严苛工况下整体烧结碳化钨硬质合金在耐磨阀门上的应用分析

1、概述

在多晶硅、煤化工、电厂除灰、泥浆和锅炉排渣等物料输送管线中，阀门密封部位不仅受到密封副部件的滑动摩擦磨损作用，而且承受高温高硬度气固双相混合物高速冲击，及高压流体引起的闪蒸和汽蚀，进而导致损坏，加剧阀门失效。因此，粉料输送等严苛工况下，耐磨性成为阀门的一项重要的性能考核指标。

2、分析

依据摩擦发生的条件和机理，磨损有多种不同的形式，常见的有磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损，以及冲蚀磨损等。

表征材料磨损性能的常用参量有磨损量、磨损率、磨损度、耐磨性和相对耐磨性等。耐磨料磨损的基本要求是物体表面必须有高的硬度(表面硬度应超过磨料的硬度)，同时还应在工作温度下具有良好的抗氧化性能力，控制或将磨损减至最小的有效办法是提高材料硬度和耐磨性。烧结碳化钨强度高，表面光洁度也可以很高，与其他材料配对使用时，摩擦系数比钢小，能显著减小接触面摩擦力，有效降低操作力矩。

3、特点

整体烧结碳化钨硬质合金由钨和碳的混合物高温加热制成，大多数碳化钨的硬度很高，其显微硬度仅次于钻石，熔点2870℃.沸点6000℃，相对密度15.63(18℃)，高温下不易分解，抗氧化能力好。对现场使用情况调查表明，碳化钨在磨粒磨损、冲蚀磨损和擦伤等情况下的耐磨性比工具钢、不锈钢、铁和黄铜等高100倍，刚性比钢高2～3倍，比铸铁和黄铜高4～6倍，抗冲击性能与淬硬工具钢相似。

4、应用

在煤气化和多晶硅等高温、高压、强腐蚀性及含固体颗粒的浆料与粉料等工况中，常规使用的硬密封球阀、文丘里黑水控制阀、煤粉控制阀、圆盘阀和滑板阀的阀瓣与阀座分别采用喷涂碳化钨硬质合金构成密封副。由于碳化钨涂层厚度<2mm，硬度<60HRC，涂层与基体结合力<1000psi。喷涂通常在10000℃的高温条件下进行，操作施工条件恶劣。阀门使用寿命难以保证10000次循环，不能满足煤化工浆料和多晶硅粉料等系统长周期稳定生产要求。另一方面，喷涂碳化钨强度主要由基体材质提供，当两种材料线膨胀系数较大时，使用受到温度的局限，难以超过450℃。新型硬密封球阀、文丘里黑水控制阀(图2)、煤粉控制阀(图3)、圆盘阀(图4)和滑板阀等的阀瓣与阀座均采用整体烧结碳化钨硬质合金构成密封副，阀门性能有了明显的改善。

(1)硬度高。硬度>80HRC，可以承受水煤浆、煤粉、硅粉等多相颗粒介质的高速冲刷。

(2)耐高温。能长期工作在750℃的高温状态下，强度、结合力和热膨胀等不受温度的局限，完全满足了煤化工等高温工况。

(3)耐高压。整体烧结碳化钨横向断裂强度达到4000MPa，是常规钢材强度的10倍以上，能在25MPa的工况压力等级下长期工作。

(4)耐腐蚀。整体烧结碳化钨化学性质稳定，即使在加热情况下，不溶于水.也不与盐酸和硫酸起作用，甚至在王水中也不会被溶解，足以满足煤化工等特殊行业对腐蚀性能的特殊要求。

(5)耐磨损。整体烧结碳化钨高硬度和高稳定性等特性保证了密封副材料优良抗磨损性能，满足煤粉、有机硅等(硅粉颗粒硬度为62HRC)特殊介质磨损要求。

(6)耐冲蚀。常规阀采用喷涂碳化钨涂层作为密封面，阀门内件承受严重的的冲蚀，通常在250℃工况下，1个月内就呈现蜂窝状，完全丧失功能。采用整体烧结碳化钨作为控制件的文丘里黑水控制阀、煤粉控制阀，在450℃温度下(其余工况相同)使用寿命达12个月。频繁开启的圆盘阀和滑板阀等开关次数>300000次，完全满足煤化工等8000h的长周期运行要求。

(7)高温动作性能灵活。球体和阀座同为整体烧结碳化钨硬质合金，其线膨胀系数均为常规钢材的1/3～1/2，有效避免了常规阀门高温卡塞现象，保障了高温差工况下其优异的动作性能。

(8)低摩擦。采用烧结碳化钨硬质合金减磨垫片，不但延长垫片高温使用寿命，鉴于其较低的摩擦系数，通常只有常规配对材料的1/3～1/2，极大地减轻了二者之间的摩擦力，降低了阀门操作力矩。

5、结语

整体烧结碳化钨硬质合金高强度，高硬度，高熔点，高稳定性，低摩擦系数，耐磨损，耐冲蚀和汽蚀，耐腐蚀，制造用于工况条件苛刻的耐磨阀门密封件，提高了阀门的适用性，扩大了阀门的使用范围，延长了阀门的工作寿命，保证了阀门各项性能指标，满足了化工行业的发展需要。