機(jī)械密封用硬質(zhì)合金材料的類別及性能

更新更新時(shí)間：2025-02-05

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蘇州昱創(chuàng)機(jī)械密封用硬質(zhì)合金材料的類別及性能

一、硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金具有高硬度、耐磨損、耐高溫、線膨脹系數(shù)小，摩擦系數(shù)低和組對(duì)性能好等綜合優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)械密封常使用的摩擦副材料。常用的硬質(zhì)合金材料的性能如表6-1及6-2。

表6-1 國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)合金牌號(hào) 、化學(xué)成分及性能

合金類別	牌號(hào)	主要化學(xué)成分（質(zhì)量分類，%）			物理力學(xué) 性能
		WC	Co	NiCr	密度 g/cm³	洛氏硬度 HRA （不小于）	抗彎強(qiáng)度 MPa （不低于）	線膨脹系數(shù)10^-6/K （室溫～500℃）	熱導(dǎo)率W/（m，K）
WC-Co	YG6	94	6	—	14.6～15.0	89.5	1420	5.0	79.5
WC-Co	YG8	92	8	—	14.5～14.9	89	1470	5.1	75.4
WC-Co	YG15	85	15	—	13.9～14.2	87	2060	6.3	58.6
WC-Ni	YWN8	余量	—	6～8	14.4～14.8	88	1470	5.3	92.1
WC-Ni/Co	YCN3	余量	0.5	Ni2.5	15.0～15.3	91	1200	4.3	93

表6-2 國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)合金牌號(hào)及組織結(jié)構(gòu)表

合金類別	牌號(hào)	孔隙度（體積分?jǐn)?shù)，%）不大于	石墨夾雜（體積分?jǐn)?shù)%）不大于	污垢度 μm
WC—Co	YG6 YG8 YG15	A06B06	C02	≤200

			C06

WC—Ni	YWN8		C02
WC—Co/Ni	YCN3

1.鈷基硬質(zhì)合金

鈷基硬質(zhì)合金是以碳化鎢為主體，鈷為粘結(jié)相所組成的，用粉末冶金方法壓制燒結(jié)而成。硬質(zhì)合金的性能與其晶粒大小、組成及顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于鈷對(duì)碳化鎢的潤(rùn)濕性最佳，因而多用鈷為粘結(jié)相。但金屬鈷易氧化，耐蝕性差。一旦粘結(jié)相鈷受到介質(zhì)侵蝕，硬質(zhì)相碳化鎢就失去強(qiáng)度，在腐蝕和機(jī)械應(yīng)力的同時(shí)作用下，密封環(huán)便會(huì)急劇的磨蝕。鈷基硬質(zhì)合金的耐腐蝕性能見(jiàn)表6-3。

表6-3 鈷基硬質(zhì)合金耐蝕性能

穩(wěn) 定性

穩(wěn) 定

輕微腐蝕

腐蝕

不可用

使用介質(zhì)

清水、氟利昂、煤油、液態(tài)甲烷、液氫、酒精、液氦、丙酮、液氮、四氯化碳、液氧、醚、氬氣、甲醇

海水、礦坑水、鍋爐水、酯類溶劑、羥氨、造紙黑液、無(wú)水氟化氫

含硫水、硫酸鐵、食醋、冰醋酸、稀硫酸（室溫）干氯氣

鹽酸、硝酸、磷酸、稀硫酸（100℃）、氫氟酸、*（>100℃）、濕氯氣

2.鎳鉻基硬質(zhì)合金

改善碳化鎢硬質(zhì)合金耐化學(xué)侵蝕性能，可以通過(guò)三種途徑：降低粘結(jié)金屬鈷的含量；選擇耐磨蝕的粘結(jié)金屬或合金替代鈷，如Ni、Ni-Cr、Ni-Cr-Go、Ni-Mo、Pt合金等；添加TiC、TaC等耐蝕碳化物，以提高硬質(zhì)相的耐蝕性。

YWN8和YCN3即屬于鎳基、鎳鉻基硬質(zhì)合金，亦稱耐蝕硬質(zhì)合金。表6-4是YWN8與YG8耐腐蝕性比較。

表6-4 YWN8與YG6的耐腐蝕性能比較

牌號(hào)

在不同腐蝕介質(zhì)的腐蝕率（g/（㎡.h）(浸泡72h)

HNO₃88%

HNO₃ 90%

HCl 30%

H₂SO₄ 50%

NaOH 55%+NaCl 20%①

YWN8

YG8

1.103

1.494

2.837

1.732

0.151

1.12

0.0217

1.9087

0.000725

0.094

① NaOH 55%+NaCl 20%為溫度180℃，其余是室溫。

用Ni代替Co作粘結(jié)金屬，雖然可以改善硬質(zhì)合金的耐腐蝕性能，但其強(qiáng)度僅為鈷基硬質(zhì)合金的70%～80%，硬度低0.5～1HRA，而鎳鉻基硬質(zhì)合金具有很好的抗腐蝕性能，其強(qiáng)度和硬度可與鈷基硬質(zhì)合金相媲美，并且具有無(wú)磁性的性能。YWN8硬質(zhì)合金即屬這類材料。

通過(guò)對(duì)引進(jìn)機(jī)械密封用硬質(zhì)合金密封環(huán)分析，發(fā)現(xiàn)其材料大都含有TaC或TiC。添加TaC、TiC會(huì)使合金的多種性能得到改善，尤其添加TaC能抑制碳化物晶粒的長(zhǎng)大，增強(qiáng)合金的抗疲勞強(qiáng)度和抗氧化性能，還可以提高合金的抗熱震性，減少熱裂的敏感性，這對(duì)密封環(huán)是十分有利的。

3.鋼結(jié)硬質(zhì)合金

鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以碳化鈦為硬質(zhì)相，合金鋼為粘結(jié)相制造的耐腐蝕硬質(zhì)合金。它的主要特點(diǎn)是燒結(jié)成型后可以進(jìn)行機(jī)械加工，然后再進(jìn)行熱處理。這對(duì)制作形狀復(fù)雜的整體密封環(huán)是有利的，在硝酸、硫酸、氨水等介質(zhì)中使用，有良好的耐腐蝕性能。但不耐強(qiáng)堿、鹽酸和三氯化鐵熱溶液的腐蝕。由于它的硬度較低（HRC<60～65），所以耐磨性能不夠理想，特別是在含有結(jié)晶顆粒的介質(zhì)中使用時(shí)磨耗大。常用鋼結(jié)硬質(zhì)合金的物理性能及抗腐蝕性分別如表6-5及表6-6所示。

表6-5 鋼結(jié)硬質(zhì)合金的物理性能與力學(xué)性能

牌號(hào)

密度（g/cm³）

硬度(HRC)

抗彎強(qiáng)度

（MPa）

彈性模量（MPa）

熱膨脹系數(shù)

20～200℃

x10^-6/℃

退火

淬火

退火

淬火

GT35

6.50

6.40

6.25

39~46

68~72

70~73

62~66

1400～1800

1200～1400

1000～1200

3000.84

3147.94

—

2922.38

3069.48

—

8.43

9.16

7.58

表6-6 三種牌號(hào)的鋼結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的抗腐蝕性能

牌號(hào)

鋼基類型

腐蝕介質(zhì)

腐蝕率[mg/(cm².d)]

GT35

鉻鉬中合金鋼

高碳高鉻鋼

高鉻不銹鋼

HC 30%

14.6

11.6

12.4

GT35

鉻鉬中合金鋼

高碳高鉻鋼

高鉻不銹鋼

HNO₃68%

2.0

1.7

0.6

GT35

鉻鉬中合金鋼

高碳高鉻鋼

高鉻不銹鋼

H₂SO₄50%

5.0

4.7

3.8

GT35

鉻鉬中合金鋼

高碳高鉻鋼

高鉻不銹鋼

N₅Cl 10%

0.28

0.16

0.10

GT35

鉻鉬中合金鋼

高碳高鉻鋼

高鉻不銹鋼

NaOH 50%

0.04

0.03

GT35

鉻鉬中合金鋼

高碳高鉻鋼

高鉻不銹鋼

CH₃COOH 10%

3.21

0.94

0.12

4.RC硬質(zhì)合金

RC硬質(zhì)合金是以不銹鋼作基體，以銅作為粘結(jié)相，利用滲透法將低共溶的鑄造硬質(zhì)合金粉末制成耐磨面層，面層與基體之間由銅結(jié)合。面層厚度根據(jù)需要，可以控制在1~4mm內(nèi)。面層與基體的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)54MPa。

硬質(zhì)合金在銅粘結(jié)相中，顯微組織呈W₂C+WC低共熔體結(jié)構(gòu)，且以W₂C為主體；顯微硬度高，可潤(rùn)性強(qiáng)，具有良好的減磨性能，耐磨損。在含顆粒的介質(zhì)中，耐磨性能優(yōu)于其他硬質(zhì)合金。

RC合金是專門(mén)為潛水電泵用機(jī)械密封而開(kāi)發(fā)的摩擦副材料，具有抗泥沙、懸浮鹽液的磨損和腐蝕。RC合金中銅的含量約占10%～15%，具有良好的塑性，有利于緩和熱應(yīng)力；若將RC合金密封環(huán)加熱到500℃放入冷水中（反復(fù)10次），不會(huì)出現(xiàn)環(huán)裂紋和脫層，現(xiàn)已推廣用到熱油泵機(jī)械密封的摩擦副。但RC合金的耐腐性能受粘結(jié)相銅的制約，應(yīng)用范圍受到一定的限制。

5.碳化鉻硬質(zhì)合金（CN15）

碳化鉻硬質(zhì)合金是一種耐熱、耐腐蝕合金。它是以Cr₃C₂為硬質(zhì)相，Ni為粘結(jié)相，其特點(diǎn)如下：（1）導(dǎo)熱性能好其導(dǎo)熱系數(shù)是YG6的7倍，有利于釋放摩擦熱、抗熱裂。（2）在高溫下具有優(yōu)異的抗氧化性能，在1000℃空氣條件下加熱2h無(wú)任何變化。而YG6合金在600℃時(shí)已開(kāi)始氧化、變形、破裂。（3）耐腐蝕性能優(yōu)異。（4）良好的熱穩(wěn)定性在500℃溫度下將燒焊環(huán)保溫10min，然后經(jīng)油冷卻，反復(fù)10次以上，不出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象。（5）相對(duì)密度小僅為YG6合金的1/2.

CN15線膨脹系數(shù)接近于不銹鋼。利用這一特點(diǎn)，將它和不銹鋼環(huán)在真空下燒結(jié)在一起作為密封環(huán)，解決了鑲嵌結(jié)構(gòu)（硬質(zhì)合金環(huán)）在高溫工況條件下的脫環(huán)問(wèn)題。CN15合金重量輕，用作金屬波紋管端面滑動(dòng)材料，可以減輕波紋管自重，以防止因端部下垂而引起附加載荷，有利于動(dòng)平衡。CN15合金的耐磨損性能比上述硬質(zhì)合金差。表6-7、表6-8分別為CN15和YG6的物理力學(xué)性能和耐腐蝕性能的比較。

表6-7 CN15與YG6硬質(zhì)合金性能比較

牌號(hào)

密度

（g/cm³）

硬度

（HRA）

抗彎強(qiáng)度

（MPa）

高溫硬度（HV）

500℃

800℃

CN15

YG6

7.0~7.5

14.8~15.0

89.5

1000~1300

1421

914

970

530

629

表6-8 CN15與YG6抗腐蝕性能比較（失重%）

牌號(hào)

HNO₃

98%

HNO₃

68%

H₂SO₄

50%

HCl 30%

HNO₃38%

+H₂SO₄62%

NaOH 55%

+NaCl 20%

CN15

YG6

0.018

1.710

0.012

1.494

0.014

0.20

0.017

—

0.007

—

0.041

0.085

注：NaOH 55%+NaCl 20%為180℃，其余介質(zhì)溫度為室溫。

6.堆焊硬質(zhì)合金

堆焊硬質(zhì)合金有鈷基和鉻基兩種，用作機(jī)械密封摩擦副環(huán)以前者居多。鈷基堆焊硬質(zhì)合金是鈷、鉻、鎢和碳為主的合金。國(guó)外根據(jù)這類合金有光澤的特性命名為“Stellite"（司太立特）。在60年代，多用以作機(jī)械密封環(huán)的耐磨層面。由于它的硬度不高且不均勻，所以耐磨性較差，但在PV值不高的機(jī)械密封中，仍然占有很重要地位。特別適用于大軸徑，品種多，數(shù)量少的密封件。表6-9是幾種堆焊材料的成分與性能。

表6-9 堆焊硬質(zhì)合金的牌號(hào)與性能

類別		堆焊硬質(zhì)合金電焊條			堆焊硬質(zhì)合金氣焊絲
型號(hào)		TDGrC-1	TDCoCr-1	TDCoCr-2	SDCr-1	SDCoCr-1	SDCoCr-2
名稱		鉻基1號(hào) 堆焊電焊條	鈷基1號(hào) 堆焊電焊條	鈷基2號(hào) 堆焊電焊條	鉻基1號(hào) 堆焊氣焊絲	鈷基1號(hào) 堆焊氣焊絲	鈷基2號(hào) 堆焊氣焊絲
成分（%）	Cr C Ni Si Mn Fe W Co	25~31 2.5~3.3 3.0~5.0 2.8~4.2 0.5~1.5 余量	26~32 0.7~1.4 0.4~2.0 ≤1.0 ≤2.0 3.5~6.0 余量	26~32 1.2~1.7 2.0~4.0 0.4~2.0 ≤1.0 ≤2.0 7.0~9.5 余量	25~31 2.5~3.3 3.5~5.0 2.8~4.2 0.5~1.5 余量	26~32 0.7~1.4 0.4~2.0 ≤1.0 ≤2.0 3.5~6.0 余量	26~32 1.2~1.7 2.0~4.0 0.4~2.0 ≤1.0 ≤2.0 7.0~9.0 余量
堆焊層硬度（HRC)		48~54	40~45	44~48	48~54	40~45	46~50
焊條商品代號(hào)		上焊 69A ZY-7 上焊161	上焊 CoCr1	上焊 CoCr2		司太立特 6號(hào)	司太立特 12號(hào)

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