碳石墨密封材料疱疤现象分析及解决方法

什么是疱疤现象

机械用碳在密封行业的应用中，很容易出现疱疤现象。所谓疱疤现象，是指碳石墨密封环在使用过程中出现鼓泡、起层甚至出现凹坑的现象。 如图疱疤现象金相图

疱疤现象的出现，会使密封面局部形成液态或气态凹流，造成液膜厚度波动，增大密封体的振幅，对密封面产生破坏。严重时甚至造成表面部分石墨起层与基体脱离，形成新的凹坑。凹凸不平的石墨表面还会相互发生碰撞，破坏已有的密封表面，从而导致泄漏的发生。

 疱疤现象的原因分析  

1   含有热固 树脂材料
     主要原因

运行过程中密封面局部发热，造成材料中的树脂溢出 

2、具体分析

在机械密封运转的过程中，动静密封环紧密贴合旋转并互相摩擦。摩擦产生的热量会使接触面的局部温度上升，当局部温度超过碳石墨环中树脂的固化温度时，树脂会软化并从石墨环摩擦面溢出， 同时产生挥发性气体，破坏原有的密封状态。

3、高温严重将出现挥发性气体

在转速较低、多变或介质粘度较大的工况条件下，环境介质温度在100℃左右时，碳石墨摩擦面的局部温度可达200~310℃。石墨密封环内的热固性树脂将发生反应并释放大量气体，放出挥发性气体的同时体积开始收缩腾出空间形成凹坑

产生的气体处于旋转受压状态下，会逐渐导致以下几种现象的出现：

PART.01

气体在粘度较高的液体之中，气体比重低于液体，产生的气体在凹坑中高速旋转；

PART.02

摩擦副紧密贴合，气体滞留在密封面之间形成气团，处于旋转受压状态下难以排出，在密封面的液膜中形成凹流；

PART.03

凹流使得液膜厚度出现波动，增加密封流体的振幅，使气体涡流能量加大，破坏力增强，以至于产生气蚀现象；

PART.04

气蚀现象严重时，造成表面部分石墨起层与基体脱离，形成新的凹坑，新的凹坑会造成局部液态或气体凹流；

PART.05

气体或液体凹流造成气膜或液膜不均产生振动严重时形成共振，并不断延伸扩大，由点到面 (颗粒之间拉扯力的薄弱点首先被气蚀或冲蚀)， 使凹坑扩大的同时也破坏了正常的气膜或液膜从而产生泄漏。

2      材料各向异性

1、主要原因

在高粘度液体中，密封面剪应力超过石墨材料颗粒结合力的破坏强度时，会造成石墨材料颗粒的脱落。颗粒脱落后，会产生凹坑，从而出现疱疤现象。

2、具体分析

各向异性及其金相图

各向同性及其金相图

各向异性材料和各向同性材料的结构示意图和金相图如上图所示。两种材料由于成型方式的不同，结构具有一定的差异，结构上的差异导致了材料在性能方面的不同。各向异性材料之所以容易出现疱疤现象，与其结构有着密不可分的联系。

PART.01

各向异性材料呈层状结构，层状结构存在导热差异及分层特性，轴向导热性差。导热性差的缺陷会造成密封面过热、磨损加剧、密封面变形及局部脱落形成凹坑，极易产生疱疤现象。严重时造产品成开裂，使密封失效。 

PART.02

各向异性材料内部颗粒结合力差．粒度分布组成不合理、组织疏松。凹凸值大或分布不均，超过液膜厚度。

3

    成膜性与研磨性不匹配

1、具体分析

石墨材料的成膜性是材料自润滑性的重要保证。但作为机械用碳，在具有成膜性的同时，还需要具有研磨特性。研磨性与成膜性需在速率上具有 一定的关系，以使密封面的润滑膜始终保持一定的厚度。

2、出现后果

当材料研磨性与成膜性不匹配时，将会出现：

PART.01

成膜困难或不能成膜，会造成磨损加剧 

PART.02

研磨性差或没有研磨性，将会导致成膜过厚或部分脱落，形成侵蚀凹坑，极易发生疱疤现象。

3、案例

下图为同类型的纯碳材料对磨氧化铝陶瓷的干磨试验结果。其中，对比图左为成膜性与研磨性匹配优良的机械用碳石墨材料。可以看出，匹配特性优良的石墨材料在工作中可以持续保持温度的稳定。而匹配特性一般的材料，会导致工作面温度的明显上升。

研磨性与成膜性匹配优良            研磨性与成膜性匹配一般

 解决方法  

解决疱疤问题，要从材料内部结构、粒度、成型方法、粘接剂、成膜性和研磨性、导热性等几方面来解决。如选用各向同性石墨；避免热固性树脂在高粘度工况下使用；合理选择对磨副材料；分析电化学发生的可能性；选择热稳定性和导热性好的材料。针对疱疤的产生机理，结合多年的实践经验，解决疱疤问题的实际方法总结如下：

PART.01

选用各向同性石墨，并改善材料结构、增 强材料内部颗粒之间的结合力，同时改善材料的导热性。

各向同性材料颗粒更紧密   各向异性材料材质较疏松

PART.02

选用粒度更致密、结构更细的碳石墨材料，增强材料的致密性和强度，减少填充物质。

超细颗粒(10um)纯碳材料       通常材料(40um)

PART.03

选择高密度、细颗粒无需浸渍的纯碳石墨材料，避免浸渍物的影响，提高材料的热稳定性。

PART.04

选用耐高温性能好的填充浸渍物，减少热固性树脂的使用。

PART.05

要选用抗电化学性能的碳石墨材料，减少碳石墨材料内部的杂质成分。

PART.06

选用具有优良的成膜性和研磨性的碳石墨密封材料，并保持一定的成膜和研磨的速率。

PART.07

 选用优质硬质合金材料避免产生电化学现象。(市场上硬质合金大多都加了成分复杂的回收粉料) 

PART.08

使用推荐石墨密封牌号，相应牌号石墨的性能如下表所示。

总结

通过上述对疱疤现象的分析，希望对对疱疤问题的解决和预防具有一定的帮助作用。