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球阀用 工程塑料的比较


球阀用 工程塑料的比较

由于塑 料具有优异的低摩擦性能,突出的化学稳定性,并具有 较好的自润滑性能,因此,它是制 造球阀密封件的理想材料。用作球 阀密封件的塑料主要有:各种氟塑料、聚酰胺(即尼龙)、聚酰亚 胺和对位聚苯等。

(1)氟塑料

1)聚四氟乙烯(F-4)

它具有下列优异特性:

①适用温度范围广,可在-200~+260℃范围内使用,对于受压密封件,能有效地用于-200~+150℃;

②耐腐蚀性能优异,能耐包 括王水在内的一切强腐蚀性介质,不溶解 于任何有机溶剂;

③摩擦系数小,约为0.05,并有良 好的自润滑性能;

④塑性好,并具有一定的弹性,在密封 面间只需施加较小的力即能密封;

⑤几乎不吸水、不溶胀。

因此,在球阀 上得到广泛地应用。它可做成各种密封件,如球阀阀座、0形密封圈、V形密封圈、平垫片、浸渍F-4乳液石棉填料以及F-4生料密封胶带等。

F-4的不足之处是:①在载荷作用下有“冷流倾向”,易产生 长久变形和压塌现象:②机械强度低,耐磨性差;③刚性差;④导热性差;⑤线膨胀系数大,在温度急剧变化时,不能保持尺寸稳定。因此,为了改 善其物理力学性能,满足各种工况的需要,大多采用填充F-4,即在其 中添加各种填充材料,如玻璃粉、玻璃纤维、二硫化铝、石墨以及青铜粉等。一般说来,在纯F-4中加入 石墨或二硫化铝等填充材料可增加自润滑性能;加入铜 或其它金属粉末可提高导电性能,适宜于 输送氢气等易燃易爆介质管道用球阀的密封件,以减少 操作过程中静电的积累;当加入40%以上的青铜粉末时,可提高耐磨性能;加入二 氧化硅或玻璃粉末能改善制件尺寸的稳定性能及耐磨性能。当需要 同时改善几种性能时,可同时 加入几种填充材料。

大量试验表明,适宜的 填料材料含量为:①石墨(10~20)%;②二硫化钼(15~30)%;③玻璃纤维(15~25)%;④二氧化硅或玻璃粉(lO~25)%;⑤青铜粉40%以上;⑥添加两 种以上填充材料时,耐磨性 和润滑性的填充材料之比以4:1为宜。

F-4的主要 物理力学性能列于表3-8。

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各种填充F-4的物理力学性能见表3-9。

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改善F-4的物理力学性能,除用添 加填充材料的办法外,还可用 改变成型工艺的办法来达到要求。试验表明,F-4的耐磨 性能和力学性能与其结晶度有关。一般来说,结晶度越小,耐磨性越好。据测定,粉状F-4的结晶度高达93%~97%。随着预压成型过程中,压力、烧结时间、烧结温 度和冷却速度的不同,制品的结晶度、分子量也不一样。通常冷却速度越快,结晶度越小,为加快冷却速度,可采用淬火的办法。制品的 结晶度一般控制在40%~80%范围内。经淬火 处理和未淬火处理的F-4的物理力学性能见表3-10。

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此外,F-4及填充F-4的力学 性能还受温度及负荷等因素的影响,在不同温度下,它们的 力学也能将发生显著变化(见表3-11)。

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设计F-4密封件时,应特别 注意它的冷流性。所谓冷 流性是指在熔点范围内的某一温度下,F-4因载荷 作用而变形以后,在温度 和载荷不变的情况下,材料将继续产生流动、变形的现象。产生冷流的负荷,称为“冷流负荷”(也叫假屈服限)。据测定,F-4的冷流 负荷并不是一个定值,它与温度有关:温度愈高,其冷流负荷愈小。详见表3-12、表3-13。在设计时,应根据 密封件所承受的负荷与温度等因素,限制F-4的密封比压,并使密封结构适应F-4的冷流特点,以阻止 或限制产生冷流。

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用F-4制造球阀阀座、填料等动密封件时,其耐磨性与对摩件(如球体、阀杆等)的表面 粗糙度和材料有关。当F-4与较粗 糙的表面对摩时,开始磨损较大,当对摩 零件表面附上一层F-4转移膜后,即变成F-4间的对摩状态,磨损量则减小。但对摩 零件表面也不能过于粗糙,这是因 为硬质金属材料的突峰会压入软质F-4中,并将后者刨掉,造成更 严重的切削磨损。为了获 得较好的磨合状态,以及较 经济的加工工艺,对摩零 件的表面粗糙度一般取Ra1.6~0.4。据试验,对摩零件与F-4的干摩 擦磨损程度接下列材料顺序提高:铸铁、硬钢、不锈钢、软钢、铬钢、青铜、铝合金。设计球阀时,根据使用要求,可参照此顺序选择与F-4密封件对摩的球体、阀杆、气缸及 活塞杆等零件的材料。

F-4密封件 不能采用一般热塑性塑料的成型工艺,如注射、挤压和浇铸等成型,而是用 类似于粉末冶金的方法,因此,成型工 艺既复杂又费时,致使加工成本高。针对此缺点,己研制 成功许多既保持F-4的优良特性,又具有 普通热塑性塑料的注射、挤压及 热模压成型工艺的氟塑料,如F-3、F-46、F-40、聚全氟醚、聚偏氟乙烯、聚全氟乙烯、F-30等,这几种 氟塑料也是制造球阀密封件的优良材料。

2)聚三氟氯乙烯(F-3)

其化学 稳定性和工作温度等略低于F-4。安全使用温度为-80~+120℃。F-3虽可用注射、挤压、压铸、模压等加工成型、但流动性差,而且向 粘流态转变的温度很高,并与分解温度相近,结晶速度又快,因此,F-3制品的 成型工艺也欠佳,此外,它的性 能受结晶度的影响很大。一般而言,结晶度低的材料,柔软、冲击强度高(达6MPa以上),结晶度 高的制品硬而脆。为了保 证制品获得较低的结晶度,对于厚度不超过3~4mm的制品,可采用淬火,即将制 品加热到晶相熔点温度以上迅速冷却;对于厚壁零件,可采用 在高压下迅速冷却的方法制造。

F-3没有冷流现象,硬度和强度都相当高,通常用 于承受高负荷的密封件,如法兰垫片等,以及需 热膜压成型的场合,如耐腐 蚀球阀的衬里材料。由于摩擦系数大(达0.28以上),因此不 适宜制造球阀阀座、成型填料等。F-3的主要 物理力学性能见表3-14。

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3)F-46

 

是四氟 乙烯和六氟丙烯的共聚物,除与F-4的优良性能相近外,还具有 热塑成型的优点。与金属 有很强的粘结力,是耐腐 蚀球阀的优良衬里材料,也是球阀阀座、成型填 料等密封件的优良材料。它成型工艺简单,成本低。F-46的主要 物理力学性能见表3-15。

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4)F-40

系四氟 乙烯和乙烯的共聚物,又称氟化碳。它的*大特点是耐辐照,能承受2.58×105C/kg的γ射线辐照(F-4为25.8C/kg),因此,适宜作 原子能工业用的球阀密封件。

F-40可以模压、挤压或注射成型,但成型时收缩率较大,设计模具时应予考虑;成型后 必须进行退火处理,以消除内应力。

F-40的物理力学性能见表3-16。

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5)可熔性聚四氟乙烯

又称聚全氟醚(美国牌号为PFA),是四氟 乙烯与全氟正丙基乙烯基醚的共聚物。其性能基本保持了F-4的特点,此外,它还含 有特别长而富于挠性的全氟烷氧基侧链,导致增进高温性能,较高的 熔点及其较佳的热安定性,而且抗 潜变性在广幅温度范围内更佳。且在低 温下具有很好的弹性和韧性,是当前 较理想的耐低温密封材料。它可采 用挤压和传递模塑法加工成型。适宜制 造球阀衬里及各类密封件,但目前材料来源有限,价格较贵。可熔性 聚四氟乙烯的物理力学性能见表3-17。

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6)聚酰胺塑料

聚酰胺塑料俗称尼龙,在常温 下具有较高的抗张强度,良好的冲击韧性,高的硬度及疲劳强度,特别是 耐磨性能和自润滑性能优异;耐化学腐蚀性能良好,能耐弱酸、弱碱和一般溶剂;耐油性能极为优异,因此,它是制 造各种球阀密封件的常用材料。

聚酰胺的品种颇多,用作阀 门密封件的主要有:聚酰胺-6、聚酰胺66、聚酰胺610以及聚酰胺-1010等几种。它们的 物理力学性能见表3-18。

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与氟塑料一样,聚酰胺 也可采用添加填充材料如玻璃纤维、二硫化钼、石墨等办法,改善其物理力学性能。用二硫 化钼或石墨等固体润滑剂作为填充材料制成的耐磨聚酰胺,不仅摩擦系数小(从O.15降至O.03)、耐磨性好,而且还能降低吸湿性,从而提 高聚酰胺的强度、弹性模数、热变形温度、硬度及尺寸稳定性,因而在 球阀的实际应用中,大多采用填充聚酰胺。填充玻 璃纤维聚酰胺塑料的物理力学性能见表3-19。填充石 墨聚酰胺塑料的摩擦系数见表3-20。

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(3)可熔性聚酰亚胺

可熔性 聚酰亚胺塑料具有综合的物理机械性能,它机械强度高、耐磨、在高温 和真空下具有突出的稳定性,是一种 很有价值的耐高温和高真空自润滑耐磨材料。在温度低达200ºK下尚有良好的弹性,其抗冲击强度达2.5MPa,是制造 液氢级低温密封件较理想的材料。可熔性聚酰亚胺的主要 物理力学性能见表3-21。它还具 有突出的抗辐照稳定性(见表3-22)。

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此外,可熔性 聚酰亚胺还具有不燃、耐化学 试剂以及吸水性小等优点。

可熔性 聚酰亚胺成本低,加工性能好。可用模压、挤出、注射等成型方法加工,是制造低温球阀、原子能 工业用球阀密封件较理想的材料。

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