蘇州昱創機械密封用硬質合金材料的類別及性能
一、硬質合金
硬質合金具有高硬度、耐磨損、耐高溫、線膨脹系數小，摩擦系數低和組對性能好等綜合優點，是機械密封常使用的摩擦副材料。常用的硬質合金材料的性能如表6-1及6-2。
表6-1 國產硬質合金牌號 、化學成分及性能
合金類別 | 牌號 | 主要化學成分 （質量分類，%） | 物 理 力 學 性 能 | ||||||
WC | Co | NiCr | 密度 g/cm3 | 洛氏硬度 HRA （不小于 ） | 抗彎強度 MPa （不低于） | 線膨脹系數10-6/K （室溫～500℃） | 熱導率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 國產硬質合金牌號及組織結構表
合金類別 | 牌號 | 孔隙度（體積分數，%） 不大于 | 石墨夾雜（體積分數%）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.鈷基硬質合金
鈷基硬質合金是以碳化鎢為主體，鈷為粘結相所組成的，用粉末冶金方法壓制燒結而成。硬質合金的性能與其晶粒大小、組成及顯微結構有關。由于鈷對碳化鎢的潤濕性最佳，因而多用鈷為粘結相。但金屬鈷易氧化，耐蝕性差。一旦粘結相鈷受到介質侵蝕，硬質相碳化鎢就失去強度，在腐蝕和機械應力的同時作用下，密封環便會急劇的磨蝕。鈷基硬質合金的耐腐蝕性能見表6-3。
表6-3 鈷基硬質合金耐蝕性能
穩 定 性 | 穩 定 | 輕 微 腐 蝕 | 腐 蝕 | 不 可 用 |
使 用 介 質 | 清水、氟利昂、煤油、液態甲烷、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、氫氧化鈉（>100℃）、濕氯氣 |
2.鎳鉻基硬質合金
改善碳化鎢硬質合金耐化學侵蝕性能，可以通過三種途徑：降低粘結金屬鈷的含量；選擇耐磨蝕的粘結金屬或合金替代鈷，如Ni、Ni-Cr、Ni-Cr-Go、Ni-Mo、Pt合金等；添加TiC、TaC等耐蝕碳化物，以提高硬質相的耐蝕性。
YWN8和YCN3即屬于鎳基、鎳鉻基硬質合金，亦稱耐蝕硬質合金。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 | 在不同腐蝕介質的腐蝕率 （g/（㎡.h）(浸泡72h) | ||||
HNO3 88% | 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作粘結金屬，雖然可以改善硬質合金的耐腐蝕性能，但其強度僅為鈷基硬質合金的70%～80%，硬度低0.5～1HRA，而鎳鉻基硬質合金具有很好的抗腐蝕性能，其強度和硬度可與鈷基硬質合金相媲美，并且具有無磁性的性能。YWN8硬質合金即屬這類材料。
通過對引進機械密封用硬質合金密封環分析，發現其材料大都含有TaC或TiC。添加TaC、TiC會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大，增強合金的抗疲勞強度和抗氧化性能，還可以提高合金的抗熱震性，減少熱裂的敏感性，這對密封環是十分有利的。
3.鋼結硬質合金
鋼結硬質合金是以碳化鈦為硬質相，合金鋼為粘結相制造的耐腐蝕硬質合金。它的主要特點是燒結成型后可以進行機械加工，然后再進行熱處理。這對制作形狀復雜的整體密封環是有利的，在硝酸、硫酸、氨水等介質中使用，有良好的耐腐蝕性能。但不耐強堿、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，特別是在含有結晶顆粒的介質中使用時磨耗大。常用鋼結硬質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 鋼結硬質合金的物理性能與力學性能
牌號 | 密度（g/cm3） | 硬度(HRC) | 抗彎強度 （MPa） | 彈性模量 （MPa） | 熱膨脹系數 20～200℃ x10-6/℃ | ||
退火 | 淬火 | 退火 | 淬火 | ||||
GT35 R5 R8 | 6.50 6.40 6.25 | 39~46 46 45 | 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 三種牌號的鋼結構硬質合金的抗腐蝕性能
牌號 | 鋼基類型 | 腐蝕介質 | 腐蝕率[mg/(cm2.d)] |
GT35 R5 R8 | 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 R5 R8 | 鉻鉬中合金鋼 高碳高鉻鋼 高鉻不銹鋼 | HNO3 68% | 2.0 1.7 0.6 |
GT35 R5 R8 | 鉻鉬中合金鋼 高碳高鉻鋼 高鉻不銹鋼 | H2SO4 50% | 5.0 4.7 3.8 |
GT35 R5 R8 | 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 R5 R8 | 鉻鉬中合金鋼 高碳高鉻鋼 高鉻不銹鋼 | NaOH 50% | 0.04 0.04 0.03 |
GT35 R5 R8 | 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硬質合金
RC硬質合金是以不銹鋼作基體，以銅作為粘結相，利用滲透法將低共溶的鑄造硬質合金粉末制成耐磨面層，面層與基體之間由銅結合。面層厚度根據需要，可以控制在1~4mm內。面層與基體的結合強度可達54MPa。
硬質合金在銅粘結相中，顯微組織呈W2C+WC低共熔體結構，且以W2C為主體；顯微硬度高，可潤性強，具有良好的減磨性能，耐磨損。在含顆粒的介質中，耐磨性能優于其他硬質合金。
RC合金是專門為潛水電泵用機械密封而開發的摩擦副材料，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，有利于緩和熱應力；若將RC合金密封環加熱到500℃放入冷水中（反復10次），不會出現環裂紋和脫層，現已推廣用到熱油泵機械密封的摩擦副。但RC合金的耐腐性能受粘結相銅的制約，應用范圍受到一定的限制。
5.碳化鉻硬質合金（CN15）
碳化鉻硬質合金是一種耐熱、耐腐蝕合金。它是以Cr3C2為硬質相，Ni為粘結相，其特點如下：（1）導熱性能好 其導熱系數是YG6的7倍，有利于釋放摩擦熱、抗熱裂。（2）在高溫下具有優異的抗氧化性能，在1000℃空氣條件下加熱2h無任何變化。而YG6合金在600℃時已開始氧化、變形、破裂。（3）耐腐蝕性能優異。（4）良好的熱穩定性 在500℃溫度下將燒焊環保溫10min，然后經油冷卻，反復10次以上，不出現炸裂現象。（5）相對密度小 僅為YG6合金的1/2.
CN15線膨脹系數接近于不銹鋼。利用這一特點，將它和不銹鋼環在真空下燒結在一起作為密封環，解決了鑲嵌結構（硬質合金環）在高溫工況條件下的脫環問題。CN15合金重量輕，用作金屬波紋管端面滑動材料，可以減輕波紋管自重，以防止因端部下垂而引起附加載荷，有利于動平衡。CN15合金的耐磨損性能比上述硬質合金差。表6-7、表6-8分別為CN15和YG6的物理力學性能和耐腐蝕性能的比較。
表6-7 CN15與YG6硬質合金性能比較
牌號 | 密度 （g/cm3） | 硬度 （HRA） | 抗彎強度 （MPa） | 高溫硬度（HV） | |
500℃ | 800℃ | ||||
CN15 YG6 | 7.0~7.5 14.8~15.0 | 88 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 | HNO3 98% | HNO3 68% | H2SO4 50% | HCl 30% | HNO3 38% +H2SO4 62% | 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℃，其余介質溫度為室溫。
6.堆焊硬質合金
堆焊硬質合金有鈷基和鉻基兩種，用作機械密封摩擦副環以前者居多。鈷基堆焊硬質合金是鈷、鉻、鎢和碳為主的合金。國外根據這類合金有光澤的特性命名為“Stellite"（司太立特）。在60年代，多用以作機械密封環的耐磨層面。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 堆焊硬質合金的牌號與性能
類別 | 堆焊硬質合金電焊條 | 堆焊硬質合金氣焊絲 | |||||
型號 | TDGrC-1 | TDCoCr-1 | TDCoCr-2 | SDCr-1 | SDCoCr-1 | SDCoCr-2 | |
名稱 | 鉻基1號 堆焊電焊條 | 鈷基1號 堆焊電焊條 | 鈷基2號 堆焊電焊條 | 鉻基1號 堆焊氣焊絲 | 鈷基1號 堆焊氣焊絲 | 鈷基2號 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 | 上焊 69A ZY-7 上焊161 | 上焊 CoCr1 | 上焊 CoCr2 | 司太立特 6號 | 司太立特 12號 | ||
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