[发明专利]钎焊复合机械密封动环

说明书

本发明是关于机械密封方法，其特征是采用含碳化钛硬质合金-钢基材钎焊复合机械密封动环。本发明属于机械零件密封领域。

目前，国内普遍采用的离心泵和反应釜用机械密封动环是碳化钨-钴同普通碳钢的镶嵌结构，由于其高温性能和耐磨性能较差，加之结构不合理，直接影响了机械密封的泄漏量和使用寿命。国外多数采用硬质合金同钢金属基材的粘结结构，由于粘结剂性能的影响，使其在高温应用中受到一定的限制。机械密封结构如附图1所示。机械密封结构由密封套（1）、泵盖（2）、轴套（3）、动环（4）、静环（5）、波纹管（6）、波纹管座（7）、冷却套（8）、压盖（9）及压板（10）构成。

国内现行机械密封动环的制备工艺为：首先预制成碳化钨硬质合金片环状工作面，然后用热套或镶装工艺与不锈钢或碳钢基座组装而成。

碳化钨-钴硬质合金的热膨胀系数为4.5×10^-6[℃]^-1，不锈钢热膨胀系数为18.7×10^-6[℃^-2]，碳钢为11.0×10^-6[℃]^-1，因而硬质合金同金属基材之间的热膨胀系数相差较大，为保证二者间有良好的密封性能，必须存在一定的配合过盈量。如果过盈量选择过小，会出现在使用温度下硬质合金环的松动脱落，如果过盈量过大，则造成硬质合金环承受不了大的应力而碎裂。

热套后的硬质合金环承受一定的应力变形，虽经研磨抛光，使密封端面达到所需的平直度，但在实际应用时，随着温度、压力等因素的变化，端面平直度始终不能达到初始状态。此外这种组装件若放置时间过长或室温变化，端面平直度也会有变化，如附图2所示。附图2为硬质合金环，a为研磨抛光后的端面，b为使用温度低于研磨抛光温度时的端面，C为使用温度高于研磨抛光温度时的端面。上述现象对大轴径热套硬质合金密封环尤为显著。再者，如果零件的加工精度稍差或装配不当，还会在热套配合处留有缝隙，介质在较高的压力下有可能透过缝隙引起泄漏。

粘结结构的动环，由于硬质合金环和钢基材之间的粘接剂经常出现老化现象，造成硬质合金环的脱落。

本发明的目的是为了克服上述密封动环的缺点，改善其各项性能，降低密封端面的磨损速度和腐蚀速率，提高动环表面硬度，调整波纹管的比压，获得高性能的新型机械密封。本发明硬质合金-钢基钎焊复合机械密封动环，其特征在于减少硬质合金中粘结金属的含量，选择耐蚀粘结金属相，选择硬度高、耐腐蚀，其膨胀系数同基材相匹配的硬质合金。

为使机械密封动环广泛适用于石油、化工行业，例如原油中含0.3～0.4%H₂S，工作温度为365℃，炼油过程中介质含有浓度较大的催化剂颗粒，必须保证硬质合金有良好的硬度和抗弯强度值，同时必须改善碳化钨硬质合金的腐蚀和热胀性能。

碳化钛硬化相的添加，不仅提高了硬质合金的硬度，同时也大大地改善了硬质合金和钢基材之间的热膨胀系数的匹配性能。但是TiC固溶体不能完全被润湿及组织结构的限制，使TiC-WC-Ni合金的抗弯强度比WC-Co低，并随TiC的含量增加而降低。当合金中加入金属钼以后，可以明显改善碳化钛的润湿性，当钼含量增至10%时，抗弯强度达到最大值，合金硬度与钼含量亦有类似关系。

镍含量对TiC-WC-Ni-Co-Mo合金性能的影响与WC-Co中钴的含量影响相类似，当TiC-WC-Ni-Co-Mo合金中钼含量保持不变，随镍含量的增加，合金的抗弯强度升高，而硬度则下降。

本发明钎焊机械密封动环，选用硬质合金成分为镍5～8%，钴粘结相占约2～3%，钼添加剂约10%，钨15～20%和余量碳化钛的合金，密度为5.4～8.0克/厘米³，硬度大于HRa92，抗弯强度大于1400MPa，热膨胀系数为9.5×10^-6[℃]^-1。基本上同碳钢的热膨胀系数相匹配，避免了在高温使用条件下变形泄漏问题。

含碳化钛、镍粘结相硬质合金，采用真空烧结法生产，根据批量大小，尺寸规格和烧结中的收缩比计算出毛坯尺寸，选用钢模成型油压机成型。为了使产品获得正常的合金结构，控制碳化钛和碳化钨的比例不小于2∶1，根据碳化物中总碳量的不同，烧结温度在1450℃～1500℃。