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球閥用工程塑料的比較


球閥用工程塑料的比較

由于塑料具有優異的低摩擦性能,突出的化學穩定性,並具有較好的自潤滑性能,因此,它是制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)、聚酰亞胺和對位聚苯等。

(1)氟塑料

1)聚四氟乙烯(F-4)

它具有下列優異特性:

①適用溫度範圍廣,可在-200~+260℃範圍內使用,對于受壓密封件,能有效地用于-200~+150℃;

②耐腐蝕性能優異,能耐包括王水在內的一切強腐蝕性介質,不溶解于任何有機溶劑;

③摩擦系數小,約爲0.05,並有良好的自潤滑性能;

④塑性好,並具有一定的彈性,在密封面間只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”,易産生長久變形和壓塌現象:②機械強度低,耐磨性差;③剛性差;④導熱性差;⑤線膨脹系數大,在溫度急劇變化時,不能保持尺寸穩定。因此,爲了改善其物理力學性能,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。一般說來,在純F-4中加入石墨或二硫化鋁等填充材料可增加自潤滑性能;加入銅或其它金屬粉末可提高導電性能,適宜于輸送氫氣等易燃易爆介質管道用球閥的密封件,以減少操作過程中靜電的積累;當加入40%以上的青銅粉末時,可提高耐磨性能;加入二氧化矽或玻璃粉末能改善制件尺寸的穩定性能及耐磨性能。當需要同時改善幾種性能時,可同時加入幾種填充材料。

大量試驗表明,適宜的填料材料含量爲:①石墨(10~20)%;②二硫化钼(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,耐磨性和潤滑性的填充材料之比以4:1爲宜。

F-4的主要物理力學性能列于表3-8。

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各種填充F-4的物理力學性能見表3-9。

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改善F-4的物理力學性能,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達到要求。試驗表明,F-4的耐磨性能和力學性能與其結晶度有關。一般來說,結晶度越小,耐磨性越好。據測定,粉狀F-4的結晶度高達93%~97%。隨著預壓成型過程中,壓力、燒結時間、燒結溫度和冷卻速度的不同,制品的結晶度、分子量也不一樣。通常冷卻速度越快,結晶度越小,爲加快冷卻速度,可采用淬火的辦法。制品的結晶度一般控制在40%~80%範圍內。經淬火處理和未淬火處理的F-4的物理力學性能見表3-10。

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此外,F-4及填充F-4的力學性能還受溫度及負荷等因素的影響,在不同溫度下,它們的力學也能將發生顯著變化(見表3-11)。

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設計F-4密封件時,應特別注意它的冷流性。所謂冷流性是指在熔點範圍內的某一溫度下,F-4因載荷作用而變形以後,在溫度和載荷不變的情況下,材料將繼續産生流動、變形的現象。産生冷流的負荷,稱爲“冷流負荷”(也叫假屈服限)。據測定,F-4的冷流負荷並不是一個定值,它與溫度有關:溫度愈高,其冷流負荷愈小。詳見表3-12、表3-13。在設計時,應根據密封件所承受的負荷與溫度等因素,限制F-4的密封比壓,並使密封結構適應F-4的冷流特點,以阻止或限制産生冷流。

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用F-4制造球閥閥座、填料等動密封件時,其耐磨性與對摩件(如球體、閥杆等)的表面粗糙度和材料有關。當F-4與較粗糙的表面對摩時,開始磨損較大,當對摩零件表面附上一層F-4轉移膜後,即變成F-4間的對摩狀態,磨損量則減小。但對摩零件表面也不能過于粗糙,這是因爲硬質金屬材料的突峰會壓入軟質F-4中,並將後者刨掉,造成更嚴重的切削磨損。爲了獲得較好的磨合狀態,以及較經濟的加工工藝,對摩零件的表面粗糙度一般取Ra1.6~0.4。據試驗,對摩零件與F-4的幹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。設計球閥時,根據使用要求,可參照此順序選擇與F-4密封件對摩的球體、閥杆、氣缸及活塞杆等零件的材料。

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,而是用類似于粉末冶金的方法,因此,成型工藝既複雜又費時,致使加工成本高。針對此缺點,己研制成功許多既保持F-4的優良特性,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,這幾種氟塑料也是制造球閥密封件的優良材料。

2)聚三氟氯乙烯(F-3)

其化學穩定性和工作溫度等略低于F-4。安全使用溫度爲-80~+120℃。F-3雖可用注射、擠壓、壓鑄、模壓等加工成型、但流動性差,而且向粘流態轉變的溫度很高,並與分解溫度相近,結晶速度又快,因此,F-3制品的成型工藝也欠佳,此外,它的性能受結晶度的影響很大。一般而言,結晶度低的材料,柔軟、沖擊強度高(達6MPa以上),結晶度高的制品硬而脆。爲了保證制品獲得較低的結晶度,對于厚度不超過3~4mm的制品,可采用淬火,即將制品加熱到晶相熔點溫度以上迅速冷卻;對于厚壁零件,可采用在高壓下迅速冷卻的方法制造。

F-3沒有冷流現象,硬度和強度都相當高,通常用于承受高負荷的密封件,如法蘭墊片等,以及需熱膜壓成型的場合,如耐腐蝕球閥的襯裏材料。由于摩擦系數大(達0.28以上),因此不適宜制造球閥閥座、成型填料等。F-3的主要物理力學性能見表3-14。

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3)F-46

 

是四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物,除與F-4的優良性能相近外,還具有熱塑成型的優點。與金屬有很強的粘結力,是耐腐蝕球閥的優良襯裏材料,也是球閥閥座、成型填料等密封件的優良材料。它成型工藝簡單,成本低。F-46的主要物理力學性能見表3-15。

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4)F-40

系四氟乙烯和乙烯的共聚物,又稱氟化碳。它的*大特點是耐輻照,能承受2.58×105C/kg的γ射線輻照(F-4爲25.8C/kg),因此,適宜作原子能工業用的球閥密封件。

F-40可以模壓、擠壓或注射成型,但成型時收縮率較大,設計模具時應予考慮;成型後必須進行退火處理,以消除內應力。

F-40的物理力學性能見表3-16。

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5)可熔性聚四氟乙烯

又稱聚全氟醚(美國牌號爲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,此外,它還含有特別長而富于撓性的全氟烷氧基側鏈,導致增進高溫性能,較高的熔點及其較佳的熱安定性,而且抗潛變性在廣幅溫度範圍內更佳。且在低溫下具有很好的彈性和韌性,是當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。適宜制造球閥襯裏及各類密封件,但目前材料來源有限,價格較貴。可熔性聚四氟乙烯的物理力學性能見表3-17。

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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度,良好的沖擊韌性,高的硬度及疲勞強度,特別是耐磨性能和自潤滑性能優異;耐化學腐蝕性能良好,能耐弱酸、弱堿和一般溶劑;耐油性能極爲優異,因此,它是制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。它們的物理力學性能見表3-18。

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與氟塑料一樣,聚酰胺也可采用添加填充材料如玻璃纖維、二硫化钼、石墨等辦法,改善其物理力學性能。用二硫化钼或石墨等固體潤滑劑作爲填充材料制成的耐磨聚酰胺,不僅摩擦系數小(從O.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度、彈性模數、熱變形溫度、硬度及尺寸穩定性,因而在球閥的實際應用中,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性能見表3-19。填充石墨聚酰胺塑料的摩擦系數見表3-20。

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(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械性能,它機械強度高、耐磨、在高溫和真空下具有突出的穩定性,是一種很有價值的耐高溫和高真空自潤滑耐磨材料。在溫度低達200ºK下尚有良好的彈性,其抗沖擊強度達2.5MPa,是制造液氫級低溫密封件較理想的材料。可熔性聚酰亞胺的主要物理力學性能見表3-21。它還具有突出的抗輻照穩定性(見表3-22)。

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此外,可熔性聚酰亞胺還具有不燃、耐化學試劑以及吸水性小等優點。

可熔性聚酰亞胺成本低,加工性能好。可用模壓、擠出、注射等成型方法加工,是制造低溫球閥、原子能工業用球閥密封件較理想的材料。

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