碳化硅陶瓷基礎(chǔ)知識(shí)

      碳化硅陶瓷是近年發(fā)展的新材料。它具有很低的摩擦因數(shù)，很高的硬度，良好的耐磨性。它具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性和抗熱振性。 碳化硅有反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、常壓燒結(jié)碳化硅和熱壓碳化硅。 表1列出國產(chǎn)碳化硅的性能。 性能 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅 熱壓氮化硅 密度/gNaN-3 孔隙率/% 抗彎強(qiáng)度/MPa 抗壓強(qiáng)度/MPa 抗拉強(qiáng)度/MPa 抗沖擊強(qiáng)度/MPa 彈性模量/MPa 摩擦因數(shù) 硬度(HRA) 熱膨脹系數(shù)/℃-1 熱導(dǎo)率/W·(m·K)-1 電阻率(200℃)/Ω·cm (700℃)/Ω·cm 2.5～2.6 13～16 196.13 1176.8 117.68～137.29 0.15～0.2 (1.670～2.16)×105 0.1 80～85 2.5×10-6 5.02 1018 108 3.13 <1 688.47～784.52 1569.1 - 0.39 - - 91～92 (2.7～2.8)×10-6 - - - 　　硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金主要是碳化鎢WC，分別有鈷基碳化鎢WC-Co、鎳基碳化鎢WC-Ni和鈷-鎳基碳化鎢WC-Co-Ni。碳化鎢的特點(diǎn)：硬度高，耐磨性好；機(jī)械強(qiáng)度高，抗彎性好；導(dǎo)熱率較高而膨脹系數(shù)較小，密封面摩擦熱容易導(dǎo)出；無鈷硬質(zhì)合金耐腐蝕性較好。 材料 密度/gNaN-3 抗彎強(qiáng)度/MPa 彈性模量/MPa 熱膨脹系數(shù)/℃-1 硬度(HRA) 熱導(dǎo)率/W·(m·K)-1 熱壓SiC 3.1～3.2 441.3～539.37 3.92×105 4.5×10-6 93～94 83.74 常壓燒結(jié)SiC 3.0～3.10 372.65～451.11 4.07×105 4.3×10-6 91～92 92.11 反應(yīng)燒結(jié)SiC 3.05 343.23～362.85 3.33×105 4.3×10-6 91～92 125.6 表2列出國產(chǎn)碳化鎢的性能。 機(jī)械輔助密封材料 機(jī)械密封的輔助密封是保證密封可靠和延長使用壽命的重要零件。輔助密封包括動(dòng)、靜環(huán)的輔助密封圈。其作用是保證密封的軸與動(dòng)環(huán)之間的靜環(huán)座（壓蓋）與靜環(huán)之間密封，補(bǔ)償密封面的偏斜和振動(dòng)；保證使動(dòng)、靜環(huán)端面緊密結(jié)合具有浮動(dòng)性。 牌號(hào) 化學(xué)成分/% 物理-力學(xué)性能 備注 WC Co 密度 硬度(HRC) 抗彎強(qiáng)度/MPa 膨脹系數(shù)/℃-1(0～300℃) YG3 97 3 14.9～15.3 91 10.29 耐腐蝕性好，可在高速下使用 YG6 94 6 14.6～15 89.5 10.20 4.5×10-6 耐摩性較高，有一定的沖擊韌性，常用作動(dòng)、靜環(huán)材料 YG8 92 8 14.4～14.8 89 14.71 4.5×10-6 耐摩性較YG6差，有時(shí)也用作動(dòng)、靜環(huán)材料 YG15 85 15 13.9～14.1 87 18.63 5.3×10-6 強(qiáng)度高，沖擊韌性好，常用作動(dòng)、靜環(huán)材料 表3.國產(chǎn)碳化鎢硬質(zhì)合金的物理-力學(xué)性 機(jī)械密封對輔助密封圈材料的要求： 1）材料彈性好，特別是要求良好的復(fù)原性，永久變形要小； 2）不受流體介質(zhì)的侵蝕，而且在介質(zhì)中的膨脹和收縮都不大； 3）摩擦因數(shù)小和耐磨性好； 4）使用溫度范圍要廣，在高、低溫下不粘著、不變硬、脆和失彈； 5）要有適當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，如扯斷強(qiáng)度及其延伸率、耐壓等，在壓力作用下無顯著變形，有優(yōu)良的抗撕裂性、耐磨性和耐壓性等； 6）便于加工并可得到高的精度； 7）抗介質(zhì)腐蝕、溶解、溶脹、老化等性能好，對介質(zhì)不應(yīng)有污染等。 　　 作為輔助密封圈的材料有橡膠、塑料、石棉、膨脹石墨、石墨和金屬脹圈等。橡膠圈是使用最廣的一種輔助密封圈。常用的橡膠密封圈材料有丁腈橡膠、氟橡膠、硅橡膠、氯丁橡膠、丁苯橡膠等。 　　丁腈橡膠是常用的一種耐油橡膠。它是丁二烯和丙烯腈的共聚物。根據(jù)丙烯腈含量多少分成若干種：低丙烯腈（丁腈-18）、中丙烯腈（丁腈-26）和高丙烯腈（丁腈-40）、丙烯腈含量越高，它的耐油性越好，抗張強(qiáng)度、硬度和耐磨性、耐水性增加，透氣性減小。隨之而來，它在極性溶劑中是溶解度卻增大，耐腐蝕性也受到影響，彈性和耐寒性也變差。丁腈橡膠不耐撓曲，抗撕裂也較差。 　　氟橡膠具有耐高溫、耐油、耐化學(xué)腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。氟橡膠中應(yīng)用最廣的是含氟烯烴共聚物，主要是26型和23型。26型中有氟橡膠-26系偏氟橡乙烯與六氟丙烯的乳液共聚物和氟橡膠-246系偏氟乙烯、六氟丙烯與四氟丙烯的三元共聚物。23型氟橡膠由偏氟乙烯與三氟氯乙烯在室溫及3.24MPa壓力下用懸浮聚合法制得的一種無定形橡膠狀共聚物。它不能用于液氨、氨水中。 　　硅橡膠是由二甲基硅氧烷與其他有機(jī)硅單體在酸或堿性催化劑存在下聚合成的一種極性高分子聚合物。硅橡膠有很高的熱穩(wěn)定性，但它有極性，容易在酸堿作用下發(fā)生離子型裂解，因此耐腐蝕性差，不適宜用于石油系溶劑（如苯、甲苯等）、丙酮、酮醚等有機(jī)溶劑。 　　聚四氟乙烯具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐油、耐溶劑、抗老化、耐溫性能，并有相當(dāng)?shù)偷哪Σ烈驍?shù)和一定的強(qiáng)度、彈性、柔性和不粘著性，因此廣泛用作各種溫度、壓力、腐蝕性介質(zhì)條件下的密封圈。 　　綜上所述，輔助密封材料，在一般介質(zhì)中可使用橡膠材料制成的O形圈、墊圈和波紋管等；在腐蝕性介質(zhì)中可使用聚四氟乙烯制成的V形圈、楔形環(huán)、墊圈和波紋管等；在高、低溫條件下可使用金屬波紋管。選用時(shí)應(yīng)考慮材料的使用溫度和耐腐蝕性。幾種材料的使用溫度、適用介質(zhì)見表4。 材料名稱 使用溫度/℃ 使用介質(zhì)或特性 橡膠 丁晴橡膠 -30～100 油、水、醇等 氯丁橡膠 -40～100 無機(jī)酸、堿溶液、水、醇等 乙丙橡膠 -50～100 堿、溶劑和各種化學(xué)、放射性介質(zhì) 氟橡膠 -20～100 酸、油類、溶劑等 硅橡膠 -60～230 醇、堿、低溶脹性礦物質(zhì) 聚四氟乙烯 -100～250 各種腐蝕性介質(zhì) 金屬 沉淀硬化不銹鋼AM350 -40～450 熱處理后強(qiáng)度高，耐腐蝕性與1Cr18Ni9Ti相似 高鎳合金Inconel-750 -250～750 高、低溫強(qiáng)度好，耐腐蝕性好，但焊接困難，成本高 鎳鉬合金HastelloyC 約1000 耐腐蝕性最好，不用熱處理，強(qiáng)度高，但成本高 表4.機(jī)械密封輔助密封材料列表 　　機(jī)械密封主要零件材料選擇： 　　機(jī)械密封各主要零件的材料應(yīng)根據(jù)使用工況進(jìn)行選擇，見表5。 工況 摩擦副 輔助密封 介質(zhì) 濃度 溫度/℃ 旋轉(zhuǎn)環(huán) 靜止環(huán) 清水 室溫 石墨 陶瓷、高鎳鑄鐵、堆焊鈷鉻鎢 丁晴橡膠 河水 （含泥沙） 碳化鎢、碳化硅 碳化鎢、碳化硅 丁晴橡膠 海水 石墨 陶瓷，碳化鎢 丁晴橡膠 汽油 -20～80 石墨 高鎳鑄鐵，碳化鎢，陶瓷 氟橡膠 80～135 PTFE 煤油 -20～80 石墨 高鎳鑄鐵，碳化鎢，陶瓷 丁晴橡膠 80～200 氟橡膠，PTFE 柴油 -20～80 石墨 高鎳鑄鐵，碳化鎢，陶瓷 丁晴橡膠 80～200 氟橡膠，PTFE 機(jī)油 -20～30 石墨 高鎳鑄鐵，碳化鎢，堆焊鈷鉻鎢，青銅、陶瓷 丁晴橡膠 原油 -20～135 石墨 碳化鎢，陶瓷 氟橡膠 135～200 PTFE （含雜質(zhì)） -20～135 碳化鎢 碳化鎢 氟橡膠 135～200 PTFE 輕質(zhì)碳?xì)浠衔? -20～80 石墨 碳化鎢 氟橡膠、PTFE 硫酸 <10% -20～80 石墨 陶瓷 氟橡膠 >10% -20～135 填充PTFE PTFE 硝酸 <5% -20～80 石墨 陶瓷、高硅鑄鐵 氟橡膠 >5% 填充PTFE 陶瓷 PTFE 醋酸 <30% -20～135 填充PTFE 陶瓷 乙丙橡膠、PTFE >30% 石墨 PTFE 堿 -20～80 石墨、填充PTFE 高鎳鑄鐵、陶瓷、碳化鎢 乙丙橡膠 80～200 PTFE 食品 -20～80 石墨 陶瓷 丁晴橡膠 植物油 -20～80 石墨 高鎳鑄鐵、陶瓷 乙丙橡膠、PTFE 有機(jī)物 -20～80 石墨 碳化鎢、鑄鐵、堆焊鈷鉻鎢 乙丙橡膠、PTFE