淺述內燃機用溫石棉靜密封材料

張　瑞　紀迎平　郭　珩

（天津大學內燃機研究所　天津　300072）

淺述內燃機用溫石棉靜密封材料

張瑞紀迎平郭珩

（天津大學內燃機研究所天津300072）

根據中華人民共和國工業和信息化部2014年第21號公告《溫石棉行業準入標準》；QCT/ 684-2013新標準的發布實施，闡述了靜密封材料中溫石棉纖維性質和主要物理性能與內燃機靜密封性之間的關系。

溫石棉行業準入標準溫石棉纖維滲漏污染

引言

“溫石棉可以安全使用，這是我們專業組織依據病理學、毒性學試驗結果和已經制定實施的安全使用方法作出的負責任的鄭重承諾?！敝腥A人民共和國工業和信息化部2014年第21號公告發布了《溫石棉行業準入標準》。長期以來，“石棉有害，必須禁用”似乎成了一條人們普遍認同的真理，從國際到國內，從環保衛生到工業部門，從管理機關到民用建筑，幾乎是異口同聲，談“棉”色變。大量文獻報道：石棉的應用已有千余年的歷史，分為溫石棉（也稱蛇紋石纖維）和角閃石石棉，有致癌作用的角閃石石棉只占10%，因此，2001年國家已將角閃石石棉列入應當取締的產品名錄。而溫石棉是人類寶貴的礦產資源，對人類的貢獻已有2000多年的歷史，其卓越的物理性能、化學性能及在塑料、橡膠、水泥等材料復合上所表現的良好的工藝性能，都是無以倫比的，具有不可替代的工業價值。最近，諸多世界一流的科學家用試驗證明，溫石棉更優于角閃石纖維及其他代用纖維的生物殘留性。溫石棉的危害主要是因為溫石棉粉塵。而醫學證明，在采取必要的個人防護措施（如口罩等）后情況就大不一樣了，如果再加上防塵綜合治理，溫石棉粉塵的危害一般認為屬于在人體可以接受的范圍內。據了解，我國最大的石棉制品廠，經一般性勞動保護，從20世紀80年代起無一例與石棉有關的職業病發生。試驗還表明，含代替纖維的最終制品的質量相等于或低于含溫石棉纖維的制品，但前者價格更高，使用壽命有限，且石棉制品的代替品本身對人類健康有潛在的危害，而這種危害比任何來自溫石棉的潛在危害都嚴重；并且溫石棉制品提供了許多有利的東西，而這是其替代產品無法比擬的。

溫石棉具有極好的可劈分性，較好的可紡性和較大的抗拉強度，并具有保溫隔熱、絕緣防腐及耐酸堿性，耐壓、耐高溫、有良好的摩擦性能等特有的優良性能和其它材料無以取代的特性，被廣泛地應用于國防、化工、航空、火箭、冶金、建筑、輕工、重工、石油、交通、電力、機械、農藥以及許多高科技領域中，是一種價廉物美不可缺少的重要非金屬礦物原料，尤其在用它制造增強塑料、高速雷達掃描器、宇宙通訊高靈敏度天線圓頂等方面取得了輝煌成績。在國防和航天工業（飛機、坦克、潛艇、導彈和火箭等方面）中亦有許多用途。目前溫石棉制品或含有溫石棉的制品已有3000多種，被20多個工業部門廣泛應用，到目前為止還沒有找到理想的溫石棉代用品。在我們內燃機行業，溫石棉靜密封墊片不僅解決了數以千萬臺發動機的滲漏污染，每年節約成百上千噸的石油資源，更重要的是有效地控制了人們賴以生存的大氣環境的污染。

1　密封材料的主體及性質

1．1溫石棉

這是一種用途最廣、最重要的石棉，顏色為白色、帶綠的黃色，半透明，絲絹光澤，屬單斜晶系，莫氏硬度為2～2.5（順纖維方向為2，垂直纖維方向為2.5）。解理極完全，可劈分為極細的纖維，具有極好的可紡性。其密度平均為2500 kg/m3，沒有磁性，是非導電體，具有耐火、耐堿等性能。應該指出，不同礦床，甚至同一礦床不同地段的石棉，其化學成分與理論含量都會有出入，這是因為在實際礦床中，石棉還含有少量的鐵、鋁、鈣、鎳等元素的氧化物。研究表明，溫石棉的物理、化學性質與其化學成分有一定的關系，通常溫石棉中MgO與SiO2的含量比為0.92～1.07，大于此比值（即MgO含量高）時，說明礦床水鎂石化強烈，纖維的耐酸、耐堿性能降低。MgO，SiO2和結構水含量正常時，纖維的抗拉強度大，撓性好；當FeO，CaO含量高時，則抗拉強度小，撓性差。隨著MgO含量的增高，石棉的耐熱性增強。纖維中FeO含量影響其絕緣性能。

1.2密封材料的主體纖維

溫石棉纖維作為密封材料的主體增強耐熱材料，在密封材料成份中占60%～70%，其耐熱增強的性能，在密封材料中的作用是無可取代的，比如國內外多年研究用芳綸纖維、玻璃纖維、纖維素纖維、巖棉、碳纖維和陶瓷纖維等非石棉纖維代替溫石棉纖維，但用非石棉纖維做成的密封材料的耐熱性、耐寒性、拉伸強度、尺寸穩定性和低應力松弛性等無法同用溫石棉纖維做的密封材料相比。溫石棉成份、結構上的某些特性，又對密封材料性能產生了負面效應[2]。石棉纖維對發動機密封材料性能的影響是十分復雜的，因此應首先了解石棉纖維的性質。

溫石棉的化學式一般為3MgO2SiO22H2O，是含有結晶水的鎂硅酸鹽?；瘜W成分理論組成為SiO2占43.35%；MgO占43.655%；H2O占13.00%。它含有兩個分子的結晶水，理論含量為13%，試驗室實際測定，常在12.5～15.5%之間，各礦不完全一致。一般含結晶水不少于12%，石棉纖維之間有吸附水，存在于纖維的內外表面，結晶水存于晶體構造內部。石棉鏡鑒特征為纖維狀，纖維呈極細的管狀結構，直徑為17.9～29μm。每1mm纖維束內所包含的單體纖維多至55000根。在顯微鏡下觀察，集束的石棉纖維之間還有孔隙。

由于上述石棉的結構特性，產生的負作用有兩點。

1）決定了石棉具體有極強的吸附空氣中水、Cl-、SO2的能力，使密封材料中腐蝕性離子含量增大，導致密封面產生點蝕，造成腐蝕滲漏。

2）如果在密封材料復合過程中，采用的石棉纖維過粗、纖維單體過長，將會產生毛細管滲漏。

針對這兩個影響密封材料密封效果的問題，可采用機械或化學處理使石棉松解，控制石棉纖維的長徑比；采用烘干、化學材料屏技術解決纖維的吸水、Cl-、SO2等有害成份。

石棉纖維除吸附空氣中的有害離子外，自身成份中也含有微量氯離子。雖然其含量甚微，同樣會使密封材料具有腐蝕性，在密封材料復合過程中采用水洗去離子工藝，同時選材時，選用含氯離子低的石棉品種及采用緩蝕劑材料，使問題得以解決，最終復合成形的密封材料，氯離子含量應低于100×10-6，可以確保發動機密封面不產生腐蝕滲漏。

1.3腐蝕性

腐蝕性是密封材料自身化學或電化學反應產生的，是使接觸物質表面產生破壞現象的性質之一。它對以壓鑄鋁合金為材料的發動機密封面的密封效果起著十分重要的作用。如某摩托車發動機廠，由于對密封墊片材料的腐蝕性重視不夠，選用的密封材料未經防腐處理，裝機后，在貯存、使用過程就產生了腐蝕（俗稱起泡）。腐蝕機理是鋁合金的單質鋁同酸根離子形成的酸液發生反應，生成鋁鹽和氫氣，如下：

首先，鋁同氯離子水溶液發生置換反應：Al+HCl→AlCl3+H2↑

然后，氯化鋁發生水解反應：

AlCl3+H2O→Al（OH）3+HCl

最后，氫氧化鋁在高溫后發生脫水反應，形成三氧化二鋁沉淀：

Al（OH）3→Al2O3↓+H2O

經過一段時間的沉積，形成Al2O3白色堅硬堆積物，造成發動機密封面處起泡，這就是化學腐蝕。經過發動機長時間的振動，堆積物脫落，也可引起泄漏。發動機密封材料對發動機箱體密封面產生腐蝕的機理是電化學腐蝕，是由密封材料中含有的電解質成分形成腐蝕電池所致。具體過程為：當密封墊片材料安裝在鋁合金發動機箱體密封面中間，被緊固螺栓緊固，發生平面緊密接觸，因密封材料中含有氯離子和其它有害成分的能力，在相對濕度（RH）達到70%以上時，便形成電解質溶液，即形成腐蝕電池。發動機鋁合金材料（作為陰極），并在它的表面上被溶液中吸收電子的物質所接受，于是，鋁合金不斷地活化出鋁離子移入溶液中，而使發動機鋁合金密封面遭受腐蝕，導致材料溶脹和溶解，致使其力學機械性能下降最終導致密封面產生滲漏。

1.4壓縮回彈性

密封材料的壓縮回彈性，即發動機密封墊片的力學性能，是直接影響發動機密封性的因素之一。從密封材料的密封機理上分析、密封材料要達到密封介質的目的，必須在壓縮應力的作用下產生變形，以填塞發動機密封面上由于加工粗糙等凹凸不平形成的微觀缺陷。發動機密封面對墊片的壓力增加，接觸界面的間隙就減小，壓力介質流過接觸面的阻力大于墊片內的介質壓差時流體介質才被“密封”住。這就要求密封材料具有適當的壓縮變形。而要密封材料在長期使用過程中保持良好密封性就要求墊片有良好的回彈性。

目前，我國內燃機用石棉橡膠墊片制定了行業標準，規定壓縮率為15±5%，回彈率為≥55%，同時在密封材料配方設計中，耐油橡膠的含量應控制在15%以上。

1.5應力松馳性

機動車在行駛一段時間后，個別發動機密封面產生界面滲漏，檢查發現預緊螺栓松動，這就是密封面聯接過程中產生了應力松馳。發動機密封面連接螺栓扭力，一般在10～12N·m之間。非金屬密封墊片密封部位的溫度在-40～170℃之間，鋁合金材料在這種熱力溫度條件是不會產生應力松馳現象的（金屬材料通常要在很高的溫度下產生應力松馳），因此說發動機密封面的滲漏，是由密封材料產生應力松弛引起的（密封墊片的低溫脆化、高溫軟化塑流、腐蝕溶漲蠕變等），摩托車發動機用靜密封材料的應力松馳率，“QC/T684-2013”標準規定控制在≤30%，要想獲得應力松馳率較小的密封材料，在設計加工中應充分考慮密封材料的防老化性[3,4]。

總結了溫石棉密封材料應用中的性質，得出以下優越特性：

1）強度和密度高，耐油性好：強度不小于20 MPa；浸常溫燃油和高溫機油后拉伸強度較高；適合發動機密封面窄小、扭矩較高和密封歷程短的特點；燃油壓強15MPa時無滲漏；氮氣壓強3MPa時無滲漏；

2）回彈力大，適應發動機顛簸振動，能有效抵抗應力松弛，減小扭矩降落；壓縮率為12～22%；回彈率大于或等于55%；；

3）耐腐蝕性優良，因密封材料表面做了防腐蝕屏蔽處理，這樣適合發動機機體外露，經受風吹日曬雨淋易引起密封部位腐蝕滲漏及柒膜腐蝕變色、起泡、脫落的工況特點；

4）防粘性好，適應發動機試驗、磨和后經常拆裝機的工況要求；200小時臺架耐久試驗后墊片完好，無粘連、無滲漏；

5）耐冷熱沖擊性優良，浸200℃機油或170℃空氣老化后仍具有柔軟性；發動機外露，南北氣溫差異較大，要求靜密封材料要有較大溫差變化適應性。

6）具有可變性，即材料的顏色、性能指標等可根據不同廠家發動機的實際工況要求去調整。

2　控制滲漏

2.1控制滲漏的方法

發動機有其特有的工況，工作時處在高溫、高壓和高速不規則振動狀態。根據這一特點，目前控制發動機滲漏的方法有兩類：

1）控制發動機密封面（發動機箱體結合面與密封墊片接觸面）機械加工精度。金屬密封面粗糙度不大于3.2μm.

2）控制密封材料性質。密封材料性質控制又可分為靜攪料（攪拌）、密封材料控制和動密封材料控制。所謂靜密封材料控制，就是研究靜密封性的影響，揭示溫石棉橡膠板為基材的靜密封材料控制與發動機密封性能之間的關系。

2.2密封材料與發動機密封性質有關的主要因素

密封材料組成和性質中，與發動機密封性有密切關系的主要因素有：石棉纖維材料、橡膠材料、壓縮回彈性、應力松馳性等。

1）發動機密封面機械加工精度對密封性的影響

這個問題已經有了較為深入的研究。深知提高密封面的機械加工精度，可以提高發動機的密封性。因此，發動機密封面加工精度一平面度應小于0.05mm。

2）發動機裝配壓力對密封性的影響

裝配壓力是在裝配墊片時為了達到操作條件下所需密封水平而要求的壓力。該壓力是由作用于墊片接觸面積上的螺栓負荷產生的，其數值應當足夠大，以使墊片與發動機箱體結合面積相匹配，而且這個數值還要合適，能使墊片內的微孔體積（氣孔體積）充分減小，以達到期望的密封水平。

3）當前對密封技術的研究應放在材料性質的研究上，按照“QC/T648-2013”的標準，應做以下幾個方面的研究。

①研究密封材料中單體材料性質對密封材料性能的影響，密封材料常規是以多種單體材料相組合，按一定的配比，機械復合而成，加工工藝如圖1所示。

其中某一單體材料性質的變化，會得到不同性質的密封材料，產生不同的密封效果。

② 研究密封材料主體原材料產生腐蝕現象的原因、機理及主體原材料的防腐蝕處理工藝。

③ 研究密封材料的主要物理性能、壓縮回彈性、應力松弛性、腐蝕性，最終確保密封材料密封性這一綜合物理性能。

圖1　加工工藝框圖

3　結束語

對于道路用內燃機靜密封，我國現采用溫石棉橡膠板材，溫石棉因其具有優異的耐高溫，耐介質密封性能而賦予溫石棉橡膠板良好的綜合性能，加之其價廉，故是長盛不衰的傳統密封材料。國家工業和信息化部已發布了《溫石棉行業準入標準》這就給予該行業留下了很大研究課題，如何利用好溫石棉，造福于人類已是研究課題重中之重的選擇。

為解決內燃機的滲漏問題，密封生產商必須突破原有的生產技術模式，采用新工藝、新的防腐蝕材料；充分利用好溫石棉；生產中嚴格按照“QC/T684-2013”標準的技術條件，為內燃機生產廠提供優質的密封墊片，徹底解決發動機的滲漏，整體提高我國內燃機水平。

1孫秋霞.材料腐蝕與防護[M].北京：冶金工業出版社，2001

2胡國楨，石流，閻家賓.化工密封技術[M].北京：化學工業出版社，1995

3張瑞，郭珩，常鈺.淺談內燃機用環保靜密封材料[J].小型內燃機與摩托車，2013（4）：88～91

4張瑞，蘇梅，常鈺.隔振及降噪密封襯墊板的試驗研究[J].小型內燃機與摩托車，2009（1）：36～39

Chrysotile Static Sealing Material for Internal Combustion Engine

Zhang Rui，JiYingping，Guo Hang
Tianjin IntemalCombustion Engime Research Institute，Tianjin Umiversity（Tianjin，300072，China）

According to the requirementsofMIIT"Chrysotile standards foradmittance into industries"and QC/T 684-2013，the characteristics and properties of Chrysotile fiber in static sealingmaterial is detailed in this article，main physical properties and the relationship between the Chrysotile fiber and internal combustion engine static sealing are alsoanalyzed.

Chrysotile standard，Chrysotile fibers，Leakage pollution

TK405

A

2095-8234（2015）01-0087-03

張瑞（1956-），男，高級工程師，主要研究方向為內燃機密封技術。

（2014-11-01）