更新时间：2025-02-05 
阅读：97苏州昱创机械密封用硬质合金材料的类别及性能
一、硬质合金
硬质合金具有高硬度、耐磨损、耐高温、线膨胀系数小，摩擦系数低和组对性能好等综合优点，是机械密封常使用的摩擦副材料。常用的硬质合金材料的性能如表6-1及6-2。
表6-1 国产硬质合金牌号 、化学成分及性能
合金类别 | 牌号 | 主要化学成分 （质量分类，%） | 物 理 力 学 性 能 | ||||||
WC | Co | NiCr | 密度 g/cm3 | 洛氏硬度 HRA （不小于 ） | 抗弯强度 MPa （不低于） | 线膨胀系数10-6/K （室温～500℃） | 热导率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 国产硬质合金牌号及组织结构表
合金类别 | 牌号 | 孔隙度（体积分数，%） 不大于 | 石墨夹杂（体积分数%）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.钴基硬质合金
钴基硬质合金是以碳化钨为主体，钴为粘结相所组成的，用粉末冶金方法压制烧结而成。硬质合金的性能与其晶粒大小、组成及显微结构有关。由于钴对碳化钨的润湿性最佳，因而多用钴为粘结相。但金属钴易氧化，耐蚀性差。一旦粘结相钴受到介质侵蚀，硬质相碳化钨就失去强度，在腐蚀和机械应力的同时作用下，密封环便会急剧的磨蚀。钴基硬质合金的耐腐蚀性能见表6-3。
表6-3 钴基硬质合金耐蚀性能
稳 定 性 | 稳 定 | 轻 微 腐 蚀 | 腐 蚀 | 不 可 用 |
使 用 介 质 | 清水、氟利昂、煤油、液态甲烷、液氢、酒精、液氦、丙酮、液氮、四氯化碳、液氧、醚、氩气、甲醇 | 海水、矿坑水、锅炉水、酯类溶剂、羟氨、造纸黑液、无水氟化氢 | 含硫水、硫酸铁、食醋、冰醋酸、稀硫酸（室温）干氯气 | 盐酸、硝酸、磷酸、稀硫酸（100℃）、氢氟酸、氢氧化钠（>100℃）、湿氯气 |
2.镍铬基硬质合金
改善碳化钨硬质合金耐化学侵蚀性能，可以通过三种途径：降低粘结金属钴的含量；选择耐磨蚀的粘结金属或合金替代钴，如Ni、Ni-Cr、Ni-Cr-Go、Ni-Mo、Pt合金等；添加TiC、TaC等耐蚀碳化物，以提高硬质相的耐蚀性。
YWN8和YCN3即属于镍基、镍铬基硬质合金，亦称耐蚀硬质合金。表6-4是YWN8与YG8耐腐蚀性比较。
表6-4 YWN8与YG6的耐腐蚀性能比较
牌号 | 在不同腐蚀介质的腐蚀率 （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%为温度180℃，其余是室温。
用Ni代替Co作粘结金属，虽然可以改善硬质合金的耐腐蚀性能，但其强度仅为钴基硬质合金的70%～80%，硬度低0.5～1HRA，而镍铬基硬质合金具有很好的抗腐蚀性能，其强度和硬度可与钴基硬质合金相媲美，并且具有无磁性的性能。YWN8硬质合金即属这类材料。
通过对引进机械密封用硬质合金密封环分析，发现其材料大都含有TaC或TiC。添加TaC、TiC会使合金的多种性能得到改善，尤其添加TaC能抑制碳化物晶粒的长大，增强合金的抗疲劳强度和抗氧化性能，还可以提高合金的抗热震性，减少热裂的敏感性，这对密封环是十分有利的。
3.钢结硬质合金
钢结硬质合金是以碳化钛为硬质相，合金钢为粘结相制造的耐腐蚀硬质合金。它的主要特点是烧结成型后可以进行机械加工，然后再进行热处理。这对制作形状复杂的整体密封环是有利的，在硝酸、硫酸、氨水等介质中使用，有良好的耐腐蚀性能。但不耐强碱、盐酸和三氯化铁热溶液的腐蚀。由于它的硬度较低（HRC<60～65），所以耐磨性能不够理想，特别是在含有结晶颗粒的介质中使用时磨耗大。常用钢结硬质合金的物理性能及抗腐蚀性分别如表6-5及表6-6所示。
表6-5 钢结硬质合金的物理性能与力学性能
牌号 | 密度（g/cm3） | 硬度(HRC) | 抗弯强度 （MPa） | 弹性模量 （MPa） | 热膨胀系数 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 三种牌号的钢结构硬质合金的抗腐蚀性能
牌号 | 钢基类型 | 腐蚀介质 | 腐蚀率[mg/(cm2.d)] |
GT35 R5 R8 | 铬钼中合金钢 高碳高铬钢 高铬不锈钢 | HC 30% | 14.6 11.6 12.4 |
GT35 R5 R8 | 铬钼中合金钢 高碳高铬钢 高铬不锈钢 | HNO3 68% | 2.0 1.7 0.6 |
GT35 R5 R8 | 铬钼中合金钢 高碳高铬钢 高铬不锈钢 | H2SO4 50% | 5.0 4.7 3.8 |
GT35 R5 R8 | 铬钼中合金钢 高碳高铬钢 高铬不锈钢 | N5Cl 10% | 0.28 0.16 0.10 |
GT35 R5 R8 | 铬钼中合金钢 高碳高铬钢 高铬不锈钢 | NaOH 50% | 0.04 0.04 0.03 |
GT35 R5 R8 | 铬钼中合金钢 高碳高铬钢 高铬不锈钢 | CH3COOH 10% | 3.21 0.94 0.12 |
4.RC硬质合金
RC硬质合金是以不锈钢作基体，以铜作为粘结相，利用渗透法将低共溶的铸造硬质合金粉末制成耐磨面层，面层与基体之间由铜结合。面层厚度根据需要，可以控制在1~4mm内。面层与基体的结合强度可达54MPa。
硬质合金在铜粘结相中，显微组织呈W2C+WC低共熔体结构，且以W2C为主体；显微硬度高，可润性强，具有良好的减磨性能，耐磨损。在含颗粒的介质中，耐磨性能优于其他硬质合金。
RC合金是专门为潜水电泵用机械密封而开发的摩擦副材料，具有抗泥沙、悬浮盐液的磨损和腐蚀。RC合金中铜的含量约占10%～15%，具有良好的塑性，有利于缓和热应力；若将RC合金密封环加热到500℃放入冷水中（反复10次），不会出现环裂纹和脱层，现已推广用到热油泵机械密封的摩擦副。但RC合金的耐腐性能受粘结相铜的制约，应用范围受到一定的限制。
5.碳化铬硬质合金（CN15）
碳化铬硬质合金是一种耐热、耐腐蚀合金。它是以Cr3C2为硬质相，Ni为粘结相，其特点如下：（1）导热性能好 其导热系数是YG6的7倍，有利于释放摩擦热、抗热裂。（2）在高温下具有优异的抗氧化性能，在1000℃空气条件下加热2h无任何变化。而YG6合金在600℃时已开始氧化、变形、破裂。（3）耐腐蚀性能优异。（4）良好的热稳定性 在500℃温度下将烧焊环保温10min，然后经油冷却，反复10次以上，不出现炸裂现象。（5）相对密度小 仅为YG6合金的1/2.
CN15线膨胀系数接近于不锈钢。利用这一特点，将它和不锈钢环在真空下烧结在一起作为密封环，解决了镶嵌结构（硬质合金环）在高温工况条件下的脱环问题。CN15合金重量轻，用作金属波纹管端面滑动材料，可以减轻波纹管自重，以防止因端部下垂而引起附加载荷，有利于动平衡。CN15合金的耐磨损性能比上述硬质合金差。表6-7、表6-8分别为CN15和YG6的物理力学性能和耐腐蚀性能的比较。
表6-7 CN15与YG6硬质合金性能比较
牌号 | 密度 （g/cm3） | 硬度 （HRA） | 抗弯强度 （MPa） | 高温硬度（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与YG6抗腐蚀性能比较（失重%）
牌号 | 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%为180℃，其余介质温度为室温。
6.堆焊硬质合金
堆焊硬质合金有钴基和铬基两种，用作机械密封摩擦副环以前者居多。钴基堆焊硬质合金是钴、铬、钨和碳为主的合金。国外根据这类合金有光泽的特性命名为“Stellite"（司太立特）。在60年代，多用以作机械密封环的耐磨层面。由于它的硬度不高且不均匀，所以耐磨性较差，但在PV值不高的机械密封中，仍然占有很重要地位。特别适用于大轴径，品种多，数量少的密封件。表6-9是几种堆焊材料的成分与性能。
表6-9 堆焊硬质合金的牌号与性能
类别 | 堆焊硬质合金电焊条 | 堆焊硬质合金气焊丝 | |||||
型号 | TDGrC-1 | TDCoCr-1 | TDCoCr-2 | SDCr-1 | SDCoCr-1 | SDCoCr-2 | |
名称 | 铬基1号 堆焊电焊条 | 钴基1号 堆焊电焊条 | 钴基2号 堆焊电焊条 | 铬基1号 堆焊气焊丝 | 钴基1号 堆焊气焊丝 | 钴基2号 堆焊气焊丝 | |
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 |
堆焊层硬度（HRC) | 48~54 | 40~45 | 44~48 | 48~54 | 40~45 | 46~50 | |
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