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镍基合金的离子渗氮及其在阀杆上的应用

                             

蝶阀">Dt3(6,9)73加长杆蝶阀
采油、采气井口用高压、大口径平板阀门,采用API6A规范,其额定工作压力15000psi(相当于105MPa),口径Φ180mm,材料级别为HH(最高级别,适用于酸性环境),额定温度级别为U级(温度范围:-18~121℃),产品性能级别为PR2级。首先,由于其工作在高压状态下,加之口径大,阀门的开关力矩大,特别是产品在做PR2级别性能试验的高低温试验时,在121℃的气压试验情况下,为气体介质、无润滑、干摩擦状态,阀门的开关力矩急剧增加,开关力矩是平时的2~3倍,且需要进行20次以上重复试验,所以,对阀杆材料的强度提出了较高要求,同时阀杆螺纹表面要求很高的硬度以提高抗磨性。
对于HH级酸性环境工作的阀杆,由于其接触酸性介质,按照API6A规范,应采用耐蚀合金而不能采用常用的沉淀硬化不锈钢如17-4PH不锈钢等。结合阀杆强度要求及耐H2S腐蚀要求,按照NACE0175标准,选用镍基合金Inconel718做为高压、大口径阀门的阀杆材料,该材料的化学成分如表1,经固溶+时效硬化处理,抗拉强度大于1034MPa,屈服强度827~1000MPa,硬度34~40HRC,在保证防腐的前提下提供了很高的强度,对于性能级别为PR1的产品,该材料完全满足设计与使用要求。而对于PR2级别产品,由于阀杆特别是阀杆螺纹部位工作状况恶劣,高比压、干摩擦,因而需通过表面处理,提高表面硬度以增加耐磨性。

1 试验材料及方法

Inconel718合金相当于国内的GH169合金,Cr、Ni含量较高,是一种时效硬化高温镍基合金,其主要化学成分见表1。因其表面钝化,普通气体渗氮效果很差;QPQ处理后的化合物层厚度<10μm,且表面层均匀性不好,脆性大,不适合处理传动螺纹,因此选用辉光离子渗氮进行处理。
1.1 渗氮设备与工艺
采用辉光离子渗氮炉,额定工作温度<750℃,极限真空度≤6.67Pa。离子渗氮工艺流程见表2,其中的工序3,抽真空和去除钝化膜过程很关键。采用570℃×8h及610℃×8h两种不同工艺进行离子渗氮。
1.2 性能检测
采用UXC型显微镜对离子渗氮件表面显微组织进行观察及拍照。采用显微硬度计进行硬度测试,每个试样在3个不同点测试硬度,每个点上测量3个值进行平均,所以最后得到的试样表面硬度值为9次测量的平均值。

2 结果与分析

经过离子渗氮后的试样,表面为灰色,由于表层组织不致密(显微镜下观察),所以表面抛光后测试硬度,结果见表3。从表3可以看出,经过离子渗氮处理的Inconel718合金的表面硬度有了很大提高。
采用UXC型显微镜对离子渗氮层进行观察,渗氮层有明显的界限,610℃×8h渗氮的渗层深度约10~15μm,570℃×8h渗氮的约5~8μm。用显微硬度计测试610℃×8h渗氮层的硬度分布,渗氮层深度约为13.8μm(见图1),硬度梯度较缓,分布合理,满足抗磨的使用要求。

3 结论

Inconel718镍基合金通过610℃×8h离子渗氮,表面硬度可达720HV0.1左右,总渗层深度可达10~15μm,能满足阀杆材料高强度、耐腐蚀及耐磨的要求。

 

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