專利名稱:一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥座的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥闊座的制造方法,具體涉及石油、 化工、煤化工等高溫、高壓差、含固體顆粒等工況條件下使用的耐磨損、抗沖蝕減 壓閥閥座復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù):
聚晶金剛石復(fù)合體(Polycrystalline Diamond Composite, PDC)或聚晶金剛石 (Polycrystalline Diamond, PCD)作為一種超硬、抗磨復(fù)合材料在石油鉆采、地質(zhì) 勘探的鉆頭和機(jī)加工領(lǐng)域中的切削刀具、拉絲摸、修整器以及其他各種耐磨器件上 已得到廣泛應(yīng)用。早期PDC產(chǎn)品主要是以美國G.E公司原位燒結(jié)的Compax和英 國DeBeers公司采用中介過度層的Sydite為代表,其制造方法是以既具有良好的韌 性和一定硬度,同時(shí)與PCD材料又有某些兼容性的硬質(zhì)合金材料為襯底,或?qū)⒔?剛石微粉在超高壓高溫下一次性燒結(jié)在硬質(zhì)合金基底上;或利用中介過渡層的粘結(jié) 劑金屬熔融擴(kuò)散到PCD層和硬質(zhì)合金表面,借助壓力的作用將PCD與硬質(zhì)合金牢 固地粘結(jié)在一起。然而,到目前為止尚未發(fā)現(xiàn)將這一超硬復(fù)合材料的制造技術(shù)應(yīng)用 到化工領(lǐng)域,特別是高溫、高壓差、高固體顆粒含量工況條件下運(yùn)行的關(guān)鍵裝備上 的專利及文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。
從材料學(xué)的觀點(diǎn)看,對于鈷擴(kuò)散式PDC復(fù)合材料,碳化鎢一鈷層和PCD層的 界面兩側(cè)均屬于雙相陶瓷材料,而兩層材料都是以金屬鈷作為粘結(jié)相,成功的液相 燒結(jié)主要取決于固-液兩相相互潤濕的程度。根據(jù)金屬-陶瓷的結(jié)合原理,只要二者 具有中等潤濕程度,就應(yīng)具有很好的粘結(jié)作用。因此,利用PCD的高硬度、高耐
磨性、高彈性模量和抗沖擊性能,制備成減壓閥閥座,從而實(shí)現(xiàn)提高設(shè)備使用壽命 的目的。
美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)曾經(jīng)對華盛頓洲的Fort Lewis和亞拉巴馬州 的Wilsonville的SRC工藝裝置、肯塔基州的Ashland的H-Coal工藝試驗(yàn)廠、得克薩斯洲的Baytown的EDS工藝試驗(yàn)廠等四家中試裝置,在高溫、高壓差、含固體 顆粒介質(zhì)等工況條件下使用的減壓閥作過綜合分析,其閥座材料為316不銹鋼和 Kennametal公司的K-703 、K-602和K-701碳化鴇等材料,閥壽命僅為幾小時(shí)至1000 小時(shí)。
美國FLOWSERER調(diào)節(jié)閥的閥芯、闊座均為整體碳化鴇材料,在高溫、高壓 差、含固體顆粒物料工藝條件下僅僅使用幾十小時(shí)后,閥芯出現(xiàn)嚴(yán)重磨損而失效。
日本YAMATAKE公司提供的產(chǎn)品LV2201減壓閥,閥座采用聚晶金剛石結(jié)構(gòu), 在上述工藝條件下僅用了 400多小時(shí),閥座出現(xiàn)脆性破裂。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能夠在高溫、 高壓差、高含固體顆粒工況條件下使用的耐磨損、抗沖蝕、長壽命的聚晶金剛石復(fù) 合體減壓閥閥座的制造方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn) 一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥 座的制造方法,其特征在于,該方法以硬質(zhì)合金為基體,將該基體加工成圓筒狀, 把配比好的原料金剛石粉末稱重,放入真空凈化裝置內(nèi),進(jìn)行真空凈化處理,去除 吸附在金剛石粉末表面的懸浮氣體,在凈化好的原料金剛石粉末中加入助燒劑,混 拌均勻得到金剛石混合料,再將加工好的基體硬質(zhì)合金圓筒裝入金屬鉬杯中,硬質(zhì) 合金圓筒內(nèi)或筒內(nèi)及一個(gè)端面裝入金剛石混合料,然后組裝在葉蠟石腔體內(nèi),再將 組裝好的葉蠟石腔體,置放在六面頂超高壓高溫設(shè)備上,采用先升壓5.8 6.2Gpa, 再升溫的燒結(jié)工藝,當(dāng)溫度升到1450 150(TC時(shí),燒結(jié)10 15min,停熱卸壓快 速冷卻,制得原位燒結(jié)而成的聚晶金剛石復(fù)合體燒結(jié)體,再將該燒結(jié)體,經(jīng)過表面 修磨、拋光,并在聚晶金剛石層中心縱向開孔即得產(chǎn)品。
所述的硬質(zhì)合金為鎢(W)-鈷(Co)類硬質(zhì)合金,包括YG20、 YG11或YG15。 所述的基體為圓筒型結(jié)構(gòu),其內(nèi)徑為O8 10mm,圓筒外徑為014 16mm。 所述的金剛石粉末為粒度不同的晶型完整的金剛石微粉混合物,金剛石微粉的 粒度配比為W20: W10: W5= (70 80): (25 15): 5。
所述的金剛石微粉的粒度配比為W20: W10: W5=75: 20: 5。 所述的真空凈化處理的條件為壓力為(1 5) xl(T3Pa、溫度為580 65(TC, 凈化0.8 1.2h。所述的真空凈化處理的條件為壓力為(1 3) xl(T3Pa、溫度為600 62(TC, 凈化lh。
所述的助燒劑是Fe粉和Si粉的混合物,其含量為金剛石粉末的l 5wt%。 本發(fā)明以鎢(W)-鈷(Co)類硬質(zhì)合金為基體,在其基體或基體及一個(gè)端面上填充 混有適量助燒劑的金剛石粉末,通過髙壓高溫原位燒結(jié)金剛石粉末形成聚晶金剛石 復(fù)合體(PDC),進(jìn)而通過特殊加工工藝制得聚晶金剛石復(fù)合體材料的閥座。與現(xiàn) 有技術(shù)相比,本發(fā)明制備的聚晶金剛石復(fù)合體(PDC)減壓閥閥座,耐磨損、抗沖 蝕、長壽命,更為重要的是解決了制約生產(chǎn)裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸問題。本發(fā) 明的PDC復(fù)合材料制備的減壓閥閥座,可適用于高溫45(TC、閥的前后壓差最高 可達(dá)19.9MPa、固體顆粒含量達(dá)48wt。/。等工況條件。采用本發(fā)明的PDC復(fù)合材料 的減壓閥閥座在上述工況條件下,可大大延長該減壓閥的使用壽命。 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 采用原位燒結(jié)法制備的聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥座可提高材料的硬度以 及耐磨損、抗沖蝕性能。
2、 燒結(jié)體中加入助燒劑Fe可活化金剛石顆粒表面,促進(jìn)金剛石-金剛石顆粒 間的結(jié)合,遏制晶粒的異常生長,獲得均勻致密的PDC材料,提高燒結(jié)體的耐磨 性。
3、 燒結(jié)體中加入助燒劑Si可在燒結(jié)體中形成過度相,避免因硬質(zhì)合金和金剛 石二者之間膨脹系數(shù)的差異以及冷卻后在二者界面處產(chǎn)生裂紋,降低閥座使用壽 命。
4、 采用PDC復(fù)合材料與不銹鋼閥套過盈鑲嵌的結(jié)構(gòu)制備的減壓閥閥座,可實(shí) 現(xiàn)不銹鋼-硬質(zhì)合金-聚晶金剛石三者之間受熱后應(yīng)力逐級釋放的優(yōu)點(diǎn),避免閥座體 及結(jié)合界面開裂,克服了不銹鋼-聚晶金剛石結(jié)構(gòu)方式中因二者膨脹系數(shù)差異大, 易產(chǎn)生裂紋的不足。
圖1為本發(fā)明的鎢(W)-鈷(Co)類硬質(zhì)合金基體結(jié)構(gòu)示意圖; 圖2為本發(fā)明的PDC燒結(jié)體圓柱形結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明的PDC燒結(jié)體圓柱形及在PDC —個(gè)端面有PCD結(jié)構(gòu)示意圖; 圖4為本發(fā)明的PDC燒結(jié)體結(jié)構(gòu)示意圖;圖5為本發(fā)明的PDC燒結(jié)體端面帶有PCD層的結(jié)構(gòu)示意圖6為本發(fā)明的PDC燒結(jié)體與不銹鋼閥套過盈鑲嵌的閥座結(jié)構(gòu)示意圖7為本發(fā)明的PDC燒結(jié)體端面帶有PCD層與不銹鋼閥套過盈鑲嵌的閥座
結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1
金剛石粉末為晶型完整的金剛石微粉,其粒度配比為W20: W10: W5-75:
20: 5。燒結(jié)前首先對原料金剛石微粉稱重,并進(jìn)行真空處理,以去除吸附在金剛
石微粉表面的懸浮氣體,真空凈化處理?xiàng)l件為(1 3) xlO_3Pa、 600°C,真空凈化lh。在凈化好的原料金剛石微粉加入助燒劑l 5wt。/。Fe粉和Si粉,混拌均勻,將加工成圓筒結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金YG20裝入金屬鉬杯中,鎢(W)-鈷(Co)類硬質(zhì)合金基體結(jié)構(gòu)如圖l所示,將圓筒1內(nèi)裝入金剛石混合料,然后,組裝在葉蠟石腔體內(nèi)。將組裝好的葉蠟石腔體,置放在國產(chǎn)六面頂超高壓高溫設(shè)備上,采用先升壓6.0GPa后升溫的燒結(jié)工藝,當(dāng)溫度升到1450'C時(shí),燒結(jié)15min,停熱卸壓快速冷卻制得產(chǎn)品,PDC燒結(jié)體(如圖2所示)。產(chǎn)品經(jīng)表面修磨、拋光,并在PCD層2中心縱向開?L,構(gòu)成輸送自減壓閥側(cè)向進(jìn)口管路的高溫、高壓介質(zhì)流通道(如圖4所示)。PDC闊座外套為316L不銹鋼,將加工好的PDC燒結(jié)體與316L不銹鋼閥套3采用過盈鑲嵌方式實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品(如圖6所示)的PDC燒結(jié)體減壓閥閥座。
如圖2所示的PDC燒結(jié)體圓柱形結(jié)構(gòu),在PCD層2中心縱向開孔,孔徑為O6mm;圖6所示的PDC閥座口部呈圓弧形,圓弧半徑R為2mm,圓弧半徑與閥芯密封錐構(gòu)成密封副。
實(shí)施例2
金剛石粉末為晶型完整的金剛石微粉,其粒度配比為W20: W10: W5=75:20: 5。燒結(jié)前首先對原料金剛石微粉稱重,并進(jìn)行真空處理,以去除吸附在金剛石微粉表面的懸浮氣體,真空凈化處理?xiàng)l件為(1 3) xlO'3Pa、 600°C,真空凈化lh。在凈化好的原料金剛石微粉中加入助燒劑l 5wt%Fe粉和Si粉,混拌均勻,先將加工成圓筒結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金YG20裝入金屬鉬杯中,再將圓筒1內(nèi)及一個(gè)端面裝入金剛石混合料,然后,組裝在葉蠟石腔體內(nèi)。將組裝好的葉蠟石腔體,置放在國產(chǎn)六面頂超高壓高溫設(shè)備上,采用先升壓(6.0GPa)后升溫的燒結(jié)工藝,當(dāng)溫度升到145(TC時(shí),燒結(jié)15min,停熱卸壓快速冷卻制得產(chǎn)品(如圖3所示)。產(chǎn)品經(jīng)表面修磨、拋光,并在PCD層2中心縱向開孔,孔徑為06mm,構(gòu)成輸送自減壓闊側(cè)向進(jìn)口管路的高溫、高壓介質(zhì)流通道(如圖5所示)。PDC閥座外套為316L不銹鋼3,將加工好的PDC燒結(jié)體與316L不銹鋼閥套采用過盈鑲嵌方式實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品(如圖7所示)的PDC燒結(jié)體減壓闊閥座,PDC閥座口部呈圓弧形,圓弧半徑R為2mm,圓弧半徑與閥芯密封錐構(gòu)成密封副。
如圖3所示,在PDC燒結(jié)體圓柱形及在PDC —個(gè)端面有PCD層結(jié)構(gòu)的目的是保證閥座端面與來自減壓閥側(cè)向進(jìn)口管路的高溫、高壓、高含固體顆粒介質(zhì)流接觸部位有0.5 2mm厚的聚晶金剛石層,提高閥座端面抗磨損性能。
如圖7所示PDC復(fù)合材料制備的減壓閥閥座,可適用于高溫45(TC、閥的前后壓差最高可達(dá)19.9MPa、固體顆粒含量達(dá)48wtr。等工況條件。采用本發(fā)明的PDC復(fù)合材料的減壓閥閥座在上述工況條件下,可大大延長該減壓閥的使用壽命。
實(shí)施例3
一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥座的制造方法,以鎢(W)-鈷(Co)類硬質(zhì)合金YG11為基體,在其基體上填充混有l(wèi)wt。/。助燒劑Fe粉和Si粉的金剛石粉末。加入助燒劑的目的是充分考慮硬質(zhì)合金和金剛石二者之間膨脹系數(shù)的差異,盡可能地減少PCD燒結(jié)過程中的液相存在,遏制晶粒的異常生長,以及避免冷卻后在二者界面處產(chǎn)生裂紋,降低閥座使用壽命。金剛石粉末為晶型完整的金剛石微粉,其粒度配比為W20: W10: W5=70: 25: 5,燒結(jié)前首先把配比好的原料金剛石微粉稱重,放入真空凈化裝置內(nèi),進(jìn)行凈化處理,以去除吸附在金剛石微粉表面的懸浮氣體,真空凈化處理的條件為壓力5xlO—Spa、溫度58(TC,凈化0.8h。在凈化好的原料金剛石微粉中加入助燒劑,混拌均勻,將基體加工成內(nèi)徑為①10mm,外徑為①16mm的圓筒狀,把加工好的基體硬質(zhì)合金YG11 (參見圖1)圓筒裝入金屬鉬杯中,硬質(zhì)合金圓筒內(nèi)或筒內(nèi)及一個(gè)端面裝滿金剛石混合料,然后,組裝在葉蠟石腔體內(nèi)。再將組裝好的葉蠟石腔體,置放在國產(chǎn)六面頂超高壓高溫設(shè)備上,采用先升壓5.8Gpa,再升溫的燒結(jié)工藝,當(dāng)溫度升到150(TC時(shí),燒結(jié)10min,停熱卸壓快速冷卻,制得原位燒結(jié)而成的PDC燒結(jié)體(參見圖2、圖3)。再將原位燒結(jié)而成的PDC燒結(jié)體,經(jīng)過表面修磨、拋光,并在PCD層中心縱向開孔,構(gòu)成輸送自減壓閥側(cè)向進(jìn)口管路的高溫、高壓介質(zhì)流通道。實(shí)施例4
一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥闊座的制造方法,該方法以硬質(zhì)合金YG15為基
體,將該基體加工成圓筒狀,其內(nèi)徑為08mm,圓筒外徑為014mm,把配比好的原料金剛石粉末稱重,放入真空凈化裝置內(nèi),進(jìn)行真空凈化處理,去除吸附在金剛石粉末表面的懸浮氣體,真空凈化處理的條件為壓力1.33x1 (T3Pa、溫度65(TC,凈化1.2h。金剛石粉末為晶型完整的金剛石微粉,其粒度配比為W20: W10: W5=80:15: 5,在凈化好的原料金剛石粉末中加入5wtM助燒劑Fe粉和Si粉,混拌均勻得到金剛石混合料,再將加工好的基體硬質(zhì)合金圓筒裝入金屬鉬杯中,硬質(zhì)合金圓筒內(nèi)及一個(gè)端面裝入金剛石混合料,然后組裝在葉蠟石腔體內(nèi),再將組裝好的葉蠟石腔體,置放在六面頂超高壓高溫設(shè)備上,采用先升壓6.20 &,再升溫的燒結(jié)工藝,當(dāng)溫度升到150(TC時(shí),燒結(jié)10min,停熱卸壓快速冷卻,制得原位燒結(jié)而成的聚晶金剛石復(fù)合體燒結(jié)體,再將該燒結(jié)體,經(jīng)過表面修磨、拋光,并在聚晶金剛石層中心縱向開孔即得產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥座的制造方法,其特征在于,該方法以硬質(zhì)合金為基體,將該基體加工成圓筒狀,把配比好的原料金剛石粉末稱重,放入真空凈化裝置內(nèi),進(jìn)行真空凈化處理,去除吸附在金剛石粉末表面的懸浮氣體,在凈化好的原料金剛石粉末中加入助燒劑,混拌均勻得到金剛石混合料,再將加工好的基體硬質(zhì)合金圓筒裝入金屬鉬杯中,硬質(zhì)合金圓筒內(nèi)或筒內(nèi)及一個(gè)端面裝入金剛石混合料,然后組裝在葉蠟石腔體內(nèi),再將組裝好的葉蠟石腔體,置放在六面頂超高壓高溫設(shè)備上,采用先升壓5.8~6.2Gpa,再升溫的燒結(jié)工藝,當(dāng)溫度升到1450~1500℃時(shí),燒結(jié)10~15min,停熱卸壓快速冷卻,制得原位燒結(jié)而成的聚晶金剛石復(fù)合體燒結(jié)體,再將該燒結(jié)體,經(jīng)過表面修磨、拋光,并在聚晶金剛石層中心縱向開孔即得產(chǎn)品。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥座的制造方法,其 特征在于,所述的硬質(zhì)合金為鎢(W)-鈷(Co)類硬質(zhì)合金,包括YG20、 YG11 或YG15。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥座的制造方法,其 特征在于,所述的基體為圓筒型結(jié)構(gòu),其內(nèi)徑為①8 10mm,圓筒外徑為014 16mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥座的制造方法,其 特征在于,所述的金剛石粉末為粒度不同的晶型完整的金剛石微粉混合物,金剛石 微粉的粒度配比為W20: W10: W5= (70 80): (25 15): 5。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥座的制造方法,其 特征在于,所述的金剛石微粉的粒度配比為W20: W10: W5=75: 20: 5。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥座的制造方法,其 特征在于,所述的真空凈化處理的條件為壓力為(1 5) X10—3Pa、溫度為580 650°C,凈化0.8 1.2h。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥座的制造方法,其 特征在于,所述的真空凈化處理的條件為壓力為(1 3) X10'3Pa、溫度為600 620°C,凈化lh。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥座的制造方法,其特征在于,所述的助燒劑是Fe粉和Si粉的混合物,其含量為金剛石粉末的l 5wt%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聚晶金剛石復(fù)合體減壓閥閥座的制造方法,該方法是在鎢(W)-鈷(Co)類硬質(zhì)合金基體上,通過高壓高溫原位燒結(jié)金剛石粉末形成聚晶金剛石復(fù)合體(PDC),進(jìn)而通過特殊加工工藝制得聚晶金剛石復(fù)合體材料的閥座。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明方法制備的聚晶金剛石復(fù)合體(PDC)減壓閥閥座,耐磨損、抗沖蝕、長壽命,更為重要的是解決了制約生產(chǎn)裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸問題。
文檔編號B22F7/04GK101524758SQ20091004727
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月9日
發(fā)明者蘭建華, 劉阿龍, 吳向陽, 孫方紅, 張麗雅, 彭東輝, 梁海波, 章序文, 陳奕峰 申請人:上?;ぱ芯吭?br>