球閥用工程塑料的比較

由於塑料具有優(yōu)異的低摩擦性能，突出的化學(xué)穩(wěn)定性，並具有較好的自潤(rùn)滑性能，因此，它是製造球閥密封件的理想材料。用作球閥密封件的塑料主要有：各種氟塑料、聚酰胺（即尼龍）、聚酰亞胺和對(duì)位聚苯等。

（1）氟塑料

1）聚四氟乙烯（F-4）

它具有下列優(yōu)異特性：

①適用溫度範(fàn)圍廣，可在-200～+260℃範(fàn)圍內(nèi)使用，對(duì)於受壓密封件，能有效地用於-200～+150℃；

②耐腐蝕性能優(yōu)異，能耐包括王水在內(nèi)的一切強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，不溶解於任何有機(jī)溶劑；

③摩擦係數(shù)小，約為0.05，並有良好的自潤(rùn)滑性能；

④塑性好，並具有一定的彈性，在密封麵間隻需施加較小的力即能密封；

⑤幾乎不吸水、不溶脹。

因此，在球閥上得到廣泛地應(yīng)用。它可做成各種密封件，如球閥閥座、0形密封圈、V形密封圈、平墊片、浸漬F-4乳液石棉填料以及F-4生料密封膠帶等。

F-4的不足之處是：①在載荷作用下有“冷流傾向”，易產(chǎn)生長(zhǎng)久變形和壓塌現(xiàn)象：②機(jī)械強(qiáng)度低，耐磨性差；③剛性差；④導(dǎo)熱性差；⑤線膨脹係數(shù)大，在溫度急劇變化時(shí)，不能保持尺寸穩(wěn)定。因此，為了改善其物理力學(xué)性能，滿足各種工況的需要，大多采用填充F-4，即在其中添加各種填充材料，如玻璃粉、玻璃纖維、二硫化鋁、石墨以及青銅粉等。一般說(shuō)來(lái)，在純F-4中加入石墨或二硫化鋁等填充材料可增加自潤(rùn)滑性能；加入銅或其它金屬粉末可提高導(dǎo)電性能，適宜於輸送氫氣等易燃易爆介質(zhì)管道用球閥的密封件，以減少操作過(guò)程中靜電的積累；當(dāng)加入40%以上的青銅粉末時(shí)，可提高耐磨性能；加入二氧化矽或玻璃粉末能改善製件尺寸的穩(wěn)定性能及耐磨性能。當(dāng)需要同時(shí)改善幾種性能時(shí)，可同時(shí)加入幾種填充材料。

大量試驗(yàn)表明，適宜的填料材料含量為：①石墨（10～20）%；②二硫化鉬（15～30）%；③玻璃纖維（15～25）%；④二氧化矽或玻璃粉（lO～25）%；⑤青銅粉40%以上；⑥添加兩種以上填充材料時(shí)，耐磨性和潤(rùn)滑性的填充材料之比以4：1為宜。

F-4的主要物理力學(xué)性能列於表3-8。

各種填充F-4的物理力學(xué)性能見(jiàn)表3-9。

改善F-4的物理力學(xué)性能，除用添加填充材料的辦法外，還可用改變成型工藝的辦法來(lái)達(dá)到要求。試驗(yàn)表明，F(xiàn)-4的耐磨性能和力學(xué)性能與其結(jié)晶度有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)晶度越小，耐磨性越好。據(jù)測(cè)定，粉狀F-4的結(jié)晶度高達(dá)93%～97%。隨著預(yù)壓成型過(guò)程中，壓力、燒結(jié)時(shí)間、燒結(jié)溫度和冷卻速度的不同，製品的結(jié)晶度、分子量也不一樣。通常冷卻速度越快，結(jié)晶度越小，為加快冷卻速度，可采用淬火的辦法。製品的結(jié)晶度一般控製在40%～80%範(fàn)圍內(nèi)。經(jīng)淬火處理和未淬火處理的F-4的物理力學(xué)性能見(jiàn)表3-10。

此外，F(xiàn)-4及填充F-4的力學(xué)性能還受溫度及負(fù)荷等因素的影響，在不同溫度下，它們的力學(xué)也能將發(fā)生顯著變化（見(jiàn)表3-11）。

設(shè)計(jì)F-4密封件時(shí)，應(yīng)特彆注意它的冷流性。所謂冷流性是指在熔點(diǎn)範(fàn)圍內(nèi)的某一溫度下，F(xiàn)-4因載荷作用而變形以後，在溫度和載荷不變的情況下，材料將繼續(xù)產(chǎn)生流動(dòng)、變形的現(xiàn)象。產(chǎn)生冷流的負(fù)荷，稱為“冷流負(fù)荷”（也叫假屈服限）。據(jù)測(cè)定，F(xiàn)-4的冷流負(fù)荷並不是一個(gè)定值，它與溫度有關(guān)：溫度愈高，其冷流負(fù)荷愈小。詳見(jiàn)表3-12、表3-13。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)密封件所承受的負(fù)荷與溫度等因素，限製F-4的密封比壓，並使密封結(jié)構(gòu)適應(yīng)F-4的冷流特點(diǎn)，以阻止或限製產(chǎn)生冷流。

用F-4製造球閥閥座、填料等動(dòng)密封件時(shí)，其耐磨性與對(duì)摩件（如球體、閥桿等）的表麵粗糙度和材料有關(guān)。當(dāng)F-4與較粗糙的表麵對(duì)摩時(shí)，開(kāi)始磨損較大，當(dāng)對(duì)摩零件表麵附上一層F-4轉(zhuǎn)移膜後，即變成F-4間的對(duì)摩狀態(tài)，磨損量則減小。但對(duì)摩零件表麵也不能過(guò)於粗糙，這是因?yàn)橛操|(zhì)金屬材料的突峰會(huì)壓入軟質(zhì)F-4中，並將後者刨掉，造成更嚴(yán)重的切削磨損。為了獲得較好的磨合狀態(tài)，以及較經(jīng)濟(jì)的加工工藝，對(duì)摩零件的表麵粗糙度一般取Ra1.6～0.4。據(jù)試驗(yàn)，對(duì)摩零件與F-4的乾摩擦磨損程度接下列材料順序提高：鑄鐵、硬鋼、不鏽鋼、軟鋼、鉻鋼、青銅、鋁合金。設(shè)計(jì)球閥時(shí)，根據(jù)使用要求，可參照此順序選擇與F-4密封件對(duì)摩的球體、閥桿、氣缸及活塞桿等零件的材料。

F-4密封件不能采用一般熱塑性塑料的成型工藝，如注射、擠壓和澆鑄等成型，而是用類似於粉末冶金的方法，因此，成型工藝既複雜又費(fèi)時(shí)，致使加工成本高。針對(duì)此缺點(diǎn)，己研製成功許多既保持F-4的優(yōu)良特性，又具有普通熱塑性塑料的注射、擠壓及熱模壓成型工藝的氟塑料，如F-3、F-46、F-40、聚全氟醚、聚偏氟乙烯、聚全氟乙烯、F-30等，這幾種氟塑料也是製造球閥密封件的優(yōu)良材料。

2）聚三氟氯乙烯（F-3）

其化學(xué)穩(wěn)定性和工作溫度等略低於F-4。**使用溫度為-80～+120℃。F-3雖可用注射、擠壓、壓鑄、模壓等加工成型、但流動(dòng)性差，而且向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度很高，並與分解溫度相近，結(jié)晶速度又快，因此，F(xiàn)-3製品的成型工藝也欠佳，此外，它的性能受結(jié)晶度的影響很大。一般而言，結(jié)晶度低的材料，柔軟、衝擊強(qiáng)度高（達(dá)6MPa以上），結(jié)晶度高的製品硬而脆。為了保證製品獲得較低的結(jié)晶度，對(duì)於厚度不超過(guò)3～4mm的製品，可采用淬火，即將製品加熱到晶相熔點(diǎn)溫度以上迅速冷卻；對(duì)於厚壁零件，可采用在高壓下迅速冷卻的方法製造。

F-3冇有冷流現(xiàn)象，硬度和強(qiáng)度都相當(dāng)高，通常用於承受高負(fù)荷的密封件，如法蘭墊片等，以及需熱膜壓成型的場(chǎng)合，如耐腐蝕球閥的襯裡材料。由於摩擦係數(shù)大（達(dá)0.28以上），因此不適宜製造球閥閥座、成型填料等。F-3的主要物理力學(xué)性能見(jiàn)表3-14。

3）F-46

是四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物，除與F-4的優(yōu)良性能相近外，還具有熱塑成型的優(yōu)點(diǎn)。與金屬有很強(qiáng)的粘結(jié)力，是耐腐蝕球閥的優(yōu)良襯裡材料，也是球閥閥座、成型填料等密封件的優(yōu)良材料。它成型工藝簡(jiǎn)單，成本低。F-46的主要物理力學(xué)性能見(jiàn)表3-15。

4）F-40

係四氟乙烯和乙烯的共聚物，又稱氟化碳。它的*大特點(diǎn)是耐輻照，能承受2.58×10⁵C/kg的γ射線輻照（F-4為25.8C/kg），因此，適宜作原子能工業(yè)用的球閥密封件。

F-40可以模壓、擠壓或注射成型，但成型時(shí)收縮率較大，設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)予考慮；成型後必須進(jìn)行退火處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。

F-40的物理力學(xué)性能見(jiàn)表3-16。

5）可熔性聚四氟乙烯

又稱聚全氟醚（美國(guó)牌號(hào)為PFA），是四氟乙烯與全氟正丙基乙烯基醚的共聚物。其性能基本保持了F-4的特點(diǎn)，此外，它還含有特彆長(zhǎng)而富於撓性的全氟烷氧基側(cè)鏈，導(dǎo)致增進(jìn)高溫性能，較高的熔點(diǎn)及其較佳的熱安定性，而且抗?jié)撟冃栽趶V幅溫度範(fàn)圍內(nèi)更佳。且在低溫下具有很好的彈性和韌性，是當(dāng)前較理想的耐低溫密封材料。它可采用擠壓和傳遞模塑法加工成型。適宜製造球閥襯裡及各類密封件，但目前材料來(lái)源有限，價(jià)格較貴?？扇坌跃鬯姆蚁┑奈锢砹W(xué)性能見(jiàn)表3-17。

6）聚酰胺塑料

聚酰胺塑料俗稱尼龍，在常溫下具有較高的抗張強(qiáng)度，良好的衝擊韌性，高的硬度及疲勞強(qiáng)度，特彆是耐磨性能和自潤(rùn)滑性能優(yōu)異；耐化學(xué)腐蝕性能良好，能耐弱酸、弱堿和一般溶劑；耐油性能極為優(yōu)異，因此，它是製造各種球閥密封件的常用材料。

聚酰胺的品種頗多，用作閥門(mén)密封件的主要有：聚酰胺-6、聚酰胺66、聚酰胺610以及聚酰胺-1010等幾種。它們的物理力學(xué)性能見(jiàn)表3-18。

與氟塑料一樣，聚酰胺也可采用添加填充材料如玻璃纖維、二硫化鉬、石墨等辦法，改善其物理力學(xué)性能。用二硫化鉬或石墨等固體潤(rùn)滑劑作為填充材料製成的耐磨聚酰胺，不僅摩擦係數(shù)?。◤腛.15降至O.03）、耐磨性好，而且還能降低吸濕性，從而提高聚酰胺的強(qiáng)度、彈性模數(shù)、熱變形溫度、硬度及尺寸穩(wěn)定性，因而在球閥的實(shí)際應(yīng)用中，大多采用填充聚酰胺。填充玻璃纖維聚酰胺塑料的物理力學(xué)性能見(jiàn)表3-19。填充石墨聚酰胺塑料的摩擦係數(shù)見(jiàn)表3-20。

（3）可熔性聚酰亞胺

可熔性聚酰亞胺塑料具有綜合的物理機(jī)械性能，它機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨、在高溫和真空下具有突出的穩(wěn)定性，是一種很有價(jià)值的耐高溫和高真空自潤(rùn)滑耐磨材料。在溫度低達(dá)200ºK下尚有良好的彈性，其抗衝擊強(qiáng)度達(dá)2.5MPa，是製造液氫級(jí)低溫密封件較理想的材料?？扇坌跃埘啺返闹饕锢砹W(xué)性能見(jiàn)表3-21。它還具有突出的抗輻照穩(wěn)定性（見(jiàn)表3-22）。

此外，可熔性聚酰亞胺還具有不燃、耐化學(xué)試劑以及吸水性小等優(yōu)點(diǎn)。

可熔性聚酰亞胺成本低，加工性能好?？捎媚骸D出、注射等成型方法加工，是製造低溫球閥、原子能工業(yè)用球閥密封件較理想的材料。