球閥用工程塑料的比較

由于塑料具有優(yōu)異的低摩擦性能，突出的化學(xué)穩(wěn)定性，并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(yōu)異特性：

①適用溫度范圍廣，可在-200～+260℃范圍內(nèi)使用，對于受壓密封件，能有效地用于-200～+150℃；

②耐腐蝕性能優(yōu)異，能耐包括王水在內(nèi)的一切強腐蝕性介質(zhì)，不溶解于任何有機溶劑；

③摩擦系數(shù)小，約為0.05，并有良好的自潤滑性能；

④塑性好，并具有一定的彈性，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(yīng)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”，易產(chǎn)生長久變形和壓塌現(xiàn)象：②機械強度低，耐磨性差；③剛性差；④導(dǎo)熱性差；⑤線膨脹系數(shù)大，在溫度急劇變化時，不能保持尺寸穩(wěn)定。因此，為了改善其物理力學(xué)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(dǎo)電性能，適宜于輸送氫氣等易燃易爆介質(zhì)管道用球閥的密封件，以減少操作過程中靜電的積累；當(dāng)加入40%以上的青銅粉末時，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穩(wěn)定性能及耐磨性能。當(dāng)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為：①石墨（10～20）%；②二硫化鉬（15～30）%；③玻璃纖維（15～25）%；④二氧化硅或玻璃粉（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為宜。

F-4的主要物理力學(xué)性能列于表3-8。

各種填充F-4的物理力學(xué)性能見表3-9。

改善F-4的物理力學(xué)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(dá)到要求。試驗表明，F(xiàn)-4的耐磨性能和力學(xué)性能與其結(jié)晶度有關(guān)。一般來說，結(jié)晶度越小，耐磨性越好。據(jù)測定，粉狀F-4的結(jié)晶度高達(dá)93%～97%。隨著預(yù)壓成型過程中，壓力、燒結(jié)時間、燒結(jié)溫度和冷卻速度的不同，制品的結(jié)晶度、分子量也不一樣。通常冷卻速度越快，結(jié)晶度越小，為加快冷卻速度，可采用淬火的辦法。制品的結(jié)晶度一般控制在40%～80%范圍內(nèi)。經(jīng)淬火處理和未淬火處理的F-4的物理力學(xué)性能見表3-10。

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

設(shè)計F-4密封件時，應(yīng)特別注意它的冷流性。所謂冷流性是指在熔點范圍內(nèi)的某一溫度下，F(xiàn)-4因載荷作用而變形以后，在溫度和載荷不變的情況下，材料將繼續(xù)產(chǎn)生流動、變形的現(xiàn)象。產(chǎn)生冷流的負(fù)荷，稱為“冷流負(fù)荷”（也叫假屈服限）。據(jù)測定，F(xiàn)-4的冷流負(fù)荷并不是一個定值，它與溫度有關(guān)：溫度愈高，其冷流負(fù)荷愈小。詳見表3-12、表3-13。在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)密封件所承受的負(fù)荷與溫度等因素，限制F-4的密封比壓，并使密封結(jié)構(gòu)適應(yīng)F-4的冷流特點，以阻止或限制產(chǎn)生冷流。

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、閥桿等）的表面粗糙度和材料有關(guān)。當(dāng)F-4與較粗糙的表面對摩時，開始磨損較大，當(dāng)對摩零件表面附上一層F-4轉(zhuǎn)移膜后，即變成F-4間的對摩狀態(tài)，磨損量則減小。但對摩零件表面也不能過于粗糙，這是因為硬質(zhì)金屬材料的突峰會壓入軟質(zhì)F-4中，并將后者刨掉，造成更嚴(yán)重的切削磨損。為了獲得較好的磨合狀態(tài)，以及較經(jīng)濟的加工工藝，對摩零件的表面粗糙度一般取Ra1.6～0.4。據(jù)試驗，對摩零件與F-4的干摩擦磨損程度接下列材料順序提高：鑄鐵、硬鋼、不銹鋼、軟鋼、鉻鋼、青銅、鋁合金。設(shè)計球閥時，根據(jù)使用要求，可參照此順序選擇與F-4密封件對摩的球體、閥桿、氣缸及活塞桿等零件的材料。

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，成型工藝既復(fù)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(yōu)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(yōu)良材料。

2）聚三氟氯乙烯（F-3）

其化學(xué)穩(wěn)定性和工作溫度等略低于F-4。**使用溫度為-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(tài)轉(zhuǎn)變的溫度很高，并與分解溫度相近，結(jié)晶速度又快，因此，F(xiàn)-3制品的成型工藝也欠佳，此外，它的性能受結(jié)晶度的影響很大。一般而言，結(jié)晶度低的材料，柔軟、沖擊強度高（達(dá)6MPa以上），結(jié)晶度高的制品硬而脆。為了保證制品獲得較低的結(jié)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(xiàn)象，硬度和強度都相當(dāng)高，通常用于承受高負(fù)荷的密封件，如法蘭墊片等，以及需熱膜壓成型的場合，如耐腐蝕球閥的襯里材料。由于摩擦系數(shù)大（達(dá)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(xué)性能見表3-14。

3）F-46

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

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為25.8C/kg），因此，適宜作原子能工業(yè)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(shè)計模具時應(yīng)予考慮；成型后必須進(jìn)行退火處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。

F-40的物理力學(xué)性能見表3-16。

5）可熔性聚四氟乙烯

又稱聚全氟醚（美國牌號為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(cè)鏈，導(dǎo)致增進(jìn)高溫性能，較高的熔點及其較佳的熱安定性，而且抗?jié)撟冃栽趶V幅溫度范圍內(nèi)更佳。且在低溫下具有很好的彈性和韌性，是當(dāng)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。適宜制造球閥襯里及各類密封件，但目前材料來源有限，價格較貴?？扇坌跃鬯姆蚁┑奈锢砹W(xué)性能見表3-17。

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(yōu)異；耐化學(xué)腐蝕性能良好，能耐弱酸、弱堿和一般溶劑；耐油性能極為優(yōu)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(xué)性能見表3-18。

與氟塑料一樣，聚酰胺也可采用添加填充材料如玻璃纖維、二硫化鉬、石墨等辦法，改善其物理力學(xué)性能。用二硫化鉬或石墨等固體潤滑劑作為填充材料制成的耐磨聚酰胺，不僅摩擦系數(shù)?。◤腛.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(shù)、熱變形溫度、硬度及尺寸穩(wěn)定性，因而在球閥的實際應(yīng)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(xué)性能見表3-19。填充石墨聚酰胺塑料的摩擦系數(shù)見表3-20。

（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(wěn)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(dá)200ºK下尚有良好的彈性，其抗沖擊強度達(dá)2.5MPa，是制造液氫級低溫密封件較理想的材料?？扇坌跃埘啺返闹饕锢砹W(xué)性能見表3-21。它還具有突出的抗輻照穩(wěn)定性（見表3-22）。

此外，可熔性聚酰亞胺還具有不燃、耐化學(xué)試劑以及吸水性小等優(yōu)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(yè)用球閥密封件較理想的材料。