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苏州昱创机械密封用工程陶瓷的分类及性能简介
更新更新时间：2025-02-05
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机械密封用陶瓷的分类及性能简介
二、工程陶瓷
工程陶瓷具有的化学稳定性，硬度高，耐磨损，是耐腐蚀机械密封理想的摩擦副材料。但工程陶瓷的缺点是抗冲击韧性低，脆性大。机械密封用工程陶瓷有：氧化铝陶瓷、氧化铝基金属陶瓷、铬钢玉、氮化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、碳化硅陶瓷、表面喷涂陶瓷等。
1.氧化铝陶瓷
Al2O3陶瓷的强度受其密度、微观结构的影响。及纯度（99瓷，95瓷等）和烧结工艺等的不同，其性能的差异也较大。表6-10为Al2O3的性能参考数据，选用时，请参看各生产厂家的样本。
表6-10 Al2O3的化学成分和物理力学性能
名称 | 成分 | 抗弯轻度 MPa | 硬度 HRA | 导热系数 W/m·K | 热胀系数 ×10-6/℃ |
99瓷 | A12O3 99% MgO 1% | 33～5.5 | 85～90 | 16.7 | 5.3 |
95瓷 | A12O3 94.5% SiO2 2% CaCO3 3.5% Cr2O3 2% | 2.2～2.7 | 78～82 | 16.7 | 5.8 |
早在60年代，A12O3就已用作摩擦副组对材料。由于它耐热冲击性能差，用于普通型机械密封已在逐年减少。但在耐腐蚀机械密封中仍应用较多。其材料的耐腐性能见表6-11.
表6-11 A12O3陶瓷耐腐蚀性能
腐蚀剂 名称 | 介质浓度 （％） | 煮沸时间 （ｈ） | 失量 （％） | 腐蚀剂名称 | 介质浓度 （％） | 煮沸时间 （ｈ） | 失重 （％） |
硫酸 硫酸 硫酸 盐酸 盐酸 盐酸 | 95～98 50 10 36～38 38 30 | 2 2 2 2 4 2 | 0.070 0.020 0.008 0.010 0.070 0.010 | 硝酸 磷酸 醋酸 * * * | 65～68 85 99 10 20 30 | 2 2 2 2 2 2 | 0.009 0.040 0.004 0.010 0.050 0.050 |
注：试样尺寸为φ20×2的圆片
2.氧化铝金属陶瓷
氧化铝金属陶瓷是在A12O3中加了少量的金属元素而构成。金属陶瓷成分中，A12O3含量为88%～92%，余量为Fe、Cr、Ni等。其硬度在HRA84～88之间。陶瓷中加入金属可改善其热导率，降低脆性，但耐腐蚀性有所下降。目前，主要用于批量较大的家用水泵以及潜水泵的机械密封上。
3.铬刚玉陶瓷
铬刚玉陶瓷（呈粉红色）是在氧化铝95瓷坯料中加入0.5%～2%的Cr2O3。，经1700～1750℃高温焙烧而成。其理化性能见表6-12。它的耐温度急变性能好，用Φ48×Φ35×6瓷坯，在20～400℃范围内进行25次冷热循环后，用10倍显微镜观察未发现裂痕。铬刚玉陶瓷的硬度高、耐磨损、摩擦系数小、化学稳定性能好，它与Si3N4的摩擦系数和耐腐蚀性能的比较分别为见表6-13和表6-14.铬钢玉陶瓷与填充玻璃纤维聚四氟乙烯组对，用于耐腐蚀机械密封时性能较好。
表6-12 铬刚玉陶瓷的物理性性能
密度（g/cm`3） | 显气孔率（%） | 吸水率（%） | 硬度（HRA） |
3.46-3.47 | 0.13 | 0.037 | 84.87 |
表6-13 铬刚玉陶瓷与氮化硅摩擦系数比较
转速(r/min) | 摩擦副组对的摩擦系数 | |||||
四氟填充石墨 | 四氟填充玻纤 | 纯四氟 | ||||
铬刚玉 | 氮化硅 | 铬刚玉 | 氮化硅 | 铬刚玉 | 氮化硅 | |
1460 | 0.058 | 0.084 | 0.063 | 0.099 | 0.057 | 0.069 |
2960 | 0.067 | 0.087 | 0.066 | 0.099 | 0.067 | 0.071 |
注：试验条件：152型φ35机械密封；介质：清水；压力：0.3MPa。
表6-14 铬刚玉与氮化硅陶瓷耐腐蚀性能比较
介质 | 浓度（%） | 煮沸时间（h） | 失 重（%） | |
铬刚玉 | 氮化硅 | |||
硫酸 | 95-98 | 2 | 0.070 | 0.62 |
50 | 2 | 0.020 | 未测 | |
10 | 2 | 0.008 | 0.42 | |
盐酸 | 36-38 | 2 | 0.010 | 0.13 |
38 | 2 | 0.070 | 0.13 | |
30 | 2 | 0.010 | 未测 | |
硝酸 | 65-68 | 2 | 0.009 | 0.30 |
磷酸 | 85 | 2 | 0.040 | 0.10 |
醋酸 | 99 | 2 | 0.040 | 0.24 |
* | 10 | 2 | 0.010 | 0.38 |
20 | 2 | 0.050 | 0.35 | |
30 | 2 | 0.050 | 0.49 | |
注：试样尺寸：Φ20×2。
4.氮化硅陶瓷
Si3N4陶瓷是70年代我国为发展耐腐蚀用机械密封而开发的材料。根据氮化硅制备工艺不同，可分为反应烧结氮化硅、无压烧结氮化硅等几种制品。表6-15为各种氮化硅陶瓷的物理力学性能。
表6-15 各种氮化硅的物理力学性能
性能 | 反应烧结Si3N4 | 热压Si3N4 | 重烧结Si3N4 | 无压烧结Si3N4 |
密度（g/cm3） | 2.4～2.73 | 3.17～3.40 | 3.20～3.28 | 3.14～3.40 |
显气孔率（%） | 10～20 | ＜0.1 | ＜0.2 | ＜0.5 |
抗弯强度（MPa） | 250～340 | 800～1000 | 600～750 | 600～800 |
抗拉强度（MPa ） | 120 | 223 | ||
抗压强度（MPa） | 1200 | 3600 | 2400 | |
抗冲击强度（MPa） | 0.15～0.2 | 0.4～0.52 | 0.61～0.65 | |
硬度（HRA） | 80～85 | 91～93 | 90～92 | 90～92 |
弹性模量（GPa） | 160 | 300 | 271～288 |
（1）反应烧结氮化硅
反应烧结氮化硅Si3N4主要特点是：素坯可以机械加工，能制成形状复杂的制品；经过二次氮化后的尺寸变化小（±0.1%）；抗冲击性优良，耐腐蚀。由于它的坯体内留有10%～15%的气孔，其中大部分为封闭气孔，因此它的强度和硬度是Si3N4制品中低的。较厚的制品不易烧结，有时会出现“流硅现象"。它仅适合于PV值不高的场合。反应烧结Si3N4的耐腐蚀性能如表6-16所示。
表6-16 反应烧结氮化硅耐腐蚀性能
介质名称 | 介质浓度（%） | 煮沸时间（h） | 失重（%） |
硫酸 硫酸 盐酸 盐酸 盐酸 盐酸 盐酸 盐酸 盐酸 硝酸 磷酸 王水 醋酸 烧碱 烧碱 烧碱 | 95-98 10 36-38 36-38 36-38 36-38 36-38 36-38 36-38 65-68 85
99 10 20 30 | 2 2 2 4 8 10 16 22 28 2 2 2 2 2 2 2 | 0.62 0.42 0.13 0.13 0.16 0.19 0.24 0.30 0.31 0.30 0.10 0.40 0.24 0.38 0.35 0.49 |
（2）热压Si3N4
热压Si3N4是氮化硅中性能最佳的材料。它的硬度高（HRA91-92）；致密性好，接近理论密度3.2g/cm3；抗弯强度可达800～1000MPa；耐磨性和腐蚀性优良。缺点是成本高和难以制成形状复杂的密封环。
（3）无压烧结Si3N4
无压烧结Si3N4是以人工合成的氮化硅为原料，加入镁铝尖晶石（MgO Al2O3）和稀土氧化物（CeO）等添加剂，在常压下高温烧结制成。它的性能接近热压Si3N4，抗弯强度可达660～800MPa,硬度HRA90～92。缺点是成本高，素坯烧结时收缩率偏大，收缩率为15%～20%，容易引起烧结变形。
（4）重烧结Si3N4
重烧结Si3N4是在硅粉中添加Al2O3等添加剂制成素坯后，先进行反应烧结，然后在特殊的填料内进行高温重烧结。它的工艺特点与反应烧结基本相似，素坯也可以采用机械加工、注塑成型等多种成型工艺，能制成复杂形状的产品；高温重烧结时收缩率＜6.5%,制成烧结变形小。它的性能也接近热压Si3N4，显气孔率＜0.2%，抗弯强度可达600～750MPa。但制造工艺较复杂，成本较反应烧结Si3N4高。
在耐腐蚀性机械密封中，Si3N4与碳石墨组对性能良好，但与填充玻璃纤维聚四氟乙烯组对时，Si3N4的磨耗大。
5.碳化硼陶瓷
B4C陶瓷的化学稳定性好，硬度仅次于金刚石，耐磨性能极为优良，主要用于高浓度磨蚀性介质作摩擦副的组对材料，特别适用于泥沙介质。碳化硼制品需采用热压成型工艺，加工较困难，成本高，抗热震性也不太理想，其物理力学性能见表6-17。
表6-17 B4C陶瓷物理力学性能
密度 （g/cm3） | 抗弯强度 （MPa） | 抗压强度 （MPa） | 硬度 （HRA） | 熔点 （℃） | 热导率 （W/m.k） | 线胀系数 （×10-6 /℃） |
2.52 | 556 | 2900 | 94～98 | 2450～2500 | 26 | 4.5 |
6.碳化硅陶瓷
SiC陶瓷是继上述各种陶瓷之后开发的新材料。80年代国外各大机械密封公司纷纷用它作为高PV值的新一代摩擦副材料。它重量轻、比强度高、摩擦系数小、抗辐射性能好，具有一定的自润滑性、组对性能好、化学稳定性和耐热性以及热传导性能都很优异。碳化硅是一种脆性材料，抗机械冲击性较差。
由于制造工艺不同，SiC制品的性能也有差异。根据不同工艺制造的密封环分类见表6-18、各类密封环的主要性能见表6-19、各类密封环的主成成分见表6-20。
表6-18
密封环类别 | 反应烧结碳化硅 | 无压烧结碳化硅 | 热压烧结碳化硅 | ||
代号 | RBSiC | SSiC | HPSiC | ||
SSiC-A | SSiC-B | SSiC-C | |||
表6-19
项目 | 单位 | 性能指标 | ||||
RBSiC | SSiC-A | SSiC-B | SSiC-C | HPSiC | ||
体积密度 | g/cm3 | ≥3.03 | ≥3.08 | ≥3.20 | 2.65～2.95 | ≥3.15 |
硬度 | HV0.5 | / | ≥2200 | ≥2200 | / | ≥2500 |
HRA | ≥90 | ≥92 | ≥92 | / | ≥93 | |
HS | / | / | / | ≥85 | / | |
热弯强度(三点法) | MPa | ≥350 | ≥400 | ≥500 | ≥150 | ≥550 |
抗压强度 | MPa | ≥2000 | ≥2000 | ≥2200 | ≥1500 | ≥2200 |
弹性模量 | GPa | 350 | 400 | 420 | 120 | 420 |
线热膨胀系数(0℃~1000℃) | 10-6·1／℃ | 4.0 | 4.0 | 4.2 | 3.0 | 4.0 |
导热系数 | W/m·K | 50～100 | 90～110 | 60 | 120 | 120 |
表6-20
代号 | RBSiC | SSiC-A | SSiC-B | SSiC-C | HPSiC |
游离硅含量(wt) ％ | <12 | — | |||
碳化硅原料纯度(wt) ％ | ≥98 | ≥98 | |||
组成成分 | SiC、Si、C | SiC、B4C、C | SiC、YAG | SiC、C | SiC、B4C、C |
（1）反应烧结SiC
它是SiC+Si组成的致密烧结体。反应烧结SiC是由α-SiC粉、石墨粉并添加助剂、及有机粘结剂后压制成型，然后将素坯放在真空炉中加热1600～1800℃，使熔融硅与坯体中的碳起反应生成β-SiC。反应烧结SiC 中除ɑ-SiC和β-SiC外，还有10%～20%的游离硅，因而不耐强碱和氧化性介质的腐蚀。当反应烧结SiC用于含少量锑化合物介质中时，可观察到游离硅金属的严重化学反应和腐蚀，出现的沉淀物将破坏密封端面间的液膜。此外，用于含有金属锌、铋、钡的介质中也容易出现化合物粘着膜。
反应烧结SiC的优点是制品的收缩率小，耐热冲击性好，因而适用于批量生产，成本低。用在砂泵、液浆泵上效果较好。
（2）无压烧结SiC
它是采用超细SiC粉（粒度约在0.1～0.2µm）加适当的添加剂、粘结剂压制成型，然后在2000～2300℃的温度下烧结而成。
（3）热压烧结SiC
它由粒度≤1µm的SiC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。它是SiC中化学稳定性好的一种。这是因为在氧化气氛下，表层生成一种保护性的SiO2膜的缘故。这种SiC用作耐腐蚀密封摩擦副环性能最好。
（4）化学气相沉积及化学气相反应碳化硅
化学气相沉积碳化硅是将石墨基体置于一个1000～1400℃的高温炉内，炉内保持真空，通入含有硅和碳元素的气体如三氯甲基硅烷（CH3SiCl3）等，气体热分解后在石墨基体表面上发生反应并沉积出碳化硅（SiC）。覆层的厚度取决于三氯甲基硅烷蒸气热解量及停留时间，一般为0.5mm.
化学气相反应碳化硅，又名硅化石墨。它是在2000℃左右的高温反应炉内充满Si、Si3N4或SiO的气体，Si直接与石墨基体上的碳元素起反应生成SiC。
化学气相沉积碳化硅及化学气相反应碳化硅均属表面层为SiC、基体为石墨的复合材料。它们作为碳化硅材料的一种制作方法，也在机械密封摩擦副材料中被选用，其表面性能与整体碳化硅相似。
代学气相沉积碳化硅由于SiC在石墨基体上的附着力是依靠材料之间物理性质不同而形成的机械结合而不是化学结合。因此，结合力较差，使用时容易引起SiC复层组织的分层、微裂，所以作为密封环不十分理想。化学气相反应碳化硅结合是牢固的，其生成的SiC表层与基体之间没有明显的界面。但于由生成的SiC层的厚度正比于石墨的可渗透性，而石墨孔隙是不均匀的，故SiC层厚度也不均匀，其平均厚度一般为0.2～1.0mm。气相反应碳化硅与无压烧结碳化硅组对，可以用于高速场合，即使在半干摩擦工况条件下也不易产生卡滞与擦伤。
7.喷涂陶瓷
等离子喷涂技术及其耐磨耐腐蚀陶瓷涂层是国外70年代用于机械密封的新技术和新材料，除作密封端面涂层外，还可在轴套上喷涂此类涂层。喷涂氧化铬的物理力学性能见表6-21。
表6-21涂层氧化铬面层技术指标
成分 Cr2O3(%) | 气孔率 (%) | 体积密度 (g/cm3) | 抗弯强度 (MPA) | 显微硬度 (kg/mm) | 结合强度 (MPa) | 线胀系数 (×10-6 1/℃) |
> 96 | < 6 | 4.05～4.5 | 57 | 负荷200g时： 900～1000 | 与18-8不锈钢，厚度 0.2～0.3mm >11 | 6～9 |
Cr2O3陶瓷涂层具有硬度高，耐磨、耐蚀等优点，但涂层内部有4%～10%的气孔，其中少量是未开口气孔。涂层厚度约为0.4～0.6mm,经加工后涂层的开口气孔增多，为防止介质渗透而引起不锈钢等金属基体界面腐蚀，还需进行树脂封孔处理。现在国外已采用先进的激光重熔技术进行封孔。表6-22是等离子喷涂Cr2O3密封环与氧化铝密封环性能的比较。
表6-22 涂层Cr2O3与Ai2O3性能比较
材质 | 成型方法 | 耐磨性 | 抗机械冲击 | 耐热冲击 | 耐蚀性 | 加工性 | 导热性 |
Al2O3 | 压后烧结 | 高 | 弱 | 弱 | 良 | 麻烦 | 差 |
Cr2O3涂层 | 等离子喷涂 | 高 | 弱 | 弱 | 取决于基体材料 | 易 | 较好 |
喷涂陶瓷密封环的组对材料多为碳石墨，碳石墨的硬度以低于70HS为宜。这组配对材料使用的PV值较低，使用温度应在200℃以下，广泛用于醋酸与碳酸等有机介质。据日本进口的机械密封统计资料表明，氧化铬喷涂层与碳石墨组对，在摩擦副组对中约占1/3.近几年来，国内采用这组摩擦副材料也在逐年增多。
