機械密封是一種依靠彈性元件對密封副預緊，在介質與彈性元件壓力共同作用下使密封副壓緊而達到密封的軸向端面密封裝置，其結構見圖1。密封環分動環和靜環2種，是構成機械密封的最主要元件。密封環的工作狀況決定了機械密封的使用性能和壽命，而密封環材料的性能直接影響密封環的工作狀況。因此，了解機械密封對密封材料性能的要求，選擇合適的密封材料是保證機械密封安全運行的關鍵。
圖1 機械密封基本結構
1 機械密封對密封副材料的性能要求
為了保證機械密封裝置中的密封環正常運轉，從減磨、耐腐蝕和防止咬合等方面考慮，密封環常常配置成一對硬度不同的硬環和軟環，通常硬環為動環，對硬環材料的性能有如下要求：
1) 足夠的強度和剛度
在工況下(如壓力、溫度和滑動速度等)不損環，變形應盡量小，工況條件波動時仍能保持密封性。
2) 良好的摩擦學性能
運行時，密封環端面間始終處于接觸并旋轉狀態，因此要求密封環材料具有良好的耐磨性，并保持流體膜良好的潤滑性能和良好的邊界潤滑性能，以保證工況下有滿意的使用壽命。
3) 良好的導熱性、耐熱性和耐熱沖擊能力
工作時，由于密封面間的潤滑條件較差以及密封流體本身的溫度，使得密封環處于較高的工作溫度中，另外，還會出現溫度的急劇變化，為此，要求材料有較高的導熱系數和較小的線膨脹系數，承受熱沖擊時不開裂。
4) 良好的耐腐蝕性
耐腐蝕性好的密封環可抵制流體的腐蝕和腐蝕磨損，使其工作壽命長。
除了以上性能外，硬環還應具有良好的成形和加工性能、小密度和低滲透性及良好的自潤滑性。
任何一種材料都難以完全滿足上述全部要求，通常根據使用環境，提出密封材料的主要性能要求，依此選擇合適的材料。
2碳化硅的種類、特點和性能
目前，工業生產所用的機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，其性質也各不相同。根據制造方法的不同，有以下幾種:常壓燒結碳化硅、反應燒結碳化硅、熱壓燒結碳化硅、化學氣相反應碳化硅和化學氣相沉積碳化硅等。作為機械密封材料，前3種使用最為普遍。
2.1 機械密封用碳化硅材料的種類和特點
1) 常壓燒結碳化硅
采用粉末冶金的制造方法，原料用亞微米級的碳化硅顆粒，在不施加壓力的條件下進行燒結，燒結密度可達理論密度的95%。燒結在惰性氣體保護下或在真空中于1900～2200℃之間進行，一般要加入硼和碳作為燒結助劑。經模制和燒結后，碳化硅顆粒形成整體碳化硅元件。常壓燒結碳化硅是所有碳化硅中最硬且耐腐蝕性最好的密封材料，因此在機械密封中應用最廣泛。
2) 反應燒結碳化硅
用多孔碳型材與熔融硅反應，燒結成整體碳化硅。這種碳化硅中含有約 10%～12%的自由硅，這些自由硅對減小摩擦和磨損起了很好的作用。這種碳化硅材料的耐腐蝕性比常壓燒結碳化硅差，但由于它可與碳石墨構成優異的密封副，因此API682中規定優先選用這種密封副。
3) 熱壓燒結碳化硅
由粒度≤1μm的碳化硅粉加上適當的添加劑，裝入石墨模具內，在2000～2100℃的熱壓爐內，加壓30～50MPa制成。熱壓燒結碳化硅是碳化硅中化學穩定性最好的一種，用作耐腐蝕密封副的密封面材料。
2.2 機械密封用碳化硅材料的性能
碳化硅陶瓷材料的性能隨制備工藝的不同會發生一定的變化，表1為3種不同工藝制得的碳化硅材料的性能比較表，并與常被用作密封材料的碳化鎢進行對比。
表1 碳化硅與碳化鎢的性能
由表1可知，與碳化鎢相比，碳化硅的密度低、耐腐蝕性能和熱力性能好、摩擦系數低，在機械密封材料中具有明顯的優勢。碳化硅材料最值得注意的優良性能之一是硬度極高，因此被廣泛地用作機械密封硬環。
3 碳化硅在機械密封中的應用
由于碳化硅材料具有機械密封所要求的良好性能，因此可應用于高壓、高轉速、高溫、腐蝕性介質以及含有固體顆粒介質等操作工況下。
3.1 碳化硅用于高PV值機械密封
PV值是指密封流體壓力P與密封端面平均滑動速度V的乘積，表示機械密封使用的極限值，是衡量機械密封工作能力的指標。高的流體壓力和高轉速使機械密封有高的PV值。
1) 高的流體壓力
在高壓下工作，必須在機械 密封的端面施加很大的載荷，端面壓應力很高，這就要求密封材料必須具有很高的強度和剛度。碳化硅材料是一種強度和剛度很高的材料，其彈性模量很高，在高壓下不易產生變形。同時，碳化硅的抗壓強度很高，如EkasicD燒結碳化硅的抗彎強度為410MPa，而抗壓強度為2200MPa，是抗彎強度的5倍多，完全可以承受高的端面應力，滿足使用要求。
另外，高的端面應力會使端面摩擦熱量增加，從而使摩擦副溫度升高，使端面間的液膜被破壞而形成干摩擦，極易產生粘著磨損。試驗研究表明，碳化硅與碳石墨配對在各種PV值下碳石墨的磨損量均非常低，而且隨著PV值的升高其值變化很小。這說明碳化硅的抗黏著磨損能力很強，作為高壓密封材料是非常有利的。
采用激光加工方法，可在碳化硅密封環端面加工出球形微孔，見圖2。試驗研究表明，這種端面帶有微孔的碳化硅密封環與碳石墨配對使用，可明顯地提高機械密封的PV值，并且可大大降低密封的端面溫升幅度、摩擦力矩和摩擦系數。
圖2 端面帶有微孔的SiC密封環
2) 高轉速
在高速下工作的機械密封，因線速度高，摩擦副的發熱磨損和振動將是主要問題。因此，要求密封材料密度小、強度高，這樣旋轉環在高 速運行時產生的離心力小，引起的振動與偏擺也小，從而保持密封端面的穩定貼合。另外，材料還要具有良好的耐熱性能和導熱性能，以利降低機械密封摩擦溫度、減小摩擦磨損、避免熱裂紋和熱變形，使機械密封能維持正常的工作。由碳化硅材料的性能可知，碳化硅密封環完全可以滿足高速機械密封要求。
3.2 碳化硅用于高溫機械密封
高溫易引起摩擦副材料性能變化，使密封端面變形，硬度降低，造成機械密封壽命下降。因此，高溫密封副材料的熱變形、高溫強度以及耐磨性等問題是選取密封副材料的關鍵。碳化硅具有很高的高溫強度，在1400℃時的抗彎強度與常溫時的抗彎強度值相同，因此碳化硅可用于高溫工況下的機械密封。
3.3 碳化硅用于腐蝕性介質工況的機械密封
用于腐蝕性介質的機械密封，腐蝕磨損是引起摩擦副材料失效的最主要形式。這種腐蝕性作用極強，會直接或迅速地引起密封性能的變化。碳化硅具有良好的化學穩定性，因此可以應用于各種腐蝕性強的酸堿性介質中。無壓燒結碳化硅和熱壓燒結碳化硅是單一相結構，耐腐蝕性較強。熱壓燒結碳化硅即使在900℃仍具有很好的化學穩定性，這是因為在氧化氣氛中表層生成一種保護性的二氧化硅膜的緣故。
3.4 碳化硅用于含固體顆粒介質工況的機械密封
工業生產中的許多密封流體含固體顆粒，易沉積在摩擦副端面。這些顆粒不僅引起密封端面嚴重的顆粒磨損，而且使密封面產生局部發熱而引起熱裂。碳化硅不僅硬度高、耐磨損和抗熱裂，而且其應急運轉特性也很優越，因此采用碳化硅自身配對的硬質密封副在含顆粒介質中的應用潛力很大。試驗研究表明，在碳化硅自身配對使用時，運用離子反應刻蝕技術在其中1個密封面上加工圓柱形微孔，不僅可以降低密封面間的摩擦系數，而且可以明顯地提高密封面的承載能力。
4 結語
碳化硅具有密度低、耐腐蝕性能和熱力性能好與碳石墨配對以及自身配對時摩擦系數低、硬度極高等優良性能，完全適合作為機械密封的密封環材料，因此被廣泛地應用于高PV值、高溫、腐蝕性介質和含固體顆粒介質等工況下的機械密封。
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