1 前言
碳石墨環(huán)因具有優(yōu)良的耐高溫性、自潤滑性、低摩擦系數(shù)、耐磨損性、耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕性和良好的導(dǎo)熱性、熱膨脹系數(shù)小、對高低溫交變性能的適應(yīng)性以及材料的物理力學(xué)性能，作為機(jī)械密封應(yīng)用領(lǐng)域中的關(guān)鍵部件已有兩千多年的歷史，并廣泛應(yīng)用于造紙、紡織、醫(yī)藥、軍工等各工業(yè)部門。
由于材料性能優(yōu)良，制造原材料又多來源于煉油化工副產(chǎn)品，所以價(jià)格適宜，應(yīng)用行業(yè)廣泛，因此碳石墨制品制造在我國得到了快速發(fā)展。從1956 年前蘇聯(lián)援建哈爾濱電碳廠、1966 年四川自貢東新電碳廠成立等幾家企業(yè)，發(fā)展到目前的300 多家電碳制造相關(guān)企業(yè)，不僅有了高等院校和科研單位，而且也有了行業(yè)管理機(jī)構(gòu)和相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了碳制品生產(chǎn)的科學(xué)性、先進(jìn)性和實(shí)用性。但由于資金，設(shè)備，體制等眾多因素的影響，目前我國的高性能碳制品質(zhì)量，較國外發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)技術(shù)水平，仍有較大差距。
2 機(jī)械密封用碳石墨材料的分類及特點(diǎn)
碳石墨材料的生產(chǎn)，是按照骨料粒徑，配方組成與內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同分類的，基本上可分為毫米級( 1～10mm) 、忽米級( 0.1～1mm) 、絲米級( 0.01～ 0．1mm) 和微米級( 0.001 ～ 0.01mm) 4 類，通稱為粗、中粗、細(xì)、超細(xì)結(jié)構(gòu)碳石墨制品。其制造和性能特點(diǎn)分別為:
(1) 毫米級結(jié)構(gòu)碳石墨制品，通常用2～10mm 粒徑焦炭或無煙煤作為骨架結(jié)構(gòu)，空隙處用60% ～ 70%的細(xì)粉填充形成。制品規(guī)格越大，選用的骨料粒徑越粗，通常是用攪混均勻的熱料糊擠壓或振動成型，制成品表面較粗糙。用相同工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品較細(xì)顆粒結(jié)構(gòu)的制品強(qiáng)度低，氣孔孔徑分布范圍廣。顯著特點(diǎn)是所用原材料比表面低，含粘合劑少，焙燒容易，石墨化、熱處理過程不易開裂，不適于做高質(zhì)量不透性機(jī)械密封制品。
(2) 忽米級結(jié)構(gòu)碳石墨制品，因其骨料粒徑在0．1 ～ 1mm 之間，配料中粘合劑含量略高于粗制品，宜采用擠壓，振動或熱模壓制方法成型。制品的顯著特點(diǎn)是內(nèi)在結(jié)構(gòu)均一良好，氣孔分布均一性和孔徑分布范圍介于毫米級和絲米級之間，其密度，強(qiáng)度和加工表面粗糙度優(yōu)于毫米級，是優(yōu)于粗結(jié)構(gòu)，接近細(xì)結(jié)構(gòu)的碳石墨環(huán)制品。
(3) 絲米級結(jié)構(gòu)碳石墨制品，因制造骨料粒徑細(xì)，配料中粘合劑含量高，通常采用混均勻→磨粉→冷模壓成型，小規(guī)格細(xì)長制品也可采用擠壓成型。焙燒時(shí)揮發(fā)組分排除量大，易產(chǎn)生內(nèi)裂，制品規(guī)格越大，生產(chǎn)難度越大，其顯著特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)均一，強(qiáng)度高，氣孔孔徑小且分布均勻。作為機(jī)械密封碳石墨材料，是可靠耐用的，但生產(chǎn)成本較高。
(4) 微米級超細(xì)結(jié)構(gòu)碳石墨制品，通常是用4～10μm 級超細(xì)炭素粉末為主要原材料，用超細(xì)粉磨粉機(jī)制粉，經(jīng)等靜壓成型，采用特殊工藝或先進(jìn)的焙燒窯爐熱處理等方法生產(chǎn)。制品的顯著特點(diǎn)是內(nèi)在結(jié)構(gòu)更細(xì)密，均一，強(qiáng)度高，能加工出表面精度和光潔度高的耐摩擦磨損的機(jī)械密封高性能制品，但生產(chǎn)成本高，是軍工和宇航產(chǎn)品及其它高性能機(jī)械密封要求使用的材料。
由上述可以看出，碳石墨環(huán)材料的生產(chǎn)工藝流程，雖然基本相同，即原材料選用→配料( 加粘結(jié)劑等) →攪混均勻→成型→焙燒→一次或多次浸漬→二次或多次焙燒或石墨化→粗品加工→精加工。由于使用的原材料粒徑大小、配料組成、粘合劑性能、混料均勻度、成型焙燒工藝和設(shè)備、浸漬材料、工藝、次數(shù)、二次加工工藝和設(shè)備等不同，因而制品的性能和價(jià)格差異極大，所以在使用時(shí)，必須根據(jù)產(chǎn)品使用工況，做出產(chǎn)品級別、精度和價(jià)格的適宜選擇。
3 機(jī)械密封用碳石墨環(huán)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
按照現(xiàn)行機(jī)械密封用碳石墨密封環(huán)標(biāo)準(zhǔn)的分類、檢驗(yàn)規(guī)則、物理力學(xué)性能要求、試驗(yàn)方法、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、儲存等方面規(guī)定的內(nèi)容還是比較全面的，自2002 年12 月1 日實(shí)施至今沒有更新，其分類見表1。
 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和對產(chǎn)品性能要求提高，以及碳石墨材料的技術(shù)進(jìn)展，2002 年實(shí)施以來的機(jī)械密封用碳石墨環(huán)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在目前應(yīng)用中就有些不足，建議進(jìn)行補(bǔ)充修訂。
4 旋轉(zhuǎn)接頭用碳石墨環(huán)制造應(yīng)用
旋轉(zhuǎn)接頭是將流體介質(zhì)由相對靜止管道輸送到旋轉(zhuǎn)或擺轉(zhuǎn)的管道，設(shè)備中的機(jī)械動密封裝置，是固定管路向旋轉(zhuǎn)、擺轉(zhuǎn)設(shè)備輸送和排除冷熱傳導(dǎo)介質(zhì)的必不可少的關(guān)鍵基礎(chǔ)件。一般常用的可分為單、雙兩種回路形式( 也有少量多回路的) ，不同的結(jié)構(gòu)形式有不同的特性，在接頭所采用的制造材質(zhì)、密封結(jié)構(gòu)、摩擦力等方面也有著顯著的差異。基本結(jié)構(gòu)包括外管( 空心軸、管球) 、內(nèi)管(雙向有) 、外殼、端蓋、尾蓋、靜密封環(huán)、密封圈、動密封環(huán)、彈簧及各進(jìn)出聯(lián)接口等部件。在眾多旋轉(zhuǎn)接頭的應(yīng)用中碳石墨密封環(huán)的好壞決定了旋轉(zhuǎn)接頭的使用壽命。現(xiàn)就碳石墨環(huán)的加工應(yīng)用情況概況如下:
(1) 碳石墨基材粒徑粗糙、氣孔率高，分布不均勻，孔徑大小不等，進(jìn)行復(fù)檢0.6MPa 氣壓測試時(shí)，每批次都有不同程度的泄漏，不合格率達(dá)30%以上。有的產(chǎn)品抗折，抗壓強(qiáng)度達(dá)不到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能要求，有的摩擦系數(shù)高于標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，硬度波動較大，體積密度不均衡等。因而給碳石墨環(huán)高質(zhì)量的制造增加了很多麻煩，在搬運(yùn)和加工安裝過程中稍不注意，就會開裂或破碎。
(2) 對于旋轉(zhuǎn)接頭，高性能設(shè)備要求的用戶，要確保使用壽命一年或更高的壽命要求，但目前國產(chǎn)的碳石墨環(huán)很難達(dá)到這一要求，使用現(xiàn)場反映的問題是硬度低了不耐磨，硬度高了耐磨性雖然好一些，但脆性又太大，有的還沒有怎么磨損就斷裂成不規(guī)則的數(shù)塊，硬度穩(wěn)定性差，使用壽命波動性大。在鋼廠、紙箱設(shè)備、造紙?jiān)O(shè)備上使用的旋轉(zhuǎn)接頭，經(jīng)常出現(xiàn)由于碳石墨環(huán)不能承受振動和軸向力導(dǎo)致的破碎現(xiàn)象。在迫不得已的情況下，只好采用進(jìn)口的碳石墨環(huán)產(chǎn)品，現(xiàn)場應(yīng)用反映結(jié)果良好。
在當(dāng)前碳石墨環(huán)產(chǎn)品的應(yīng)用中，兄弟單位反映結(jié)果基本上與我公司的應(yīng)用情況相似。目前玉杰公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)接頭通過采用進(jìn)口材質(zhì)碳石墨環(huán)，使用效果穩(wěn)定，很受市場青睞，但這畢竟不是長遠(yuǎn)之計(jì)。同時(shí)為了適應(yīng)旋轉(zhuǎn)接頭開拓市場的需要，我公司現(xiàn)大力開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的液壓氣動工程機(jī)械旋轉(zhuǎn)接頭，對于碳石墨環(huán)的要求將會更高。因此當(dāng)前我國碳石墨材料的生產(chǎn)質(zhì)量還是讓人擔(dān)憂的，我們建議行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)與有關(guān)部門協(xié)同工作，從碳石墨材料制造的原料粒徑，配料，混料，壓制，焙燒，浸漬等各工序環(huán)節(jié)科學(xué)抓起，加強(qiáng)力學(xué)性能檢測，更新行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)制造碳石墨環(huán)力度評定，合理定價(jià)，以提高碳石墨環(huán)的應(yīng)用質(zhì)量和促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。
5 展望
當(dāng)今碳石墨材料的技術(shù)進(jìn)展有3 大趨勢:
(1) 各向同性熱解石墨是碳石墨材料中綜合性能最佳的材料，它在各個(gè)方向性均為各向同性，結(jié)構(gòu)緊密，其密度未浸漬時(shí)就可達(dá)到1．98g /cm3以上，開孔率極低(＜0.3%) ，抗折強(qiáng)度可達(dá)200MPa，抗壓強(qiáng)度可達(dá)350MPa。由于制造原料粒徑為0.3～2μm，再加上采用獨(dú)特的化學(xué)氣相沉積法工藝和設(shè)備，因而質(zhì)地均一，加工后的密封面精度和光潔度極高，具有極佳的機(jī)械密封性能和摩擦磨損特性。目前德國、日本、英國、俄羅斯，烏克蘭等國，在各向同性熱解石墨材料研制和應(yīng)用方面都處于領(lǐng)先地位，俄羅斯研制的各向同性熱解石墨材料，具有抗燒蝕，抗氧化，致密，光滑細(xì)膩，氣孔降低，耐磨性好等特點(diǎn)，在宇航軍工和高性能機(jī)械密封領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用;
(2) 碳－碳復(fù)合材料的研制和應(yīng)用，也是碳石墨材料科技進(jìn)展的重點(diǎn)，雖然制造方法較多，但碳纖維材料的加入制造的碳－碳復(fù)合材料更引人注目。它不僅能顯著提高碳－ 碳復(fù)合材料的抗壓、抗折強(qiáng)度和模量，降低摩擦系數(shù)，而且能大大提高碳石墨環(huán)的摩擦磨損性能和抗沖擊強(qiáng)度，可滿足更復(fù)雜工況條件下產(chǎn)品的使用要求;
(3) 高強(qiáng)度高密度碳石墨密封材料雖有良好的力學(xué)性能，我國也進(jìn)行了研制和應(yīng)用工作，但目前應(yīng)用并不普遍，要進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，以快速發(fā)展的趨勢迎合市場發(fā)展的需要。
上述碳石墨材料的發(fā)展趨勢我國都有一定的技術(shù)進(jìn)展，但產(chǎn)品質(zhì)量較發(fā)達(dá)國家仍有較大差距。為了滿足國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，建議有關(guān)部門組織協(xié)同攻關(guān)，發(fā)揮好國內(nèi)人力，財(cái)力和設(shè)備等有關(guān)資源，以實(shí)現(xiàn)我國碳石墨材料快速發(fā)展的美好未來，早日趕超世界先進(jìn)水平。
作者：朱斌，朱路，林建華，涂麗嬋( 福建省閩旋科技股份有限公司，福建泉州362000)
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