機(jī)械密封是一種依靠彈性元件對密封副預(yù)緊，在介質(zhì)與彈性元件壓力共同作用下使密封副壓緊而達(dá)到密封的軸向端面密封裝置，其結(jié)構(gòu)見圖1。密封環(huán)分動環(huán)和靜環(huán)2種，是構(gòu)成機(jī)械密封的最主要元件。密封環(huán)的工作狀況決定了機(jī)械密封的使用性能和壽命，而密封環(huán)材料的性能直接影響密封環(huán)的工作狀況。因此，了解機(jī)械密封對密封材料性能的要求，選擇合適的密封材料是保證機(jī)械密封安全運(yùn)行的關(guān)鍵。
圖1 機(jī)械密封基本結(jié)構(gòu)
1 機(jī)械密封對密封副材料的性能要求
為了保證機(jī)械密封裝置中的密封環(huán)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從減磨、耐腐蝕和防止咬合等方面考慮，密封環(huán)常常配置成一對硬度不同的硬環(huán)和軟環(huán)，通常硬環(huán)為動環(huán)，對硬環(huán)材料的性能有如下要求：
1) 足夠的強(qiáng)度和剛度
在工況下(如壓力、溫度和滑動速度等)不損環(huán)，變形應(yīng)盡量小，工況條件波動時仍能保持密封性。
2) 良好的摩擦學(xué)性能
運(yùn)行時，密封環(huán)端面間始終處于接觸并旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此要求密封環(huán)材料具有良好的耐磨性，并保持流體膜良好的潤滑性能和良好的邊界潤滑性能，以保證工況下有滿意的使用壽命。
3) 良好的導(dǎo)熱性、耐熱性和耐熱沖擊能力
工作時，由于密封面間的潤滑條件較差以及密封流體本身的溫度，使得密封環(huán)處于較高的工作溫度中，另外，還會出現(xiàn)溫度的急劇變化，為此，要求材料有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和較小的線膨脹系數(shù)，承受熱沖擊時不開裂。
4) 良好的耐腐蝕性
耐腐蝕性好的密封環(huán)可抵制流體的腐蝕和腐蝕磨損，使其工作壽命長。
除了以上性能外，硬環(huán)還應(yīng)具有良好的成形和加工性能、小密度和低滲透性及良好的自潤滑性。
任何一種材料都難以完全滿足上述全部要求，通常根據(jù)使用環(huán)境，提出密封材料的主要性能要求，依此選擇合適的材料。
2碳化硅的種類、特點(diǎn)和性能
目前，工業(yè)生產(chǎn)所用的機(jī)械密封端面材料中有近一半采用碳化硅。碳化硅的制造方法很多，其性質(zhì)也各不相同。根據(jù)制造方法的不同，有以下幾種:常壓燒結(jié)碳化硅、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、熱壓燒結(jié)碳化硅、化學(xué)氣相反應(yīng)碳化硅和化學(xué)氣相沉積碳化硅等。作為機(jī)械密封材料，前3種使用最為普遍。
2.1 機(jī)械密封用碳化硅材料的種類和特點(diǎn)
1) 常壓燒結(jié)碳化硅
采用粉末冶金的制造方法，原料用亞微米級的碳化硅顆粒，在不施加壓力的條件下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)密度可達(dá)理論密度的95%。燒結(jié)在惰性氣體保護(hù)下或在真空中于1900～2200℃之間進(jìn)行，一般要加入硼和碳作為燒結(jié)助劑。經(jīng)模制和燒結(jié)后，碳化硅顆粒形成整體碳化硅元件。常壓燒結(jié)碳化硅是所有碳化硅中最硬且耐腐蝕性最好的密封材料，因此在機(jī)械密封中應(yīng)用最廣泛。
2) 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅
用多孔碳型材與熔融硅反應(yīng)，燒結(jié)成整體碳化硅。這種碳化硅中含有約 10%～12%的自由硅，這些自由硅對減小摩擦和磨損起了很好的作用。這種碳化硅材料的耐腐蝕性比常壓燒結(jié)碳化硅差，但由于它可與碳石墨構(gòu)成優(yōu)異的密封副，因此API682中規(guī)定優(yōu)先選用這種密封副。
3) 熱壓燒結(jié)碳化硅
由粒度≤1μm的碳化硅粉加上適當(dāng)?shù)奶砑觿b入石墨模具內(nèi)，在2000～2100℃的熱壓爐內(nèi)，加壓30～50MPa制成。熱壓燒結(jié)碳化硅是碳化硅中化學(xué)穩(wěn)定性最好的一種，用作耐腐蝕密封副的密封面材料。
2.2 機(jī)械密封用碳化硅材料的性能
碳化硅陶瓷材料的性能隨制備工藝的不同會發(fā)生一定的變化，表1為3種不同工藝制得的碳化硅材料的性能比較表，并與常被用作密封材料的碳化鎢進(jìn)行對比。
表1 碳化硅與碳化鎢的性能
由表1可知，與碳化鎢相比，碳化硅的密度低、耐腐蝕性能和熱力性能好、摩擦系數(shù)低，在機(jī)械密封材料中具有明顯的優(yōu)勢。碳化硅材料最值得注意的優(yōu)良性能之一是硬度極高，因此被廣泛地用作機(jī)械密封硬環(huán)。
3 碳化硅在機(jī)械密封中的應(yīng)用
由于碳化硅材料具有機(jī)械密封所要求的良好性能，因此可應(yīng)用于高壓、高轉(zhuǎn)速、高溫、腐蝕性介質(zhì)以及含有固體顆粒介質(zhì)等操作工況下。
3.1 碳化硅用于高PV值機(jī)械密封
PV值是指密封流體壓力P與密封端面平均滑動速度V的乘積，表示機(jī)械密封使用的極限值，是衡量機(jī)械密封工作能力的指標(biāo)。高的流體壓力和高轉(zhuǎn)速使機(jī)械密封有高的PV值。
1) 高的流體壓力
在高壓下工作，必須在機(jī)械 密封的端面施加很大的載荷，端面壓應(yīng)力很高，這就要求密封材料必須具有很高的強(qiáng)度和剛度。碳化硅材料是一種強(qiáng)度和剛度很高的材料，其彈性模量很高，在高壓下不易產(chǎn)生變形。同時，碳化硅的抗壓強(qiáng)度很高，如EkasicD燒結(jié)碳化硅的抗彎強(qiáng)度為410MPa，而抗壓強(qiáng)度為2200MPa，是抗彎強(qiáng)度的5倍多，完全可以承受高的端面應(yīng)力，滿足使用要求。
另外，高的端面應(yīng)力會使端面摩擦熱量增加，從而使摩擦副溫度升高，使端面間的液膜被破壞而形成干摩擦，極易產(chǎn)生粘著磨損。試驗(yàn)研究表明，碳化硅與碳石墨配對在各種PV值下碳石墨的磨損量均非常低，而且隨著PV值的升高其值變化很小。這說明碳化硅的抗黏著磨損能力很強(qiáng)，作為高壓密封材料是非常有利的。
采用激光加工方法，可在碳化硅密封環(huán)端面加工出球形微孔，見圖2。試驗(yàn)研究表明，這種端面帶有微孔的碳化硅密封環(huán)與碳石墨配對使用，可明顯地提高機(jī)械密封的PV值，并且可大大降低密封的端面溫升幅度、摩擦力矩和摩擦系數(shù)。
圖2 端面帶有微孔的SiC密封環(huán)
2) 高轉(zhuǎn)速
在高速下工作的機(jī)械密封，因線速度高，摩擦副的發(fā)熱磨損和振動將是主要問題。因此，要求密封材料密度小、強(qiáng)度高，這樣旋轉(zhuǎn)環(huán)在高 速運(yùn)行時產(chǎn)生的離心力小，引起的振動與偏擺也小，從而保持密封端面的穩(wěn)定貼合。另外，材料還要具有良好的耐熱性能和導(dǎo)熱性能，以利降低機(jī)械密封摩擦溫度、減小摩擦磨損、避免熱裂紋和熱變形，使機(jī)械密封能維持正常的工作。由碳化硅材料的性能可知，碳化硅密封環(huán)完全可以滿足高速機(jī)械密封要求。
3.2 碳化硅用于高溫機(jī)械密封
高溫易引起摩擦副材料性能變化，使密封端面變形，硬度降低，造成機(jī)械密封壽命下降。因此，高溫密封副材料的熱變形、高溫強(qiáng)度以及耐磨性等問題是選取密封副材料的關(guān)鍵。碳化硅具有很高的高溫強(qiáng)度，在1400℃時的抗彎強(qiáng)度與常溫時的抗彎強(qiáng)度值相同，因此碳化硅可用于高溫工況下的機(jī)械密封。
3.3 碳化硅用于腐蝕性介質(zhì)工況的機(jī)械密封
用于腐蝕性介質(zhì)的機(jī)械密封，腐蝕磨損是引起摩擦副材料失效的最主要形式。這種腐蝕性作用極強(qiáng)，會直接或迅速地引起密封性能的變化。碳化硅具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，因此可以應(yīng)用于各種腐蝕性強(qiáng)的酸堿性介質(zhì)中。無壓燒結(jié)碳化硅和熱壓燒結(jié)碳化硅是單一相結(jié)構(gòu)，耐腐蝕性較強(qiáng)。熱壓燒結(jié)碳化硅即使在900℃仍具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，這是因?yàn)樵谘趸瘹夥罩斜韺由梢环N保護(hù)性的二氧化硅膜的緣故。
3.4 碳化硅用于含固體顆粒介質(zhì)工況的機(jī)械密封
工業(yè)生產(chǎn)中的許多密封流體含固體顆粒，易沉積在摩擦副端面。這些顆粒不僅引起密封端面嚴(yán)重的顆粒磨損，而且使密封面產(chǎn)生局部發(fā)熱而引起熱裂。碳化硅不僅硬度高、耐磨損和抗熱裂，而且其應(yīng)急運(yùn)轉(zhuǎn)特性也很優(yōu)越，因此采用碳化硅自身配對的硬質(zhì)密封副在含顆粒介質(zhì)中的應(yīng)用潛力很大。試驗(yàn)研究表明，在碳化硅自身配對使用時，運(yùn)用離子反應(yīng)刻蝕技術(shù)在其中1個密封面上加工圓柱形微孔，不僅可以降低密封面間的摩擦系數(shù)，而且可以明顯地提高密封面的承載能力。
4 結(jié)語
碳化硅具有密度低、耐腐蝕性能和熱力性能好與碳石墨配對以及自身配對時摩擦系數(shù)低、硬度極高等優(yōu)良性能，完全適合作為機(jī)械密封的密封環(huán)材料，因此被廣泛地應(yīng)用于高PV值、高溫、腐蝕性介質(zhì)和含固體顆粒介質(zhì)等工況下的機(jī)械密封。