苏州昱创机械密封用碳石墨的类别及性能简介

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更新时间：2025-02-05

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机械密封用碳石墨的类别及性能简介

三、碳石墨

碳石墨是使用量最大、适用范围广的摩擦副材料。这是因为它具有下列特性：

具有良好的自润滑性和低的摩擦系数、耐腐蚀性能良好、具有良好的耐温性能、导热性好且具有低的线胀系数、组对性能好、易于加工。

机械密封用碳石墨材料大致分为如下几类：

1.碳石墨

从某种意义上讲，碳石墨可分为硬质碳石墨和软质电化石墨。它们由石油炭黑、油烟炭黑与焦油、沥青等混合，经粉碎压制成素坯，置于高温中焙烧而成。两者除材料的组分不一样外，主要区别是后者需经2400～2800℃的高温石墨化处理。

石墨在焙烧时，由于粘结剂物质产生挥发以及粘结剂的聚合、分解和碳化，从而出现空隙（有10%～30%的气孔）。用作密封环会出现渗透性泄漏，而且强度低，因此要进行浸渍处理以补隙增强，经过浸渍处理后成为不透气性产品，强度也得以提高。但耐温和耐腐蚀性能都有不同程度的下降。所用浸渍物有三大类：有机树脂、无机物和金属。表6-23为碳石墨密封环材料分类表、表6-24为碳石墨密封环的物理力学性能表、表6-25为碳石墨密封环的热性能参数表、表6-26为碳石墨密封环材料的抗化学腐蚀性能表、表6-27为碳石墨密封环的摩擦系数和推荐配对材料表。

表6-23 碳石墨密封环材料分类

分类名称、代号	系列名称、代号	浸渍物或粘结剂	浸渍物代号
机械用碳类 M	碳一石墨 M1	环氧树脂	H
		呋喃树脂	K
		酚醛树脂	F
		巴氏合金	B
		铝合金	A
		铜合金	P
		锑	D
		银	G
		玻璃	R
	电化石墨 M2	环氧树脂	H
		呋喃树脂	K
		酚醛树脂	F
		巴氏合金	B
		铝合金	A
		铜合金	P
		锑	D
		银	G
分类名称、代号	系列名称、代号	浸渍物或粘结剂	浸渍物代号
机械用碳类 M	电化石墨 M2	玻璃	R
	树脂碳石墨 M3	树脂粘结剂	—
特种石墨类	硅化石墨 T10	硅	—

表6-24 各类碳石墨密封环材料的物理力学性能

系列代号	浸渍物	肖氏硬度 HS	抗折强度 MPa	抗压强度 MPa	体积密度 g/cm³	开口气孔串%
M1	基体材料	≥40	≥25	≥50	≥1.40	≤20
	环氧树脂	≥65	≥49	≥176	≥1.60	≤2.0
	呋喃树脂	≥70	≥50	≥180	≥1.60	≤3.0
	酚醛树脂	≥60	≥48	≥176	≥1.80	≤2.5
	巴氏合金	≥75	≥70	≥218	≥2.50	≤3.5
	铝合金	≥75	≥70	≥220	≥2.00	≤2.0
	铜合金	≥70	≥70	≥230	≥2.50	≤3.0
	锑	≥70	≥65	≥220	≥2.20	≤3.0
	银	≥70	≥70	≥200	≥2.90	≤2.5
	玻璃	≥90	≥50	≥170	≥1.80	≤2.0
M2	基体材料	≥30	≥20	≥30	≥1.50	≤2.0
	环氧树脂	≥40	≥35	≥75	≥1.80	≤20
	呋喃树脂	≥40	≥40	≥80	≥1.78	≤3.0
	酚醛树脂	≥40	≥40	≥75	≥1.80	≤2.5
	巴氏合金	≥40	≥45	≥80	≥2.40	≤3.5
	铝合金	≥40	≥60	≥130	≥2.00	≤2.0
	铜合金	≥40	≥50	≥100	≥2.60	≤4.0
	锑	≥40	≥50	≥110	≥2.30	≤3.0
	银	≥68	≥68	≥195	≥2.90	≤2.5
	玻璃	≥60	≥45	≥100	≥1.80	≤2.0
M3	无	≥55	≥54	≥147	≥1.72	≤1.5
T10	硅	≥100（洛氏）	≥45	≥150	≥1.79	≤2.0

表6-25 碳石墨密封环材料的热性能参数表

系列代号	浸渍物	体膨胀系数 1×10^-6℃^-1	热导率 W/（m·K）	抗压弹性模量 1×10^-4MP_a
M1	无	4.0	5.0	1.0
	环氧树脂	4.8	4.6	1.2
	呋喃树脂	6.5	4.2	1.2
	酚醛树脂	7.0	4.6	1.2
	巴氏合金	5.5	10.5	1.4
	铝合金	8.0	21.8	1.4
	铜合金	6.5	25.0	1.7
	锑	5.5	21.0	2.0
	银	7.8	30～40^a	2.0
	玻璃	4.67	8.6^b	—
M2	无	3.0	108.9	0.7
	环氧树脂	4.5	88.0	1.0
	呋喃树脂	6.0	83.7	1.0
	酚醛树脂	6.5	96.3	1.0
	巴氏合金	5.0	104.7	1.1
	铝合金	7.0	104.7	1.1
	铜合金	7.0	110.0	1.0
	锑	5.0	105.0	1.6
	银	7.8	30～40^a	2.1
	玻璃	4.67	8.6^b	—
M3	无	20.0	6.7	1.2
T10	硅	3.8～5.2	70	2.7～3.0
^a试验温度为300℃ ^b试验温度为700℃

表6-26 碳石墨密封环材料的抗化学腐蚀性能表

介质	浓度%	碳石墨和电化石墨	浸渍树脂			浸渍金属、非金属						树脂碳石墨	硅化石墨
介质	浓度%	碳石墨和电化石墨	酚醛	环氧	呋喃	巴氏合金	铝合金	铜合金	锑	银	玻璃	树脂碳石墨	硅化石墨
盐酸	36	+	0	0	+	—	—	—	—	—	+	0	+
硫酸	50	+	0	—	+	—	—	—	—	—	+	0	+
硫酸	98	0	0	—	0	—	—	—	—	—	0	0	+
硝酸	50	0	0	—	0	—	—	—	—	—	0	0	+
硝酸	65	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	+
氢氟酸	40	+	0	—	+	—	—	—	—	—	—	0	+
磷酸	85	+	+	+	+	—	—	—	—	—	+	+	+
铬酸	10	+	0	0	0	—	—	—	—	—	+	0	+
醋酸	36	+	+	0	+	—	—	—	—	0	+	+	+
*	50	+	—	+	+	—	—	—	—	—	0	—	0
氢氧化钾	50	+	—	+	+	—	—	—	—	—	0	—	0
海水	/	+	0	+	+	+	—	+	+	+	+	0	+
苯	100	+	+	0	+	+	+	—	+	+	+	+	+
氨水	10	+	0	+	+	+	+	—	+	+	+	0	+
丙酮	100	+	0	0	+	0	+	+	+	+	+	0	+
尿素	/	+	+	+	+	0	+	—	+	+	+	+	+
四氟化碳	/	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
润滑油	/	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
汽油	/	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
注：+为稳定；—为不稳定；0为尚稳定

表27 碳石墨密封环的摩擦系数和推荐配对材料表

系列代号	浸渍物		磨擦系数	推荐的配对材料	最高使用温度℃
M1	树脂		≤0.15	硬质合金、镀铬钢、陶瓷、氮化硅、碳化硅、高硅铸铁、马氏体不锈钢（如9Cr18，9Cr18MoV），司太利特合金	200
	低熔点金属	巴氏合金	≤0.15		200
	低熔点金属	铝合金			300
	高熔点金属	锑			500
		铜合金			400
		银			900
	非金属	玻璃	≤0.11		610
M2	树脂		≤0.25	陶瓷、硬质合金、青铜、不锈钢、镀铬钢、氮化硅、碳化硅、高硅铸铁、司太利特合金	200
	低熔点金属	巴氏合金	≤0.25		200
	低熔点金属	铝合金	≤0.25		300
	高熔点金属	锑	≤0.25		500
		铜合金	≤0.25		400
		银	≤0.15		900
	非金属	玻璃	≤0.13		610
M3	无		≤0.15	不锈钢、黄铜、陶瓷、氮化硅、硬质合金	200
T10	硅		≤0.10	石墨、硬质合金、硅化石墨、铸铁、陶瓷	500
注：磨擦系数系碳石墨配对9Cr18，在MM—200型摩擦磨损试验机上进行干摩擦的测定值。

2.树脂热压石墨

它是将烧结后的石墨粉碎，以酚醛树脂或环氧树脂等作粘结剂，混合后经热压的制品。它是不透气性石墨，但导热性较差、线膨胀系数大，适用于批量生产，成本低廉。主要用于汽车冷却水泵、家用电器等低负荷的密封。

3.热解石墨

国产热解石墨是用丙烯等碳氢化合物在高温下经热解，使碳蒸汽渗透到碳石墨坯体的气孔中，起堵孔作用，形成高密、少孔、低透气性的纯碳石墨材料。其气孔率＜1%，抗压强度为290MPa，硬度70～75HS，线胀系数0.36×10^-8/℃。热解石墨没有机物和金属，适用于高温、强腐蚀工况。不适于批量生产，成本较高。

四、聚四氟乙烯

聚四氟乙烯PTFE是用氟石、等为原料，经加热、裂解、聚合而制成的有机聚合物；由于它有许多优异的特性，已成为机械密封的重要材料。

聚四氟乙烯具有较好的耐腐蚀性。它的化学稳定性是已知塑料中好的，故以“塑料王"而著称。它几乎能耐所有强酸、强碱、强氧化剂，即使在高温下也不发生作用。在王水中煮沸后重量及性能均无变化，并能耐各种有机溶剂。目前仅发现熔融碱金属（或它的氨溶液）、元素氟在高温下能与聚四氟乙烯作用。它的优异的化学稳定性为它适用于更多的流体介质提供了有利条件。

由于聚四氟乙烯材料极长的刚性分子链，氟原子有效的遮蔽了碳原子，使分子间的内聚力降低。因而使表面分子彼此易于滚动或滑动。所以聚四氟乙烯在与其它材料对磨时，它的分子首先向对磨材料转移，在对磨材料表面上形成了一层约0.02～0.03微米厚的薄膜，故它是一种良好的减磨、自润滑材料。聚四氟乙烯分子间低的吸引力还决定了它具有低的摩擦系数，其动静摩擦系数均为0.04，相当于冰块与冰块之间的摩擦。聚四氟乙烯与镜面金属摩擦时，摩擦系数为0.09～0.12，但聚四氟乙烯在高速度、高负荷下，磨损很大。所以，在选用聚四氟乙烯材料时，应把许用PV值作为重要的设计参数。

聚四氟乙烯有很高的耐热性和耐寒性，使用温度为-180～250℃.在高温使用时抗拉强度低，柔性和伸长率增加，而低温时则相反。聚四氟乙烯的耐水性、耐候性、抗老化性、不燃性、韧性以及加工性能都很好，聚四氟乙烯的物理机械性能见表6-28.

聚四氟乙烯存在的最大问题就是具有冷流性，在负荷下要发生蠕变。此外聚四氟乙烯的线膨胀系数很大，其数值在（8～25）×10^-5/℃范围内。密封部位在长时间受压及温度变化时，产生流动变形，使密封端面比压不断变化，容易发生泄漏。表6-29列出了温度、负荷对聚四氟乙烯冷流性变形的影响。

另外，聚四氟乙烯的导热性很差，其导热系数约为0.244W/(m·K)与金属相差300多倍，故当聚四氟乙烯做为摩擦副时，摩擦热很难导出，致使温度升高，密封性能恶化。所以使用中要尽可能采取散热降温措施。

表6-28 聚四氟乙烯的物理机械性能

项目		单位	数值
比重			2.1～2.2
吸水率		%	＜0.005
拉伸强度	（未淬火）	MPa	13.73～24.52
	（淬火）		15.69～30.89
伸长率（断裂）		%	250～350
弯曲强度		MPa	10.7913～.73
弯曲疲劳（δ=0.4mm）		万次	20
压缩强度（1%变形）		MPa	4.12
冲击韧性×10⁴		N·m/m²	≥1.27
硬度(HS)			50～65
摩擦系数（对钢）	动		0.04
	静		0.04
线胀系数×10^-5（25～200℃）		1/℃	10～12
导热系数		W/(m·K)	0.24
热变形温度（0.45MPa）		℃	121

表6-29 聚四氟乙烯的冷流性

温度（℃）	负荷（MPa）	时间（h）	变形（%）
常温	4.1	—	1
50	8.3	24	4～8
50	13.7	24	25
120	4.5	—	软化

为了克服以上不足，往往在纯聚四氟乙烯中加入各种填料进行改性。目前常用的填充材料有石墨，二硫化钼、玻璃粉、玻璃纤维、青铜粉等。加入填料后的聚四氟乙烯称作填充聚四氟乙烯，填充聚四氟乙烯的原料要求见表6-30、几种填充聚四氟乙烯的物理机械性能见表6-31。

表6-30原料要求

序号

原材料名称

规格与技术要求

生产单位

悬浮F4树脂

F4分散液

玻璃化纤维

石墨

二氧化硅

二硫化钼

炭黑

碳纤维

锡青铜

可溶性聚酰亚胺

聚苯

牌号SFX-2，平均粒径25~50um，抗拉强度≥29.4Pa

M12

初级粒子平均颗粒直径0.2~0.25um浓度9.5%~35%，抗拉强度≥19.8MPa

无碱，表面无处理剂，纤维直径8~10um，长径比10:1

试剂石墨，颗粒≤30um，残渣含量＜0.15%，水分＜0.5%，密度2.09~2.25g/cm³

纯度≥99.5%，细度过270目

MF-2，纯度＞98%，水分＜0.5%，粗颗粒＜30um占95%，＜10um占5%

槽法炭黑，水分≤4.0%，100目筛余物≤0.06%，无杂质（不通过20目者）

聚丙烯腊碳化纤维，碳含量≥95%，细度过200目

ZQSnB-6-3,Sn6Zn6Pb3,细度过200目

细度＜55目，表现密度0.31g/ml^a,特性粘度＞1.2

密度1.24g/cm³,500℃失重小于5%，细度过200目＞98%

上海电化厂

（日）大金公司

（日）三井公司

上海有机氟材料研究所

南京玻璃纤维研究设计院

上海胶体化工厂

无锡精炼厂

上海胶体化工厂

上海炭黑厂

辽源耐酸材料厂

上海第二冶炼厂

上海树脂研究所，徐州造漆厂

上海吴淞化工厂，青岛化工研究所

表6-31 几种填充聚四氟乙烯的物理机械性能

性能配方				20% 石墨	40% 石墨	25%青铜+20%玻璃纤维+10%石墨+5%石墨	40%青铜+20%玻璃纤维+10%石黑	40%玻璃纤维	40%玻璃粉+5%石墨
比重				2.16	2.15	2.45	2.70	2.28	2.28
抗拉强度（MPa）				16.4	13.9	13.8	15.9	16.0	11.2
断裂伸长%				151	86	77	171	231	149
静弯曲强度（MPa）				24.9	24.5	22.7	38.5	19.9	20.1
MN-IM磨损试验机	摩擦系数			0.13	0.14	0.17	0.17	0.18	0.15
MN-IM磨损试验机	磨损毫克/10分			12	3.4	2.3	3.6	3.5	2.5
台姆金磨损试验机	摩擦系数			0.20	0.20	0.20	0.20	0.21	—
台姆金磨损试验机	磨损毫克×10^-3/40分			22.3	8.24	0.66	0.74	1.22	—
导热系数[W/（m·K）]				0.43	0.47	0.41	0.43	0.24	0.43
线膨胀系数×10^-4/℃		纵向	0～50	1.9	1.67	1.60	1.60	1.63	1.50
			0～100	1.46	1.29	1.35	1.33	1.19	1.20
			0～150	1.38	1.25	1.32	1.33	1.16	1.17
			0～200	1.38	1.28	1.41	1.43	1.20	1.23
			0～250	1.40	1.23	1.54	1.34	1.26	1.32
		横向	0～50	1.01	0.75	0.79	0.77	0.83	0.69
			0～100	0.87	0.60	0.69	0.63	0.67	0.60
			0～150	0.74	0.59	0.69	0.62	0.63	0.53
			0～200	0.78	0.62	0.74	0.66	0.67	0.57
			0～250	0.79	0.67	0.79	0.71	0.73	0.61
吸水率%（24小时）				+0.03	+0.04	+0.58	+1.00	+0.47	-0.77

五、其它金属材料

1.铸铁、碳钢

常用的铸铁材料有灰口铸铁和球墨铸铁，其耐磨性都很好，特别是球墨铸铁，不仅具有铸铁的优良特性，又兼有钢的较高强度性能、耐磨性、抗氧化性及减振性也比钢好，同时还可经过多种处理提高强度，是一种较好的摩擦副材料，它适用于油类中性介质。

常用的碳钢材料有45、50号钢，经淬火后有较高的硬度和良好的耐磨性，适用于化学中性介质。

2.高硅铸铁

高硅铸铁是含硅10～17%及含碳0.5～1.2%的硅铁合金。常用的高硅铸铁中含硅量约为14.5%，是一种优良的耐酸材料。由于材料表面产生了一层保护性很强的氧化硅膜，故它对各种浓度的硫酸、硝酸、有机酸、酸性盐等介质有良好的耐腐蚀性。但在氢氟酸中却腐蚀很快，也不耐强碱、盐酸和热的三氯化铁溶液的腐蚀。

其缺点是质脆，耐温度剧变性差，骤冷骤热会炸裂。高硅铸铁的物理机械性能见表6-32。

表6-32高硅铸铁的物理机械性能

密度

（g/cm³）

熔点

（℃）

导热系数

（W/m·K）

抗弯强度

（MPa）

硬度

（HRC）

线胀系数×10^-6/℃

＜100

＜200

6.9

1220

52.34

137.29～166.71

45～50

3.6

4.7

加入3%的钼（Mo）和少量铬的含钼高硅铸铁可改进在盐酸、氯化物、漂白粉等介质和其它氧化环境中的耐蚀性，并可减少孔隙。加入稀土元素可改善其脆性及加工性能。

3.铬钢、铬镍钢

铬钢和铬镍钢在机械密封摩擦副材料中也被广泛采用。

常用的铬钢材料有3Cr13、4Cr13、9Cr18等，它们经淬火后有较高的硬度，耐腐蚀性比碳钢好，适用于弱腐蚀性介质。

常用的铬镍钢有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti等。它们具有良好的耐腐蚀性能，适用于强腐蚀性介质。其韧性大、硬度低、耐磨性不高。

4.青铜

机械密封摩擦副材料常用的青铜材料有ZQSn6-6-3、ZQSn10-1等，其弹性模数大，具有良好的导热性、耐磨性、加工性、以及对硬质材料的相容性。但质软，耐腐蚀性较差，适用于海水、油等中性介质。

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