浅述内燃机用温石棉静密封材料

张　瑞　纪迎平　郭　珩

（天津大学内燃机研究所　天津　300072）

浅述内燃机用温石棉静密封材料

张瑞纪迎平郭珩

（天津大学内燃机研究所天津300072）

根据中华人民共和国工业和信息化部2014年第21号公告《温石棉行业准入标准》；QCT/ 684-2013新标准的发布实施，阐述了静密封材料中温石棉纤维性质和主要物理性能与内燃机静密封性之间的关系。

温石棉行业准入标准温石棉纤维渗漏污染

引言

“温石棉可以安全使用，这是我们专业组织依据病理学、毒性学试验结果和已经制定实施的安全使用方法作出的负责任的郑重承诺。”中华人民共和国工业和信息化部2014年第21号公告发布了《温石棉行业准入标准》。长期以来，“石棉有害，必须禁用”似乎成了一条人们普遍认同的真理，从国际到国内，从环保卫生到工业部门，从管理机关到民用建筑，几乎是异口同声，谈“棉”色变。大量文献报道：石棉的应用已有千余年的历史，分为温石棉（也称蛇纹石纤维）和角闪石石棉，有致癌作用的角闪石石棉只占10%，因此，2001年国家已将角闪石石棉列入应当取缔的产品名录。而温石棉是人类宝贵的矿产资源，对人类的贡献已有2000多年的历史，其卓越的物理性能、化学性能及在塑料、橡胶、水泥等材料复合上所表现的良好的工艺性能，都是无以伦比的，具有不可替代的工业价值。最近，诸多世界一流的科学家用试验证明，温石棉更优于角闪石纤维及其他代用纤维的生物残留性。温石棉的危害主要是因为温石棉粉尘。而医学证明，在采取必要的个人防护措施（如口罩等）后情况就大不一样了，如果再加上防尘综合治理，温石棉粉尘的危害一般认为属于在人体可以接受的范围内。据了解，我国最大的石棉制品厂，经一般性劳动保护，从20世纪80年代起无一例与石棉有关的职业病发生。试验还表明，含代替纤维的最终制品的质量相等于或低于含温石棉纤维的制品，但前者价格更高，使用寿命有限，且石棉制品的代替品本身对人类健康有潜在的危害，而这种危害比任何来自温石棉的潜在危害都严重；并且温石棉制品提供了许多有利的东西，而这是其替代产品无法比拟的。

温石棉具有极好的可劈分性，较好的可纺性和较大的抗拉强度，并具有保温隔热、绝缘防腐及耐酸碱性，耐压、耐高温、有良好的摩擦性能等特有的优良性能和其它材料无以取代的特性，被广泛地应用于国防、化工、航空、火箭、冶金、建筑、轻工、重工、石油、交通、电力、机械、农药以及许多高科技领域中，是一种价廉物美不可缺少的重要非金属矿物原料，尤其在用它制造增强塑料、高速雷达扫描器、宇宙通讯高灵敏度天线圆顶等方面取得了辉煌成绩。在国防和航天工业（飞机、坦克、潜艇、导弹和火箭等方面）中亦有许多用途。目前温石棉制品或含有温石棉的制品已有3000多种，被20多个工业部门广泛应用，到目前为止还没有找到理想的温石棉代用品。在我们内燃机行业，温石棉静密封垫片不仅解决了数以千万台发动机的渗漏污染，每年节约成百上千吨的石油资源，更重要的是有效地控制了人们赖以生存的大气环境的污染。

1　密封材料的主体及性质

1．1温石棉

这是一种用途最广、最重要的石棉，颜色为白色、带绿的黄色，半透明，丝绢光泽，属单斜晶系，莫氏硬度为2～2.5（顺纤维方向为2，垂直纤维方向为2.5）。解理极完全，可劈分为极细的纤维，具有极好的可纺性。其密度平均为2500 kg/m3，没有磁性，是非导电体，具有耐火、耐碱等性能。应该指出，不同矿床，甚至同一矿床不同地段的石棉，其化学成分与理论含量都会有出入，这是因为在实际矿床中，石棉还含有少量的铁、铝、钙、镍等元素的氧化物。研究表明，温石棉的物理、化学性质与其化学成分有一定的关系，通常温石棉中MgO与SiO2的含量比为0.92～1.07，大于此比值（即MgO含量高）时，说明矿床水镁石化强烈，纤维的耐酸、耐碱性能降低。MgO，SiO2和结构水含量正常时，纤维的抗拉强度大，挠性好；当FeO，CaO含量高时，则抗拉强度小，挠性差。随着MgO含量的增高，石棉的耐热性增强。纤维中FeO含量影响其绝缘性能。

1.2密封材料的主体纤维

温石棉纤维作为密封材料的主体增强耐热材料，在密封材料成份中占60%～70%，其耐热增强的性能，在密封材料中的作用是无可取代的，比如国内外多年研究用芳纶纤维、玻璃纤维、纤维素纤维、岩棉、碳纤维和陶瓷纤维等非石棉纤维代替温石棉纤维，但用非石棉纤维做成的密封材料的耐热性、耐寒性、拉伸强度、尺寸稳定性和低应力松弛性等无法同用温石棉纤维做的密封材料相比。温石棉成份、结构上的某些特性，又对密封材料性能产生了负面效应[2]。石棉纤维对发动机密封材料性能的影响是十分复杂的，因此应首先了解石棉纤维的性质。

温石棉的化学式一般为3MgO2SiO22H2O，是含有结晶水的镁硅酸盐。化学成分理论组成为SiO2占43.35%；MgO占43.655%；H2O占13.00%。它含有两个分子的结晶水，理论含量为13%，试验室实际测定，常在12.5～15.5%之间，各矿不完全一致。一般含结晶水不少于12%，石棉纤维之间有吸附水，存在于纤维的内外表面，结晶水存于晶体构造内部。石棉镜鉴特征为纤维状，纤维呈极细的管状结构，直径为17.9～29μm。每1mm纤维束内所包含的单体纤维多至55000根。在显微镜下观察，集束的石棉纤维之间还有孔隙。

由于上述石棉的结构特性，产生的负作用有两点。

1）决定了石棉具体有极强的吸附空气中水、Cl-、SO2的能力，使密封材料中腐蚀性离子含量增大，导致密封面产生点蚀，造成腐蚀渗漏。

2）如果在密封材料复合过程中，采用的石棉纤维过粗、纤维单体过长，将会产生毛细管渗漏。

针对这两个影响密封材料密封效果的问题，可采用机械或化学处理使石棉松解，控制石棉纤维的长径比；采用烘干、化学材料屏技术解决纤维的吸水、Cl-、SO2等有害成份。

石棉纤维除吸附空气中的有害离子外，自身成份中也含有微量氯离子。虽然其含量甚微，同样会使密封材料具有腐蚀性，在密封材料复合过程中采用水洗去离子工艺，同时选材时，选用含氯离子低的石棉品种及采用缓蚀剂材料，使问题得以解决，最终复合成形的密封材料，氯离子含量应低于100×10-6，可以确保发动机密封面不产生腐蚀渗漏。

1.3腐蚀性

腐蚀性是密封材料自身化学或电化学反应产生的，是使接触物质表面产生破坏现象的性质之一。它对以压铸铝合金为材料的发动机密封面的密封效果起着十分重要的作用。如某摩托车发动机厂，由于对密封垫片材料的腐蚀性重视不够，选用的密封材料未经防腐处理，装机后，在贮存、使用过程就产生了腐蚀（俗称起泡）。腐蚀机理是铝合金的单质铝同酸根离子形成的酸液发生反应，生成铝盐和氢气，如下：

首先，铝同氯离子水溶液发生置换反应：Al+HCl→AlCl3+H2↑

然后，氯化铝发生水解反应：

AlCl3+H2O→Al（OH）3+HCl

最后，氢氧化铝在高温后发生脱水反应，形成三氧化二铝沉淀：

Al（OH）3→Al2O3↓+H2O

经过一段时间的沉积，形成Al2O3白色坚硬堆积物，造成发动机密封面处起泡，这就是化学腐蚀。经过发动机长时间的振动，堆积物脱落，也可引起泄漏。发动机密封材料对发动机箱体密封面产生腐蚀的机理是电化学腐蚀，是由密封材料中含有的电解质成分形成腐蚀电池所致。具体过程为：当密封垫片材料安装在铝合金发动机箱体密封面中间，被紧固螺栓紧固，发生平面紧密接触，因密封材料中含有氯离子和其它有害成分的能力，在相对湿度（RH）达到70%以上时，便形成电解质溶液，即形成腐蚀电池。发动机铝合金材料（作为阴极），并在它的表面上被溶液中吸收电子的物质所接受，于是，铝合金不断地活化出铝离子移入溶液中，而使发动机铝合金密封面遭受腐蚀，导致材料溶胀和溶解，致使其力学机械性能下降最终导致密封面产生渗漏。

1.4压缩回弹性

密封材料的压缩回弹性，即发动机密封垫片的力学性能，是直接影响发动机密封性的因素之一。从密封材料的密封机理上分析、密封材料要达到密封介质的目的，必须在压缩应力的作用下产生变形，以填塞发动机密封面上由于加工粗糙等凹凸不平形成的微观缺陷。发动机密封面对垫片的压力增加，接触界面的间隙就减小，压力介质流过接触面的阻力大于垫片内的介质压差时流体介质才被“密封”住。这就要求密封材料具有适当的压缩变形。而要密封材料在长期使用过程中保持良好密封性就要求垫片有良好的回弹性。

目前，我国内燃机用石棉橡胶垫片制定了行业标准，规定压缩率为15±5%，回弹率为≥55%，同时在密封材料配方设计中，耐油橡胶的含量应控制在15%以上。

1.5应力松驰性

机动车在行驶一段时间后，个别发动机密封面产生界面渗漏，检查发现预紧螺栓松动，这就是密封面联接过程中产生了应力松驰。发动机密封面连接螺栓扭力，一般在10～12N·m之间。非金属密封垫片密封部位的温度在-40～170℃之间，铝合金材料在这种热力温度条件是不会产生应力松驰现象的（金属材料通常要在很高的温度下产生应力松驰），因此说发动机密封面的渗漏，是由密封材料产生应力松弛引起的（密封垫片的低温脆化、高温软化塑流、腐蚀溶涨蠕变等），摩托车发动机用静密封材料的应力松驰率，“QC/T684-2013”标准规定控制在≤30%，要想获得应力松驰率较小的密封材料，在设计加工中应充分考虑密封材料的防老化性[3,4]。

总结了温石棉密封材料应用中的性质，得出以下优越特性：

1）强度和密度高，耐油性好：强度不小于20 MPa；浸常温燃油和高温机油后拉伸强度较高；适合发动机密封面窄小、扭矩较高和密封历程短的特点；燃油压强15MPa时无渗漏；氮气压强3MPa时无渗漏；

2）回弹力大，适应发动机颠簸振动，能有效抵抗应力松弛，减小扭矩降落；压缩率为12～22%；回弹率大于或等于55%；；

3）耐腐蚀性优良，因密封材料表面做了防腐蚀屏蔽处理，这样适合发动机机体外露，经受风吹日晒雨淋易引起密封部位腐蚀渗漏及柒膜腐蚀变色、起泡、脱落的工况特点；

4）防粘性好，适应发动机试验、磨和后经常拆装机的工况要求；200小时台架耐久试验后垫片完好，无粘连、无渗漏；

5）耐冷热冲击性优良，浸200℃机油或170℃空气老化后仍具有柔软性；发动机外露，南北气温差异较大，要求静密封材料要有较大温差变化适应性。

6）具有可变性，即材料的颜色、性能指标等可根据不同厂家发动机的实际工况要求去调整。

2　控制渗漏

2.1控制渗漏的方法

发动机有其特有的工况，工作时处在高温、高压和高速不规则振动状态。根据这一特点，目前控制发动机渗漏的方法有两类：

1）控制发动机密封面（发动机箱体结合面与密封垫片接触面）机械加工精度。金属密封面粗糙度不大于3.2μm.

2）控制密封材料性质。密封材料性质控制又可分为静搅料（搅拌）、密封材料控制和动密封材料控制。所谓静密封材料控制，就是研究静密封性的影响，揭示温石棉橡胶板为基材的静密封材料控制与发动机密封性能之间的关系。

2.2密封材料与发动机密封性质有关的主要因素

密封材料组成和性质中，与发动机密封性有密切关系的主要因素有：石棉纤维材料、橡胶材料、压缩回弹性、应力松驰性等。

1）发动机密封面机械加工精度对密封性的影响

这个问题已经有了较为深入的研究。深知提高密封面的机械加工精度，可以提高发动机的密封性。因此，发动机密封面加工精度一平面度应小于0.05mm。

2）发动机装配压力对密封性的影响

装配压力是在装配垫片时为了达到操作条件下所需密封水平而要求的压力。该压力是由作用于垫片接触面积上的螺栓负荷产生的，其数值应当足够大，以使垫片与发动机箱体结合面积相匹配，而且这个数值还要合适，能使垫片内的微孔体积（气孔体积）充分减小，以达到期望的密封水平。

3）当前对密封技术的研究应放在材料性质的研究上，按照“QC/T648-2013”的标准，应做以下几个方面的研究。

①研究密封材料中单体材料性质对密封材料性能的影响，密封材料常规是以多种单体材料相组合，按一定的配比，机械复合而成，加工工艺如图1所示。

其中某一单体材料性质的变化，会得到不同性质的密封材料，产生不同的密封效果。

② 研究密封材料主体原材料产生腐蚀现象的原因、机理及主体原材料的防腐蚀处理工艺。

③ 研究密封材料的主要物理性能、压缩回弹性、应力松弛性、腐蚀性，最终确保密封材料密封性这一综合物理性能。

图1　加工工艺框图

3　结束语

对于道路用内燃机静密封，我国现采用温石棉橡胶板材，温石棉因其具有优异的耐高温，耐介质密封性能而赋予温石棉橡胶板良好的综合性能，加之其价廉，故是长盛不衰的传统密封材料。国家工业和信息化部已发布了《温石棉行业准入标准》这就给予该行业留下了很大研究课题，如何利用好温石棉，造福于人类已是研究课题重中之重的选择。

为解决内燃机的渗漏问题，密封生产商必须突破原有的生产技术模式，采用新工艺、新的防腐蚀材料；充分利用好温石棉；生产中严格按照“QC/T684-2013”标准的技术条件，为内燃机生产厂提供优质的密封垫片，彻底解决发动机的渗漏，整体提高我国内燃机水平。

1孙秋霞.材料腐蚀与防护[M].北京：冶金工业出版社，2001

2胡国桢，石流，阎家宾.化工密封技术[M].北京：化学工业出版社，1995

3张瑞，郭珩，常钰.浅谈内燃机用环保静密封材料[J].小型内燃机与摩托车，2013（4）：88～91

4张瑞，苏梅，常钰.隔振及降噪密封衬垫板的试验研究[J].小型内燃机与摩托车，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

张瑞（1956-），男，高级工程师，主要研究方向为内燃机密封技术。

（2014-11-01）