wc-ni硬质合金在机械密封材料中的应用

wc-ni硬质合金在机械密封材料中的应用

机械密封是一种基于弹性因素的静态和动环面的密封副方案，它依赖于介质压力和弹性元件压力，以达到轴向的平衡，并依赖于轴向的末端。图1所示为常见的1种机械密封装置结构图。密封部位中动环与静环的端面作相对滑动,其接触面由于热、化学、物理及机械的综合作用,最容易发生泄漏甚至破坏。密封环的工作状况决定了机械密封的使用性能和寿命,而密封环材料的性能直接影响密封环的工作状况。因此,了解机械密封对密封材料性能的要求,选择合适的密封材料是保证机械密封安全运行的关键。1密封硬环材料为了保证机械密封装置中的密封环正常运转,从减磨、耐腐蚀和防止咬合等方面考虑,密封环通常配置成一对硬度不同的硬环和软环。由于在工作过程中,密封环在启停或工况发生波动时密封端面间会发生接触而产生摩擦,因此需要密封硬环材料有足够的强度、刚度、耐磨性和导热性能。摩擦和流体剪切作用会使的密封环处于较高的温度中,因此要求密封材料具有良好的导热性、耐热性和耐热冲击能力。为保证工作寿命,还要求密封环具有良好的耐腐蚀性能。此外,硬环还应具有良好的成形和加工性能、低密度和低渗透性及良好的自润滑性。任何一种材料都难以完全满足上述全部要求,通常根据使用环境,提出密封材料的主要性能要求,据此选择合适的材料。2热利用性测试为了保证机械密封材料的使用寿命和运行稳定,滑动材料应具有适当的热相容性和导热性以及合适的热膨胀系数、弹性模量和摩擦因数。WC-Ni硬质合金因具有机械密封所要求的良好性能,因此可应用于高压、高转速、高温、腐蚀性介质以及含有固体颗粒介质等的工作环境。2.1改性镍元素镍指数法硬质合金自20世纪20年代问世以来,钴一直被认为是最好的粘结相,至今仍在硬质合金的制备中占有重要的地位。随着科学技术的迅猛发展,硬质合金的应用领域越来越广,需求量也剧增。由于钴资源短缺,故全世界各国的科学工作者都以钴为战略物资,在硬质合金领域开展了减钴、代钴的研究。由于镍在元素周期表中与钴近邻,密度、熔点和原子半径都比较接近,能润湿并很好地支撑硬质相,且比钴的放射性低,因此是减钴代钴的常用元素。WC-Ni和WC-Co系硬质合金在烧结过程中的特点是类似的。由于Ni和Co对硬质相的粘结强化程度不同,从而使WC-Ni在某些性能上略低于WC-Co硬质合金。通过添加少量金属元素强化粘结相,选用低碳细颗粒WC以及采用真空烧结工艺等可获得具有较低孔隙度和均匀细小晶粒结构的WC-Ni硬质合金组织,且其硬度、抗弯强度和摩擦学性能指标可达到或超过WC-Co系硬质合金的性能指标,同时,其耐腐蚀性能也大大提高。另外,Ni取代放射性元素Co,在放射性条件下应用时,具有良好的防辐射性能。在严格控制合金总碳与晶粒度的基础上,添加适量的Mo和Cr元素,可以获得既具有非磁性,又有良好物理和力学性能的WC-Ni系硬质合金,从而避免受特殊工况介质和周围环境的影响。2.2wc-ni材料的物理及力学性能WC-Ni硬质合金是由WC与Ni粉按一定比例混合后,再掺入成形剂,经压制,烧结而成。WC的熔点约为2700℃,烧结过程主要依靠Ni熔融将WC粉粒连接成一体,在高温下有部分WC溶于Ni中形成熔点比Ni低的WC-Ni共晶体,因此随Ni含量以及WC晶粒尺寸的改变,烧结温度会有所不同。对于复合材料,其弹性模量、热膨胀系数、泊松比、热扩散系数及热传导率等物理参数会随各相所含比例和分布不同而有所变化。这些研究对选用WC-Ni硬质合金作为机械密封材料有重要的参考作用。表1所列为机械密封中使用较多的WC-Ni和WC-Co系2种硬质合金的物理和力学性能比较,YWN8和YG6合金分别为含质量分数为8%Ni和6%Co的硬质合金。从表1可以看出,通过科研工作者的不断努力,目前WC-Ni硬质合金的多项物理性能指标基本达到或超过了WC-Co硬质合金的性能指标。2.3机械密封非织造密封的应用由于WC-Ni硬质合金和WC-Co硬质合金一样,韧性和刚性特别大、硬度高、耐磨性好、抗弯强度高、导热系数大,且WC-Ni硬质合金耐腐蚀性较WC-Co高,在中子辐射下不产生放射,因此可应用于高压、高转速、高温、腐蚀性介质、含有固体颗粒介质及放射性环境等操作工况下的机械密封。目前WC-Ni硬质合金在车辆传动系统轴密封、动力换挡变速器、特殊工况下的水泵和飞行器旋转密封等场合,以及石化工业、核电密封等领域都有很大的应用价值。3组织和形貌显微组织的不均匀性会对强度产生不利影响。粘结相含量和分布、WC晶粒尺寸的大小、碳含量等的微小变化以及任何形式的杂质污染都会产生不利于WC-Ni硬质合金力学性能的不均匀显微组织。3.1wc颗粒化WC-Ni硬质合金是以Ni作为粘结金属,在达到烧结温度时Ni熔化并将WC颗粒烧结成一个整体而形成的,其硬度很高,加工非常困难,耐磨损性能也很好。不同的工艺得到合金的成分比例和性能会有较大差别,且WC晶粒形貌的不同也会对WC-Ni硬质合金的性能有影响。3.1.1烧结过程对wc晶粒形貌的影响何平等认为WC晶粒粗大会影响硬质合金的抗弯强度,Ni的不均匀分布会导致合金形成脆性断裂。要提高产品的断裂韧性,必须强化WC与粘结相间的界面,或者提高粘结相的强度。因此烧结工艺和过程的控制将影响WC-Ni硬质合金的力学性能。SHATOV等研究了硬质合金液相烧结过程中WC晶粒形貌的变化,讨论了Ti在WC-Ni硬质合金烧结过程中对WC晶粒形貌的影响,发现增加Ti在WC相边界的分布几率会使WC晶粒变得光滑。在烧结过程中,硬质合金中WC晶粒的形状还受到形状松弛和WC晶粒生长过程的影响。粘结相的平均截线(截面上任意测试直线穿过每个晶粒长度的平均值)与WC晶粒尺寸的比值越高,对WC晶粒形状的影响越小,晶体形状越接近等轴形貌。3.1.2残余应力的分布SEOL等利用中子粉末衍射分析了WC颗粒的尺寸大小及分布对WC-Ni硬质合金材料温度残余应力的影响。其研究结果表明WC颗粒的形状对WC-Ni合金材料内部的温度残余应力分布影响较大,当颗粒的最大径向尺寸与最小径向尺寸之比增大时,冷却过程中颗粒尺寸大的地方应变会逐渐减小,而尺寸小的地方应变逐渐增大。残余应力的分布不均匀和容易释放引起密封环的开裂。要避免温度残余应力引起的密封环开裂,可以通过降低密封环的冷却速率和选择高热导率的材料来实现。3.1.3wc晶粒形貌及断裂韧性的影响SHATOV等研究了添加少量TiC的WC-Ni硬质合金的断裂韧性和裂纹扩展与等轴WC晶体形状之间的关系。断裂韧性与粘结相的平均自由距离λ(质点之间沿着任意直线从边到边的直线距离)相关,与WC晶粒的形状、接触程度及WC-Ni硬质合金的断裂路径改变没有关系。但是当WC晶粒平滑且接触程度降低时,穿透碳化钨晶体的穿晶断裂面积相对增加,而沿着碳化钨晶界的沿晶断裂相对减少。WC晶粒的形状、断裂韧性与晶粒之间的接触程度有2种相关情况:1)WC晶粒为等轴形貌时,在Ni的质量分数为14%和22%且孔隙率较低的WC-Ni硬质合金中,断裂韧性随着WC晶粒接触程度的增强而提高;2)当WC晶粒为平滑三角棱状且形貌等轴值较低时,断裂韧性随着WC含量和接触程度的增加而降低,合金内沿晶断裂数目增加。WC晶粒的等轴形貌程度降低,使其晶粒重新分布且接触程度降低,从而减少了合金表面的WC晶粒产生穿晶断裂的可能性。3.2wc-ni合金的残余应力当WC-Ni合金材料内部的金属粘结剂Ni的含量比较高时,WC细晶粒中的压应力比粗颗粒中的大。这是因为当WC含量不变时,细颗粒原料粉末所制备的粘结剂的平均自由程小于粗颗粒。而当WC-Ni合金中含粘结剂较少时,粘结剂的平均自由程差别不大,所测温度残余应力的变化也不明显。因此在条件允许的情况下应减少WC-Ni合金密封环Ni的含量,以减小温度残余应力的分布不均,从而减少甚至避免密封环的热裂。3.3应力作用的影响PAGGETT等利用中子衍射仪研究了单轴压力下WC-Ni硬质合金(Ni的质量分数为5%,10%,20%)中WC、Ni的应变响应。同时测量了试样中2个相的轴向和横向弹性应变,以及加载前后的温度残余应力。硬质合金零件外部载荷的应力场同时受到所有载荷弹性和塑性响应的影响,WC-Ni硬质合金在各向压力下都表现出体塑性。在施加载荷和原温度残余应力的共同作用下,体塑性会增强。由于贯穿在整个复合材料中的不连续粘结剂相在部分区域产生预应力,使剪切应力的作用降低,因此外加应变增量会在这些区域造成局部应变的改变。物体的应力状态可以分解为球形应力张量和应力偏量,球形应力张量表示各向为均匀受力状态,也称静水压力状态,它会引起物体体积的改变;将原应力状态减去静压状态得到应力偏量状态,应力偏量会引起物体形状的变化。在压力载荷下,变形主要发生在横向,因此横向高剪切区域是最容易发生流变的地方。KRAWITZ等通过中子衍射测量研究了WC-10%Ni(质量分数)硬质合金单向压力载荷和温度残余应力的相互作用。观察到最低外加载荷条件下Ni的塑性变形,证明外加载荷对硬质合金材料的韧性提高有显著作用。由外加载荷应力引起的局部塑性变形是一种能量吸收机理,微观结构中任何位置的外加应力向量大于局部应力时,都会引起这种塑性变形。载荷大小和方向的变化都会对塑性变形产生影响。经过对前人研究成果的分析,可以看到WC-Ni硬质合金的物理和力学性能会受到WC晶粒的大小及形状、粘结剂含量、制备工艺等因素的影响。而WC-Ni硬质合金密封环的物理和力学性能又会影响其密封性能。因此,WC-Ni硬质合金密封环的物理和力学性能与密封机理之间的关系还有许多问题值得研究。4wc-ni硬件应用性能的研究4.1耐腐蚀性能比较相对WC-Co硬质合金,WC-Ni硬质合金的抗磨性能更优异,这是因为其粘结剂具有良好的抗腐蚀性,WC-Ni硬质合金的钝化和电化学腐蚀速率都明显低于WC-Co硬质合金。在实际生产过程中的酸性条件下,以Ni做粘结剂的WC合金要比以Co做粘结剂时耐酸蚀。表2所列为WC-Ni和WC-Co硬质合金的耐腐蚀性能比较,从腐蚀结果可以看出因以Ni取代Co使WC硬质合金的耐蚀性能大幅度提高。但是,材料的耐腐蚀性有其针对性,它受到合金成分、晶粒尺寸,以及腐蚀条件(包括温度、浓度、时间和腐蚀状态)的影响。例如YWN8在68%~90%HNO3介质中的耐蚀性能与YG6合金比较没有明显区别,甚至略低,主要是由于金属Ni不耐强氧化酸(HNO3)腐蚀,随着HNO3浓度和合金中Ni含量的提高,其耐蚀性能降低。4.2wc-ni金属密封的抗磨性能ENGQVIST等通过700h硬质合金密封环摩擦实验对比,对几种WC基端面密封环的抗磨性能进行研究。实验结果和环表面的微观形貌表明,相对WC-Co和WC-TiC合金,WC-Ni硬质合金密封环抗磨性能优异,其原因是在流体密封介质中WC-Ni硬质合金有很好的抗氧化能力和耐腐蚀性能,因此抗磨损性能最好。BONNY等指出WC-Ni硬质合金的摩擦因数与粘结相的含量、晶粒尺寸及分布有关,质地较软的粘结相在摩擦过程中容易引起粘着。粘结相的含量和组织成分还会影响WC-Ni的硬度,从而影响WC-Ni硬质合金的抗磨性能。5wc-ni合金在机械密封中的应用前景展望机械密封技术涉及流体力学、固体力学、润滑、摩擦、传热、材料性质、机械设计、机械动力学等多学科知识。密封界面的物理过程受到以下因素的支配:分子之间的相互作用、密封端面的几何形状、闭合力与开启力的平衡,导热、传热和相变,以及材料强度、弹性模量、导热系数等多种物理性质等。这些因素的相互作用决定了密封的工作状态,因而对机械密封机理的研究涉及到受力变形、热变形与流体膜之间耦合诸多问题。将多学科基本理论相结合,开展基于流/固/热耦合的极端工况下机械密封工作机理研究,对于可靠预测此类密封的工作状态,优化其工作性能以及指导密封设计具有重要的理论价值和科学意义。WC-Ni硬质合金因高强度、高硬度、优良的耐磨性、耐热性,以及良好的抗腐蚀性等特点,在实际生产中得到了广泛的应用。然而根据上面的综述可知,WC-Ni硬质合金的成分变化、各相分布、结构缺陷、孔隙率及原料粉末颗粒形状大小,对密封环材料的重要物理参数,如摩擦因数、弹性模量、热导率和热膨胀系数等,有重要影响。对高温、高压等极端工况下工作的动压机械密封,密封界面的宏观热效应、受力变形,微观应力分布、结构缺陷、材料在各向分布的均匀性、表面织构或微/纳形貌与液膜之间的协同作用机理仍然是目前密封机理研究的难点问题,因而要准确预测密封的工作性能和提出合理的主要工艺参数与设计具有一定的难度。随着计算机技术的迅速发展,有限元分析方法被用于研究在流固热耦合条件下机械密封环的密封性能和工作机理。然而目前基于流/固/热耦合的密封机理研究,都是将密封环材料看成是均匀、连续及各向同性的理想实体来研究的,这样会导致理论计算结果并不能很好地反映实际情况。WEISBROOK通过中子衍射和有限元方法分析了不同WC体积分数的WC-Ni硬质合金的温度残余应力分布,对比研究了基于理想几何阵列模型和实际微观结构模型与中子衍射方法测得的温度残余应力分布情况。研究结果证实要使有限元分析结果较好的符合实际情况,需要考虑材料本身特性,使用组成材料的实际微观结构作为物理模型而不是以假设的几何阵列作为分析对象。因此,综合考虑密封环的生产工艺、微观结构和结构缺陷下得到的材料真实的物理参数,是获得准确数值计算结果的重要前提。基于WC-Ni硬质合金材料在机械密封中的应用,需要进一步开展以下研究工作:1)加强摩擦副材料摩擦磨损性能的研究,研究材料的配对性及相关机理;2)高温高压工作条件对WC-Ni合金密封环的相结构、热膨胀系数、烧结孔隙、热导率、热扩散系数、弹性模量,以及残余应力应变的影响;3)WC-Ni合金中各相的分