸长率 347310255180220230242210280压缩强度Mpa11.819.621.218.21519.216.714.217.5摩擦系数 0.130.160.160.170.180.220.210.160.16磨痕

7、宽度 mm14.55.15.25.35.25.76.15.84.8注：配方01 纯PTFE 2 PTFE+40%青铜粉5MoS2 3 PTFE+60%青铜粉5MoS2 4 PTFE+20%碳纤维 5 PTFE+20%玻璃纤维5石墨 6 PTFE+25%玻璃纤维 7 PTFE+20%玻璃纤维 8 PTFE+15%石墨 9 PTFE+20%聚苯酯5MoS23 、PTFE弹簧蓄能密封几何形状3.1、往复运动PTFE弹簧蓄能密封几何形状往复运动PTFE弹簧蓄能密封几何形状具体参见图1。图1.1密封断面为薄壁U型，匹配V型不锈钢弹簧，密封与摩擦对偶件的接触表面为PTFE复合材料，摩擦阻力小，密封与摩擦对

8、偶件的接触面积小，并且V型不锈钢弹簧对PTFE复合材料密封唇口的弹性补偿力可形成合理的压应力分布曲线和密封峰值应力，高低压密封性能良好，可以密封2060MPa压力。图1.2密封断面为薄壁U型，匹配V型不锈钢弹簧，它与图1.1所示密封断面的区别为：V型不锈钢弹簧唇口倾斜角度不同，图1.1中V型不锈钢弹簧唇口向内径方向倾斜，图1.2中V型不锈钢弹簧唇口向外径方向倾斜，它不易造成应力损伤PTFE复合材料，适宜于高低温密封，可以适用于-250+260。可以密封4560MPa压力。图1.3密封断面为U型，匹配V型不锈钢弹簧，U型密封的背压侧带有两个可以滑移的三角形高压承压环，防止聚四氟乙烯复合材料高压挤

9、出，可以密封100200MPa压力。图1.4密封断面为厚壁U型，匹配V型不锈钢弹簧，并且在密封的内外缘的工作面上附有梯形凹槽，在介质的压力作用下，可以形成若干个峰值应力，可以密封最高100MPa的高压。图1.5密封断面为密封由两个U型复合而成，匹配两个V型不锈钢弹簧，在密封的内外工作面形成有效的密封，可以密封2060MPa压力。图1.6密封断面为薄壁U型，匹配倾斜螺旋不锈钢丝或者薄片状弹簧，匹配L形承压环，可以密封2080MPa压力，适合低速工作条件；弹簧为倾斜螺旋不锈钢薄片状时，可以适用于低压及真空密封。图1.7密封断面为薄壁U型，匹配倾斜螺旋不锈钢丝或者薄片状弹簧，匹配三角形承压环，并且在

10、密封的内外缘的工作面上附有梯形凹槽，在介质的压力作用下，可以形成若干个峰值应力，适合低速工作条件，可以密封真空至80MPa压力。图1.8密封断面为薄壁U型，匹配倾斜螺旋不锈钢薄片状弹簧，匹配矩形承压环，适合低速工作条件，可以密封真空至80MPa压力。图1.9密封断面为薄壁双U型，匹配两个V型不锈钢弹簧，在密封的轴向工作面两个方向形成有效的密封，可以密封两种介质双向压力。以上密封工作面均为内径，通过对密封唇形进行相应的变换设计，也可用于密封工作面为外径的工况。图1 往复运动PTFE弹簧蓄能密封断面示意图3.2、旋转运动PTFE弹簧蓄能密封几何形状旋转运动PTFE弹簧蓄能密封几何形状具体参见图2。

11、图2.1密封断面为薄壁U型，匹配V型不锈钢弹簧，V型不锈钢弹簧唇口向外径方向倾斜，它不易造成应力损伤PTFE复合材料，适宜于高低温密封，可以适用于-250+260。可以密封4560MPa压力。图2.2密封断面为薄壁U型，匹配倾斜螺旋不锈钢丝或者薄片状弹簧，它附有一个定位矩形凸台阶，具有防止密封外缘转动的作用。图2.3密封断面为薄壁U型，匹配V型不锈钢弹簧，它附有一个定位矩形凸台阶，具有防止密封外缘转动的作用。图2.4密封断面为厚壁U型，匹配V型不锈钢弹簧，并且在密封的内外缘的工作面上附有梯形凹槽，在介质的压力作用下，可以形成若干个峰值应力，可以密封最高200MPa的高压。图2.5密封断面类似于

12、旋转油封，匹配V型弹簧和O型橡胶圈，密封唇口与旋转轴接触力小，用于中低线速度油封。图2 旋转运动PTFE弹簧蓄能密封断面示意图3.3、端面PTFE弹簧蓄能密封几何形状端面用PTFE弹簧蓄能密封几何形状具体参见图3。图3.1密封断面为薄壁U型，匹配倾斜螺旋不锈钢薄片状弹簧，可以密封真空至80MPa的压力，压力来至于内径方向。图3.2密封断面为薄壁U型，匹配倾斜螺旋不锈钢薄片状弹簧，可以密封真空至80MPa的压力，压力来至于外径方向。此类产品用于真空、气体和高低温法兰密封。图3 端面PTFE弹簧蓄能密封断面示意图3.4、特殊PTFE弹簧蓄能密封几何形状特殊PTFE弹簧蓄能密封几何形状具体参见图4。

13、图4.1密封断面为薄壁U型，匹配V型不锈钢弹簧，为整体活塞式密封，便于维护安装。图4.2密封断面密封断面为厚壁U型，匹配V型不锈钢弹簧，在密封的内外缘的工作面上附有梯形凹槽，并且附带副唇，具有一定的防尘作用。图4.3密封断面为厚壁U型，匹配V型不锈钢弹簧，V型腔体内可以充填高温硅胶或者塞入弹性体，用于需要清洗高洁净的工作条件下。图4.4密封断面为薄壁U型，匹配V型不锈钢弹簧和倾斜螺旋不锈钢薄片状弹簧，外骨架为硬质耐高温聚合物-PEEK/PI，用于高温条件。图4.5密封腔体为矩形，密封由两个相互垂直方向的U型复合而成，匹配两个V型不锈钢弹簧，在密封的内外工作面以及侧面形成有效的密封。图4.6密封

14、腔体为密闭的矩形，密封唇口通过一定尺寸的孔起到密封作用，防止唇口挤出变形，适合于长寿命密封。图4.7为组合式洁净密封，V型不锈钢弹簧安装于异形半包围PTFE复合材料密封中，采用硬质不锈钢或耐高温聚合物-PEEK/PI固定弹簧，密封安全可靠。图4 特殊PTFE弹簧蓄能密封断面示意图4 、PTFEE弹簧蓄能密封匹配的承压环材料提高PTFE弹簧蓄能密封的耐压性能，一方面取决于密封材料和密封的几何形状，另一方面取决于不同材料的组合形式，承压环材料对于PTFE弹簧蓄能密封高压性能起着至关重要的作用。承压环材料采用硬质材料，硬质塑料为：聚醚醚酮、聚酰亚胺，金属材料：铜合金-锡青铜、铝青铜、铍青铜，其他耐腐

15、蚀合金。聚醚醚酮高分子主链为含有苯环的线性结构，结晶度高，其物理机械性能优异，玻璃纤维或者碳纤维增强聚醚醚酮在100时抗压强度大于150Mpa。聚酰亚胺高分子主链由苯环与杂环直接联接而成，链刚性大，其高温机械强度高，耐辐照性能优异。表3常用承压环材料性能材料名称 聚酰亚胺 聚醚醚酮 聚醚醚酮+玻璃纤维 聚醚醚酮+碳纤维 锡青铜 铝青铜 铍青铜压缩强度Mpa 150 120 215 240 屈服强度Mpa170 400 1035注：锡青铜、铝青铜、铍青铜牌号很多，屈服强度取较小的数值。在具有一定间隙的模具中进行抗压强度测试时，聚酰亚胺和聚醚醚酮的抗压强度均可达到280MPa以上。在高压系统中，合

16、理控制间隙，采用铜合金材料作为承压环，弹簧蓄能密封的承压可以达到600MPa。5 、PTFEE弹簧蓄能密封适用工况及设计 PTFE弹簧蓄能密封可以设计成为各种几何形状和结构，根据具体工况设计合理的形状结构，选择合适的PTFE复合材料和弹簧金属材料，具体参见表4，表中列出常见的几类工况下的适用材料，除此以外，还有许多材料可以用于弹簧蓄能密封，比如金属材料：Inconel718、 Elgiloy游丝合金、1717PH不锈钢、Hastelloy C276镍基合金，302不锈钢，根据介质温度压力等选择合适的不锈钢材料。 PTFE弹簧蓄能密封性能与其运动状态及形式密切相关。同样密封结构，静态密封时耐压高

17、一些，V型不锈钢弹簧、倾斜螺旋不锈钢丝弹簧、倾斜螺旋不锈钢薄片状弹簧均可用于静态PTFE弹簧蓄能密封，其中以倾斜螺旋不锈钢薄片状弹簧为主。对于动密封需要兼顾耐压及摩擦磨损性能，其工作压力相对静密封略低一些。V型不锈钢弹簧适用于中低速往复运动和旋转运动，耐压最高可达300Mpa；倾斜螺旋不锈钢丝弹簧适用于中低速往复运动和旋转运动，耐压可达20Mpa；倾斜螺旋不锈钢薄片状弹簧适用于低速往复运动和旋转运动，耐压可达20Mpa，也可用于真空环境。 PTFE弹簧蓄能密封动态性能与其摩擦磨损性能密切相关，根据工况选择低摩擦系数耐磨损的PTFE复合材料，合理设计密封唇形结构和几何尺寸，在密封工作时形成合理的

18、密封应力曲线，合理控制PTFE弹簧蓄能密封摩擦力， 需要选择PTFE弹簧蓄能密封动态工作的PV值，调控摩擦生热。设计密封时，PTFE复合材料PV值范围：润滑一般时PV值2Mpa.m/s、润滑充分时PV值5Mpa.m/s、润滑充分冷却好时PV值10Mpa.m/s，PTFE弹簧蓄能密封动态工作的PV值对于旋转运动密封的可靠性至关重要。表4聚四氟乙烯组合密封件材料选用 介质 对偶件材料 聚四氟乙烯材料 弹簧材料空气 气体 铜、不锈钢、铝 PTFE+碳/PHB/PI 301/304热水 蒸汽 钢、铸铁、铜、不锈钢、铝 PTFE+碳/碳纤维/ PHB/PI 301/304/316石油 钢、铸铁、铜、不锈

19、钢、铝 PTFE+碳/碳纤维/ PHB/PI Elgiloy/Inconel燃料油 钢、铸铁、铜、不锈钢、铝 PTFE+碳/碳纤维/ PHB/PI 301/304/316化学溶剂 不锈钢、铝 PTFE+碳/PHB/PI 301/304/316食品 药品 不锈钢、铝 PTFE/PTFE+PHB/PI 301/304/316真空 不锈钢、铝 PTFE/PTFE+PI 301/304 PTFE弹簧蓄能密封性能与机械零部件配合间隙密切相关，高温、高压、高速运动、低硬度密封材料采用较小配合间隙，常温、低压、低速运动、高硬度密封材料采用略大配合间隙，超低温密封应采用较小间隙。 PTFE弹簧蓄能密封性能与机

20、械零部件硬度、表面粗糙度密切相关。密封对应的机械零部件硬度大于HRC40，适宜的硬度HRC6070。密封对磨的机械零部件表面粗糙度和表面质量影响密封的可靠性及其寿命，控制机械零部件表面粗糙度Ra、Rz、Rmax，充分考虑材料的接触区域Mr；对于旋转运动，密封低温低分子气体，机械零部件表面粗糙度Ra0.1，密封其他流体，机械零部件表面粗糙度Ra0.2；对于往复运动，密封低温低分子气体，机械零部件表面粗糙度Ra0.2，密封其他流体，根据流体粘度，机械零部件表面粗糙度Ra0.30.4；对于静密封，密封低温低分子气体，机械零部件沟槽表面粗糙度Ra0.3，密封其他流体，根据流体粘度，机械零部件沟槽表面粗

21、糙度Ra0.40.8。6 、结语弹簧蓄能密封采用PTFE复合材料，充分发挥PTFE摩擦系数低和自润滑的性能，采用不同的填充剂制备各种配方的PTFE复合材料，其摩擦磨损性能和机械性能优异，设计合理PTFE复合材料密封几何形状，匹配各种金属弹簧、承压环，组合形成PTFE弹簧蓄能密封，确保稳定可靠的密封性能，广泛应用于各类苛刻工况条件，满足核电、冶金、石油化工、航空航天、船舶、汽车等行业特殊工况的需要。参考文献1王文东，等.聚四氟乙烯复合材料与弹性体的组合应用.有机氟工业，2005（1）：1114.2王文东，等.聚四氟乙烯复合材料密封几何尺寸对其工作性能的影响.有机氟工业，2011（2）：916.3石淼森.固体润滑材料.北京：化学工业出版社，2000，9：1782014徐灏.密封.北京：冶金工业出版社，1993，3：112197.5缪京媛，等.氟塑料-加工应用.北京：化学工业出版社，1987，10：122141.6赵纯，等.聚醚醚酮.北京：化学工业出版社，2008，7：854.7Heinz K.Müller,Bernard S.Nau. Fluid sealing technology principles and applications. 程传庆译 北京：化学工业出版社，2002