球閥用工程塑料的比較
球閥用工程塑料的比較
由於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，它是製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，對於受壓密封件，能有效地用於-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，不溶解於任何有機溶劑；
③摩擦係數小，約為0.05，並有良好的自潤滑性能；
④塑性好，並具有一定的彈性，在密封麵間隻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”，易產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線膨脹係數大，在溫度急劇變化時，不能保持尺寸穩定。因此，為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，適宜於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製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為：①石墨（10～20）%；②二硫化鉬（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為宜。
F-4的主要物理力學性能列於表3-8。
各種填充F-4的物理力學性能見表3-9。
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，製品的結晶度、分子量也不一樣。通常冷卻速度越快，結晶度越小，為加快冷卻速度，可采用淬火的辦法。製品的結晶度一般控製在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。
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）。
設計F-4密封件時，應特彆注意它的冷流性。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，材料將繼續產生流動、變形的現象。產生冷流的負荷，稱為“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，限製F-4的密封比壓，並使密封結構適應F-4的冷流特點，以阻止或限製產生冷流。
用F-4製造球閥閥座、填料等動密封件時，其耐磨性與對摩件（如球體、閥杆等）的表麵粗糙度和材料有關。當F-4與較粗糙的表麵對摩時，開始磨損較大，當對摩零件表麵附上一層F-4轉移膜後，即變成F-4間的對摩狀態，磨損量則減小。但對摩零件表麵也不能過於粗糙，這是因為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。為了獲得較好的磨合狀態，以及較經濟的加工工藝，對摩零件的表麵粗糙度一般取Ra1.6～0.4。據試驗，對摩零件與F-4的乾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，而是用類似於粉末冶金的方法，因此，成型工藝既複雜又費時，致使加工成本高。針對此缺點，己研製成功許多既保持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，這幾種氟塑料也是製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於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製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、衝擊強度高（達6MPa以上），結晶度高的製品硬而脆。為了保證製品獲得較低的結晶度，對於厚度不超過3～4mm的製品，可采用淬火，即將製品加熱到晶相熔點溫度以上迅速冷卻；對於厚壁零件，可采用在高壓下迅速冷卻的方法製造。
F-3冇有冷流現象，硬度和強度都相當高，通常用於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，如耐腐蝕球閥的襯裡材料。由於摩擦係數大（達0.28以上），因此不適宜製造球閥閥座、成型填料等。F-3的主要物理力學性能見表3-14。
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裡材料，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。
4）F-40
係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。
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，它還含有特彆長而富於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。適宜製造球閥襯裡及各類密封件，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。
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，良好的衝擊韌性，高的硬度及疲勞強度，特彆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；耐油性能極為優異，因此，它是製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。
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，改善其物理力學性能。用二硫化鉬或石墨等固體潤滑劑作為填充材料製成的耐磨聚酰胺，不僅摩擦係數小（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係數見表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，其抗衝擊強度達2.5MPa，是製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）。
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，是製造低溫球閥、原子能工業用球閥密封件較理想的材料。