镍基合金的离子渗氮及其在阀杆上的应用

    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。    

表1 Inconel718镍基合金的化学成分（质量分数，%）

    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。

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    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。

表2 辉光离子渗氮工艺流程

表3 不同温度下离子渗氮Inconel718合金的表面硬度（HV0.1）

    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。

图1 610℃×8h渗氮试样的渗氮层硬度分布

    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。