CN103154290B - 硬质合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于油气应用的硬质合金及其制备方法，该硬质合金包括含有WC的硬质相和粘结剂相，其中，该硬质合金成分含有WC和按重量百分比计3‑11Ni、0.5‑7Cr、0.3‑1.5Mo、0‑1Nb以及0‑0.2Co。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬质合金，尤其涉及一种用于油气应用的硬质合金。
背景技术
由于节流阀的使用寿命相对较短，因而节流阀是油气生产系统中的关键组件。此外，由于可达性、例如海底和用于维护所需的昂贵的生产停机时间，所以预测使用中的性能和可靠性是关键的。
节流阀可以经受高速(>200m/秒)流动，该高速流动可以是具有可变的pH的混合的沙∕油∕气∕水并且也可以表现出含有H2S的“酸性”条件。
当前，由于碳化钨和钴金属粘结剂一起具有独特的硬度、强度和耐磨性的结合，所以碳化物和钴金属粘结剂一起主导着用于节流阀的材料。然而，在某些油气的流量控制的情形下，主要由于硬金属粘结剂材料对酸性介质的较低的耐蚀性，所以硬金属粘结剂材料具有不利的特性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有改进的特性的硬质合金，该硬质合金用于在经受极端的磨损和腐蚀的状况尤其例如是电化腐蚀的油气的应用。
本发明的另一个目的是提供一种用于油气应用的流量控制设备，该流量控制设备具有改进的使用期限。
已发现通过如下硬质合金成分能够实现以上目的，该硬质合金成分含有WC和按重量百分比计3-11Ni、0.5-7Cr、0.3-1.5Mo、0-1Nb以及0-0.2Co。
具体实施方式
在某些油气流量控制的情形下，尤其是在电化电势占主导的状况下，常规的硬性金属粘结剂材料具有不利的特性。
硬金属的腐蚀过程在一定程度上受控于多种因素，并且已发现这包括电耦合（galvanic coupling），即，当不同的金属被浸入腐蚀性溶液中时，每种金属均会产生腐蚀电势。在流量控制系统中，该情况可能存在于硬金属节流阀和支撑该硬金属节流阀的钢质体之间。
根据本发明，该状况下的耐磨性和耐蚀性对于包括含有WC的硬质相和粘结剂相的硬质合金是显著改进的，其中，该硬质合金成分含有WC和按重量百分比计3-11Ni、0.5-7Cr、0.3-1.5Mo、0-1Nb以及0-0.2Co。
在一个实施例中，硬质合金成分含有WC和按重量百分比计5-7Ni、1.5-2.5Cr、0.5-1.5Mo、0-0.5Nb以及0-0.2Co。
在一个实施例中，硬质合金成分含有WC和按重量百分比计5-7Ni、1.5-2.5Cr、0.5-1.5Mo、大于0且小于0.5的Nb以及0-0.2Co。
在一个实施例中，硬质合金成分含有WC和按重量百分比计5-7Ni、1.5-2.5Cr、0.5-1.5Mo、0-0.5Nb以及大于0且小于0.2的Co。
合适地，硬质合金成分中的WC的含量为80-95重量％，优选为85-95重量％。
如果硬质合金中的粘结剂含量为5-20重量％，优选为5-15重量％，则是更有利的。
在一个实施例中，硬质合金成分还含有按重量百分比计0-0.2Si、0-1Fe以及0-0.08Mn。
在一个实施例中，硬质合金成分还含有按重量百分比计大于0且小于0.2的Si、0-1Fe以及0-0.08Mn。
在一个实施例中，硬质合金成分还含有按重量百分比计0-0.2Si，大于0且小于1的Fe以及0-0.08Mn。
在一个实施例中，硬质合金成分还含有按重量百分比计0-0.2Si、0-1Fe以及大于0且小于0.08的Mn。
在一个实施例中，粘结剂相中的Cr/Ni重量比率为0.1–0.5。
在一个实施例中，当采用线性截距法测量时，烧结后的硬质合金中大致所有的硬质相WC的晶粒的尺寸小于1μm。
在一个实施例中，硬质合金成分含有WC和按重量百分比计3-11Ni、0.5-7Cr、0.3-1.5Mo、0-1Nb、0-0.2Co、0-0.2Si、0-1Fe、0-0.08Mn，并且其中，任何其它组分均低于2重量％，合适地是低于1重量％。
在一个实施例中，硬质合金成分含有WC和按重量百分比计3-11Ni、0.5-7Cr、0.3-1.5Mo、大于0且小于1的Nb、0-0.2Co、0-0.2Si、0-1Fe、0-0.08Mn，并且其中，任何其它组分均低于2重量％，合适地是低于1重量％。
在一个实施例中，硬质合金成分含有WC和按重量百分比计3-11Ni、0.5-7Cr、0.3-1.5Mo、0-1Nb、大于0且小于0.2的Co、0-0.2Si、0-1Fe、0-0.08Mn，并且其中，任何其它组分均低于2重量％，合适地是低于1重量％。
在一个实施例中，硬质合金成分含有WC和按重量百分比计3-11Ni、0.5-7Cr、0.3-1.5Mo、0-1Nb、0-0.2Co、大于0且小于0.2的Si、0-1Fe、0-0.08Mn，并且其中，任何其它组分均低于2重量％，合适地是低于1重量％。
在一个实施例中，硬质合金成分含有WC和按重量百分比计3-11Ni、0.5-7Cr、0.3-1.5Mo、0-1Nb、0-0.2Co、0-0.2Si、大于0且小于1的Fe、0-0.08Mn，并且其中，任何其它组分均低于2重量％，合适地是低于1重量％。
在一个实施例中，硬质合金成分含有WC和按重量百分比计3-11Ni、0.5-7Cr、0.3-1.5Mo、0-1Nb、0-0.2Co、0-0.2Si、0-1Fe、大于0且小于0.08的Mn，并且其中，任何其它组分均低于2重量％，合适地是低于1重量％。
在另一个实施例中，硬质合金成分含有按重量百分比计86-93WC、5.8-6.6Ni、2.0-2.5Cr、0.7-1.2Mo、0.2-0.6Nb、0.02-0.07Si、0.05-0.15Fe以及0.02-0.07Mn。
在另一个实施例中，硬质合金成分含有按重量百分比计91-95WC、3.3-4.3Ni、1.0-1.5Cr、0.3-0.7Mo、0.1-0.4Nb、0.02-0.06Si、0.04-0.09Fe以及0.01-0.04Mn。
在还有另一个实施例中，硬质合金成分含有按重量百分比计86-93WC、9.0-10.0Ni、0.6-1.0Cr以及0.8-1.0Mo。
在另一个实施例中，硬质合金成分含有按重量百分比计91-95WC、3.3-4.3Ni、4.5-6.5Cr、0.4-0.9Mo和0.09-1.2Si。
本发明也提供了一种制备如上所述的硬质合金的方法，该硬质合金包括含有WC的硬质相和粘结剂相，该方法通过将WC粉末和一种或多种另外的粉末用作原材料，其中，该一种或多种另外的粉末的所有成分按重量百分比计为55-65Ni，15-25Cr，5-12Mo，0-6Nb和0-1Co。
在一个实施例中，一种或多种另外的粉末的所有组分按重量百分比计为55-65Ni、15-25Cr、5-12Mo、大于0且小于6的Nb以及0-1Co。
在一个实施例中，一种或多种另外的粉末的所有组分按重量百分比计为55-65Ni、15-25Cr、5-12Mo、0-6Nb以及大于0且小于1的Co。
在一个实施例中，所述另外的粉末中的至少一种粉末为预合金化金属基粉末。在该预合金化粉末的一个示例性实施例中，所述成分含有按重量百分比计55-65Ni、15-25Cr、5-12Mo、0-6Nb以及0-1Co。
在另一个实施例中，所述另外的粉末中的至少一种粉末为元素态的或为该元素的一级（primary）碳化合物，即该粉末仅由一种元素或一级碳化合物构成，例如，Ni、Cr(Cr3C2)、Mo、Nb(NbC)或者Co。在一个示例性实施例中，所有的另外的粉末为元素态的或一级碳化合物。少量常见的杂质也可以存在于元素态粉末中。
所述另外的粉末也可以含有其它元素，诸如Si、Fe、Mn和C。当添加一种或多种该附加元素时，该另外的粉末中的合适的量为Si0-0.6重量％；Fe0-5重量％；Mn0-0.6重量%；C0-0.15重量％。
在一个实施例中，当添加一种或多种所述附加元素时，在所述另外的粉末中的量为大于0且小于0.6重量％的Si；0-5重量％Fe；0-0.6重量%Mn；0-0.15重量％C。
在一个实施例中，当添加一种或多种所述附加元素时，在所述另外的粉末中的量为0-0.6重量％Si；大于0且小于0.5重量％的Fe；0-0.6重量%Mn；0-0.15重量％C。
在一个实施例中，当添加一种或多种所述附加元素时，在所述另外的粉末中的量为0-0.6重量％Si；0-5重量％Fe；大于0且小于0.6重量％的Mn；0-0.15重量％C。
在一个实施例中，当添加一种或多种所述附加元素时，在所述另外的粉末中的量为0-0.6重量％Si；0-5重量％Fe；0-0.6重量%Mn；大于0且小于15重量％的C。
通过将形成硬质组成的粉末和形成粘结剂的粉末进行混合来合适地制备本发明中使用的硬质合金。合适地，该粉末一起被湿磨、干燥、挤压成具有预期形状的型体并被烧结。合适地，在1350－1500°C之间的温度下执行烧结，合适地是使用真空烧结。可选地，例如，作为最终的热等静压烧结步骤，能够在压力为例如40-120bar下、在例如氩气下部分地或完全地执行烧结，以获得致密的硬质合金。
在一个实施例中，基本上使用预合金化材料制备粘结剂添加物，在该材料中，粉末颗粒具有的尺寸为大约5μm，这意味着合适地是，粒度范围95%介于通过激光衍射技术测量到的1μm和10μm之间的粒度分布。
在一个实施例中，通过FSSS的平均WC粉末粒度介于0.6μm和1.5μm之间，合适地是为大约0.8μm。
由此，通过采用由与节流阀控制系统的钢质体组分相合适地匹配的“不锈的”合金配制的粘结剂来实现硬质合金级别的耐磨性和适当的耐蚀性，以使电化效果最小化并给予优良的耐蚀性。此外，与0.8μm粒度的亚微米的WC和相似的钴的粘结剂含量的硬质合金(Hv30为1500–1700)相比，通过将具有适合的亚微米优选是大约0.8μm粒度的WC和预合金化粘结剂结合，能够实现惊人地高的硬度，Hv30为1800–2100。
本发明也提供了一种含有根据本发明的硬质合金的流量控制设备。示例性流量控制设备包括例如节流阀组件及控制阀组件，诸如阀针、阀座、节流阀、阀杆、密封设备、衬垫等。
本发明也涉及一种根据本发明的硬质合金的用途，该用途用于腐蚀性、磨蚀性以及侵蚀性环境中的油气应用。
本发明也涉及一种在流量控制设备中的根据本发明的硬质合金的用途。
例1
根据已知方法制造了根据本发明的成分的实施例的硬质合金试样和阀体，并且针对根据以下的表1的用于流量控制的标准硬质合金(标号E至G)的先前的现有技术，测试了该试样和该阀体。
通过形成硬质组成的粉末和形成粘结剂的粉末制备了根据本发明的硬质合金样品。该粉末和润滑剂及抗絮凝剂一起被湿磨，直至获得了均匀的混合物，并且通过喷雾干燥使该混合物颗粒化。在烧结前，通过均衡地“湿包”挤压将干燥过的粉末挤压为具有预期形状的型体，并且将该粉末成型为生坯。在1450°C下的真空中执行烧结大约1小时，之后在冷却前，在烧结温度下施加50bar氩气的高压大约30分钟，以获得致密的结构。
通过将具有0.8μm的FSSS粒度的WC粉末和形成粘结剂的粉末进行混合并研磨来制作具有根据表1的按重量百分比计的成分的硬质合金级别。
表1(按重量百分比计的成分)
当采用线性截距法测量时，本发明的硬质合金的烧结结构含有0.8μm的平均粒度的WC，并且取决于所选的成分，该材料具有Hv30为1600–2000的硬度范围。
根据ASTM标准B611和61，测试硬质合金等级试样的磨损和腐蚀(包含酸性介质)。
已经根据硬质合金领域中采用的标准即用于测量密度的ISO3369:1975、用于硬度的ISO3878:1983以及用于耐磨性的ASTM G65来测量其它特性。
已经根据ASTM61标准表征耐蚀性，该标准尤其适于测量在氯化物溶液中的(Co，Ni，Fe)的腐蚀。
结果呈现在以下的表2中。
表2
*根据ASTM61采用浸没便携式电池（flushed port cell）得到击穿电势
Eb(10μA/cm2)标准化的等级尺度1至10，其中不锈钢316=10
**在替换以用于使电势严重故障的风险最小化之前估算的使用寿命。
因此，与现有技术（标号E至G）相比，本发明展示如下所示的改进。
耐蚀性提高达到超过5倍。
Claims (8)
1.一种用于油气应用的硬质合金，包括含有WC的硬质相和粘结剂相，其特征在于，所述硬质合金成分包括WC，并且包括按重量百分比计86-93WC、9.0-10.0Ni、0.6-1.0Cr和0.8-1.0Mo。
2.根据权利要求1所述的硬质合金，其中，所述硬质合金成分还包括按重量百分比计大于0且小于0.6的Si、0-5Fe、0-0.6Mn、0-0.15C。
3.根据权利要求1所述的硬质合金，其中，所述硬质合金还包括按重量百分比计0-0.6Si、大于0且小于5的Fe、0-0.6Mn、0-0.15C。
4.根据权利要求1所述的硬质合金，其中，所述硬质合金成分还包括按重量百分比计0-0.6Si、0-5Fe、大于0且小于0.6的Mn、0-0.15C。
5.根据权利要求1所述的硬质合金，其中，所述硬质合金成分还包括按重量百分比计0-0.6Si、0-5Fe、0-0.6Mn、大于0且小于0.15的C。
6.一种流量控制设备，包括根据权利要求1至5中的任一项所述的硬质合金。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的硬质合金用于腐蚀性、磨蚀性和侵蚀性环境中的油气应用。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的硬质合金在流量控制设备中的应用。
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