機(jī)械密封用陶瓷的分類及性能簡(jiǎn)介

二、工程陶瓷

工程陶瓷具有的化學(xué)穩(wěn)定性，硬度高，耐磨損，是耐腐蝕機(jī)械密封理想的摩擦副材料。但工程陶瓷的缺點(diǎn)是抗沖擊韌性低，脆性大。機(jī)械密封用工程陶瓷有：氧化鋁陶瓷、氧化鋁基金屬陶瓷、鉻鋼玉、氮化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、碳化硅陶瓷、表面噴涂陶瓷等。

1.氧化鋁陶瓷   

Al₂O₃陶瓷的強(qiáng)度受其密度、微觀結(jié)構(gòu)的影響。及純度（99瓷，95瓷等）和燒結(jié)工藝等的不同，其性能的差異也較大。表6-10為Al₂O₃的性能參考數(shù)據(jù)，選用時(shí)，請(qǐng)參看各生產(chǎn)廠家的樣本。

表6-10   Al₂O₃的化學(xué)成分和物理力學(xué)性能

早在60年代，A1₂O₃就已用作摩擦副組對(duì)材料。由于它耐熱沖擊性能差，用于普通型機(jī)械密封已在逐年減少。但在耐腐蝕機(jī)械密封中仍應(yīng)用較多。其材料的耐腐性能見表6-11.

表6-11    A1₂O₃陶瓷耐腐蝕性能

注：試樣尺寸為φ20×2的圓片

2.氧化鋁金屬陶瓷

氧化鋁金屬陶瓷是在A1₂O₃中加了少量的金屬元素而構(gòu)成。金屬陶瓷成分中，A1₂O₃含量為88%～92%，余量為Fe、Cr、Ni等。其硬度在HRA84～88之間。陶瓷中加入金屬可改善其熱導(dǎo)率，降低脆性，但耐腐蝕性有所下降。目前，主要用于批量較大的家用水泵以及潛水泵的機(jī)械密封上。

3.鉻剛玉陶瓷  

鉻剛玉陶瓷（呈粉紅色）是在氧化鋁95瓷坯料中加入0.5%～2%的Cr₂O₃。，經(jīng)1700～1750℃高溫焙燒而成。其理化性能見表6-12。它的耐溫度急變性能好，用Φ48×Φ35×6瓷坯，在20～400℃范圍內(nèi)進(jìn)行25次冷熱循環(huán)后，用10倍顯微鏡觀察未發(fā)現(xiàn)裂痕。鉻剛玉陶瓷的硬度高、耐磨損、摩擦系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性能好，它與Si₃N₄的摩擦系數(shù)和耐腐蝕性能的比較分別為見表6-13和表6-14.鉻鋼玉陶瓷與填充玻璃纖維聚四氟乙烯組對(duì)，用于耐腐蝕機(jī)械密封時(shí)性能較好。

表6-12  鉻剛玉陶瓷的物理性性能

表6-13   鉻剛玉陶瓷與氮化硅摩擦系數(shù)比較

注：試驗(yàn)條件：152型φ35機(jī)械密封；介質(zhì)：清水；壓力：0.3MPa。

表6-14   鉻剛玉與氮化硅陶瓷耐腐蝕性能比較

注：試樣尺寸：Φ20×2。

4.氮化硅陶瓷

Si₃N₄陶瓷是70年代我國(guó)為發(fā)展耐腐蝕用機(jī)械密封而開發(fā)的材料。根據(jù)氮化硅制備工藝不同，可分為反應(yīng)燒結(jié)氮化硅、無壓燒結(jié)氮化硅等幾種制品。表6-15為各種氮化硅陶瓷的物理力學(xué)性能。

表6-15  各種氮化硅的物理力學(xué)性能

（1）反應(yīng)燒結(jié)氮化硅  

反應(yīng)燒結(jié)氮化硅Si₃N₄主要特點(diǎn)是：素坯可以機(jī)械加工，能制成形狀復(fù)雜的制品；經(jīng)過二次氮化后的尺寸變化小（±0.1%）；抗沖擊性優(yōu)良，耐腐蝕。由于它的坯體內(nèi)留有10%～15%的氣孔，其中大部分為封閉氣孔，因此它的強(qiáng)度和硬度是Si₃N₄制品中低的。較厚的制品不易燒結(jié)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“流硅現(xiàn)象"。它僅適合于PV值不高的場(chǎng)合。反應(yīng)燒結(jié)Si₃N₄的耐腐蝕性能如表6-16所示。  

表6-16  反應(yīng)燒結(jié)氮化硅耐腐蝕性能

（2）熱壓Si₃N₄ 

熱壓Si₃N₄是氮化硅中性能最佳的材料。它的硬度高（HRA91-92）；致密性好，接近理論密度3.2g/cm³；抗彎強(qiáng)度可達(dá)800～1000MPa；耐磨性和腐蝕性優(yōu)良。缺點(diǎn)是成本高和難以制成形狀復(fù)雜的密封環(huán)。

（3）無壓燒結(jié)Si₃N₄

無壓燒結(jié)Si₃N₄是以人工合成的氮化硅為原料，加入鎂鋁尖晶石（MgO Al₂O₃）和稀土氧化物（CeO）等添加劑，在常壓下高溫?zé)Y(jié)制成。它的性能接近熱壓Si₃N₄，抗彎強(qiáng)度可達(dá)660～800MPa,硬度HRA90～92。缺點(diǎn)是成本高，素坯燒結(jié)時(shí)收縮率偏大，收縮率為15%～20%，容易引起燒結(jié)變形。

（4）重?zé)Y(jié)Si₃N₄   

重?zé)Y(jié)Si₃N₄是在硅粉中添加Al₂O₃等添加劑制成素坯后，先進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)，然后在特殊的填料內(nèi)進(jìn)行高溫重?zé)Y(jié)。它的工藝特點(diǎn)與反應(yīng)燒結(jié)基本相似，素坯也可以采用機(jī)械加工、注塑成型等多種成型工藝，能制成復(fù)雜形狀的產(chǎn)品；高溫重?zé)Y(jié)時(shí)收縮率＜6.5%,制成燒結(jié)變形小。它的性能也接近熱壓Si₃N₄，顯氣孔率＜0.2%，抗彎強(qiáng)度可達(dá)600～750MPa。但制造工藝較復(fù)雜，成本較反應(yīng)燒結(jié)Si₃N₄高。

在耐腐蝕性機(jī)械密封中，Si₃N₄與碳石墨組對(duì)性能良好，但與填充玻璃纖維聚四氟乙烯組對(duì)時(shí)，Si₃N₄的磨耗大。

5.碳化硼陶瓷    

B₄C陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性好，硬度僅次于金剛石，耐磨性能極為優(yōu)良，主要用于高濃度磨蝕性介質(zhì)作摩擦副的組對(duì)材料，特別適用于泥沙介質(zhì)。碳化硼制品需采用熱壓成型工藝，加工較困難，成本高，抗熱震性也不太理想，其物理力學(xué)性能見表6-17。

表6-17   B₄C陶瓷物理力學(xué)性能

6.碳化硅陶瓷   

SiC陶瓷是繼上述各種陶瓷之后開發(fā)的新材料。80年代國(guó)外各大機(jī)械密封公司紛紛用它作為高PV值的新一代摩擦副材料。它重量輕、比強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)小、抗輻射性能好，具有一定的自潤(rùn)滑性、組對(duì)性能好、化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性以及熱傳導(dǎo)性能都很優(yōu)異。碳化硅是一種脆性材料，抗機(jī)械沖擊性較差。

由于制造工藝不同，SiC制品的性能也有差異。根據(jù)不同工藝制造的密封環(huán)分類見表6-18、各類密封環(huán)的主要性能見表6-19、各類密封環(huán)的主成成分見表6-20。

表6-18

表6-19

表6-20

（1）反應(yīng)燒結(jié)SiC  

它是SiC+Si組成的致密燒結(jié)體。反應(yīng)燒結(jié)SiC是由α-SiC粉、石墨粉并添加助劑、及有機(jī)粘結(jié)劑后壓制成型，然后將素坯放在真空爐中加熱1600～1800℃，使熔融硅與坯體中的碳起反應(yīng)生成β-SiC。反應(yīng)燒結(jié)SiC 中除ɑ-SiC和β-SiC外，還有10%～20%的游離硅，因而不耐強(qiáng)堿和氧化性介質(zhì)的腐蝕。當(dāng)反應(yīng)燒結(jié)SiC用于含少量銻化合物介質(zhì)中時(shí)，可觀察到游離硅金屬的嚴(yán)重化學(xué)反應(yīng)和腐蝕，出現(xiàn)的沉淀物將破壞密封端面間的液膜。此外，用于含有金屬鋅、鉍、鋇的介質(zhì)中也容易出現(xiàn)化合物粘著膜。

反應(yīng)燒結(jié)SiC的優(yōu)點(diǎn)是制品的收縮率小，耐熱沖擊性好，因而適用于批量生產(chǎn)，成本低。用在砂泵、液漿泵上效果較好。

（2）無壓燒結(jié)SiC  

它是采用超細(xì)SiC粉（粒度約在0.1～0.2µm）加適當(dāng)?shù)奶砑觿?、粘結(jié)劑壓制成型，然后在2000～2300℃的溫度下燒結(jié)而成。

（3）熱壓燒結(jié)SiC  

它由粒度≤1µm的SiC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。它是SiC中化學(xué)穩(wěn)定性好的一種。這是因?yàn)樵谘趸瘹夥障?，表層生成一種保護(hù)性的SiO₂膜的緣故。這種SiC用作耐腐蝕密封摩擦副環(huán)性能最好。

（4）化學(xué)氣相沉積及化學(xué)氣相反應(yīng)碳化硅  

化學(xué)氣相沉積碳化硅是將石墨基體置于一個(gè)1000～1400℃的高溫爐內(nèi)，爐內(nèi)保持真空，通入含有硅和碳元素的氣體如三氯甲基硅烷（CH₃SiCl₃）等，氣體熱分解后在石墨基體表面上發(fā)生反應(yīng)并沉積出碳化硅（SiC）。覆層的厚度取決于三氯甲基硅烷蒸氣熱解量及停留時(shí)間，一般為0.5mm.

化學(xué)氣相反應(yīng)碳化硅，又名硅化石墨。它是在2000℃左右的高溫反應(yīng)爐內(nèi)充滿Si、Si₃N₄或SiO的氣體，Si直接與石墨基體上的碳元素起反應(yīng)生成SiC。

化學(xué)氣相沉積碳化硅及化學(xué)氣相反應(yīng)碳化硅均屬表面層為SiC、基體為石墨的復(fù)合材料。它們作為碳化硅材料的一種制作方法，也在機(jī)械密封摩擦副材料中被選用，其表面性能與整體碳化硅相似。

代學(xué)氣相沉積碳化硅由于SiC在石墨基體上的附著力是依靠材料之間物理性質(zhì)不同而形成的機(jī)械結(jié)合而不是化學(xué)結(jié)合。因此，結(jié)合力較差，使用時(shí)容易引起SiC復(fù)層組織的分層、微裂，所以作為密封環(huán)不十分理想?；瘜W(xué)氣相反應(yīng)碳化硅結(jié)合是牢固的，其生成的SiC表層與基體之間沒有明顯的界面。但于由生成的SiC層的厚度正比于石墨的可滲透性，而石墨孔隙是不均勻的，故SiC層厚度也不均勻，其平均厚度一般為0.2～1.0mm。氣相反應(yīng)碳化硅與無壓燒結(jié)碳化硅組對(duì)，可以用于高速場(chǎng)合，即使在半干摩擦工況條件下也不易產(chǎn)生卡滯與擦傷。

7.噴涂陶瓷   

等離子噴涂技術(shù)及其耐磨耐腐蝕陶瓷涂層是國(guó)外70年代用于機(jī)械密封的新技術(shù)和新材料，除作密封端面涂層外，還可在軸套上噴涂此類涂層。噴涂氧化鉻的物理力學(xué)性能見表6-21。

表6-21涂層氧化鉻面層技術(shù)指標(biāo)

Cr₂O₃陶瓷涂層具有硬度高，耐磨、耐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但涂層內(nèi)部有4%～10%的氣孔，其中少量是未開口氣孔。涂層厚度約為0.4～0.6mm,經(jīng)加工后涂層的開口氣孔增多，為防止介質(zhì)滲透而引起不銹鋼等金屬基體界面腐蝕，還需進(jìn)行樹脂封孔處理?，F(xiàn)在國(guó)外已采用先進(jìn)的激光重熔技術(shù)進(jìn)行封孔。表6-22是等離子噴涂Cr₂O₃密封環(huán)與氧化鋁密封環(huán)性能的比較。

表6-22   涂層Cr₂O₃與Ai₂O₃性能比較

噴涂陶瓷密封環(huán)的組對(duì)材料多為碳石墨，碳石墨的硬度以低于70HS為宜。這組配對(duì)材料使用的PV值較低，使用溫度應(yīng)在200℃以下，廣泛用于醋酸與碳酸等有機(jī)介質(zhì)。據(jù)日本進(jìn)口的機(jī)械密封統(tǒng)計(jì)資料表明，氧化鉻噴涂層與碳石墨組對(duì)，在摩擦副組對(duì)中約占1/3.近幾年來，國(guó)內(nèi)采用這組摩擦副材料也在逐年增多。