閥門(mén)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(mén)一般應(yīng)具有：密封性能、強(qiáng)度性能、調(diào)節(jié)性能、動(dòng)作性能和流通性能．對(duì)大多數(shù)閥門(mén)來(lái)說(shuō)，密封和強(qiáng)度是設(shè)計(jì)者著重考慮的問(wèn)題，密封是首要問(wèn)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(huì)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(huì)導(dǎo)致本體或系統(tǒng)的破壞．近年來(lái)，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(duì)閥門(mén)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(xiǎn)介質(zhì)、腐蝕介質(zhì)、高溫環(huán)境對(duì)閥門(mén)提出的長(zhǎng)壽命要求．為此，本文分析了閥門(mén)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(duì)中、大型閥門(mén)進(jìn)行表面處理應(yīng)用的前景．
1 閥門(mén)工況及密封面失效情況分析
閥門(mén)的種類(lèi)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(mén)材料不同，結(jié)構(gòu)形式也多種多樣．對(duì)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(duì)于灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、碳素鋼、不銹鋼等閥門(mén)來(lái)說(shuō)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(guò)熱處理來(lái)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(mén)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(guò)熱處理方法來(lái)提高強(qiáng)度、硬度等性能．由于閥門(mén)主要是通過(guò)聚四氟乙烯材料來(lái)保證密封，通過(guò)大量的失效閥門(mén)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(mén)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(lái)提高閥門(mén)的使用壽命．為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科技工作者從二個(gè)方面出發(fā)，其一是從結(jié)構(gòu)上考慮；提出了活塞式閥門(mén)、雙漸開(kāi)線閥門(mén)、旋塞式閥門(mén)、柱塞式閥門(mén)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(mén)、陶瓷噴涂密封面閥門(mén)、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(mén)上．
2 閥門(mén)密封表面處理技術(shù)展望
通過(guò)大量資料查詢(xún)，目前在閥門(mén)密封面強(qiáng)化陶瓷涂層的技術(shù)主要有二大類(lèi)，一類(lèi)是噴涂陶瓷涂層，一類(lèi)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(shí)，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(dòng)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(mén)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(lèi)多、工藝穩(wěn)定．近十幾年來(lái)，等離子噴涂技術(shù)有了飛速的發(fā)展，已開(kāi)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(lái)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(lèi)型、粉末的引入位置、弧電壓和電流、輸送粉末的氣體種類(lèi)等就可得到高質(zhì)量、性能均勻一致的涂層．新開(kāi)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(lèi)，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(guò)一定的數(shù)值就可滿足閥門(mén)的多數(shù)工況，可見(jiàn)，等離子噴涂工藝在閥門(mén)的密封面強(qiáng)化上有較大的潛力，特別是在閥門(mén)的密封面上覆蓋陶瓷涂層更具優(yōu)勢(shì)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(guò)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(dòng)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(lái)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(guò)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(jiǎn)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(wú)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?lài)娚洌胍舸螅瑢?duì)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(zhǎng)，易使基體材料過(guò)熱．對(duì)于閥門(mén)的噴涂處理溫度不能超過(guò)閥門(mén)基體材料回火溫度．可見(jiàn)，此項(xiàng)技術(shù)在閥門(mén)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(guò)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(mén)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?lài)娚涞焦ぜ砻嫘纬赏繉拥囊环N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(guò)改進(jìn)電弧噴槍和電源，新開(kāi)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(guò)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(duì)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(duì)將陶瓷材料與金屬材料的性能整合，以整體提高閥門(mén)的耐磨性、耐腐蝕、耐高溫效果相對(duì)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(lèi)．近年來(lái)，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(jí)濺射鍍膜、射頻濺射鍍膜、磁控濺射鍍膜反應(yīng)濺射、三級(jí)濺射、脈沖激光沉積．
物理氣相沉積是在真空下，通過(guò)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(mén)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(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）使基體的溫升較低，不會(huì)超過(guò)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(huì)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(lèi)少．但整體來(lái)說(shuō)，其不需加工性在保證密封面的形狀有較大優(yōu)勢(shì)，可見(jiàn)隨著物理氣相沉積的發(fā)展，該工藝在閥門(mén)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(mén)密封面的陶瓷涂層材料、工藝及研究方向
考慮到閥門(mén)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(gè)溫度范圍內(nèi)不發(fā)生相變，因而不會(huì)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(huì)，使涂層相對(duì)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(guò)分析閥門(mén)的工作狀況，由摩擦學(xué)知識(shí)可知，閥門(mén)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(mén)的使用壽命或延長(zhǎng)閥門(mén)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(mén)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(guò)提高摩擦副的硬度或塑性變形來(lái)對(duì)抗磨粒磨損，改善粘著摩損可采用在閥門(mén)的配合密封表面改變材料化學(xué)特性的方法．在閥門(mén)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(mén)的種類(lèi)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(lái)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(gè)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(guò)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(guò)加入一些自潤(rùn)滑材料在陶瓷材料中，使之能具有一定的潤(rùn)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(mén)密封面強(qiáng)化工藝應(yīng)用實(shí)例
①號(hào)試樣：以45 鋼為基體材料，涂層材料為Cr2O3 的某閥門(mén)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(hào)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(guò)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(shí)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(hào)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(mén)芯的常用材料之一．
①、②、③號(hào)試樣分別與球鐵QT400 配副組裝成閥門(mén)，三種閥門(mén)同時(shí)裝在某鋼鐵公司第三號(hào)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(hào)閥門(mén)的更換率是③號(hào)閥門(mén)的60％；①號(hào)閥門(mén)更換率是③號(hào)閥門(mén)的70％．也就是在三種閥門(mén)中②閥門(mén)的壽命最長(zhǎng)，但目前制造費(fèi)用相對(duì)高一些，①號(hào)閥門(mén)與②號(hào)相近，但后期加工費(fèi)用相對(duì)較高．隨著技術(shù)的普及，在不久的將來(lái)兩種閥門(mén)制造總體費(fèi)用將下降很多．
總之，通過(guò)對(duì)閥門(mén)工況分析，并結(jié)合目前國(guó)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(mén)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(mén)密封面性能的候選工藝；（3）Cr2O3 是用來(lái)強(qiáng)化閥門(mén)密封面的較為理想的候選材料之一；（4）為了提高閥門(mén)的使用壽命或延長(zhǎng)閥門(mén)的更換期，必須從閥門(mén)結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，使之能適應(yīng)陶瓷涂層強(qiáng)化閥門(mén)密封面的要求．（5）新型復(fù)合型物理氣相沉積在閥門(mén)密封面表面強(qiáng)化有較好的前景．
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