干式机械密封面用碳/石墨

机械密封有一个重要的用途——在旋转轴穿过壳体的容器内密封流体。机械密封的工程设计是很复杂的。由于机械密封必须能够承受广泛的应用条件，因此在设计时必须非常注意细节。某些机械密封面的边界条件之一是密封面之间的接触界面缺乏润滑。一些应用条件有有限的或间歇性的润滑，而另一些可能没有润滑。

在这些情况下，密封面材料的选择是至关重要的。几十年来，碳/石墨材料等级已经发展到可以承受一些最恶劣的干燥运行条件，包括高速和高温。本文深入研究了这些碳/石墨等级开发背后的一些科学，以及在选择干式运行应用的密封面材料时必须考虑的因素。

碳/石墨自润滑原理

为了了解碳/石墨材料是如何被开发来承受更恶劣的条件，重要的是要了解碳/石墨如何自润滑的基本知识。碳/石墨的自润滑是由其分子结构决定的。普通碳石墨由强无定形碳结合在一起的石墨颗粒组成。虽然非晶态碳提供了材料的大部分强度，但石墨颗粒允许材料自润滑。

石墨颗粒具有层状结构，由强石墨烯层相互堆叠而成，层间由弱范德华力结合。当摩擦发生时，这些层会互相滑动。这种滑动作用是碳/石墨自润滑能力的基础。

在宏观尺度上，这一作用导致抛光膜沉积在碳/石墨运行的配合表面上。因此，碳/石墨能够有效地填充对端面的表面粗糙度，并与相对于对端面本身的石墨膜运行。在干燥的运行条件下，这是至关重要的，因为没有流体润滑来减轻摩擦的有害影响。

选择台面时必须考虑的两个重要因素是表面光洁度和硬度。碳/石墨沉积的抛光膜只能有这么厚。如果这个厚度小于计数器表面的粗糙度，抛光膜将无法持续，碳/石墨将迅速磨损。通常建议台面粗糙度为16 μ·英寸(0.4微米[μm])或更小。有一个足够强硬的反击面也很重要。如果硬度过低，台面可能会划伤，抛光膜可能无法持续，并形成泄漏路径。

石墨化如何有利于干式机械密封面

石墨颗粒是碳/石墨自润滑能力的关键。因此，通过增加密封面中的石墨含量，可以增强其干运转能力。碳/石墨制造商可以使用一种称为石墨化的工艺来做到这一点。在这个过程中，碳石墨在受控的气氛中加热到温度超过4000华氏度，持续一段时间。在此期间，非晶态碳重新组织成石墨烯层状石墨基体。这种材料现在被称为电石墨，或简称石墨。

与碳石墨相比，使用石墨做干式密封面有许多好处。除了在干燥运行条件下改善自润滑外，石墨还改善了热性能。石墨化后，在氧化条件下的耐温度可以增加200华氏度(110摄氏度)以上，这在高温应用中是至关重要的。最重要的是，石墨的热导率是碳石墨的五倍以上。在高速应用中，这有助于从通常产生摩擦热的密封界面散热。再加上石墨的低摩擦系数，它的高导热性大大减少了密封界面的过热，而过热最终会恶化密封面，焦化碳氢化合物，并引入泄漏路径。

当谈到使用石墨而不是碳石墨时，有一定的限制。当无定形碳转化为石墨时，材料变得更软，并失去一些强度。在高负荷应用中，密封表面的硬度和强度是关键性能，这可能会出现问题。在某些高速应用中，密封面的挠度必须最小化，因此碳石墨的刚度往往优于石墨。无论如何，在确定特定应用的适当材料等级时，最好咨询碳/石墨制造商。

干式机械密封面浸渍

普通石墨和普通碳石墨是多孔的，这是初始烘烤过程的结果。在此过程中，成型的“绿色”碳/石墨组件(即，由沥青粘合剂粘合在一起的石墨粉末)在可控气氛烘箱中烘烤。这导致沥青转化为无定形碳，形成普通碳石墨。非碳元素在烘烤时从材料内部释放出来，这导致了一个相互连接的孔隙网络。

碳/石墨制造商利用了这种多孔性，用各种浸渍材料填充它，包括金属、树脂甚至碳。所使用的浸渍类型对材料的最终物理性能有相当大的影响。因此，仔细选择浸渍类型以确保在特定应用中的最佳性能是很重要的。

盐是一种常用的浸渍材料。盐可以使抛光膜更坚固，并能够处理甚至粗糙的表面，没有流体润滑的存在。通常使用各种类型的盐来达到这种效果，因为这些盐比任何其他类型的浸渍都能增加薄膜的坚固性。

盐浸渍还有其他好处。除了强化石墨的抛光膜，盐还可以帮助限制高温下的氧化。它们通过与材料中的活性位点结合来实现这一点，否则这些活性位点会在高温下与氧气反应，并以二氧化碳的形式从材料中被赶走。通过阻断这些活性位点并限制氧化，盐浸渍可以将密封表面的耐温提高100华氏度(55摄氏度)以上。

某些盐浸渍石墨等级有一定程度的孔隙，而其他完全不透水。有好处也有缺点
每一种类型都必须在选择年级时考虑到。作为一般的经验法则，当保持空气动力学膜是一个问题或零泄漏是允许的时候，不透水盐浸渍是使用的。

极端干燥情况下的自润滑

石墨化和盐浸渍使碳/石墨制造商能够生产出能够承受极其恶劣的干燥运行条件的材料等级。然而，即使取得了这些进步，仍有一些机械密封环境过于干燥，即使是这些高度工程化的等级也不能适当地自润滑。这是因为碳/石墨需要环境中少量的水分才能发生自润滑。

在绝对不存在水分的情况下，工程师们经常转向二硫化钼基材料。二硫化钼的自润滑性与石墨相当，但可以在真空干燥条件下自润滑性。

可以指示是否需要使用钼等级的基本经验法则是密封环境的露点——如果露点小于-30华氏度(-35摄氏度)，那么大气可能非常干燥，因此二硫化钼等级是唯一可行的密封面材料选择。这可能发生在深空探测中使用的密封件、干式混合器密封件、真空密封件、氮气清洗干气密封件等。

碳/石墨制造商正把很大的精力放在开发先进的加工技术上，以提高材料的干运转能力。随着越来越多极端机械密封应用的发展，这些应用中使用的材料必须以同样的速度发展。

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