硬质合金在关断阀和调节阀中的应用

硬质合金是品种非常繁多的一类合金。硬质合金的发展史，按照其本质来说，就是工具材料应用在金属切削加工和采矿钻探工业上的发展史。含钨和铬成分的高速切削钢具有很高的耐磨性能，能使金属加工得到更快的切削速度，代替了二十世纪初期还在采用的碳素钢。最初的硬质合金是在二十世纪初期1907年以司太立合金的形式出现的。继司太立合金之后，1914年出现了锻造碳化钨。为了应对日益增高的材料要求，1927年金属陶瓷硬质合金出现，从这时起，金属陶瓷硬质合金便迅速发展，并开始出现各种新牌号的硬质合金。

正如其名称所表示的那样，硬质合金最明显的特征是其高硬度和高耐磨性。而且再高温下（900～1100℃以下）具有保持硬度的能力，而钢在600℃便失去固有的硬度。硬质合金的这些性能，由其中存在的难熔金属碳化物所决定的，而且这些碳化物的化学成分、含量和粒度对硬质合金的物理（机械）性能起着巨大的影响。

硬质合金对国民经济的意义非常巨大，它的出现使得机器和机械设备的生产率急剧增大，使被加工的物件具有较高的光洁度和精确性，在许多情况下可以省去精加工的工序，并使那些因硬度高、在硬质合金出现以前无法加工的材料获得加工的可能性。此外，硬质合金应用在工具装备上可以节约大量稀缺金属和材料。硬质合金堆焊在易于磨损的零件上，可以显著提高零件的表面硬度，延长零部件的使用寿命。相信在未来，硬质合金还会有更多的发展和新的应用方向。

硬质合金类型和成型过程

1、钨钴类硬质合金：它的主要成分是碳化钨和钴，一般作为金属加工和矿山机械的工具以及机器的零件使用。

2、铸造碳化钨：主要装备与石油机械用的切削式钻头。

3、司太立合金：由铬、钴（或镍）和碳的铸造合金。现主要用于堆焊易磨损的零件。

硬质合金成型过程一般采用粉末冶金或者气体喷射方法：

粉末冶金是目前常用的制作硬质合金工艺，它是通过提取金属或非金属粉末作为原料，由粉末压铸后经过烧结的方法，或用热压的方法制成的金属或者非金属材料制品的技术。

因为硬质合金的原料是碳化物，如碳化钨、碳化钛这样一类高熔点、硬而脆的金属化合物，做成刀具、模具后，由于硬度高难以进一步进行加工到合适的形状和尺寸，所以不得不采用粘合剂把它们互相“粘”在一起，这些粘合剂通常用钴结合在一起，称为硬质合金。由于把钴和钢与碳化钨采用一般方法难以均匀地混合在一起，同时碳化钨熔点很高，不容易冶炼，因此，需要把它们制成粉末，然后均匀混合在一起，之后加压成型，再烧结，这时钴或者钢的细小的颗粒产生熔化，而碳化钨不能够在这个温度熔化，冷却下来，钴或者钢就把碳化钨粉末结合在一块，形成一个完整的整体。

常规的碳化钨的生产工艺比较复杂，而且成本较高。美国矿业局开发了一种生产碳化钨的新工艺方法—气体喷射法。气体喷射工艺过程包括：高温熔盐萃取钨，生成卤盐;用烃气喷射卤盐，将钨转换成碳化钨;为了减少杂质含量，喷射后再进行净化处理（水洗、酸浸、磁选）。这种工艺方法直接从钨矿石或钨精矿中生产碳化钨，简化了生产工艺流程，降低了成本。

硬质合金在关断阀中的应用

闸阀和截止阀作为输送和切断流体的介质，在电力、石油化工等方面应用非常广泛，一般由阀体、阀盖、阀杆和闸板（或阀芯）等部件组成。闸阀和截止阀都是通过执行机构或手轮旋转传动螺母，再由传动螺母和阀杆之间的梯形螺纹将旋转运动转变为直线运动，推动阀杆（阀芯或闸板）做上下直线运动。阀杆提升到全开位置时，阀体通径的流道全部打开，流体可以自由通过阀腔;当阀杆关闭到全关位置时，阀芯或闸板的密封面和阀座密封面贴合，从而起到关闭流体的作用。

闸板和阀座的密封面是阀门最重要的工作面之一，承担了阀门的启闭的密封工作。为了有效关闭阀腔内的介质，密封面的精度要求非常高。但是这个位置又是流体经常冲刷的表面，一般的马氏体材质或其他合金材质承受不住介质长期冲刷侵蚀。当密封表面变得粗糙以后，闸板和阀座关闭不能有效阻止介质通过，导致阀门失效。为了延长阀门的有效使用寿命，就需要提高密封面的硬度和耐磨性以保证密封性能。一般在密封面处堆焊钴基合金，钴基合金具有良好的耐热性，高强度的性能。特别是在高温工况下，钴基合金具有优秀的韧性、耐冲击性，抗磨损，防止擦伤刮伤，保证密封面的正常使用。

硬质合金在调节阀中的应用

调节阀的作用是调节流体流量和压力。通过执行机构或手轮控制阀杆升降，从而控制阀芯开度大小获得下游所需的流量、压力和温度等参数，保证后续作业的正常运行。因此，节流阀的性能直接影响到现场作业的质量。调节阀在石油、电力、化工等行业中起着十分重要的作用。常用的调节阀按照阀芯结构可以分为针式调节阀和笼套式调节阀等结构。在调节阀设计选型时，主要的考虑因素是阀芯结构形状（调节流量的范围和方式），介质的温度压力，材料的耐磨性和耐腐蚀性等要求。

1、硬质合金在针形节流阀中的应用

针形节流阀在油田各项作业中应用非常广泛，主要用于流体的流量或压力的调节。通过旋转手轮，使节流阀阀杆作轴向移动来调节流通面积，从而获得所需要的流体流量和压降。

针式节流阀主要由阀体，传动螺母、阀杆、阀座等部件组成，其中阀杆和阀座是最关键也是最主要的部件。在针形节流阀工作过程中，介质流经阀腔，不断冲击阀芯阀座。普通的碳钢或马氏体不锈钢满足不了使用要求。而强度更高的硬质合金阀芯可以抵抗介质的腐蚀和冲刷。但是整体硬质合金的韧性较差，脆性较大。由于阀杆阀芯处于悬臂状态，在流体流经时，整体硬质合金的阀杆阀芯会产生剧烈高频震动从而导致断裂，所以既要保证阀杆阀芯的强度又要保证阀杆在剧烈震动和复杂载荷的作用下保持良好的韧性。目前常用的解决方法是将马氏体不锈钢阀杆和硬质合金阀芯采用过盈配合加钎焊连接。这种连接结构可以提高阀芯的硬度和耐磨性，同时保证阀杆不会因为高频振动损坏。这种结构被广泛用于油田现场，经过长期的使用可以证明这种结构的可靠性。

2、硬質合金在笼套式调节阀中的应用

笼套式节流阀也被称为套筒式节流阀，目前市场上使用的笼套式节流阀分为内笼套式和外笼套式。这两种结构都是利用阀套在笼套表面滑动而产生不同的过流面积来实现控制流量的目的。

笼套式节流阀主要用于低流速，高压降、高腐蚀的工况。笼套式节流阀主要由阀体、笼套座、笼套、阀套、盘根盒、阀盖、阀杆等部分组成。笼套固定在笼套座上;笼套座固定在阀体上，笼套四周分布有大小位置不同的节流孔。阀门在动作时利用阀套在内笼套上滑动（或柱塞在外笼套内滑动）控制笼套上的节流孔露出面积的大小，进而控制过流面积，达到节流降压的目的。

节流阀用于节流工作，特别是笼套和阀套长期处于高速，高压流体的作用。笼套很容易因冲刷导致节流孔变形或使笼套产生裂纹破损。这两种情况会导致流量控制不准确或直接使节流阀失效。另外，当压差较大节流面积较小时，流体流经节流孔时会产生闪蒸和气蚀的现象。在这个过程中，流体由于瞬间的压力变化从而气化产生气泡，气泡在破裂瞬间时会对阀芯造成非常强的冲击。为了防止这种现象对阀门造成的损坏，一般来说选用的材料越硬，抗蚀能力越强。硬质合金碳化钨的硬度可达70HRC以上。在恶劣工况下碳化钨因硬度高而表现出更优秀的抗蚀和抗冲刷能力。高硬度的阀芯材料更能抵御闪蒸和气蚀对阀门的破坏。

参考文献

[1]段毅鸿，白佳声，章文宝，陆明炯.硬质合金材料的应用与发展[J].机械工程师，2001（01）：17-19.

[2]白佳声，章文宝.硬质合金材料的性能特点及其发展应用前景[J].上海金属，2001（06）：10-13.

作者简介：姓名：程志，出生日期：1988年2月，男，汉族，籍贯：江苏省宿迁市宿豫县  学历：本科  单位：上海融诺实业有限公司  研究方向：硬质合金材料的应用