球閥用非金屬密封材料
(1)碳石墨和柔性石墨
石墨具有優(yōu)良的耐腐蝕性能,除強(qiáng)氧化性介質(zhì)如王水、硝酸、濃度為60%以上的鉻酸、重鉻酸揮、高錳酸鉀等外,能耐任何濃度的酸、堿、鹽以及一切有機(jī)化合物的腐蝕。
石墨具有特別好的自潤滑性能,摩擦系數(shù)相當(dāng)?shù)?mdash;—與金屬摩擦?xí)r為O.04~0.05。它還具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)[ l16~128W/(m·℃)]、較低的線膨脹系數(shù)(2~3×10-6 1/℃)和較好的耐熱及耐溫度急劇變化的性能,在還原性氣氛中使用溫度范圍為-200~+1000℃。石墨材料的機(jī)械加工性能良好,能進(jìn)行各種機(jī)械加工。
目前,石墨有三種形態(tài),一種是燒結(jié)硬質(zhì)材料——碳素石墨,其特點(diǎn)是硬、脆;**種是石墨化材料,它的特點(diǎn)是質(zhì)軟、自潤滑性能好。這兩種石墨材料的共同缺點(diǎn)是氣孔率大,強(qiáng)度低,因此,在球閥上不常用。第三種是柔性石墨,它具有下列特點(diǎn):
①優(yōu)良的柔性
在無粘結(jié)劑和填充劑的條件下,用模壓和連續(xù)碾壓法加工成型后,在其厚度方向上尚有10%~15%的彈性,用作密封材料時(shí),與其對應(yīng)零件具有良好的接觸性,因此,能以較低的壓緊力達(dá)到密封;
②耐熱、耐腐蝕、耐輻照
柔性石墨能承受從-200℃的低溫至3650℃的超高溫,在此溫度范圍內(nèi),其物理力學(xué)性能沒有什么變化。
柔性石墨物理力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性能,以及耐輻照性能分別列于表3-23、表3-24及表3-25;
③各向異性
一般在平面方向(與成型壓力平行的方向)的熱傳導(dǎo)率為厚度方向(與成型壓力垂直的方向)的28倍,熱膨脹為30倍、導(dǎo)電率高達(dá)500倍。設(shè)計(jì)球閥密封件時(shí),應(yīng)注意合理地利用這些特性。
④優(yōu)良自潤滑性能和不滲透性能
與天然石墨一樣,晶體間的結(jié)合力小,在外力作用下層間容易滑動(dòng),因此具有優(yōu)良自潤滑性能。
柔性石墨粒子可以壓制成各種密封件,如密封帶、填料和墊片,用作閥門的填料函及法蘭墊片。也可用作球閥閥座材料,但因它極柔軟,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)將其置于彈性材料制成的框槽內(nèi),以免受力時(shí)崩塌損壞。
(2)碳素纖維
是用有機(jī)纖維,如尼龍絲、聚丙烯腈纖維等,在不加張力的情況下,于惰性氣體、(氮、氫)或真空中經(jīng)預(yù)氧化后燒結(jié)而成。它的優(yōu)點(diǎn)是:
①強(qiáng)度高、重量輕,彈性模數(shù)大;
②耐腐蝕:能耐除強(qiáng)酸、熱濃堿以及強(qiáng)氧化劑以外的各種化學(xué)介質(zhì),特別適用于醋酸介質(zhì);
③使用溫度范圍廣:可在介質(zhì)溫度為-250~+650℃下連續(xù)工作;
④熱膨脹系數(shù)?。簝H為F-4的1/10,因此,在溫度急劇變化的情況下,能保持結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定;
⑤耐輻照:可在2.58×104C/kg下正常工作,這正是F-4所不及的。
此外,碳素纖維還有一定的自潤滑性能。但它不能單獨(dú)用作密封材料,而只能作為傳遞負(fù)荷的一種媒介;由于碳素纖維具有高強(qiáng)度、高彈性模數(shù)的特性,將其加入各種塑料或金屬基體內(nèi),可以增加密封件的承載能力。
YBF成型填料即是用聚丙烯腈纖維,經(jīng)F-4乳液浸漬,預(yù)氧化后在模具中燒結(jié)壓制而成。YBF填料中碳素纖維與F-4的體積比為1.2:1,重量比為3:1。也可用YBF材料制造球閥閥座。YBF材料與F-4及其填充F-4的主要物理力學(xué)性能比較列予表3-26。
(3)對位聚苯
聚苯于1963年在美國**合成成功,隨后英、法、德、日也相繼進(jìn)行了研究,并將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。我國青島化纖材料廠與有關(guān)單位合作也己研制成功,并在閥門行業(yè)得到了應(yīng)用,特別在耐高溫球閥上的應(yīng)用,引起了人們的關(guān)注。
對位聚苯是一種新型的高分子材料,具有許多優(yōu)異的性能:
①耐高溫性能
在高溫爐中灼燒聚苯粉末,于530℃才開始分解,無熔點(diǎn);在450℃下長期加熱灼燒,微有失重現(xiàn)象,它是一種可在400℃以下長期使用的工程塑料;
②耐化學(xué)腐蝕及抗溶劑性能
耐硫酸、氫氟酸等強(qiáng)酸強(qiáng)堿的腐蝕,迄今為止,**上尚未有一種能使聚苯溶解的溶劑;
③自潤滑性能
具有良好的自潤滑性能,優(yōu)于二硫化鉬和石墨,以及填充的聚四氟乙烯制品;
④耐輻射
在鈷源(Co60)照射下,可接受9×104Gy而性能不變。
模壓的對位聚苯的物理力學(xué)性能列于表3-27中。
上述非金屬密封材料的適用范圍,都是指在單一參數(shù),即在沒有流體壓力或壓緊力等作用情況下的指標(biāo)。然而在實(shí)際使用中,往往是多種參數(shù)同時(shí)存在。因此,在實(shí)際產(chǎn)品中,其溫度適用范圍往往低于上述各種材料的物理力學(xué)性能表中所列數(shù)值,如F-4,表3-4為+250℃,但對于球閥產(chǎn)品僅適用于+200℃以下,一般推薦適用溫度為+150℃。
應(yīng)當(dāng)指出,各種材料的使用溫度與工作壓力是密切相關(guān)的,即溫度越高,其使用壓力越低,反之亦然。圖3-68所示為球閥用的幾種密封材料的使用溫度和壓力范圍,供設(shè)計(jì)參考。
圖3-68 球閥用幾種密封材料的溫度、壓力適用范圍,球閥用非金屬密封材料
1-氟塑料 2-填充氟塑料 3-聚酰胺 4-丁腈橡膠、氯丁橡膠