閥門是氣體、液體、粉末材料輸送系統(tǒng)中的控制元件，具有導(dǎo)流、截流、節(jié)流調(diào)節(jié)、防止倒流、分流或溢流卸壓等功能．閥門一般應(yīng)具有：密封性能、強(qiáng)度性能、調(diào)節(jié)性能、動作性能和流通性能．對大多數(shù)閥門來說，密封和強(qiáng)度是設(shè)計(jì)者著重考慮的問題，密封是首要問題，由于密封性能差或密封壽命短而產(chǎn)生流體的外漏或內(nèi)漏，會造成環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失，有毒性的流體、腐蝕性流體、放射性流體和易燃易爆流體的泄漏有可能產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡，強(qiáng)度不夠則將會導(dǎo)致本體或系統(tǒng)的破壞．近年來，人們從機(jī)械學(xué)、摩擦學(xué)、表面物理、材料科學(xué)等學(xué)科對閥門的密封面進(jìn)行了不同程度的研究，取得了一定的成果，但還不能滿足在粉末介質(zhì)、危險介質(zhì)、腐蝕介質(zhì)、高溫環(huán)境對閥門提出的長壽命要求．為此，本文分析了閥門的多種表面處理技術(shù)，并展望等離子噴涂陶瓷涂層工藝在對中、大型閥門進(jìn)行表面處理應(yīng)用的前景．
1 閥門工況及密封面失效情況分析
閥門的種類繁多，其用途和作用不同，為實(shí)現(xiàn)特定的目的和功能而采用的閥門材料不同，結(jié)構(gòu)形式也多種多樣．對于不同的材料、不同結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的密封面所采用的表面處理工藝也不同．對于灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、碳素鋼、不銹鋼等閥門來說其閥座及啟閉件的密封面材料一般采用銅合金（錳黃銅、鋁黃銅、鋁青銅）、不銹鋼和聚四氟乙烯或橡膠，在一般情況下主要通過熱處理來強(qiáng)化密封表面，銅合金是經(jīng)800℃左右加熱后淬火工藝強(qiáng)化，不銹鋼常用的熱處理工藝有固溶處理、穩(wěn)定化處理、除應(yīng)力處理等工藝．通常，閥門的密封表面處理是在保證結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)的前提下，通過熱處理方法來提高強(qiáng)度、硬度等性能．由于閥門主要是通過聚四氟乙烯材料來保證密封，通過大量的失效閥門研究分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)以聚四氟乙烯為密封材料的閥門的失效都是由于聚四氟乙烯破壞而導(dǎo)致的．
為此必須改善密封材料或密封結(jié)構(gòu)形式來提高閥門的使用壽命．為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科技工作者從二個方面出發(fā)，其一是從結(jié)構(gòu)上考慮；提出了活塞式閥門、雙漸開線閥門、旋塞式閥門、柱塞式閥門等以適應(yīng)工作條件的需要；其二是從材料上考慮；提出了全陶瓷閥門、陶瓷噴涂密封面閥門、硬質(zhì)薄膜沉積密封面等全新理念，其主要目的是想把陶瓷等新材料的硬度高、耐磨損，耐高溫等特性應(yīng)用于閥門上．
2 閥門密封表面處理技術(shù)展望
通過大量資料查詢，目前在閥門密封面強(qiáng)化陶瓷涂層的技術(shù)主要有二大類，一類是噴涂陶瓷涂層，一類是沉積涂層．
2.1 噴涂陶瓷
噴涂工藝是現(xiàn)代三大新材料中應(yīng)用、發(fā)展最快的新工藝，它將是21 世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù)1 ．陶瓷噴涂是一種表面改性新工藝，它整體上是利用母體材料性能，進(jìn)而提高設(shè)備性能的一項(xiàng)新工藝．陶瓷材料硬度高、耐磨損、耐高溫，但是陶瓷材料抗沖擊強(qiáng)度低，容易脆斷，在基體表面噴涂陶瓷的作用主要在于強(qiáng)化機(jī)械物理性能方面的功效，使得產(chǎn)品的硬度、斷裂韌度、強(qiáng)度等性能得到保持和加強(qiáng)，使得材料的強(qiáng)度為基體材料所支撐，而高硬度性能、耐高溫性及防腐性能由噴涂的陶瓷材料所承擔(dān)，使之整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好、硬度高、耐磨損、耐沖刷、耐防腐．同時，噴涂的陶瓷涂層致密，耐腐蝕、耐高溫性能不低于同種純陶瓷制品，在高沖擊和振動下不產(chǎn)生裂紋和脫落，經(jīng)噴涂后的制品使用壽命增加3 倍以上1~3 ．陶瓷噴涂層亦很好的阻擋熱源侵蝕到基體內(nèi)表面，從而起到保護(hù)基體和絕熱作用．目前陶瓷噴涂工藝中應(yīng)用較活躍的技術(shù)主要是等離子噴涂、火焰噴涂、電孤噴涂等．
2.1.1 等離子噴涂陶瓷涂層 等離子噴涂是以電弧放電產(chǎn)生的等離子體作高溫?zé)嵩?span>, 將送入的陶瓷噴涂粉末迅速熔化、并隨高速射流噴射到閥門的工件表面上，形成耐磨、耐腐蝕覆蓋層，以等離子孤為熱源的熱噴涂，其特點(diǎn)是零件形變小、涂層種類多、工藝穩(wěn)定．近十幾年來，等離子噴涂技術(shù)有了飛速的發(fā)展，已開發(fā)出了氣穩(wěn)等離子噴涂、低壓等離子噴涂、水穩(wěn)等離子噴涂、超音速等離子噴涂、計(jì)算機(jī)控制的等離子噴涂，根據(jù)需要可選用不同的設(shè)備來滿足涂層性能的需要．
等離子噴涂所需的粉末粒度通常是30 ~ 100m，這種方法溫度高，噴槍出口處等離子射流區(qū)中部溫度達(dá)20000K．它可熔化所有金屬、合金及陶瓷材料，射流速度快，在噴嘴出口處可達(dá)750 m/s．只要將一些噴涂參數(shù)控制合理，例如噴嘴到工件的距離、粉末粒度和類型、粉末的引入位置、弧電壓和電流、輸送粉末的氣體種類等就可得到高質(zhì)量、性能均勻一致的涂層．新開發(fā)的氣穩(wěn)等離子噴涂，涂層與基體的結(jié)合及涂層顆粒之間結(jié)合形成除以機(jī)械結(jié)合為主外，還可視粉末的種類，可產(chǎn)生微區(qū)的冶金結(jié)合和物理結(jié)合．
考慮到陶瓷材料具有極高的硬度、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，研究表明只要陶瓷涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度超過一定的數(shù)值就可滿足閥門的多數(shù)工況，可見，等離子噴涂工藝在閥門的密封面強(qiáng)化上有較大的潛力，特別是在閥門的密封面上覆蓋陶瓷涂層更具優(yōu)勢7 ．
2.1.2 火焰噴涂 涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度是保證涂層優(yōu)良性能在產(chǎn)品使用過程中得到充分發(fā)揮的前提. 提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、改善涂層質(zhì)量的途徑主要有兩點(diǎn)：一是提高熱流密度（即提高熱能），這一點(diǎn)在等離子噴涂工藝中被運(yùn)用；二是提高粒子的運(yùn)行速度（即提高動能）．
超音速火焰噴涂是提高粒子飛行速度的有效方法．利用一種特殊火焰噴槍獲得高溫、高速焰流用來噴涂陶瓷粉末等難熔材料并得到優(yōu)異性能的噴涂層．
以氧-燃料氣體為熱源，將噴涂材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，并以高速氣流噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面，形成滿足設(shè)計(jì)要求性能的涂層．與等離子噴涂工藝相比較，超音速火焰噴涂技術(shù)較新，其特點(diǎn)是噴嘴出口射流速度大于1370m/s，合理調(diào)整噴嘴出口的射流速度和溫度，可控制涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率．超音速火焰噴涂(HVOF) 技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）由于有較高的沖擊速度，因而涂層的結(jié)合強(qiáng)度高，可滿足陶瓷涂層與基體所需的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合強(qiáng)度可大于70 Mpa；（2） 可得到低孔隙率的噴涂層，一方面可間接提高結(jié)合率，另一方面可使摩擦系數(shù)減小，降低磨損率，提高壽命，加強(qiáng)了密封．（3）工藝簡單，控制容易，能得到更均勻一致和重現(xiàn)性好的涂層．特別是涂層質(zhì)量幾乎與噴嘴到工件之間的距離無關(guān)（在噴涂范圍內(nèi)）.（4）涂層硬度高，一般為WRC70-72（WC/Co）HRC46-48（Ni 基合金）. 但是它的缺點(diǎn)在于：噴涂粉末尺寸大小要求嚴(yán)格；由于數(shù)倍于音速噴射，噪音大，對操作人員的身體危害大；粉末進(jìn)入點(diǎn)處火焰溫度約為2800℃，較等離子噴涂低，但火焰長，易使基體材料過熱．對于閥門的噴涂處理溫度不能超過閥門基體材料回火溫度．可見，此項(xiàng)技術(shù)在閥門密封面的強(qiáng)化上有一定的局限性．
爆炸噴涂是將一定比例的氧氣和乙炔氣送入到噴槍內(nèi)，然后再由另一入口將噴涂粉末用氮?dú)饣旌纤腿耄跇寖?nèi)充有一定量的混合氣體和粉末，有電火花塞點(diǎn)火，使氧-乙炔混合發(fā)生爆炸，產(chǎn)生熱量和壓力波．噴涂粉末在加速過程中被加熱，撞擊在工件表面，形成致密的涂層．該項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用在零件的大面積修復(fù)上，在閥門密封面上形成特定的形狀不易保證，從而影響密封性能．
2.1.3 電弧噴涂技術(shù)
（1）普通電弧噴涂以電弧為熱源，將熔化的金屬絲用高速氣流霧化，并以高速噴射到工件表面形成涂層的一種工藝．其特點(diǎn)表現(xiàn)為，涂層性能優(yōu)異、效率高、節(jié)能經(jīng)濟(jì)、使用安全．
（2）超音速電弧噴涂在普通電弧噴涂技術(shù)基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)電弧噴槍和電源，新開發(fā)的一種表面處理技術(shù)．它不但具有普通電弧噴涂技術(shù)的主要特點(diǎn)，而且由于其噴涂速度的提高，達(dá)到并超過音速，從而使涂層質(zhì)量明顯改善，結(jié)合強(qiáng)度顯著提高，孔隙率大大降低，在耐磨防腐等表面防護(hù)，表面處理領(lǐng)域有明顯優(yōu)于普通電弧噴涂的應(yīng)用前景．
這2 種噴涂技術(shù)對噴涂材料有一定限制，涂層材料主要為金屬基材料、而且材料形狀為絲狀．對將陶瓷材料與金屬材料的性能整合，以整體提高閥門的耐磨性、耐腐蝕、耐高溫效果相對困難．不能將陶瓷材料制成絲狀，而且大多數(shù)陶瓷材料不導(dǎo)電，實(shí)施較困難．
2.2 沉積涂層
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面處理技術(shù)也得到較快的發(fā)展，氣相沉積是其中的代表技術(shù)之一，氣相沉積技術(shù)按其成膜機(jī)理可分為化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、等離子氣相沉積、低溫氣相沉積等幾大類．近年來，物理氣相沉積工藝發(fā)展迅猛，其主要技術(shù)有：真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍膜．濺射鍍膜包括：二級濺射鍍膜、射頻濺射鍍膜、磁控濺射鍍膜反應(yīng)濺射、三級濺射、脈沖激光沉積．
物理氣相沉積是在真空下，通過真空蒸鍍、浸射或離子鍍滲方式產(chǎn)生涂層．采用物理氣相沉積技術(shù)中的磁控濺射工藝在某閥門表面強(qiáng)化處理上的應(yīng)用研究，物理氣相沉積技術(shù)表現(xiàn)出如下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）使基體的溫升較低，不會超過基體的回火溫度，減小了形變的幾率.（2）涂層有極高的硬度，增強(qiáng)了耐磨性.（3）涂層同基體有極高的結(jié)合強(qiáng)度，涂層不會脫落.（4）涂層薄臘的粗糙度直接與基體的表面粗糙度相關(guān)，從而可獲的較低摩擦率和較低的磨損系數(shù).（5）能涂敷復(fù)雜的型面，涂層薄膜極薄，不需加工，保證形位精度．
物理氣相沉積存在有如下缺點(diǎn)：（1）沉積速率低、費(fèi)用高.（2）沉積層一次沉積的涂層厚度不能太厚，增加了工藝的復(fù)雜性.（3）實(shí)施的材料種類少．但整體來說，其不需加工性在保證密封面的形狀有較大優(yōu)勢，可見隨著物理氣相沉積的發(fā)展，該工藝在閥門密封面的處理上也具有較好的應(yīng)用前景．
2.3 用于強(qiáng)化閥門密封面的陶瓷涂層材料、工藝及研究方向
考慮到閥門大多數(shù)情況在干摩擦狀態(tài)工作,陶瓷材料的熱傳導(dǎo)性差, 熱膨脹系數(shù)與基體也存在一定的差別, 綜合分析各方面的情況，認(rèn)為Cr2O3 是較為理想的候選材料之一．主要表現(xiàn)在：（1）Cr2O3 在整個溫度范圍內(nèi)不發(fā)生相變，因而不會因相變而發(fā)生體積收縮或膨脹，從而減小了應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)會，使涂層相對不易脫落（. 2）Cr2O3涂層的熱膨脹系數(shù)較Al2O3 和ZrO2 等大，與其他陶瓷材料相比，Cr2O3 與鋼鐵最接近.（3）Cr2O3與Al2O3 和ZrO2 等材料相比，熔點(diǎn)較高，具有較強(qiáng)的抗熔著磨損的能力.（4）Cr2O3 涂層密度大、硬度高揚(yáng)氏模量等方面都比其他材料好．
通過分析閥門的工作狀況，由摩擦學(xué)知識可知，閥門在許多情況下都表現(xiàn)為干摩擦，在這種情況下，磨損率在很大程度上取決于配合表面的粘著傾向和粘著程度．粘著本質(zhì)上是一種在微小接觸面積上發(fā)生的固相焊接，接觸面積越大，粘著傾向越強(qiáng)烈，為了提高閥門的使用壽命或延長閥門的更換期，必須進(jìn)一步改善摩擦副的摩擦學(xué)性能．為此，可以從兩方面入手：一方面，提高涂層材料的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率，這使得熱量被吸收，從而不致發(fā)生熔著磨損；另一方面想辦法使輸入摩擦系統(tǒng)的能量能夠被彈性變形、塑性變形或相變吸收，使得裂紋不易形成，從而提高抗磨能力5~7 ．
閥門密封面的磨擦形式主要表現(xiàn)為磨粒磨損和粘著磨損. 改善磨粒摩擦可通過提高摩擦副的硬度或塑性變形來對抗磨粒磨損，改善粘著摩損可采用在閥門的配合密封表面改變材料化學(xué)特性的方法．在閥門密封面上噴涂陶瓷涂層具有下列功效：（1）減少密封面粘著傾向，密封面為兩種不同性質(zhì)的材料；（2）提高密封面抗磨損的能力；（3）耐電化腐蝕磨損能力提高．
由于閥門的種類繁多，結(jié)構(gòu)形式多種多樣，不同結(jié)構(gòu)形式需要合適的陶瓷涂層材料來強(qiáng)化，為了進(jìn)一步提高涂層的摩擦學(xué)性能，可以從以下幾個方面考慮：（1）優(yōu)化出高硬度、高熔點(diǎn)、高密度的涂層材料；（2）通過一些增韌機(jī)制，改善陶瓷涂層的韌性，從而整體提高其摩擦學(xué)性能；（3）通過加入一些自潤滑材料在陶瓷材料中，使之能具有一定的潤滑效果，從而改善密封面的摩擦學(xué)性能；（4）新型復(fù)合沉積涂層技術(shù)、納米涂層技術(shù)、硬質(zhì)薄膜技術(shù)的引入．
2.4 幾種閥門密封面強(qiáng)化工藝應(yīng)用實(shí)例
①號試樣：以45 鋼為基體材料，涂層材料為Cr2O3 的某閥門閥芯采用等離子噴涂工藝后涂層性能為結(jié)合強(qiáng)度達(dá)35Mpa，孔隙率9％，表面硬度為1540 HV．
②號試樣：以2Crl3 作為基體材料進(jìn)行磁控濺射工藝后，涂層結(jié)構(gòu)為由納米厚度的氮化碳涂層和過渡金屬氮化物層交替疊加組成多層復(fù)合膜．其涂層性質(zhì)表面顯微硬度為30.5Gpa，劃痕臨界載荷為43N，與球鐵400 配副時的摩擦系數(shù)為0.15（干擦條件下），涂層磨損率5.15 × 10 16M3/Nm（20℃常溫條件下）．
③號試樣：2Crl3 為材料制成的閥芯，表面硬度HRC52，表面粗糙度為Ra = 1.6 m．2Crl3是制造閥門芯的常用材料之一．
①、②、③號試樣分別與球鐵QT400 配副組裝成閥門，三種閥門同時裝在某鋼鐵公司第三號煉鋼爐的同一排供碳粉管道上控制碳粉供給，使用結(jié)果表明②號閥門的更換率是③號閥門的60％；①號閥門更換率是③號閥門的70％．也就是在三種閥門中②閥門的壽命最長，但目前制造費(fèi)用相對高一些，①號閥門與②號相近，但后期加工費(fèi)用相對較高．隨著技術(shù)的普及，在不久的將來兩種閥門制造總體費(fèi)用將下降很多．
總之，通過對閥門工況分析，并結(jié)合目前國內(nèi)外陶瓷涂層發(fā)展情況可以看出：（1）環(huán)保及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益等因素綜合要求必須大幅提高閥門的密封面摩擦學(xué)性能；（2）等離子噴涂工藝和物理氣相沉積工藝是提高閥門密封面性能的候選工藝；（3）Cr2O3 是用來強(qiáng)化閥門密封面的較為理想的候選材料之一；（4）為了提高閥門的使用壽命或延長閥門的更換期，必須從閥門結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，使之能適應(yīng)陶瓷涂層強(qiáng)化閥門密封面的要求．（5）新型復(fù)合型物理氣相沉積在閥門密封面表面強(qiáng)化有較好的前景．
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