鎳基合金的離子滲氮及其在閥桿上的應(yīng)用

2013-10-09 孫允龍江蘇金石科技有限公司

　　對(duì)于HH級(jí)酸性環(huán)境工作的閥桿，由于其接觸酸性介質(zhì)，按照API6A規(guī)范，應(yīng)采用耐蝕合金而不能采用常用的沉淀硬化不銹鋼如17-4PH不銹鋼等。結(jié)合閥桿強(qiáng)度要求及耐H2S腐蝕要求，按照NACE0175標(biāo)準(zhǔn)，選用鎳基合金Inconel718做為高壓、大口徑閥門的閥桿材料，該材料的化學(xué)成分如表1，經(jīng)固溶+時(shí)效硬化處理，抗拉強(qiáng)度大于1034MPa，屈服強(qiáng)度827～1000MPa，硬度34～40HRC，在保證防腐的前提下提供了很高的強(qiáng)度，對(duì)于性能級(jí)別為PR1的產(chǎn)品，該材料完全滿足設(shè)計(jì)與使用要求。而對(duì)于PR2級(jí)別產(chǎn)品，由于閥桿特別是閥桿螺紋部位工作狀況惡劣，高比壓、干摩擦，因而需通過(guò)表面處理，提高表面硬度以增加耐磨性。

　　采油、采氣井口用高壓、大口徑平板閥門，采用API6A規(guī)范，其額定工作壓力15000psi(相當(dāng)于105MPa)，口徑Φ180mm，材料級(jí)別為HH(最高級(jí)別，適用于酸性環(huán)境)，額定溫度級(jí)別為U級(jí)(溫度范圍：-18～121℃)，產(chǎn)品性能級(jí)別為PR2級(jí)。首先，由于其工作在高壓狀態(tài)下，加之口徑大，閥門的開(kāi)關(guān)力矩大，特別是產(chǎn)品在做PR2級(jí)別性能試驗(yàn)的高低溫試驗(yàn)時(shí)，在121℃的氣壓試驗(yàn)情況下，為氣體介質(zhì)、無(wú)潤(rùn)滑、干摩擦狀態(tài)，閥門的開(kāi)關(guān)力矩急劇增加，開(kāi)關(guān)力矩是平時(shí)的2～3倍，且需要進(jìn)行20次以上重復(fù)試驗(yàn)，所以，對(duì)閥桿材料的強(qiáng)度提出了較高要求，同時(shí)閥桿螺紋表面要求很高的硬度以提高抗磨性。

1、試驗(yàn)材料及方法

　　Inconel718合金相當(dāng)于國(guó)內(nèi)的GH169合金，Cr、Ni含量較高，是一種時(shí)效硬化高溫鎳基合金，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。因其表面鈍化，普通氣體滲氮效果很差；QPQ處理后的化合物層厚度<10μm，且表面層均勻性不好，脆性大，不適合處理傳動(dòng)螺紋，因此選用輝光離子滲氮進(jìn)行處理。

表1 Inconel718鎳基合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

　　1.1、滲氮設(shè)備與工藝

　　采用輝光離子滲氮爐，額定工作溫度<750℃，極限真空度≤6.67Pa。離子滲氮工藝流程見(jiàn)表2，其中的工序3，抽真空和去除鈍化膜過(guò)程很關(guān)鍵。采用570℃×8h及610℃×8h兩種不同工藝進(jìn)行離子滲氮。

　　1.2、性能檢測(cè)

　　采用UXC型顯微鏡對(duì)離子滲氮件表面顯微組織進(jìn)行觀察及拍照。采用顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，每個(gè)試樣在3個(gè)不同點(diǎn)測(cè)試硬度，每個(gè)點(diǎn)上測(cè)量3個(gè)值進(jìn)行平均，所以最后得到的試樣表面硬度值為9次測(cè)量的平均值。

2、結(jié)果與分析

　　經(jīng)過(guò)離子滲氮后的試樣，表面為灰色，由于表層組織不致密(顯微鏡下觀察)，所以表面拋光后測(cè)試硬度，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，經(jīng)過(guò)離子滲氮處理的Inconel718合金的表面硬度有了很大提高。

表2 輝光離子滲氮工藝流程

表3 不同溫度下離子滲氮Inconel718合金的表面硬度(HV0.1)

　　采用UXC型顯微鏡對(duì)離子滲氮層進(jìn)行觀察，滲氮層有明顯的界限，610℃×8h滲氮的滲層深度約10～15μm，570℃×8h滲氮的約5～8μm。用顯微硬度計(jì)測(cè)試610℃×8h滲氮層的硬度分布，滲氮層深度約為13.8μm(見(jiàn)圖1)，硬度梯度較緩，分布合理，滿足抗磨的使用要求。