硬質合金在關斷閥和調節閥中的應用

硬質合金是品種非常繁多的一類合金。硬質合金的發展史，按照其本質來說，就是工具材料應用在金屬切削加工和采礦鉆探工業上的發展史。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，代替了二十世紀初期還在采用的碳素鋼。最初的硬質合金是在二十世紀初期1907年以司太立合金的形式出現的。繼司太立合金之后，1914年出現了鍛造碳化鎢。為了應對日益增高的材料要求，1927年金屬陶瓷硬質合金出現，從這時起，金屬陶瓷硬質合金便迅速發展，并開始出現各種新牌號的硬質合金。

正如其名稱所表示的那樣，硬質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成分、含量和粒度對硬質合金的物理（機械）性能起著巨大的影響。

硬質合金對國民經濟的意義非常巨大，它的出現使得機器和機械設備的生產率急劇增大，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、在硬質合金出現以前無法加工的材料獲得加工的可能性。此外，硬質合金應用在工具裝備上可以節約大量稀缺金屬和材料。硬質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，硬質合金還會有更多的發展和新的應用方向。

硬質合金類型和成型過程

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

2、鑄造碳化鎢：主要裝備與石油機械用的切削式鉆頭。

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

硬質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，由粉末壓鑄后經過燒結的方法，或用熱壓的方法制成的金屬或者非金屬材料制品的技術。

因為硬質合金的原料是碳化物，如碳化鎢、碳化鈦這樣一類高熔點、硬而脆的金屬化合物，做成刀具、模具后，由于硬度高難以進一步進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合在一起，稱為硬質合金。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，同時碳化鎢熔點很高，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，這時鈷或者鋼的細小的顆粒產生熔化，而碳化鎢不能夠在這個溫度熔化，冷卻下來，鈷或者鋼就把碳化鎢粉末結合在一塊，形成一個完整的整體。

常規的碳化鎢的生產工藝比較復雜，而且成本較高。美國礦業局開發了一種生產碳化鎢的新工藝方法—氣體噴射法。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，將鎢轉換成碳化鎢;為了減少雜質含量，噴射后再進行凈化處理（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碳化鎢，簡化了生產工藝流程，降低了成本。

硬質合金在關斷閥中的應用

閘閥和截止閥作為輸送和切斷流體的介質，在電力、石油化工等方面應用非常廣泛，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行機構或手輪旋轉傳動螺母，再由傳動螺母和閥桿之間的梯形螺紋將旋轉運動轉變為直線運動，推動閥桿（閥芯或閘板）做上下直線運動。閥桿提升到全開位置時，閥體通徑的流道全部打開，流體可以自由通過閥腔;當閥桿關閉到全關位置時，閥芯或閘板的密封面和閥座密封面貼合，從而起到關閉流體的作用。

閘板和閥座的密封面是閥門最重要的工作面之一，承擔了閥門的啟閉的密封工作。為了有效關閉閥腔內的介質，密封面的精度要求非常高。但是這個位置又是流體經常沖刷的表面，一般的馬氏體材質或其他合金材質承受不住介質長期沖刷侵蝕。當密封表面變得粗糙以后，閘板和閥座關閉不能有效阻止介質通過，導致閥門失效。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，高強度的性能。特別是在高溫工況下，鈷基合金具有優秀的韌性、耐沖擊性，抗磨損，防止擦傷刮傷，保證密封面的正常使用。

硬質合金在調節閥中的應用

調節閥的作用是調節流體流量和壓力。通過執行機構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，保證后續作業的正常運行。因此，節流閥的性能直接影響到現場作業的質量。調節閥在石油、電力、化工等行業中起著十分重要的作用。常用的調節閥按照閥芯結構可以分為針式調節閥和籠套式調節閥等結構。在調節閥設計選型時，主要的考慮因素是閥芯結構形狀（調節流量的范圍和方式），介質的溫度壓力，材料的耐磨性和耐腐蝕性等要求。

1、硬質合金在針形節流閥中的應用

針形節流閥在油田各項作業中應用非常廣泛，主要用于流體的流量或壓力的調節。通過旋轉手輪，使節流閥閥桿作軸向移動來調節流通面積，從而獲得所需要的流體流量和壓降。

針式節流閥主要由閥體，傳動螺母、閥桿、閥座等部件組成，其中閥桿和閥座是最關鍵也是最主要的部件。在針形節流閥工作過程中，介質流經閥腔，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。而強度更高的硬質合金閥芯可以抵抗介質的腐蝕和沖刷。但是整體硬質合金的韌性較差，脆性較大。由于閥桿閥芯處于懸臂狀態，在流體流經時，整體硬質合金的閥桿閥芯會產生劇烈高頻震動從而導致斷裂，所以既要保證閥桿閥芯的強度又要保證閥桿在劇烈震動和復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合金閥芯采用過盈配合加釬焊連接。這種連接結構可以提高閥芯的硬度和耐磨性，同時保證閥桿不會因為高頻振動損壞。這種結構被廣泛用于油田現場，經過長期的使用可以證明這種結構的可靠性。

2、硬質合金在籠套式調節閥中的應用

籠套式節流閥也被稱為套筒式節流閥，目前市場上使用的籠套式節流閥分為內籠套式和外籠套式。這兩種結構都是利用閥套在籠套表面滑動而產生不同的過流面積來實現控制流量的目的。

籠套式節流閥主要用于低流速，高壓降、高腐蝕的工況。籠套式節流閥主要由閥體、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流孔。閥門在動作時利用閥套在內籠套上滑動（或柱塞在外籠套內滑動）控制籠套上的節流孔露出面積的大小，進而控制過流面積，達到節流降壓的目的。

節流閥用于節流工作，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致節流孔變形或使籠套產生裂紋破損。這兩種情況會導致流量控制不準確或直接使節流閥失效。另外，當壓差較大節流面積較小時，流體流經節流孔時會產生閃蒸和氣蝕的現象。在這個過程中，流體由于瞬間的壓力變化從而氣化產生氣泡，氣泡在破裂瞬間時會對閥芯造成非常強的沖擊。為了防止這種現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。硬質合金碳化鎢的硬度可達70HRC以上。在惡劣工況下碳化鎢因硬度高而表現出更優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

[1]段毅鴻，白佳聲，章文寶，陸明炯.硬質合金材料的應用與發展[J].機械工程師，2001（01）：17-19.

[2]白佳聲，章文寶.硬質合金材料的性能特點及其發展應用前景[J].上海金屬，2001（06）：10-13.

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? 學歷：本科? 單位：上海融諾實業有限公司? 研究方向：硬質合金材料的應用