wc-ni硬質(zhì)合金在機械密封材料中的應(yīng)用

wc-ni硬質(zhì)合金在機械密封材料中的應(yīng)用

機械密封是一種基于彈性因素的靜態(tài)和動環(huán)面的密封副方案，它依賴于介質(zhì)壓力和彈性元件壓力，以達(dá)到軸向的平衡，并依賴于軸向的末端。圖1所示為常見的1種機械密封裝置結(jié)構(gòu)圖。密封部位中動環(huán)與靜環(huán)的端面作相對滑動,其接觸面由于熱、化學(xué)、物理及機械的綜合作用,最容易發(fā)生泄漏甚至破壞。密封環(huán)的工作狀況決定了機械密封的使用性能和壽命,而密封環(huán)材料的性能直接影響密封環(huán)的工作狀況。因此,了解機械密封對密封材料性能的要求,選擇合適的密封材料是保證機械密封安全運行的關(guān)鍵。1密封硬環(huán)材料為了保證機械密封裝置中的密封環(huán)正常運轉(zhuǎn),從減磨、耐腐蝕和防止咬合等方面考慮,密封環(huán)通常配置成一對硬度不同的硬環(huán)和軟環(huán)。由于在工作過程中,密封環(huán)在啟?；蚬r發(fā)生波動時密封端面間會發(fā)生接觸而產(chǎn)生摩擦,因此需要密封硬環(huán)材料有足夠的強度、剛度、耐磨性和導(dǎo)熱性能。摩擦和流體剪切作用會使的密封環(huán)處于較高的溫度中,因此要求密封材料具有良好的導(dǎo)熱性、耐熱性和耐熱沖擊能力。為保證工作壽命,還要求密封環(huán)具有良好的耐腐蝕性能。此外,硬環(huán)還應(yīng)具有良好的成形和加工性能、低密度和低滲透性及良好的自潤滑性。任何一種材料都難以完全滿足上述全部要求,通常根據(jù)使用環(huán)境,提出密封材料的主要性能要求,據(jù)此選擇合適的材料。2熱利用性測試為了保證機械密封材料的使用壽命和運行穩(wěn)定,滑動材料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)臒嵯嗳菪院蛯?dǎo)熱性以及合適的熱膨脹系數(shù)、彈性模量和摩擦因數(shù)。WC-Ni硬質(zhì)合金因具有機械密封所要求的良好性能,因此可應(yīng)用于高壓、高轉(zhuǎn)速、高溫、腐蝕性介質(zhì)以及含有固體顆粒介質(zhì)等的工作環(huán)境。2.1改性鎳元素鎳指數(shù)法硬質(zhì)合金自20世紀(jì)20年代問世以來,鈷一直被認(rèn)為是最好的粘結(jié)相,至今仍在硬質(zhì)合金的制備中占有重要的地位。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,需求量也劇增。由于鈷資源短缺,故全世界各國的科學(xué)工作者都以鈷為戰(zhàn)略物資,在硬質(zhì)合金領(lǐng)域開展了減鈷、代鈷的研究。由于鎳在元素周期表中與鈷近鄰,密度、熔點和原子半徑都比較接近,能潤濕并很好地支撐硬質(zhì)相,且比鈷的放射性低,因此是減鈷代鈷的常用元素。WC-Ni和WC-Co系硬質(zhì)合金在燒結(jié)過程中的特點是類似的。由于Ni和Co對硬質(zhì)相的粘結(jié)強化程度不同,從而使WC-Ni在某些性能上略低于WC-Co硬質(zhì)合金。通過添加少量金屬元素強化粘結(jié)相,選用低碳細(xì)顆粒WC以及采用真空燒結(jié)工藝等可獲得具有較低孔隙度和均勻細(xì)小晶粒結(jié)構(gòu)的WC-Ni硬質(zhì)合金組織,且其硬度、抗彎強度和摩擦學(xué)性能指標(biāo)可達(dá)到或超過WC-Co系硬質(zhì)合金的性能指標(biāo),同時,其耐腐蝕性能也大大提高。另外,Ni取代放射性元素Co,在放射性條件下應(yīng)用時,具有良好的防輻射性能。在嚴(yán)格控制合金總碳與晶粒度的基礎(chǔ)上,添加適量的Mo和Cr元素,可以獲得既具有非磁性,又有良好物理和力學(xué)性能的WC-Ni系硬質(zhì)合金,從而避免受特殊工況介質(zhì)和周圍環(huán)境的影響。2.2wc-ni材料的物理及力學(xué)性能WC-Ni硬質(zhì)合金是由WC與Ni粉按一定比例混合后,再摻入成形劑,經(jīng)壓制,燒結(jié)而成。WC的熔點約為2700℃,燒結(jié)過程主要依靠Ni熔融將WC粉粒連接成一體,在高溫下有部分WC溶于Ni中形成熔點比Ni低的WC-Ni共晶體,因此隨Ni含量以及WC晶粒尺寸的改變,燒結(jié)溫度會有所不同。對于復(fù)合材料,其彈性模量、熱膨脹系數(shù)、泊松比、熱擴(kuò)散系數(shù)及熱傳導(dǎo)率等物理參數(shù)會隨各相所含比例和分布不同而有所變化。這些研究對選用WC-Ni硬質(zhì)合金作為機械密封材料有重要的參考作用。表1所列為機械密封中使用較多的WC-Ni和WC-Co系2種硬質(zhì)合金的物理和力學(xué)性能比較,YWN8和YG6合金分別為含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%Ni和6%Co的硬質(zhì)合金。從表1可以看出,通過科研工作者的不斷努力,目前WC-Ni硬質(zhì)合金的多項物理性能指標(biāo)基本達(dá)到或超過了WC-Co硬質(zhì)合金的性能指標(biāo)。2.3機械密封非織造密封的應(yīng)用由于WC-Ni硬質(zhì)合金和WC-Co硬質(zhì)合金一樣,韌性和剛性特別大、硬度高、耐磨性好、抗彎強度高、導(dǎo)熱系數(shù)大,且WC-Ni硬質(zhì)合金耐腐蝕性較WC-Co高,在中子輻射下不產(chǎn)生放射,因此可應(yīng)用于高壓、高轉(zhuǎn)速、高溫、腐蝕性介質(zhì)、含有固體顆粒介質(zhì)及放射性環(huán)境等操作工況下的機械密封。目前WC-Ni硬質(zhì)合金在車輛傳動系統(tǒng)軸密封、動力換擋變速器、特殊工況下的水泵和飛行器旋轉(zhuǎn)密封等場合,以及石化工業(yè)、核電密封等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用價值。3組織和形貌顯微組織的不均勻性會對強度產(chǎn)生不利影響。粘結(jié)相含量和分布、WC晶粒尺寸的大小、碳含量等的微小變化以及任何形式的雜質(zhì)污染都會產(chǎn)生不利于WC-Ni硬質(zhì)合金力學(xué)性能的不均勻顯微組織。3.1wc顆?；疻C-Ni硬質(zhì)合金是以Ni作為粘結(jié)金屬,在達(dá)到燒結(jié)溫度時Ni熔化并將WC顆粒燒結(jié)成一個整體而形成的,其硬度很高,加工非常困難,耐磨損性能也很好。不同的工藝得到合金的成分比例和性能會有較大差別,且WC晶粒形貌的不同也會對WC-Ni硬質(zhì)合金的性能有影響。3.1.1燒結(jié)過程對wc晶粒形貌的影響何平等認(rèn)為WC晶粒粗大會影響硬質(zhì)合金的抗彎強度,Ni的不均勻分布會導(dǎo)致合金形成脆性斷裂。要提高產(chǎn)品的斷裂韌性,必須強化WC與粘結(jié)相間的界面,或者提高粘結(jié)相的強度。因此燒結(jié)工藝和過程的控制將影響WC-Ni硬質(zhì)合金的力學(xué)性能。SHATOV等研究了硬質(zhì)合金液相燒結(jié)過程中WC晶粒形貌的變化,討論了Ti在WC-Ni硬質(zhì)合金燒結(jié)過程中對WC晶粒形貌的影響,發(fā)現(xiàn)增加Ti在WC相邊界的分布幾率會使WC晶粒變得光滑。在燒結(jié)過程中,硬質(zhì)合金中WC晶粒的形狀還受到形狀松弛和WC晶粒生長過程的影響。粘結(jié)相的平均截線(截面上任意測試直線穿過每個晶粒長度的平均值)與WC晶粒尺寸的比值越高,對WC晶粒形狀的影響越小,晶體形狀越接近等軸形貌。3.1.2殘余應(yīng)力的分布SEOL等利用中子粉末衍射分析了WC顆粒的尺寸大小及分布對WC-Ni硬質(zhì)合金材料溫度殘余應(yīng)力的影響。其研究結(jié)果表明WC顆粒的形狀對WC-Ni合金材料內(nèi)部的溫度殘余應(yīng)力分布影響較大,當(dāng)顆粒的最大徑向尺寸與最小徑向尺寸之比增大時,冷卻過程中顆粒尺寸大的地方應(yīng)變會逐漸減小,而尺寸小的地方應(yīng)變逐漸增大。殘余應(yīng)力的分布不均勻和容易釋放引起密封環(huán)的開裂。要避免溫度殘余應(yīng)力引起的密封環(huán)開裂,可以通過降低密封環(huán)的冷卻速率和選擇高熱導(dǎo)率的材料來實現(xiàn)。3.1.3wc晶粒形貌及斷裂韌性的影響SHATOV等研究了添加少量TiC的WC-Ni硬質(zhì)合金的斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展與等軸WC晶體形狀之間的關(guān)系。斷裂韌性與粘結(jié)相的平均自由距離λ(質(zhì)點之間沿著任意直線從邊到邊的直線距離)相關(guān),與WC晶粒的形狀、接觸程度及WC-Ni硬質(zhì)合金的斷裂路徑改變沒有關(guān)系。但是當(dāng)WC晶粒平滑且接觸程度降低時,穿透碳化鎢晶體的穿晶斷裂面積相對增加,而沿著碳化鎢晶界的沿晶斷裂相對減少。WC晶粒的形狀、斷裂韌性與晶粒之間的接觸程度有2種相關(guān)情況:1)WC晶粒為等軸形貌時,在Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%和22%且孔隙率較低的WC-Ni硬質(zhì)合金中,斷裂韌性隨著WC晶粒接觸程度的增強而提高;2)當(dāng)WC晶粒為平滑三角棱狀且形貌等軸值較低時,斷裂韌性隨著WC含量和接觸程度的增加而降低,合金內(nèi)沿晶斷裂數(shù)目增加。WC晶粒的等軸形貌程度降低,使其晶粒重新分布且接觸程度降低,從而減少了合金表面的WC晶粒產(chǎn)生穿晶斷裂的可能性。3.2wc-ni合金的殘余應(yīng)力當(dāng)WC-Ni合金材料內(nèi)部的金屬粘結(jié)劑Ni的含量比較高時,WC細(xì)晶粒中的壓應(yīng)力比粗顆粒中的大。這是因為當(dāng)WC含量不變時,細(xì)顆粒原料粉末所制備的粘結(jié)劑的平均自由程小于粗顆粒。而當(dāng)WC-Ni合金中含粘結(jié)劑較少時,粘結(jié)劑的平均自由程差別不大,所測溫度殘余應(yīng)力的變化也不明顯。因此在條件允許的情況下應(yīng)減少WC-Ni合金密封環(huán)Ni的含量,以減小溫度殘余應(yīng)力的分布不均,從而減少甚至避免密封環(huán)的熱裂。3.3應(yīng)力作用的影響PAGGETT等利用中子衍射儀研究了單軸壓力下WC-Ni硬質(zhì)合金(Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%,10%,20%)中WC、Ni的應(yīng)變響應(yīng)。同時測量了試樣中2個相的軸向和橫向彈性應(yīng)變,以及加載前后的溫度殘余應(yīng)力。硬質(zhì)合金零件外部載荷的應(yīng)力場同時受到所有載荷彈性和塑性響應(yīng)的影響,WC-Ni硬質(zhì)合金在各向壓力下都表現(xiàn)出體塑性。在施加載荷和原溫度殘余應(yīng)力的共同作用下,體塑性會增強。由于貫穿在整個復(fù)合材料中的不連續(xù)粘結(jié)劑相在部分區(qū)域產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,使剪切應(yīng)力的作用降低,因此外加應(yīng)變增量會在這些區(qū)域造成局部應(yīng)變的改變。物體的應(yīng)力狀態(tài)可以分解為球形應(yīng)力張量和應(yīng)力偏量,球形應(yīng)力張量表示各向為均勻受力狀態(tài),也稱靜水壓力狀態(tài),它會引起物體體積的改變;將原應(yīng)力狀態(tài)減去靜壓狀態(tài)得到應(yīng)力偏量狀態(tài),應(yīng)力偏量會引起物體形狀的變化。在壓力載荷下,變形主要發(fā)生在橫向,因此橫向高剪切區(qū)域是最容易發(fā)生流變的地方。KRAWITZ等通過中子衍射測量研究了WC-10%Ni(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硬質(zhì)合金單向壓力載荷和溫度殘余應(yīng)力的相互作用。觀察到最低外加載荷條件下Ni的塑性變形,證明外加載荷對硬質(zhì)合金材料的韌性提高有顯著作用。由外加載荷應(yīng)力引起的局部塑性變形是一種能量吸收機理,微觀結(jié)構(gòu)中任何位置的外加應(yīng)力向量大于局部應(yīng)力時,都會引起這種塑性變形。載荷大小和方向的變化都會對塑性變形產(chǎn)生影響。經(jīng)過對前人研究成果的分析,可以看到WC-Ni硬質(zhì)合金的物理和力學(xué)性能會受到WC晶粒的大小及形狀、粘結(jié)劑含量、制備工藝等因素的影響。而WC-Ni硬質(zhì)合金密封環(huán)的物理和力學(xué)性能又會影響其密封性能。因此,WC-Ni硬質(zhì)合金密封環(huán)的物理和力學(xué)性能與密封機理之間的關(guān)系還有許多問題值得研究。4wc-ni硬件應(yīng)用性能的研究4.1耐腐蝕性能比較相對WC-Co硬質(zhì)合金,WC-Ni硬質(zhì)合金的抗磨性能更優(yōu)異,這是因為其粘結(jié)劑具有良好的抗腐蝕性,WC-Ni硬質(zhì)合金的鈍化和電化學(xué)腐蝕速率都明顯低于WC-Co硬質(zhì)合金。在實際生產(chǎn)過程中的酸性條件下,以Ni做粘結(jié)劑的WC合金要比以Co做粘結(jié)劑時耐酸蝕。表2所列為WC-Ni和WC-Co硬質(zhì)合金的耐腐蝕性能比較,從腐蝕結(jié)果可以看出因以Ni取代Co使WC硬質(zhì)合金的耐蝕性能大幅度提高。但是,材料的耐腐蝕性有其針對性,它受到合金成分、晶粒尺寸,以及腐蝕條件(包括溫度、濃度、時間和腐蝕狀態(tài))的影響。例如YWN8在68%~90%HNO3介質(zhì)中的耐蝕性能與YG6合金比較沒有明顯區(qū)別,甚至略低,主要是由于金屬Ni不耐強氧化酸(HNO3)腐蝕,隨著HNO3濃度和合金中Ni含量的提高,其耐蝕性能降低。4.2wc-ni金屬密封的抗磨性能ENGQVIST等通過700h硬質(zhì)合金密封環(huán)摩擦實驗對比,對幾種WC基端面密封環(huán)的抗磨性能進(jìn)行研究。實驗結(jié)果和環(huán)表面的微觀形貌表明,相對WC-Co和WC-TiC合金,WC-Ni硬質(zhì)合金密封環(huán)抗磨性能優(yōu)異,其原因是在流體密封介質(zhì)中WC-Ni硬質(zhì)合金有很好的抗氧化能力和耐腐蝕性能,因此抗磨損性能最好。BONNY等指出WC-Ni硬質(zhì)合金的摩擦因數(shù)與粘結(jié)相的含量、晶粒尺寸及分布有關(guān),質(zhì)地較軟的粘結(jié)相在摩擦過程中容易引起粘著。粘結(jié)相的含量和組織成分還會影響WC-Ni的硬度,從而影響WC-Ni硬質(zhì)合金的抗磨性能。5wc-ni合金在機械密封中的應(yīng)用前景展望機械密封技術(shù)涉及流體力學(xué)、固體力學(xué)、潤滑、摩擦、傳熱、材料性質(zhì)、機械設(shè)計、機械動力學(xué)等多學(xué)科知識。密封界面的物理過程受到以下因素的支配:分子之間的相互作用、密封端面的幾何形狀、閉合力與開啟力的平衡,導(dǎo)熱、傳熱和相變,以及材料強度、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)等多種物理性質(zhì)等。這些因素的相互作用決定了密封的工作狀態(tài),因而對機械密封機理的研究涉及到受力變形、熱變形與流體膜之間耦合諸多問題。將多學(xué)科基本理論相結(jié)合,開展基于流/固/熱耦合的極端工況下機械密封工作機理研究,對于可靠預(yù)測此類密封的工作狀態(tài),優(yōu)化其工作性能以及指導(dǎo)密封設(shè)計具有重要的理論價值和科學(xué)意義。WC-Ni硬質(zhì)合金因高強度、高硬度、優(yōu)良的耐磨性、耐熱性,以及良好的抗腐蝕性等特點,在實際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而根據(jù)上面的綜述可知,WC-Ni硬質(zhì)合金的成分變化、各相分布、結(jié)構(gòu)缺陷、孔隙率及原料粉末顆粒形狀大小,對密封環(huán)材料的重要物理參數(shù),如摩擦因數(shù)、彈性模量、熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)等,有重要影響。對高溫、高壓等極端工況下工作的動壓機械密封,密封界面的宏觀熱效應(yīng)、受力變形,微觀應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)缺陷、材料在各向分布的均勻性、表面織構(gòu)或微/納形貌與液膜之間的協(xié)同作用機理仍然是目前密封機理研究的難點問題,因而要準(zhǔn)確預(yù)測密封的工作性能和提出合理的主要工藝參數(shù)與設(shè)計具有一定的難度。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,有限元分析方法被用于研究在流固熱耦合條件下機械密封環(huán)的密封性能和工作機理。然而目前基于流/固/熱耦合的密封機理研究,都是將密封環(huán)材料看成是均勻、連續(xù)及各向同性的理想實體來研究的,這樣會導(dǎo)致理論計算結(jié)果并不能很好地反映實際情況。WEISBROOK通過中子衍射和有限元方法分析了不同WC體積分?jǐn)?shù)的WC-Ni硬質(zhì)合金的溫度殘余應(yīng)力分布,對比研究了基于理想幾何陣列模型和實際微觀結(jié)構(gòu)模型與中子衍射方法測得的溫度殘余應(yīng)力分布情況。研究結(jié)果證實要使有限元分析結(jié)果較好的符合實際情況,需要考慮材料本身特性,使用組成材料的實際微觀結(jié)構(gòu)作為物理模型而不是以假設(shè)的幾何陣列作為分析對象。因此,綜合考慮密封環(huán)的生產(chǎn)工藝、微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)缺陷下得到的材料真實的物理參數(shù),是獲得準(zhǔn)確數(shù)值計算結(jié)果的重要前提?；赪C-Ni硬質(zhì)合金材料在機械密封中的應(yīng)用,需要進(jìn)一步開展以下研究工作:1)加強摩擦副材料摩擦磨損性能的研究,研究材料的配對性及相關(guān)機理;2)高溫高壓工作條件對WC-Ni合金密封環(huán)的相結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù)、燒結(jié)孔隙、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)、彈性模量,以及殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響;3)WC-Ni合金中各相的分