碳化硅材料在机械密封中的应用

3 碳化硅在机械密封中的应用

由于碳化硅材料具有机械密封所要求的良好性能，因此可应用于高压、高转速、高温、腐蚀性介质以及含有固体颗粒介质等操作工况下。

3.1 碳化硅用于高PV值机械密封

PV值是指密封流体压力P与密封端面平均滑动速度V的乘积，表示机械密封使用的极限值，是衡量机械密封工作能力的指标。高的流体压力和高转速使机械密封有高的PV值。

1) 高的流体压力

在高压下工作，必须在机械 密封的端面施加很大的载荷，端面压应力很高，这就要求密封材料必须具有很高的强度和刚度。碳化硅材料是一种强度和刚度很高的材料，其弹性模量很高，在高压下不易产生变形。同时，碳化硅的抗压强度很高，如EkasicD烧结碳化硅的抗弯强度为410MPa，而抗压强度为2200MPa，是抗弯强度的5倍多，完全可以承受高的端面应力，满足使用要求。

另外，高的端面应力会使端面摩擦热量增加，从而使摩擦副温度升高，使端面间的液膜被破坏而形成干摩擦，极易产生粘着磨损。试验研究表明，碳化硅与碳石墨配对在各种PV值下碳石墨的磨损量均非常低，而且随着PV值的升高其值变化很小。这说明碳化硅的抗黏着磨损能力很强，作为高压密封材料是非常有利的。

采用激光加工方法，可在碳化硅密封环端面加工出球形微孔，见图2。试验研究表明，这种端面带有微孔的碳化硅密封环与碳石墨配对使用，可明显地提高机械密封的PV值，并且可大大降低密封的端面温升幅度、摩擦力矩和摩擦系数。

图2 端面带有微孔的SiC密封环

2) 高转速

在高速下工作的机械密封，因线速度高，摩擦副的发热磨损和振动将是主要问题。因此，要求密封材料密度小、强度高，这样旋转环在高 速运行时产生的离心力小，引起的振动与偏摆也小，从而保持密封端面的稳定贴合。另外，材料还要具有良好的耐热性能和导热性能，以利降低机械密封摩擦温度、减小摩擦磨损、避免热裂纹和热变形，使机械密封能维持正常的工作。由碳化硅材料的性能可知，碳化硅密封环完全可以满足高速机械密封要求。

3.2 碳化硅用于高温机械密封

高温易引起摩擦副材料性能变化，使密封端面变形，硬度降低，造成机械密封寿命下降。因此，高温密封副材料的热变形、高温强度以及耐磨性等问题是选取密封副材料的关键。碳化硅具有很高的高温强度，在1400℃时的抗弯强度与常温时的抗弯强度值相同，因此碳化硅可用于高温工况下的机械密封。

3.3 碳化硅用于腐蚀性介质工况的机械密封

用于腐蚀性介质的机械密封，腐蚀磨损是引起摩擦副材料失效的最主要形式。这种腐蚀性作用极强，会直接或迅速地引起密封性能的变化。碳化硅具有良好的化学稳定性，因此可以应用于各种腐蚀性强的酸碱性介质中。无压烧结碳化硅和热压烧结碳化硅是单一相结构，耐腐蚀性较强。热压烧结碳化硅即使在900℃仍具有很好的化学稳定性，这是因为在氧化气氛中表层生成一种保护性的二氧化硅膜的缘故。

3.4 碳化硅用于含固体颗粒介质工况的机械密封

工业生产中的许多密封流体含固体颗粒，易沉积在摩擦副端面。这些颗粒不仅引起密封端面严重的颗粒磨损，而且使密封面产生局部发热而引起热裂。碳化硅不仅硬度高、耐磨损和抗热裂，而且其应急运转特性也很优越，因此采用碳化硅自身配对的硬质密封副在含颗粒介质中的应用潜力很大。试验研究表明，在碳化硅自身配对使用时，运用离子反应刻蚀技术在其中1个密封面上加工圆柱形微孔，不仅可以降低密封面间的摩擦系数，而且可以明显地提高密封面的承载能力。

4 结语

碳化硅具有密度低、耐腐蚀性能和热力性能好与碳石墨配对以及自身配对时摩擦系数低、硬度极高等优良性能，完全适合作为机械密封的密封环材料，因此被广泛地应用于高PV值、高温、腐蚀性介质和含固体颗粒介质等工况下的机械密封。

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