氮化硅在乙丙橡胶油封中的应用

几年来，氮化硅作为一种新型的工程陶瓷材料，在橡胶行业也获得了广泛的应用。它除具有极好的耐磨、耐蚀、抗热振、电绝缘、化学稳定、抗熔融有色金属侵蚀等特性外，还有收缩小（收缩率仅0.1％）和自润滑的优点。其耐腐蚀性和物理机械性能分别见表1、表2所示。
表1　氮化硅的耐腐蚀性
介质 浓度，％ 耐腐蚀率，％
硝酸 65～68 99.65
盐酸 36～38 99.72
王水 99.49
醋酸 99 99.97
硫酸 10 99.96
硫酸 95～98 增重
磷酸 99 99.88
烧碱 10 99.66
烧碱 20 99.61
烧碱 30 99.53
表2　氮化硅的物理机械性能
名称 反应烧结法 热压法
密度，g/cm3 2.5～2.6 3.18
气孔率，％ 1.3 ＜1
抗弯强度，MPa 196 686～784
抗压强度，MPa 118
抗拉强度，MPa 118～137
抗冲击强度，MPa 0.15～0.2 0.4
硬度（RA） 80～85 91～92
摩擦系数，f 0.1～0.5
导热系数，Cal·cm/cm2·s·℃ 0.012
电阻率，Ω·cm（20℃） 1013
电阻率，Ω·cm（700℃） 108
热膨胀系数 2.5×106 27～28×106
由于氮化硅具有上述一系列优良的特性，所以近几年在机械密封上的应用，特别在泵、压缩机、透平机、风机、反应釜设备中用来堵塞工作介质轴端外泄漏起到了很好作用。由此得到启发，为提高油封的耐磨性，乙丙橡胶胶料中通过添加一定比例的氮化硅进行了试验，其结果见表3。
表3　氮化硅配合乙丙橡胶的性能及其磨擦系数
项目 添加前 添加后
拉伸强度，MPa 116 143～169
伸长率，％ 110 92～98
永久变形，％ 6 0～1
脆性温度，℃ ≯-50 ≯-65～-75
磨擦系数，f 1.13～1.16 0.83～0.94
磨痕宽度，m/m 13.0～13.4 10.0～11.2
从表3可以看出，添加氮化硅后硫化胶在常温时的磨擦系数f有所降低，磨擦生热减小。同时由于氮化硅的导热系数较大，加快了磨擦部位热量的散发，磨擦部位的温度较低，而且因氮化硅本身耐高温，添加氮化硅后其硫化胶的硬度随温升的变化缓慢（见图1），所以相应地降低了高温状态下的磨擦系数，提高了橡胶的耐磨性。

1－添加氮化硅乙丙橡胶：2－原乙丙橡胶
图1　硫化硬度随温度的变化
   
1－V形氮化硅橡胶油封；2－聚四氟乙烯档圈
图2　造气自控机密封示意图
在氮肥生产的第一道工序中是制造半水煤气。气体从自动控制机的传动轴部位经常因密封不佳而泄漏，使一部分原料气白白浪费，同时使车间空气严重污染，大量一氧化碳使工人健康受到影响。
原用密封材料是石棉盘根，在造气炉高温及煤气腐蚀下三个月就硬化而失去密封作用，导致大量泄漏煤气。从改变密封结构着手，改用耐蚀、耐磨的添加氮化硅的乙丙橡胶油封，配合使用聚四氟乙烯挡灰圈，可代替原来的石棉盘根。所用V形橡胶密封圈，内径为150mm，3个为一组，聚四氟乙烯挡灰圈加装在密封胶圈前面，见图2所示。
经过实际运转，取得了较好效果。其优点可归纳如下：（1）减少了有毒气体泄漏，用原乙丙橡胶油封，隔不了多久，即发生半水煤气泄漏，使一部分原料气白白浪费，也就等于氮肥的损失；（2）改善了车间劳动条件。用原普通油封，失效后车间空气中含有大量一氧化碳，使人头晕、头痛。改用氮化硅配合的乙丙橡胶油封后，克服了这一现象，使车间环境条件获得了很大改善；（3）密封效果好，使用寿命长。原乙丙橡胶油封一般只用3个月即硬化而失效，但造气车间的维修期通常为一年，中间一般不能停车调换密封件。这样一年中只有3个月基本上能够达到密封，而漏气时间却为9个月。使用氮化硅配合的橡胶油封后，密封周期延长，能满足一年维修期的需要。