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蘇州昱創流體科技有限公司

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機械密封用硬質合金材料的類別及性能

閱讀:100      發布時間:2025-2-5
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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。

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,%

         



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/mK

WC-Co

YG6

94

6

14.615.0

89.5

1420

5.0

79.5

WC-Co

YG8

92

8

14.514.9

89

1470

5.1

75.4

WC-Co

YG15

85

15

13.914.2

87

2060

6.3

58.6

WC-Ni

YWN8

余量

68

14.414.8

88

1470

5.3

92.1

WC-Ni/Co

YCN3

余量

0.5

Ni2.5

15.015.3

91

1200

4.3

93

 

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

WCCo

YG6

YG8

YG15

A06B06

C02

200

C06

WCNi

YWN8

C02

WCCo/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

6-3   鈷基硬質合金耐蝕性能

  

   

 

 

使

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。

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

NaOH 55%+NaCl 20%為溫度180℃,其余是室溫。

 

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0.51HRA,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TaCTiC。添加TaCTiC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<6065),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。

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

20200

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

14001800

12001400

10001200

3000.84

3147.94

2922.38

3069.48

8.43

9.16

7.58

 

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YG67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CN15YG6的物理力學性能和耐腐蝕性能的比較。

 

6-7   CN15YG6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

 

6-8 CN15YG6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%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。

 

 

 

 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

堆焊電焊條

鈷基1

堆焊電焊條

鈷基2

堆焊電焊條

鉻基1

堆焊氣焊絲

鈷基1

堆焊氣焊絲

鈷基2

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

司太立特

12


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