采油、采氣井口用高壓、大口徑平板閥門，采用API6A規范，其額定工作壓力15000psi（相當于105MPa），口徑Φ180mm，材料級別為HH（最高級別，適用于酸性環境），額定溫度級別為U級（溫度范圍：-18～121℃），產品性能級別為PR2級。首先，由于其工作在高壓狀態下，加之口徑大，閥門的開關力矩大，特別是產品在做PR2級別性能試驗的高低溫試驗時，在121℃的氣壓試驗情況下，為氣體介質、無潤滑、干摩擦狀態，閥門的開關力矩急劇增加，開關力矩是平時的2～3倍，且需要進行20次以上重復試驗，所以，對閥桿材料的強度提出了較高要求，同時閥桿螺紋表面要求很高的硬度以提高抗磨性。

    對于HH級酸性環境工作的閥桿，由于其接觸酸性介質，按照API6A規范，應采用耐蝕合金而不能采用常用的沉淀硬化不銹鋼如17-4PH不銹鋼等。結合閥桿強度要求及耐H2S腐蝕要求，按照NACE0175標準，選用鎳基合金Inconel718做為高壓、大口徑閥門的閥桿材料，該材料的化學成分如表1，經固溶+時效硬化處理，抗拉強度大于1034MPa，屈服強度827～1000MPa，硬度34～40HRC，在保證防腐的前提下提供了很高的強度，對于性能級別為PR1的產品，該材料完全滿足設計與使用要求。而對于PR2級別產品，由于閥桿特別是閥桿螺紋部位工作狀況惡劣，高比壓、干摩擦，因而需通過表面處理，提高表面硬度以增加耐磨性。

    1 試驗材料及方法

    Inconel718合金相當于國內的GH169合金，Cr、Ni含量較高，是一種時效硬化高溫鎳基合金，其主要化學成分見表1。因其表面鈍化，普通氣體滲氮效果很差；QPQ處理后的化合物層厚度＜10μm，且表面層均勻性不好，脆性大，不適合處理傳動螺紋，因此選用輝光離子滲氮進行處理。    

表1 Inconel718鎳基合金的化學成分（質量分數，%）

    1.1 滲氮設備與工藝

    采用輝光離子滲氮爐，額定工作溫度＜750℃，極限真空度≤6.67Pa。離子滲氮工藝流程見表2，其中的工序3，抽真空和去除鈍化膜過程很關鍵。采用570℃×8h及610℃×8h兩種不同工藝進行離子滲氮。

    1.2 性能檢測

    采用UXC型顯微鏡對離子滲氮件表面顯微組織進行觀察及拍照。采用顯微硬度計進行硬度測試，每個試樣在3個不同點測試硬度，每個點上測量3個值進行平均，所以最后得到的試樣表面硬度值為9次測量的平均值。

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    2 結果與分析

    經過離子滲氮后的試樣，表面為灰色，由于表層組織不致密（顯微鏡下觀察），所以表面拋光后測試硬度，結果見表3。從表3可以看出，經過離子滲氮處理的Inconel718合金的表面硬度有了很大提高。

表2 輝光離子滲氮工藝流程

表3 不同溫度下離子滲氮Inconel718合金的表面硬度（HV0.1）

    采用UXC型顯微鏡對離子滲氮層進行觀察，滲氮層有明顯的界限，610℃×8h滲氮的滲層深度約10～15μm，570℃×8h滲氮的約5～8μm。用顯微硬度計測試610℃×8h滲氮層的硬度分布，滲氮層深度約為13.8μm（見圖1），硬度梯度較緩，分布合理，滿足抗磨的使用要求。

圖1 610℃×8h滲氮試樣的滲氮層硬度分布

    3 結論

    Inconel718鎳基合金通過610℃×8h離子滲氮，表面硬度可達720HV0.1左右，總滲層深度可達10～15μm，能滿足閥桿材料高強度、耐腐蝕及耐磨的要求。