1 前言
碳石墨环因具有优良的耐高温性、自润滑性、低摩擦系数、耐磨损性、耐化学介质腐蚀性和良好的导热性、热膨胀系数小、对高低温交变性能的适应性以及材料的物理力学性能，作为机械密封应用领域中的关键部件已有两千多年的历史，并广泛应用于造纸、纺织、医药、军工等各工业部门。
由于材料性能优良，制造原材料又多来源于炼油化工副产品，所以价格适宜，应用行业广泛，因此碳石墨制品制造在我国得到了快速发展。从1956 年前苏联援建哈尔滨电碳厂、1966 年四川自贡东新电碳厂成立等几家企业，发展到目前的300 多家电碳制造相关企业，不仅有了高等院校和科研单位，而且也有了行业管理机构和相关产品的技术标准，促进了碳制品生产的科学性、先进性和实用性。但由于资金，设备，体制等众多因素的影响，目前我国的高性能碳制品质量，较国外发达国家的先进技术水平，仍有较大差距。
2 机械密封用碳石墨材料的分类及特点
碳石墨材料的生产，是按照骨料粒径，配方组成与内部结构不同分类的，基本上可分为毫米级( 1～10mm) 、忽米级( 0.1～1mm) 、丝米级( 0.01～ 0．1mm) 和微米级( 0.001 ～ 0.01mm) 4 类，通称为粗、中粗、细、超细结构碳石墨制品。其制造和性能特点分别为:
(1) 毫米级结构碳石墨制品，通常用2～10mm 粒径焦炭或无烟煤作为骨架结构，空隙处用60% ～ 70%的细粉填充形成。制品规格越大，选用的骨料粒径越粗，通常是用搅混均匀的热料糊挤压或振动成型，制成品表面较粗糙。用相同工艺生产的产品较细颗粒结构的制品强度低，气孔孔径分布范围广。显著特点是所用原材料比表面低，含粘合剂少，焙烧容易，石墨化、热处理过程不易开裂，不适于做高质量不透性机械密封制品。
(2) 忽米级结构碳石墨制品，因其骨料粒径在0．1 ～ 1mm 之间，配料中粘合剂含量略高于粗制品，宜采用挤压，振动或热模压制方法成型。制品的显著特点是内在结构均一良好，气孔分布均一性和孔径分布范围介于毫米级和丝米级之间，其密度，强度和加工表面粗糙度优于毫米级，是优于粗结构，接近细结构的碳石墨环制品。
(3) 丝米级结构碳石墨制品，因制造骨料粒径细，配料中粘合剂含量高，通常采用混均匀→磨粉→冷模压成型，小规格细长制品也可采用挤压成型。焙烧时挥发组分排除量大，易产生内裂，制品规格越大，生产难度越大，其显著特点是结构均一，强度高，气孔孔径小且分布均匀。作为机械密封碳石墨材料，是可靠耐用的，但生产成本较高。
(4) 微米级超细结构碳石墨制品，通常是用4～10μm 级超细炭素粉末为主要原材料，用超细粉磨粉机制粉，经等静压成型，采用特殊工艺或先进的焙烧窑炉热处理等方法生产。制品的显著特点是内在结构更细密，均一，强度高，能加工出表面精度和光洁度高的耐摩擦磨损的机械密封高性能制品，但生产成本高，是军工和宇航产品及其它高性能机械密封要求使用的材料。
由上述可以看出，碳石墨环材料的生产工艺流程，虽然基本相同，即原材料选用→配料( 加粘结剂等) →搅混均匀→成型→焙烧→一次或多次浸渍→二次或多次焙烧或石墨化→粗品加工→精加工。由于使用的原材料粒径大小、配料组成、粘合剂性能、混料均匀度、成型焙烧工艺和设备、浸渍材料、工艺、次数、二次加工工艺和设备等不同，因而制品的性能和价格差异极大，所以在使用时，必须根据产品使用工况，做出产品级别、精度和价格的适宜选择。
3 机械密封用碳石墨环技术标准
按照现行机械密封用碳石墨密封环标准的分类、检验规则、物理力学性能要求、试验方法、标志、包装、运输、储存等方面规定的内容还是比较全面的，自2002 年12 月1 日实施至今没有更新，其分类见表1。
 随着科学技术的进步和对产品性能要求提高，以及碳石墨材料的技术进展，2002 年实施以来的机械密封用碳石墨环技术标准在目前应用中就有些不足，建议进行补充修订。
4 旋转接头用碳石墨环制造应用
旋转接头是将流体介质由相对静止管道输送到旋转或摆转的管道，设备中的机械动密封装置，是固定管路向旋转、摆转设备输送和排除冷热传导介质的必不可少的关键基础件。一般常用的可分为单、双两种回路形式( 也有少量多回路的) ，不同的结构形式有不同的特性，在接头所采用的制造材质、密封结构、摩擦力等方面也有着显著的差异。基本结构包括外管( 空心轴、管球) 、内管(双向有) 、外壳、端盖、尾盖、静密封环、密封圈、动密封环、弹簧及各进出联接口等部件。在众多旋转接头的应用中碳石墨密封环的好坏决定了旋转接头的使用寿命。现就碳石墨环的加工应用情况概况如下:
(1) 碳石墨基材粒径粗糙、气孔率高，分布不均匀，孔径大小不等，进行复检0.6MPa 气压测试时，每批次都有不同程度的泄漏，不合格率达30%以上。有的产品抗折，抗压强度达不到技术标准规定的力学性能要求，有的摩擦系数高于标准中的规定，硬度波动较大，体积密度不均衡等。因而给碳石墨环高质量的制造增加了很多麻烦，在搬运和加工安装过程中稍不注意，就会开裂或破碎。
(2) 对于旋转接头，高性能设备要求的用户，要确保使用寿命一年或更高的寿命要求，但目前国产的碳石墨环很难达到这一要求，使用现场反映的问题是硬度低了不耐磨，硬度高了耐磨性虽然好一些，但脆性又太大，有的还没有怎么磨损就断裂成不规则的数块，硬度稳定性差，使用寿命波动性大。在钢厂、纸箱设备、造纸设备上使用的旋转接头，经常出现由于碳石墨环不能承受振动和轴向力导致的破碎现象。在迫不得已的情况下，只好采用进口的碳石墨环产品，现场应用反映结果良好。
在当前碳石墨环产品的应用中，兄弟单位反映结果基本上与我公司的应用情况相似。目前玉杰公司生产的旋转接头通过采用进口材质碳石墨环，使用效果稳定，很受市场青睐，但这毕竟不是长远之计。同时为了适应旋转接头开拓市场的需要，我公司现大力开发新型结构的液压气动工程机械旋转接头，对于碳石墨环的要求将会更高。因此当前我国碳石墨材料的生产质量还是让人担忧的，我们建议行业领导与有关部门协同工作，从碳石墨材料制造的原料粒径，配料，混料，压制，焙烧，浸渍等各工序环节科学抓起，加强力学性能检测，更新行业技术标准，加强制造碳石墨环力度评定，合理定价，以提高碳石墨环的应用质量和促进国民经济的快速发展。
5 展望
当今碳石墨材料的技术进展有3 大趋势:
(1) 各向同性热解石墨是碳石墨材料中综合性能最佳的材料，它在各个方向性均为各向同性，结构紧密，其密度未浸渍时就可达到1．98g /cm3以上，开孔率极低(＜0.3%) ，抗折强度可达200MPa，抗压强度可达350MPa。由于制造原料粒径为0.3～2μm，再加上采用独特的化学气相沉积法工艺和设备，因而质地均一，加工后的密封面精度和光洁度极高，具有极佳的机械密封性能和摩擦磨损特性。目前德国、日本、英国、俄罗斯，乌克兰等国，在各向同性热解石墨材料研制和应用方面都处于领先地位，俄罗斯研制的各向同性热解石墨材料，具有抗烧蚀，抗氧化，致密，光滑细腻，气孔降低，耐磨性好等特点，在宇航军工和高性能机械密封领域都有着广泛应用;
(2) 碳－碳复合材料的研制和应用，也是碳石墨材料科技进展的重点，虽然制造方法较多，但碳纤维材料的加入制造的碳－碳复合材料更引人注目。它不仅能显著提高碳－ 碳复合材料的抗压、抗折强度和模量，降低摩擦系数，而且能大大提高碳石墨环的摩擦磨损性能和抗冲击强度，可满足更复杂工况条件下产品的使用要求;
(3) 高强度高密度碳石墨密封材料虽有良好的力学性能，我国也进行了研制和应用工作，但目前应用并不普遍，要进一步提高产品质量，降低生产成本，以快速发展的趋势迎合市场发展的需要。
上述碳石墨材料的发展趋势我国都有一定的技术进展，但产品质量较发达国家仍有较大差距。为了满足国民经济快速发展的需要，建议有关部门组织协同攻关，发挥好国内人力，财力和设备等有关资源，以实现我国碳石墨材料快速发展的美好未来，早日赶超世界先进水平。
作者：朱斌，朱路，林建华，涂丽婵( 福建省闽旋科技股份有限公司，福建泉州362000)
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