机械密封是一种依靠弹性元件对密封副预紧，在介质与弹性元件压力共同作用下使密封副压紧而达到密封的轴向端面密封装置，其结构见图1。密封环分动环和静环2种，是构成机械密封的最主要元件。密封环的工作状况决定了机械密封的使用性能和寿命，而密封环材料的性能直接影响密封环的工作状况。因此，了解机械密封对密封材料性能的要求，选择合适的密封材料是保证机械密封安全运行的关键。

图1 机械密封基本结构

　　1 机械密封对密封副材料的性能要求

　　为了保证机械密封装置中的密封环正常运转，从减磨、耐腐蚀和防止咬合等方面考虑，密封环常常配置成一对硬度不同的硬环和软环，通常硬环为动环，对硬环材料的性能有如下要求：

　　1) 足够的强度和刚度

　　在工况下(如压力、温度和滑动速度等)不损环，变形应尽量小，工况条件波动时仍能保持密封性。

　　2) 良好的摩擦学性能

　　运行时，密封环端面间始终处于接触并旋转状态，因此要求密封环材料具有良好的耐磨性，并保持流体膜良好的润滑性能和良好的边界润滑性能，以保证工况下有满意的使用寿命。

　　3) 良好的导热性、耐热性和耐热冲击能力

　　工作时，由于密封面间的润滑条件较差以及密封流体本身的温度，使得密封环处于较高的工作温度中，另外，还会出现温度的急剧变化，为此，要求材料有较高的导热系数和较小的线膨胀系数，承受热冲击时不开裂。

　　4) 良好的耐腐蚀性

　　耐腐蚀性好的密封环可抵制流体的腐蚀和腐蚀磨损，使其工作寿命长。

　　除了以上性能外，硬环还应具有良好的成形和加工性能、小密度和低渗透性及良好的自润滑性。

　　任何一种材料都难以完全满足上述全部要求，通常根据使用环境，提出密封材料的主要性能要求，依此选择合适的材料。

　　2碳化硅的种类、特点和性能

　　目前，工业生产所用的机械密封端面材料中有近一半采用碳化硅。碳化硅的制造方法很多，其性质也各不相同。根据制造方法的不同，有以下几种:常压烧结碳化硅、反应烧结碳化硅、热压烧结碳化硅、化学气相反应碳化硅和化学气相沉积碳化硅等。作为机械密封材料，前3种使用最为普遍。

　　2.1 机械密封用碳化硅材料的种类和特点

　　1) 常压烧结碳化硅

　　采用粉末冶金的制造方法，原料用亚微米级的碳化硅颗粒，在不施加压力的条件下进行烧结，烧结密度可达理论密度的95%。烧结在惰性气体保护下或在真空中于1900～2200℃之间进行，一般要加入硼和碳作为烧结助剂。经模制和烧结后，碳化硅颗粒形成整体碳化硅元件。常压烧结碳化硅是所有碳化硅中最硬且耐腐蚀性最好的密封材料，因此在机械密封中应用最广泛。

　　2) 反应烧结碳化硅

　　用多孔碳型材与熔融硅反应，烧结成整体碳化硅。这种碳化硅中含有约　　10%～12%的自由硅，这些自由硅对减小摩擦和磨损起了很好的作用。这种碳化硅材料的耐腐蚀性比常压烧结碳化硅差，但由于它可与碳石墨构成优异的密封副，因此API682中规定优先选用这种密封副。

　　3) 热压烧结碳化硅

　　由粒度≤1μm的碳化硅粉加上适当的添加剂，装入石墨模具内，在2000～2100℃的热压炉内，加压30～50MPa制成。热压烧结碳化硅是碳化硅中化学稳定性最好的一种，用作耐腐蚀密封副的密封面材料。

　　2.2 机械密封用碳化硅材料的性能

　　碳化硅陶瓷材料的性能随制备工艺的不同会发生一定的变化，表1为3种不同工艺制得的碳化硅材料的性能比较表，并与常被用作密封材料的碳化钨进行对比。

表1 碳化硅与碳化钨的性能

　　由表1可知，与碳化钨相比，碳化硅的密度低、耐腐蚀性能和热力性能好、摩擦系数低，在机械密封材料中具有明显的优势。碳化硅材料最值得注意的优良性能之一是硬度极高，因此被广泛地用作机械密封硬环。

　　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。