機械密封是一種依靠彈性元件對靜、動環端面密封副預緊，依靠介質壓力與彈性元件壓力達到軸向平衡，從而實現軸向端面密封的裝置。密封部位中動環與靜環的端面作相對滑動，其接觸面由于熱、化學、物理及機械的綜合作用，最容易發生泄漏甚至破壞。密封環的工作狀況決定了機械密封的使用性能和壽命，而密封環材料的性能直接影響密封環的工作狀況。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鍵。
1 機械密封對密封副材料的要求
為了保證機械密封裝置中的密封環正常運轉，從減磨、耐腐蝕和防止咬合等方面考慮，密封環通常配置成一對硬度不同的硬環和軟環。由于在工作過程中，密封環在啟停或工況發生波動時密封端面問會發生接觸而產生摩擦，因此需要密封硬環材料有足夠的強度、剛度、耐磨性和導熱性能。摩擦和流體剪切作用會使的密封環處于較高的溫的密封環處于較高的溫度中，因此要求密封材料具有良好的導熱性、耐熱性和耐熱沖擊能力。為保證工作壽命，還要求密封環具有良好的耐腐蝕性能。此外，硬環還應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，通常根據使用環境，提出密封材料的主要性能要求，據此選擇合適的材料。
2 WC-Ni硬質合金作為機械密封材料的應用
為了保證機械密封材料的使用壽命和運行穩定，滑動材料應具有適當的熱相容性和導熱性以及合適的熱膨脹系數、彈性模量和摩擦因數。WC-Ni硬質合金因具有機械密封所要求的良好性能，因此可應用于高壓、高轉速、高溫、腐蝕性介質以及含有固體顆粒介質等的工作環境。
2.1 WC-Ni 硬質合金的特性
硬質合金自20世紀20年代問世以來，鈷一直被認為是最好的粘結相，至今仍在硬質合金的制備中占有重要的地位。隨著科學技術的迅猛發展，硬質合金的應用領域越來越廣，需求量也劇增。
由于鈷資源短缺，故全世界各國的科學工作者都以鈷為戰略物資，在硬質合金領域開展了減鈷、代鉆的研究。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相，且比鉆的放射性低，因此是減鈷代鈷的常用元素[7]。
WC-Ni和WC-Co系硬質合金在燒結過程中的特點是類似的。由于Ni和Co對硬質相的粘結強化程度不同，從而使 WC-Ni在某些性能上略低于WC-Co硬質合金。通過添加少量金屬元素強化粘結相，選用低碳細顆粒WC以及采用真空燒結工藝等可獲得具有較低孔隙度和均勻細小晶粒結構的 WC-Ni硬質合金組織，且其硬度、抗彎強度和摩擦學性能指標可達到或超過WC-Co系硬質合金的性能指標，同時，其耐腐蝕性能也大大提高。另外，Ni取代放射性元素Co，在放射性條件下應用時，具有良好的防輻射性能[8-9]。在嚴格控制合金總碳與晶粒度的基礎上，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性能的WC-Ni系硬質合金[10]，從而避免受特殊工況介質和周圍環境的影響。
2.2 機械密封用WC-Ni硬質合金的物理和力學性能WC-Ni硬質合金是由WC與Ni粉按一定比例混合后，再摻入成形劑，經壓制，燒結而成。WC的熔點約為2700℃，燒結過程主要依靠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，燒結溫度會有所不同。對于復合材料，其彈性模量、熱膨脹系數、泊松比、熱擴散系數及熱傳導率等物理參數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種硬質合金的物理和力學性能比較，YWN8和YG6合金分別為含質量分數為8%Ni和6%Co的硬質合金。從表1可以看出，通過科研工作者的不斷努力，目前WC-Ni硬質合金的多項物理性能指標基本達到或超過了WC-Co硬質合金的性能指標。
表1 WC-Ni和WC-Co硬質合金物理和力學性能比較
2.3 WC-Ni硬質合金材料在機械密封中的應用由于WC-Ni硬質合金和WC-Co硬質合金一樣，韌性和剛性特別大、硬度高、耐磨性好、抗彎強度高、導熱系數大，且WC-Ni硬質合金耐腐蝕性較 WC-Co高，在中子輻射下不產生放射，因此可應用于高壓、高轉速、高溫、腐蝕性介質、含有固體顆粒介質及放射性環境等操作工況下的機械密封。目前WC-Ni硬質合金在車輛傳動系統軸密封、動力換擋變速器、特殊工況下的水泵和飛行器旋轉密封等場合，以及石化工業、核電密封等領域都有很大的應用價值[13-15]。
3 顯微組織對WC-Ni硬質合金性能的影響
顯微組織的不均勻性會對強度產生不利影響。粘結相含量和分布、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污染都會產生不利于WC-Ni硬質合金力學性能的不均勻顯微組織[16]。
3.1 WC晶粒對WC-Ni硬質合金性能的影響
WC-Ni硬質合金是以Ni作為粘結金屬，在達到燒結溫度時Ni熔化并將WC顆粒燒結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硬質合金的性能有影響。
3.1.1 WC-Ni硬質合金液相燒結過程中WC晶粒形貌的變化
何平等認為WC晶粒粗大會影響硬質合金的抗彎強度，Ni的不均勻分布會導致合金形成脆性斷裂。要提高產品的斷裂韌性，必須強化WC與粘結相間的界面，或者提高粘結相的強度。因此燒結工藝和過程的控制將影響WC-Ni硬質合金的力學性能。
SHATOV等研究了硬質合金液相燒結過程中WC晶粒形貌的變化，討論了Ti在WC-Ni硬質合金燒結過程中對WC晶粒形貌的影響，發現增加 Ti在WC相邊界的分布幾率會使 WC晶粒變得光滑。在燒結過程中，硬質合金中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 WC晶粒大小對WC-Ni硬質合金殘余應力應變的影響
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硬質合金材料溫度殘余應力的影響。其研究結果表明WC顆粒的形狀對WC-Ni合金材料內部的溫度殘余應力分布影響較大，當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變會逐漸減小，而尺寸小的地方應變逐漸增大。殘余應力的分布不均勻和容易釋放引起密封環的開裂。要避免溫度殘余應力引起的密封環開裂，可以通過降低密封環的冷卻速率和選擇高熱導率的材料來實現。
3.1.3 WC晶粒形貌對WC-Ni硬質合金斷裂韌性的影響
SHATOV等研究了添加少量TiC的WC-Ni 硬質合金的斷裂韌性和裂紋擴展與等軸WC晶體形狀之間的關系。斷裂韌性與粘結相的平均自由距離l(質點之間沿著任意直線從邊到邊的直線距離)相關，與WC晶粒的形狀、接觸程度及WC-Ni硬質合金的斷裂路徑改變沒有關系。但是當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種相關情況：1) WC晶粒為等軸形貌時，在Ni的質量分數為14%和22%且孔隙率較低的WC-Ni 硬質合金中，斷裂韌性隨著WC晶粒接觸程度的增強而提高;
2)當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，合金內沿晶斷裂數目增加。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晶粒產生穿晶斷裂的可能性。
3.2 粘結劑對WC-Ni硬質合金溫度殘余應力的影響
當WC-Ni合金材料內部的金屬粘結劑Ni的含量比較高時，WC細晶粒中的壓應力比粗顆粒中的大。這是因為當WC含量不變時，細顆粒原料粉末所制備的粘結劑的平均自由程小于粗顆粒。而當WC-Ni合金中含粘結劑較少時，粘結劑的平均自由程差別不大，所測溫度殘余應力的變化也不明顯。因此在條件允許的情況下應減少WC-Ni合金密封環Ni的含量，以減小溫度殘余應力的分布不均，從而減少甚至避免密封環的熱裂。
3.3 外加應力對硬質合金中各相的應變響應
PAGGETT等利用中子衍射儀研究了單軸壓力下WC-Ni硬質合金(Ni的質量分數為5%，10%，20%)中WC、Ni的應變響應。同時測量了試樣中2個相的軸向和橫向彈性應變，以及加載前后的溫度殘余應力。硬質合金零件外部載荷的應力場同時受到所有載荷彈性和塑性響應的影響，WC-Ni硬質合金在各向壓力下都表現出體塑性。在施加載倚和原溫度殘余應力的共同作用下，體塑性會增強。由于貫穿在整個復合材料中的不連續粘結劑相在部分區域產生預應力，使剪切應力的作用降低，因此外加應變增量會在這些區域造成局部應變的改變。物體的應力狀態可以分解為球形應力張量和應力偏量，球形應力張量表示各向為均勻受力狀態，也稱靜水壓力狀態，它會引起物體體積的改變;將原應力狀態減去靜壓狀態得到應力偏量狀態，應力偏量會引起物體形狀的變化。在壓力載荷下，變形主要發生在橫向，因此橫向高剪切區域是最容易發生流變的地方。
KRAWITZ等通過中子衍射測量研究了WC-10%Ni(質量分數)硬質合金單向壓力載荷和溫度殘余應力的相互作用。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合金材料的韌性提高有顯著作用。由外加載荷應力引起的局部塑性變形是一種能量吸收機理，微觀結構中任何位置的外加應力向量大于局部應力時，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生影響。
經過對前人研究成果的分析，可以看到WC-Ni硬質合金的物理和力學性能會受到WC晶粒的大小及形狀、粘結劑含量、制備工藝等因素的影響。而WC-Ni硬質合金密封環的物理和力學性能又會影響其密封性能。因此，WC-Ni硬質合金密封環的物理和力學性能與密封機理之間的關系還有許多問題值得研究。
4 WC-Ni硬質合金應用性能的研究現狀
4.1 WC-Ni合金的耐腐蝕性能
相對WC-Co硬質合金，WC-Ni硬質合金的抗磨性能更優異，這是因為其粘結劑具有良好的抗腐蝕性，WC-Ni硬質合金的鈍化和電化學腐蝕速率都明顯低于WC-Co硬質合金。在實際生產過程中的酸性條件下，以Ni做粘結劑的WC合金要比以Co做粘結劑時耐酸蝕。
表2所列為WC-Ni和WC-Co硬質合金的耐腐蝕性能比較，從腐蝕結果可以看出因以Ni取代Co使WC硬質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、時問和腐蝕狀態)的影響。例如YWN8在68%～90%HNO3介質中的耐蝕性能與YG6合金比較沒有明顯區別，甚至略低，主要是由于金屬Ni不耐強氧化酸(HNO)腐蝕，隨著HNO3濃度和合金中Ni含量的提高，其耐蝕性能降低。
表2 WC-Ni和WC-Co合金耐腐蝕性能比較
4.2 WC-Ni合金機械密封環的摩擦學性能研究
ENGQⅥST等通過700h硬質合金密封環摩擦實驗對比，對幾種WC基端面密封環的抗磨性能進行研究。實驗結果和環表面的微觀形貌表明，相對WC-Co和WC-TiC合金，WC-Ni硬質合金密封環抗磨性能優異，其原因是在流體密封介質中WC-Ni硬質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。BONNYl等指出WC-Ni硬質合金的摩擦因數與粘結相的含量、晶粒尺寸及分布有關，質地較軟的粘結相在摩擦過程中容易引起粘著。粘結相的含量和組織成分還會影響WC-Ni的硬度，從而影響WC-Ni硬質合金的抗磨性能。
5 WC-Ni硬質合金用于機械密封副的研究展望
機械密封技術涉及流體力學、固體力學、潤滑、摩擦、傳熱、材料性質、機械設計、機械動力學等多學科知識。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，導熱、傳熱和相變，以及材料強度、彈性模量、導熱系數等多種物理性質等。這些因素的相互作用決定了密封的工作狀態，因而對機械密封機理的研究涉及到受力變形、熱變形與流體膜之問耦合諸多問題。將多學科基本理論相結合，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，對于可靠預測此類密封的工作狀態，優化其工作性能以及指導密封設計具有重要的理論價值和科學意義。
WC-Ni硬質合金因高強度、高硬度、優良的耐磨性、耐熱性，以及良好的抗腐蝕性等特點，在實際生產中得到了廣泛的應用。然而根據上面的綜述可知，WC-Ni硬質合金的成分變化、各相分布、結構缺陷、孔隙率及原料粉末顆粒形狀大小，對密封環材料的重要物理參數，如摩擦因數、彈性模量、熱導率和熱膨脹系數等，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、受力變形，微觀應力分布、結構缺陷、材料在各向分布的均勻性、表面織構或微/納形貌與液膜之問的協同作用機理仍然是目前密封機理研究的難點問題，因而要準確預測密封的工作性能和提出合理的主要工藝參數與設計具有一定的難度。
隨著計算機技術的迅速發展，有限元分析方法被用于研究在流同熱耦合條件下機械密封環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，都是將密封環材料看成是均勻、連續及各向同性的理想實體來研究的，這樣會導致理論計算結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體積分數的WC-Ni硬質合金的溫度殘余應力分布，對比研究了基于理想幾何陣列模型和實際微觀結構模型與中子衍射方法測得的溫度殘余應力分布情況。研究結果證實要使有限元分析結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構作為物理模型而不是以假設的幾何陣列作為分析對象。
因此，綜合考慮密封環的生產工藝、微觀結構和結構缺陷下得到的材料真實的物理參數，是獲得準確數值計算結果的重要前提。基于WC-Ni硬質合金材料在機械密封中的應用，需要進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機理;
2)高溫高壓工作條件對WC-Ni合金密封環的相結構、熱膨脹系數、燒結孔隙、熱導率、熱擴散系數、彈性模量，以及殘余應力應變的影響;
3)WC-Ni合金中各相的分布不均勻性對其作為機械密封環熱力學特性的影響;
4)WC-Ni合金密封環由加工工藝引起的殘余應力應變及其對于機械密封環密封性能的影響;
5)基于WC-Ni合金物理與力學性能的各向異性，開展密封環流/固/熱耦合模型及其極端工況下的密封機理研究;
6)WC-Ni合金密封環在各種密封條件下可能出現的失效及其機理的分析研究，相應解決辦法的探討和實施驗證。
6 結束語
機械密封材料是密封技術研究的重要領域，隨著現代科技的發展和生產生活的迫切需求，人們對密封技術的要求越來越高，但是我國目前在這方面的研究還相對滯后。加強學科交叉，不斷完善相關的實驗和理論研究是我國打破國外機械密封技術封鎖的關鍵。
參考文獻
[1] 顧永泉.機械密封實用技術[M].北京：機械工業出版社，2001：194-l98.
GU Yong-quan.Pratical Technology of Mechanical Seals[M].Bei jing:China Machine Press, 2001:194-198.
[2] LEBECK AO.Principles and Design of Mechanical Face Seals[M]. New York:AWiley-Interscience Publication,1991:78-94.
[3] 江志斌，馬強.高速高壓機械密封的材料研究[J].現代制造工程，2007，17(11)：62-64.
JIANG Zhi-bin,MA Qiang.Study on material of mechanicalseal for high-speed and high-pressure[J].Modem Manufacturing Engineering,2007,17(11):62-64.
[4] 曾濤.機械密封的摩擦副材料[J].潤滑與密封，1997，28(6)：66-67.
ZENG Tao.Friction material of mechanical seals[J].Lubrication Engineering,1997,28(6): 66-67.
[5] MULLE R H K, NAU B S, Fluid Sealing Technology-Principles and Application [M]. New York:Mercel Dekker Inc,1998:293-306.
[6] NAU B S.Mechanical seal face materials[J].ProcInstn Mech Engrs,1997,211(3):165-182.
[7] 張春友.國內外無鈷少鈷硬質合金研究概況[J].湖南冶金，1993，13(1)：42-44.
ZHANG Chun-you.Research survey of less cobalt carbide at home and abroad[J]. Hunan Metallurgy,1993,13(1):42-44.
[8] 吳月天.機械密封用耐磨、耐蝕硬質材料-YCN3合金研制[J].硬質合金，1996，13(2)：95-98.
WU Yue-tian.Anew kind of wear-resistance and corrosion-resistance alloy-YCN3 made for mechanical seal [J].Cemented Carbides,1996, l3(2) : 95-98.
[9] 吳月天.WC-Ni硬質合金在機械密封中的應用[J].流體機械，1988,4(1O):17-20.
WU Yue-tian Application of WC-Ni cemented carbides in mechanical seal[J].Fluid Machinery, 1988, 4 (10):17-20.
[10] 張立，孫寶琦.尹響初.用鎳基合金做粘結相的特種硬質合金模具材料[J].粉末冶金材料科學與工程
1996,1(2)：74-77. ZHAGN Li,SUN Bao-qi,YIN Xiang-chu.Special carbide dies material made by binder of Nickel-based alloy[J].
Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy,1996,1(2):74-77.
[11] WEISBROOK C M,KRAWITZ A D.Thermal residual stress distribution in WC-Ni composites[J].Materials Science and Engineering,1996,209(1/2):318-328.
[12] KOMIYA M, MATSUDA K, KANETA M. Experimental and analytical study on thermocracking of alumina ceramic ring in a mechanical seal[J].Tribology Transactions,1994 37(2):245-252.
[13] 海因茨米勒，伯納德納烏.流體密封技術-原理與應用[M].程傳慶，譯.北京：機械工業出版，2002
188-189.MULLER H K,NAU B S,Fluid Sealing Technology-Principles and Applications[M]. Translated by CHENG Chuan-qing.Beijing:China Machine Press,2002:188-189.
[14] 顧永泉.流體動密封[M].山東：石油大學出版社，1990：215-247.GU Yong-quan. Fluid Dynamic Sealing[M].Shandong:Petroleum University Press, 1990:215-247.
[15] 陳匡民，董宗玉，陳文梅.流體動密封[M].成都科技大學出版社，1990：278-282.
CHEN Kuang-min, DONG Zong-yu, CHEN Wen-mei.Fluid Dynamic Sealing[M].Chendu University of Science and Technology Press,1990:278-282.
[16] KLIMEK E J. Selection, properies and quality assurance of face materials for rotating mechanical seals[J].Lubrication Engineering,1988,44(8):719-726.
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