《流体密封与润滑基础课程》－机械密封材料

1、第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础 常用摩擦副材料是指动环和静环的端面材料。从密封工作特点看，摩擦副材料必须具备的下列条件。 1具有一定的耐磨性 机械密封要求长时间运转，必须具有较长的使用寿命，通常一年以上。且能承受开车时短时间内的干摩擦。 2有较好的化学稳定性 能抵抗介质的腐蚀、磨蚀、溶解和溶胀。通常，机械密封的泄漏量与端面平均间隙的平方或立方成正比，端面稍有腐蚀，就会使端面平均间隙增大，从而使泄漏量增大，寿命缩短。4.1摩擦副材料第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础 3具有良好的导热性和热稳定性 密封端面相对滑动产生热量，必须将密封面附近的热量迅速导出，才能保证机械密封性能稳定，且应

2、能耐热、耐寒和耐温度的骤变，有一定的抗热冲击性。 4线膨胀系数小，尺寸稳定性好； 能承受一定的温度并耐热变形。 5机械强度高、刚性大、变形小； 能承受一定的压力并耐压力变形。4.1摩擦副材料第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础 6密度小、气密性好； 具有良好的不渗透性。 7良好的可加工性； 各种加工、成型方便。 8良好的相容性、自润滑性； 材料组对后磨合性好，耐干摩擦，无过大的磨损和电偶腐蚀。 常用的摩擦副材料有三类： 金属材料；非金属材料；复合材料。 4.1摩擦副材料第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 石墨材料是用量最大、使用范围最广的基本材料。 1、其主要加工制造工艺

3、过程模压成型烧结成品高温修整焦炭石墨炭黑沥青粘结剂 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 石墨原料主要是炭粉和石墨粉，两者性质上有差别。石墨为层状结构，由于层间结合力小，故层之间易滑移，从而有较好的润滑性，另外石墨导热快。但其强度低、硬度小，不耐磨。碳为无定形的乱层结构，故硬度高、强度也高。作为摩擦副材料，碳和石墨均不甚理想。因此人们以碳为主体，加入一定量的石墨烧结成碳-石墨（碳素石墨）。如果烧结之后，在高温炉内（2500）经辅助加工，一部分非结晶碳变成结晶碳，这种石墨称为电化石墨（石墨化石墨）。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩

4、擦副材料 根据烧结时间、烧结温度、原料组成不同，可制成各种不同物理机械性能的烧结石墨。 一般情况下，两类石墨进行比较： 碳-石墨：质硬、脆，因此不易加工；导热系数低；但强度高，耐磨性好。代号为：M1。 电化石墨：质软，强度低，但自润滑性好。故易加工。导热系数高；而强度及耐磨性差。代号为：M2。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2石墨材料的性能 1）具有优良的耐腐蚀性能 石墨化学稳定性很高。碳是一种化学性质不活泼的物质，因此，耐腐蚀性能好。石墨在空气中450开始氧化。除强氧化性介质（如浓硫酸、浓硝酸、铬酸及重铬酸钾、重铬酸钠、高锰酸钾等）和卤素（溴、氟、氯

5、等）以外，可耐其他酸、碱、盐类及一切有机化合物的腐蚀。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2石墨材料的性能 2）具有极好的自润滑性及低摩擦系数 石墨通常称之为固体润滑剂。它是由碳原子组成的六角形等网状结构的多层叠合体。同层原子间构成共价键连接，连接牢固，而相邻层之间则以分子引力（键）相结合，结合力很弱，称范德华力。这种结合力远比共价键结合力小得多。因而层间容易错动（结合键很容易断裂，形成石墨微小碎片）。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2）具有极好的自润滑性及低摩擦系数 当石墨与金属构成摩擦副作相对运动时，平行于摩擦

6、力方向的石墨晶体的层间就会发生滑移。如果金属表面有足够的吸附性，则在两个摩擦面间将形成一层极薄的定向晶体膜。此晶体膜具有不饱和键，靠极性吸附在金属表面上，有足够的连接强度。这样，金属与石墨之间的摩擦变转为石墨晶体层间的相对滑移。而石墨层间的结合力很弱，因此大大降低了摩擦系数。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2石墨材料的性能 3）具有很高的导热系数（116128W/mK） 石墨是非金属材料中唯一具有高导热率的材料。与金属材料相比，仅次于于银、铜、铝，比不锈钢大四倍，比碳钢大两倍，比其他非金属材料大100倍。 因此，能迅速地导出摩擦产生的热量，并在温度急变

7、中不会碎裂。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2石墨材料的性能 4）具有较低的线膨胀系数（2310-6/） 石墨的线膨胀系数仅是金属的1/21/4，故具有良好的热稳定性，耐热、耐寒、耐热冲击性较好，骤冷骤热不会发生破裂，与其他材料对磨时不易蓄热，不会引起局部升温。 5）比重小（1.41.7g/cm3） 由于比重小，石墨环质量轻。且具有较好的可加工性。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2石墨材料的性能 6）物理机械性能 石墨的机械性能有明显的各向异性的性质。其强度值与原料的种类、粒度以及石墨化程度等密切相关。粒度越细

8、，强度越大；石墨化程度越高，则强度越小。在平行于成型轴方向的各种强度值之间大致有如下关系：抗拉强度= (0.470.68) 抗弯强度；抗弯强度= (0.620.35) 抗压强度 由此可以看出：石墨抗拉强度比较低，无延展性；而抗压强度则很高。摩擦副材料主要受压，故一般能满足使用。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2石墨材料的性能 6）物理机械性能 在常温下，石墨的弹性模量小(49147)102MPa，其值比碳钢小12个数量级，往往在受到不大的压应力情况下，会产生很大的残余变形和明显的滞后现象。因此，采用石墨材料时，必须注意环的支承点和支承面的结构合理性，防

9、止发生过度变形。 石墨的硬度低（一般为邵氏硬度4070左右），故一般只用作软材料。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.1 石墨 2石墨材料的性能 7）气孔率 石墨最大的缺点是气孔率大（1822%）。碳石墨在烧结中由于部分粘接剂的挥发，导致制品中产生微孔，这些微孔体积之和与制品体积之比，称为气孔率。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 3浸渍石墨 在带有压力的介质中，碳石墨制品会发生“冒汗”现象，这是介质通过气孔发生的泄漏渗漏。为解决气孔率大，防止“冒汗”，常采用浸渍工艺及渗碳等方法。 浸渍工艺将某种合成树脂或金属采用一定的工艺渗透

10、到石墨的孔隙中去，堵塞其孔隙，达到不渗漏的目的。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 3浸渍石墨 常用浸渍剂有： 4.1.1 石墨浸渍金属铝合金 巴氏合金 B铜合金 锑 浸渍合成树脂酚醛树脂 聚四氟乙烯 F环氧树脂 HJ呋喃树脂 KADP浸渍后，气孔率45%，不改变石墨材料的导热性，而石墨材料的强度、硬度都有所提高。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 3浸渍石墨 浸渍剂的选择：浸渍剂的性质决定了浸渍石墨的化学稳定性、热稳定性、机械强度、应用温度。 使用温度： 浸渍环氧树脂：100 浸渍酚醛树脂：150 浸渍呋喃树脂：170而小于浸渍金属的

11、熔点，否则发生烧粘现象。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 3浸渍石墨 适用介质： 浸渍环氧树脂：耐碱性介质； 浸渍酚醛树脂：耐酸性介质； 浸渍呋喃树脂：既耐酸性介质又耐碱性介质； 浸渍金属：不耐腐蚀，可用于中性介质。另外注意电偶效应，在电解质溶液中，碳-石墨的电位都比浸渍金属的高，因此，电偶作用的结果都会加速金属的腐蚀。 浸渍聚四氟乙烯：可用于各种腐蚀性介质，但因工艺不稳定，很少采用。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 3浸渍石墨 各类石墨密封环材料的物理机械性能要求应符合JB/T8872-1999机械密封用碳石墨密

12、封环技术条件表2的规定。石墨环牌号说明： 例1：M106K 表示：碳石墨，浸渍呋喃树脂。 例2：M204F 表示：电化石墨，浸渍酚醛树脂。 例3：M158B 表示：碳石墨，浸渍巴氏合金。 4.1.1 石墨第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 聚四氟乙烯俗称“塑料王”，它是全氟化乙烯的聚合物，是氟塑料中最主要的品种之一，也是机械密封摩擦副应用较多的材料。 1聚四氟乙烯的制作 其简单的工艺过程如下： 4.1.2 聚四氟乙烯第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.2 聚四氟乙烯烧结冷却制品20目筛析称重加料冷压制锭脱模300开始软化370390空冷水冷裂解聚

13、合制粉氟石三氯甲烷加热悬浮分散原料第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 1聚四氟乙烯的制作 300开始软化，温度327时，晶体熔化成为非晶体，高分子链活动能力增大，粉粒之间相互渗透成为坚韧的整体。当坯件冷却时，分子链中的直线部分又重新发生结晶过程，315左右时具有最大结晶速度，至260时基本停止结晶。因此不同的结晶速度，制品的结晶度不同；结晶度越高，硬度也越大，但韧性降低。一般聚四氟乙烯的结晶度约为5065%。 4.1.2 聚四氟乙烯第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2聚四氟乙烯的性能 1）优异的耐腐蚀性 聚四氟乙烯化学稳定性是塑料中最好的。由于其表面的

14、高度惰性，其能耐各种强酸、碱和强氧化剂，甚至高温下也不发生作用（在王水中煮沸后重量级性能均无变化），耐各种有机溶剂，且对水和溶剂的渗透率都很小，几乎不发生其它高分子物常见的溶胀和溶化作用。目前仅发现熔融碱金属、三氟化氯及元素氟在高温及一定压力下能破坏聚四氟乙烯。 4.1.2 聚四氟乙烯第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2聚四氟乙烯的性能 2）良好的自润滑性 由聚四氟乙烯的分子结构可知， CC和CF都是共价键结合，大分子本身具有很高的键合强度。而聚四氟乙烯上的氟原子带负电，互相排斥，故大分子之间的结合力却很弱。当施加外载荷时，分子就非常容易产生相对滑移，在摩擦过程中，其表面

15、的分子层首先向对磨材料转移，并在对磨材料上坚定地形成了一层0.020.03m的薄膜，形成了聚四氟乙烯内部的相对摩擦。故它是一种良好的减磨、自润滑材料。 4.1.2 聚四氟乙烯 C C FFFFn第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2聚四氟乙烯的性能 3）低的摩擦系数 聚四氟乙烯之间，无论是动摩擦还是静摩擦，摩擦系数均为0.04，相当于冰与冰之间的摩擦。其与金属对磨时，摩擦系数为0. 1左右。负荷与速度对其摩擦特性有很大的影响。随着负荷增大，表面分子间距离缩小，分子外围的氟原子负电荷相互作用增加，分子内聚力减弱，摩擦系数相应降低。但分子间距离的减小是有一定限度的，所以当负荷达

16、到一定值后，摩擦系数将趋于恒定。 4.1.2 聚四氟乙烯第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2聚四氟乙烯的性能 3）低的摩擦系数 而随着速度升高，其摩擦系数将增大。 当v0.011m/s时，摩擦系数降低，f0.04； 当v=0.54m/s时，摩擦系数增加，f0.2 。 普通聚四氟乙烯，最大值一般只能达到0.05MPa m/s。 4.1.2 聚四氟乙烯第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2聚四氟乙烯的性能 4）有良好的热稳定性 聚四氟乙烯的热稳定性是工程塑料中最为突出的。200时开始有微量分解，但分解速度极慢，只有超过400时才发生显著分解。可用在很宽的温

17、度范围内，在180250下可长期使用。 高温下使用，抗拉强度低，但柔韧性和伸长率增加；低温下使用，则相反。 4.1.2 聚四氟乙烯第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2聚四氟乙烯的性能 5）有良好的可加工性能。 6）有良好的不燃性、不粘性、韧性。 7）导热系数低 其导热系数为0.244W/mK，只有金属的1/300左右，与石墨相差近500倍。因此，摩擦热很难导出，致使摩擦面温度急剧上升，机械性能恶化，密封失效。 4.1.2 聚四氟乙烯第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2聚四氟乙烯的性能 8）线膨胀系数大 聚四氟乙烯线膨胀系数为825105/，几乎比一般

18、金属大1020倍。 一般金属：10106/； 碳钢：10.612.2106/； 铸铁：10.612.2106/； 因此，随温度变化变形很大。 4.1.2 聚四氟乙烯第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2聚四氟乙烯的性能 9）具有冷流动性 冷流动性：固体在熔点以下，受本身和外部负荷作用，尺寸不稳定，易产生流动变形、蠕变、永久变形或压塌现象。 当应力超过聚四氟乙烯的弹性极限时，在卸去瞬时作用负荷后，会产生滞后回复，不能回复至原尺寸，存在一定的残余变形；在一定负荷的持续作用下，则随时间的延长，应变将不断增大，然后趋向恒定；也就是说，其变形在一定负荷和温度下有一个最终值。 因此当负

19、荷发生变化或长时间受力均容易发生泄漏。 4.1.2 聚四氟乙烯第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 3填充聚四氟乙烯 根据聚四氟乙烯存在的问题，人们采用在纯聚四氟乙烯中加入各种填充剂来进行改性。 常用的填充聚四氟乙烯有： 1）填充石墨、二硫化钼； 2）填充玻璃纤维、玻璃粉； 3）填充聚苯脂、聚苯硫醚等聚合物； 4）填充碳纤维； 5）填充青铜粉、铅粉。 4.1.2 聚四氟乙烯第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 3填充聚四氟乙烯 填充后的聚四氟乙烯，其摩擦系数等原有的优良性能保持不变或影响不大，而耐磨性能及导热性能提高，冷流动性和线膨胀系数降低，但耐腐蚀性能有

20、所向下降。 通常加入石墨或二硫化钼，增加自润滑性能和耐腐蚀性能；加入玻璃纤维或玻璃粉，减少冷流动性的影响，改善尺寸稳定性，提高耐腐蚀性能；加入青铜粉或碳纤维，提高导热系数，降低线膨胀系数，可用在高速，但青铜不耐腐蚀。 4.1.2 聚四氟乙烯第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 氧化铝陶瓷（ Al2O3 ）是机械密封的基本材料之一，是应用较广、较为理想的摩擦副材料。 1氧化铝陶瓷的制作 氧化铝陶瓷粉末的制备，一般以铁矾土为原料，经碱处理除去氧化铁、氧化钛、氧化硅等杂质而析出氢氧化铝，然后烧成呈多孔球状聚集体的-Al2O3 。为了减少氧化铝陶瓷制品烧结过程的收缩率，再通过预烧，使

21、-Al2O3 全部转变为-Al2O3 晶型的粉，称刚玉粉。 4.1.3 氧化铝陶瓷第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.3 氧化铝陶瓷 1氧化铝陶瓷的制作17001800铁矾土添加剂模压成形干燥-Al2O3烧制碱原料除杂质-Al2O3预烧成品加工烧结第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 1氧化铝陶瓷的制作 氧化铝陶瓷原料来源广，制造工艺简单。 目前常用的有两种： 第一种：Al2O3 含量99%，氧化锰含量1%，称99瓷。其纯度高、硬度高，但不易加工。 第二种：Al2O3 含量94.5%，SiO2 约2%；Cr2O3 约2%；CaCO3 约3.5%，称

22、95瓷。其纯度低、硬度略低，可降低烧结温度和孔隙率 。 4.1.3 氧化铝陶瓷第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2氧化铝陶瓷的性能 1）具有很高的硬度及耐磨性 氧化铝陶瓷的硬度通常为：HRA8090，结构致密，主要以离子键结合，键合力很强，因此有很高的硬度。其硬度仅次于金刚石、碳化硼、立方碳化硼和碳化硅，显示出优异的耐磨性。 4.1.3 氧化铝陶瓷第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2氧化铝陶瓷的性能 2）热膨胀系数小 氧化铝陶瓷的热膨胀系数为：5610-6 / ，因此，变形小、尺寸稳定。 3）具有良好的导热性 其导热系数为：1617W/mK，因此能耐

23、高温。 4.1.3 氧化铝陶瓷第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 2氧化铝陶瓷的性能 4）耐腐蚀性能较好 氧化铝陶瓷除氢氟酸及浓碱外，几乎能在各种介质。 5）属脆性材料 由于氧化铝陶瓷属于脆性材料，故加工困难，易磕碰。 虽然氧化铝陶瓷弹性模量较高，但抗拉强度比较低，所以耐热冲击系数比较小，易发生热裂，应避免在温度急剧变化的场合及干摩擦时使用。 4.1.3 氧化铝陶瓷第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 3金属陶瓷 金属陶瓷是在氧化铝陶瓷中加入一定量的金属粉，氧化铝含量约为8892，其余为铁、铬、镍。 金属陶瓷抗热振性能好，脆性有所改善，但耐腐蚀性能下降，强

24、度及硬度也有所下降，硬度为：HRA8488。 4.1.3 氧化铝陶瓷第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.4 氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷（Si3N4）是我国70年代发展起来的新材料。 1氮化硅陶瓷的制作 氮化硅陶瓷原料可用硅粉与氮气反应制得： 3Si+2Ni Si3N4 或用硅的卤化物与 NH3反应制得： 3SiCl4+4NH3 Si3N4+12HCl13001400第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.4 氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷制品的生产方法主要有：热压烧结、常压烧结、反应烧结。 热压烧结氮化硅强度、硬度高，致密性好。但加工困难，成本高。用于形

25、状简单，不需要机械加工的情况下。 常压烧结氮化硅性能接近热压烧结氮化硅，烧结工艺简单，生产周期短，但收缩率大，约为1520%，容易变形，成本高。 反应烧结氮化硅强度、硬度略低，但收缩率小0.1%，成品率高。由于其具有独特的工艺性而被广泛采用。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.4 氮化硅陶瓷 反应烧结氮化硅的工艺过程为：将硅粉或氮化硅粉的混合料采用干压或等静压的方法成型后，将毛坯在加热炉中通氮气，在11501200下预烧结，俗称“一次氮化”。一次氮化后的半成品氮化程度约为90%左右，使其具有一定的强度。这时，素坯可在机床上进行各种机械加工，获得所要求的尺寸。然后在加

26、热炉中以13501450再次氮化，俗称“二次氮化”。二次氮化后，使之全部生成氮化硅。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.4 氮化硅陶瓷 由于氮化硅二次氮化过程中体积几乎不变，因而一次氮化后经过机械加工的尺寸精度可以保持到最终产品（其变化率YG8YG15。 钴基硬质合金也是高熔点、高弹性模量的材料。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.6 硬质合金 2、硬质合金的主要性能 2）耐磨性好 钴基硬质合金耐磨性比高速钢高1520倍，广泛用于重负荷和含有颗粒的场合。 3）导热率高 钴基硬质合金导热率为58.687.9W/mK。 4）线膨胀系数低 钴基

27、硬质合金线膨胀系数为4.56.510-6/。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.6 硬质合金 2、硬质合金的主要性能 5）WC硬质合金本身抗化学腐蚀性能强，但粘结金属钴耐化学腐蚀性能差。因此，一旦粘结金属钴被腐蚀，剩下的硬质相骨架的结构就脆弱，在腐蚀及机械作用下，造成晶粒剥落，致使硬质合金制品急剧磨蚀，密封失效。 6）冲击韧性低、脆性高。 7）加工困难，需要用电解磨等设备加工。 8）价格高，粘结金属钴为稀有金属，价格昂贵。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.6 硬质合金 3低钴硬质合金 针对钴基硬质合金存在的问题，常用降低硬质合金中钴的含

28、量，来减少受腐蚀的机率，相对的增加了耐腐蚀性的办法来改善。 低钴硬质合金中，钴的含量为1%，虽然强度下降，但仍满足机械密封的使用要求。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.6 硬质合金 4镍基硬质合金 以镍代替钴作为粘结金属称为镍基硬质合金。其牌号为：YWNB。 镍基硬质合金提高了耐腐蚀性能，其耐腐蚀性随镍的含量不同而有所不同，镍的含量低，耐腐蚀性能高。但也有所下降。 由于采用镍作为粘结金属，降低了成本。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.6 硬质合金 5镍铬基硬质合金 镍铬基硬质合金以镍、铬作为粘结金属。其强度、硬度与钴基硬质合金相当。

29、此外，镍铬基硬质合金导热系数高，线膨胀系数小，有很大的发展前景，是一种良好的耐腐蚀硬质合金。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.6 硬质合金 6钢结硬质合金 钢结硬质合金最早于50年代末期为满足工装、模具的需要而发展起来的一种新材料。近年来在机械密封中的应用也取得了良好的效果。 它是以铁粉、钢粉（合金钢、高速钢、不锈钢等）或中间合金（Cr-Fe、Mo-Fe、V-Fe、Mn-Fe）粉末为粘接相，碳化钛或碳化钨为硬质相，采用粉末冶金方法制备的。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.6 硬质合金 7、钢结硬质合金的主要特点 1）有优良的物理机械性

30、能 钢结硬质合金的金相组织是微细的硬质相晶粒，均匀弥散地分布于钢基体中，粘接相与硬质相的配比范围相当宽，一般钢（或合金）基体含量约占重量的5075%。其硬质相主要赋予材料以高硬度和高耐磨性，而粘接相使材料获得可加工性和可热处理性等独特的性能，可采用普通加工设备和工具进行各种机械加工，以及具有基体相应的热处理效应。此外，钢结硬质合金还可以焊接和热锻。经过硬化处理后，具有很高的硬度，其耐磨性与钴基硬质合金相当，甚至更高。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.6 硬质合金 7、钢结硬质合金的主要特点 2）当碳化钛为硬质相时，由于碳化钛颗粒呈圆形，与其他材料相对摩擦时具有低的

31、摩擦系数和良好的自润滑性，不易发生冷焊现象，故可避免严重的粘着磨损。 3）钢结硬质合金具有刚性好，弹性模量、强度和韧性高等优良的综合性能。 4）钢结硬质合金还具有良好的抗热震性，可用在温度变化的场合。 碳化钛本身耐腐蚀性能优于碳化物，其本身的耐腐蚀性能随钢基类型不同而异。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.7 表面复合材料 表面复合材料是在金属环表面覆盖上耐磨层，不仅可以节约硬质相材料，并且能够改善某些综合特性。尤其适用于单件生产的大尺寸密封环，比较经济。常见的表面复合材料有： 表面堆焊硬质合金 表面烧复碳化物 表面热喷涂（焊） 真空熔结 第 章4机械密封材料流体润

32、滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.7 表面复合材料 1表面堆焊硬质合金 表面堆焊硬质合金是采用气焊、电焊和等离子焊等方法，将自熔性合金堆复在金属表面。自熔性合金根据不同的堆复工艺，可以制成相应地气焊条、电焊条或粉末状合金。目前机械密封使用比较普遍的自熔性合金有： 钴基合金：硬度较高，有一定的耐酸性。 铬基合金：硬度较低，耐气蚀、耐腐蚀性能好。 应用限制：堆焊硬质合金不耐强酸、碱，硬度低，抗高裂能力差，且有砂眼，不宜用于带颗粒介质和高速的场合。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.7 表面复合材料 2表面烧复碳化物 表面烧复碳化物是利用渗透法烧结原理，在金属表面烧复

33、碳化钨。这种方法将铸造碳化钨粉以铜的过渡层为结合剂，直接冷压在金属表面，然后在真空烧结炉或氢气炉内，在高温下烧结而成的。 这种复合材料国外专利称为RC合金（Ralit Copper）。 RC合金在烧结过程中，熔化的铜依靠毛细管渗透作用，渗入并填满碳化钨层的全部孔隙，由于碳化物的高硬度和铜能形成稳定液膜的不可润性，因此获得覆盖层具有良好的耐磨减摩特性。碳化钨层与不锈钢基体之间有铜的过渡层，故彼此有很高的结合强度。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.7 表面复合材料 2表面烧复碳化物 优点：RC合金中铜约占1015%，因为铜有良好的塑性，有利于缓和热应力，其线膨胀系数比

34、钴基硬质合金小，热稳定性好，不易发生热裂。 但由于铜为结合剂，故耐腐蚀性能下降。RC合金不能用于氨溶液及硝酸中。因为铜与氨会形成铜氨铬化物，在硝酸中发生强烈氧化，而在其它介质中的耐腐蚀性与钴基硬质合金基本相同。主要是用于油、海水、盐类、大多数有机介质及稀碱溶液等。 有少量的孔隙，对于要求高的密封不易选用。RC优点RC缺点第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.7 表面复合材料 3表面热喷涂（焊） 表面热喷涂（焊）技术作为一种新型的表面涂层工艺，已在机械密封摩擦副材料上采用。 表面热喷涂是利用一种热源，将金属、合金、陶瓷、塑料及复合材料、组合材料等粉末或丝材、棒材等加热到

35、熔化或半熔化状态，并用高速气流雾化，以一定的速度喷洒于经预处理过的工件表面上形成喷涂层。如将喷涂层再用感应加热的方法重熔，使之与工件表面呈冶金结合则称为热喷涂焊。工作原理第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.7 表面复合材料 3表面热喷涂（焊） 表面热喷涂工艺主要有： 等离子喷涂：常用； 爆炸喷涂：不常用，成本高，成品率低。 最多用的为喷涂氧化铬，其气孔率低，耐腐蚀性能良好。 喷涂层厚度一般为0.30.5mm，不易过厚。因为它与金属基体不是冶金结合，当有较大温度波动时，涂层可能剥落。工艺第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.7 表面复合材料

36、3表面热喷涂（焊） 表面热喷涂密封环的广泛应用，可以用低级材料代替高级材料用于摩擦副，因此大大降低了成本，并使材料表面获得耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温等不同的功能。还能利用基体材料的韧性和涂层材料的耐磨、耐腐蚀等性能，使材料具有复合功能。 表面热喷涂密封环多用于大直径，结构复杂的零件。 但表面热喷涂密封环由于涂层为机械结合，结合强度不太高，有时会出现剥落现象。另外，涂层有气孔存在。喷涂优点缺点第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.7 表面复合材料 4真空熔结 真空熔结环是一种表面冶金工艺，以自熔性镍基合金在金属母体表面扩散、湿润，在真空炉中熔结于母体表面而成的。镍基合金

37、与母体在短时间加热的过程中，充分扩散互熔，成为冶金结合。 真空熔结环具有如下特点： 真空熔结环结合强度高，耐热冲击性能好，耐磨性和耐腐蚀性能也比较好，且成品率高、成本低，应用普通机械密封已取得好的效果。工艺优点第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.8 金属材料 机械密封常用的金属材料主要有：碳钢、铸铁、硅铸铁、青铜、不锈钢等。特殊条件下，钛与钛合金、巴氏合金、因科镍合金也有一定应用。 这些金属材料的各种性能已为人们所熟知，故重点介绍其耐磨性和耐蚀性。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.8 金属材料 碳钢用作摩擦副材料时，只要保证良好的润滑条

38、件，使用恰当也能获得较高的耐磨效果。常用的碳钢是45号钢，经淬火处理后，表面硬度可达HRC45左右。淬火碳钢的显微组织属于马氏体类型，它是一种亚稳定组织，在温度升高时容易转变为更稳定的组织。如果当摩擦副在工作过程中由于摩擦热引起局部温升，就可能使显微组织发生变化，导致耐磨性降低。所以，采用正火处理获得稳定的珠光体组织，反而能提高耐磨性。碳钢第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.8 金属材料 高硅铸铁也是一种高硬度的耐磨材料。 高硅铸铁是含硅1017%及含碳0.51.2%的铁硅合金，由于其硬度大（HRC4045），所以有很多好的耐磨性。但由于硬度高，质脆，加工困难，还由

39、于其导热系数低，热膨胀系数大，耐温度剧变性差，骤冷骤热会炸裂，往往加入稀土元素以改善其脆性及加工性能。 高硅铸铁不耐碱、氢氟酸、盐酸等强酸。高硅铸铁第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.8 金属材料 常用的灰口铸铁和球墨铸铁，因为含有石墨相而具有减摩特性。尤其是球墨铸铁，在铸造过程中添加了镁和硅等元素使石墨球化，可以显著提高机械强度，使耐磨性、抗氧化性及减震性均比较好，优于碳钢，同时还可经过多种处理提高强度。 适用于油类和中性介质。灰口铸铁球墨铸铁第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.8 金属材料 青铜也是常用的摩擦副材料之一。常用的青铜及合

40、金材料有：ZQSn6-6-3 、 ZQSn5-5-5及ZQSn10-1等。 青铜材料由于弹性模数大，具有良好的导热性、耐磨性、可加工性，以及对硬质材料的相容性，在充分润滑条件下具有良好的减摩性，适合于在高PV值下使用。 可用于海水、油等中性介质。青铜第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.1摩擦副材料 4.1.8 金属材料 3Cr13、4Cr13、9Cr18等铬钢，它们经淬火后有较高的硬度，且耐腐蚀性比碳钢好，适用于弱腐蚀性介质。 1Cr18Ni9、0Cr18Ni12Mo2等是奥氏体不锈钢，有良好的韧性，但硬度低，也不能通过热处理提高硬度。但由于它具有良好的耐腐蚀性，当组对选择合理时，也可以

41、用作摩擦副材料。铬钢第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.2辅助密封圈材料 辅助密封圈主要指动、静环密封圈。常用各种橡胶、聚四氟乙烯、膨胀石墨等。对辅助密封圈的主要要求有： 1具有良好的弹性，特别是在压缩之后及长期工作后复原性好，有较小的永久变形。 2不受介质的侵蚀、溶胀，耐老化。 3具有低的摩擦系数和良好的耐磨性。 4使用温度范围广，在高温下使用不粘着，低温下使用不会硬脆和失弹。 5要有适当的机械性能，如扯断强度、扯断伸长率、耐压等。 6成本低廉，来源方便，容易加工制造。基本要求第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.2辅助密封圈材料 4.2.1 橡胶材料 橡胶是一种高弹性的高分子化合

42、物，具有较好的弹性和一定的强度。由于它密封严密，缓冲、吸震性优异，并具有较好的气密性、不透水性，以及耐磨、耐热、耐腐蚀性能等，所以是使用最多的一种辅助密封圈材料。橡胶第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.2辅助密封圈材料 4.2.1 橡胶材料 1丁腈橡胶（NBR） 丁腈橡胶（NBR）是丁二烯与丙烯腈的共聚物。耐油、耐磨、耐老化，价格低廉。 丁腈橡胶的牌号是根据丙烯腈含量的多少来划分的。最常用的是丁腈40，丙烯腈含量为40%。还有丁腈18，丁腈26等。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.2辅助密封圈材料 4.2.1 橡胶材料 2硅橡胶（MVQ） 硅橡胶（MVQ）是由二甲基硅氧烷与其它有

43、机硅单体，在酸与碱性催化剂下聚合制成的一种线型高分子弹性体。 其特点是耐热温度范围广（100350），热稳定性高，在200300可长期使用，但耐油和耐溶剂不好，价格较高。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.2辅助密封圈材料 4.2.1 橡胶材料 3氟橡胶（FPM） 氟橡胶（FPM）是指主链和侧链的碳原子上含有氟原子的一种合成高分子弹性体，或称含氟聚合物。 其特点是耐高温、耐腐蚀性好，但耐低温性能较差，价格贵。第 章4机械密封材料流体润滑与密封基础4.2辅助密封圈材料 4.2.1 橡胶材料 4氯丁橡胶（CR） 氯丁橡胶（CR）是由氯丁二烯在乳液状态下聚合而成的。由于其分子链中含氯原子，因而具有极性，属于自补强性橡胶。 其特点是耐老化性能比较优越，耐天侯、耐臭氧比较好，耐燃性是通用橡胶中最好的。故易燃介质多采用