硬質(zhì)合金在關(guān)斷閥和調(diào)節(jié)閥中的應(yīng)用

硬質(zhì)合金是品種非常繁多的一類合金。硬質(zhì)合金的發(fā)展史，按照其本質(zhì)來說，就是工具材料應(yīng)用在金屬切削加工和采礦鉆探工業(yè)上的發(fā)展史。含鎢和鉻成分的高速切削鋼具有很高的耐磨性能，能使金屬加工得到更快的切削速度，代替了二十世紀(jì)初期還在采用的碳素鋼。最初的硬質(zhì)合金是在二十世紀(jì)初期1907年以司太立合金的形式出現(xiàn)的。繼司太立合金之后，1914年出現(xiàn)了鍛造碳化鎢。為了應(yīng)對日益增高的材料要求，1927年金屬陶瓷硬質(zhì)合金出現(xiàn)，從這時(shí)起，金屬陶瓷硬質(zhì)合金便迅速發(fā)展，并開始出現(xiàn)各種新牌號的硬質(zhì)合金。

正如其名稱所表示的那樣，硬質(zhì)合金最明顯的特征是其高硬度和高耐磨性。而且再高溫下（900～1100℃以下）具有保持硬度的能力，而鋼在600℃便失去固有的硬度。硬質(zhì)合金的這些性能，由其中存在的難熔金屬碳化物所決定的，而且這些碳化物的化學(xué)成分、含量和粒度對硬質(zhì)合金的物理（機(jī)械）性能起著巨大的影響。

硬質(zhì)合金對國民經(jīng)濟(jì)的意義非常巨大，它的出現(xiàn)使得機(jī)器和機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)率急劇增大，使被加工的物件具有較高的光潔度和精確性，在許多情況下可以省去精加工的工序，并使那些因硬度高、在硬質(zhì)合金出現(xiàn)以前無法加工的材料獲得加工的可能性。此外，硬質(zhì)合金應(yīng)用在工具裝備上可以節(jié)約大量稀缺金屬和材料。硬質(zhì)合金堆焊在易于磨損的零件上，可以顯著提高零件的表面硬度，延長零部件的使用壽命。相信在未來，硬質(zhì)合金還會有更多的發(fā)展和新的應(yīng)用方向。

硬質(zhì)合金類型和成型過程

1、鎢鈷類硬質(zhì)合金：它的主要成分是碳化鎢和鈷，一般作為金屬加工和礦山機(jī)械的工具以及機(jī)器的零件使用。

2、鑄造碳化鎢：主要裝備與石油機(jī)械用的切削式鉆頭。

3、司太立合金：由鉻、鈷（或鎳）和碳的鑄造合金。現(xiàn)主要用于堆焊易磨損的零件。

硬質(zhì)合金成型過程一般采用粉末冶金或者氣體噴射方法：

粉末冶金是目前常用的制作硬質(zhì)合金工藝，它是通過提取金屬或非金屬粉末作為原料，由粉末壓鑄后經(jīng)過燒結(jié)的方法，或用熱壓的方法制成的金屬或者非金屬材料制品的技術(shù)。

因?yàn)橛操|(zhì)合金的原料是碳化物，如碳化鎢、碳化鈦這樣一類高熔點(diǎn)、硬而脆的金屬化合物，做成刀具、模具后，由于硬度高難以進(jìn)一步進(jìn)行加工到合適的形狀和尺寸，所以不得不采用粘合劑把它們互相“粘”在一起，這些粘合劑通常用鈷結(jié)合在一起，稱為硬質(zhì)合金。由于把鈷和鋼與碳化鎢采用一般方法難以均勻地混合在一起，同時(shí)碳化鎢熔點(diǎn)很高，不容易冶煉，因此，需要把它們制成粉末，然后均勻混合在一起，之后加壓成型，再燒結(jié)，這時(shí)鈷或者鋼的細(xì)小的顆粒產(chǎn)生熔化，而碳化鎢不能夠在這個(gè)溫度熔化，冷卻下來，鈷或者鋼就把碳化鎢粉末結(jié)合在一塊，形成一個(gè)完整的整體。

常規(guī)的碳化鎢的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，而且成本較高。美國礦業(yè)局開發(fā)了一種生產(chǎn)碳化鎢的新工藝方法—?dú)怏w噴射法。氣體噴射工藝過程包括：高溫熔鹽萃取鎢，生成鹵鹽;用烴氣噴射鹵鹽，將鎢轉(zhuǎn)換成碳化鎢;為了減少雜質(zhì)含量，噴射后再進(jìn)行凈化處理（水洗、酸浸、磁選）。這種工藝方法直接從鎢礦石或鎢精礦中生產(chǎn)碳化鎢，簡化了生產(chǎn)工藝流程，降低了成本。

硬質(zhì)合金在關(guān)斷閥中的應(yīng)用

閘閥和截止閥作為輸送和切斷流體的介質(zhì)，在電力、石油化工等方面應(yīng)用非常廣泛，一般由閥體、閥蓋、閥桿和閘板（或閥芯）等部件組成。閘閥和截止閥都是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)或手輪旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)螺母，再由傳動(dòng)螺母和閥桿之間的梯形螺紋將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)閥桿（閥芯或閘板）做上下直線運(yùn)動(dòng)。閥桿提升到全開位置時(shí)，閥體通徑的流道全部打開，流體可以自由通過閥腔;當(dāng)閥桿關(guān)閉到全關(guān)位置時(shí)，閥芯或閘板的密封面和閥座密封面貼合，從而起到關(guān)閉流體的作用。

閘板和閥座的密封面是閥門最重要的工作面之一，承擔(dān)了閥門的啟閉的密封工作。為了有效關(guān)閉閥腔內(nèi)的介質(zhì)，密封面的精度要求非常高。但是這個(gè)位置又是流體經(jīng)常沖刷的表面，一般的馬氏體材質(zhì)或其他合金材質(zhì)承受不住介質(zhì)長期沖刷侵蝕。當(dāng)密封表面變得粗糙以后，閘板和閥座關(guān)閉不能有效阻止介質(zhì)通過，導(dǎo)致閥門失效。為了延長閥門的有效使用壽命，就需要提高密封面的硬度和耐磨性以保證密封性能。一般在密封面處堆焊鈷基合金，鈷基合金具有良好的耐熱性，高強(qiáng)度的性能。特別是在高溫工況下，鈷基合金具有優(yōu)秀的韌性、耐沖擊性，抗磨損，防止擦傷刮傷，保證密封面的正常使用。

硬質(zhì)合金在調(diào)節(jié)閥中的應(yīng)用

調(diào)節(jié)閥的作用是調(diào)節(jié)流體流量和壓力。通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)或手輪控制閥桿升降，從而控制閥芯開度大小獲得下游所需的流量、壓力和溫度等參數(shù)，保證后續(xù)作業(yè)的正常運(yùn)行。因此，節(jié)流閥的性能直接影響到現(xiàn)場作業(yè)的質(zhì)量。調(diào)節(jié)閥在石油、電力、化工等行業(yè)中起著十分重要的作用。常用的調(diào)節(jié)閥按照閥芯結(jié)構(gòu)可以分為針式調(diào)節(jié)閥和籠套式調(diào)節(jié)閥等結(jié)構(gòu)。在調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)選型時(shí)，主要的考慮因素是閥芯結(jié)構(gòu)形狀（調(diào)節(jié)流量的范圍和方式），介質(zhì)的溫度壓力，材料的耐磨性和耐腐蝕性等要求。

1、硬質(zhì)合金在針形節(jié)流閥中的應(yīng)用

針形節(jié)流閥在油田各項(xiàng)作業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，主要用于流體的流量或壓力的調(diào)節(jié)。通過旋轉(zhuǎn)手輪，使節(jié)流閥閥桿作軸向移動(dòng)來調(diào)節(jié)流通面積，從而獲得所需要的流體流量和壓降。

針式節(jié)流閥主要由閥體，傳動(dòng)螺母、閥桿、閥座等部件組成，其中閥桿和閥座是最關(guān)鍵也是最主要的部件。在針形節(jié)流閥工作過程中，介質(zhì)流經(jīng)閥腔，不斷沖擊閥芯閥座。普通的碳鋼或馬氏體不銹鋼滿足不了使用要求。而強(qiáng)度更高的硬質(zhì)合金閥芯可以抵抗介質(zhì)的腐蝕和沖刷。但是整體硬質(zhì)合金的韌性較差，脆性較大。由于閥桿閥芯處于懸臂狀態(tài)，在流體流經(jīng)時(shí)，整體硬質(zhì)合金的閥桿閥芯會產(chǎn)生劇烈高頻震動(dòng)從而導(dǎo)致斷裂，所以既要保證閥桿閥芯的強(qiáng)度又要保證閥桿在劇烈震動(dòng)和復(fù)雜載荷的作用下保持良好的韌性。目前常用的解決方法是將馬氏體不銹鋼閥桿和硬質(zhì)合金閥芯采用過盈配合加釬焊連接。這種連接結(jié)構(gòu)可以提高閥芯的硬度和耐磨性，同時(shí)保證閥桿不會因?yàn)楦哳l振動(dòng)損壞。這種結(jié)構(gòu)被廣泛用于油田現(xiàn)場，經(jīng)過長期的使用可以證明這種結(jié)構(gòu)的可靠性。

2、硬質(zhì)合金在籠套式調(diào)節(jié)閥中的應(yīng)用

籠套式節(jié)流閥也被稱為套筒式節(jié)流閥，目前市場上使用的籠套式節(jié)流閥分為內(nèi)籠套式和外籠套式。這兩種結(jié)構(gòu)都是利用閥套在籠套表面滑動(dòng)而產(chǎn)生不同的過流面積來實(shí)現(xiàn)控制流量的目的。

籠套式節(jié)流閥主要用于低流速，高壓降、高腐蝕的工況。籠套式節(jié)流閥主要由閥體、籠套座、籠套、閥套、盤根盒、閥蓋、閥桿等部分組成。籠套固定在籠套座上;籠套座固定在閥體上，籠套四周分布有大小位置不同的節(jié)流孔。閥門在動(dòng)作時(shí)利用閥套在內(nèi)籠套上滑動(dòng)（或柱塞在外籠套內(nèi)滑動(dòng)）控制籠套上的節(jié)流孔露出面積的大小，進(jìn)而控制過流面積，達(dá)到節(jié)流降壓的目的。

節(jié)流閥用于節(jié)流工作，特別是籠套和閥套長期處于高速，高壓流體的作用。籠套很容易因沖刷導(dǎo)致節(jié)流孔變形或使籠套產(chǎn)生裂紋破損。這兩種情況會導(dǎo)致流量控制不準(zhǔn)確或直接使節(jié)流閥失效。另外，當(dāng)壓差較大節(jié)流面積較小時(shí)，流體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)會產(chǎn)生閃蒸和氣蝕的現(xiàn)象。在這個(gè)過程中，流體由于瞬間的壓力變化從而氣化產(chǎn)生氣泡，氣泡在破裂瞬間時(shí)會對閥芯造成非常強(qiáng)的沖擊。為了防止這種現(xiàn)象對閥門造成的損壞，一般來說選用的材料越硬，抗蝕能力越強(qiáng)。硬質(zhì)合金碳化鎢的硬度可達(dá)70HRC以上。在惡劣工況下碳化鎢因硬度高而表現(xiàn)出更優(yōu)秀的抗蝕和抗沖刷能力。高硬度的閥芯材料更能抵御閃蒸和氣蝕對閥門的破壞。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：姓名：程志，出生日期：1988年2月，男，漢族，籍貫：江蘇省宿遷市宿豫縣? 學(xué)歷：本科? 單位：上海融諾實(shí)業(yè)有限公司? 研究方向：硬質(zhì)合金材料的應(yīng)用