閥門是氣體、液（yè）體、粉末材料輸送（sòng）係統中的控製元件，具有導流、截流、節流調（diào）節、防止倒流、分流或溢流卸壓等功能．閥門一般應具有：密封性能（néng）、強度性能、調（diào）節性能、動作性能和流通性能．對大多數（shù）閥門來說，密封和（hé）強度是設計者著重考慮的問（wèn）題，密（mì）封（fēng）是首要問題，由於密封性能差（chà）或密封壽（shòu）命（mìng）短而產生流體的外漏或（huò）內漏，會造成（chéng）環境汙染和經濟損失（shī），有毒性的流體、腐蝕（shí）性流體、放射性流體和易燃易爆（bào）流體的泄（xiè）漏有可能產生重大的經濟損（sǔn）失甚（shèn）至人員傷亡，強度不（bú）夠則將會導致本體（tǐ）或係統的破壞．近年來，人們從機械學、摩擦學、表（biǎo）麵物理、材料科學等（děng）學科對閥門（mén）的（de）密封麵進行了不同程度的（de）研（yán）究，取得了（le）一定的成果，但還不能滿足在粉末介質、危險介質、腐蝕介（jiè）質、高溫（wēn）環境對閥（fá）門提出的長壽命要求．為此，本文分析了（le）閥門的多種表麵處理技術，並展望等離子噴塗（tú）陶（táo）瓷塗（tú）層工藝在（zài）對中、大型閥（fá）門進行表麵（miàn）處（chù）理應（yīng）用的前景．

      1 閥門工況及密封麵失效情況分析

      閥門的種類繁多，其用途（tú）和作用不同，為實現特定的目的和功能而采（cǎi）用的閥門材料不同，結（jié）構形式也多種多樣．對於不同的材料、不同結構所構（gòu）成的密封麵所（suǒ）采用的表麵處理工藝也不（bú）同．對於灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、碳素鋼、不鏽鋼等閥門來說其閥座及啟閉件的密封麵（miàn）材（cái）料一般采（cǎi）用銅合金（錳黃銅（tóng）、鋁黃銅、鋁青銅）、不鏽鋼和聚四氟乙烯或橡膠，在一般情況下主（zhǔ）要通過熱處理來強化（huà）密封表麵，銅合金是經800℃左右加熱後淬火工藝強化，不鏽鋼常用的（de）熱處理工藝有固溶處理、穩定化處理、除應力處理等工藝．通常，閥門的密封（fēng）表麵（miàn）處理是在保證結構及設計參數的前（qián）提下，通過熱處理方法來提高強度、硬度等性能．由於閥門主要是通過聚四氟乙烯（xī）材料來保證密封，通過大量的失效閥門研究分（fèn）析，發現大多數以聚四氟乙烯為（wéi）密封材料的閥（fá）門（mén）的失效都是由於聚四氟乙烯（xī）破壞（huài）而導致（zhì）的．

      為（wéi）此必須改善密封材料（liào）或密封結構形式來提高閥門的使用壽命．為了實現這一目標，科技（jì）工作者從二個方麵出發，其一（yī）是從結構上考慮；提（tí）出了活塞式閥門、雙（shuāng）漸開線閥門、旋塞式閥門、柱（zhù）塞式（shì）閥門等（děng）以適應工作條件的需要（yào）；其二是從材（cái）料上考慮；提出了全（quán）陶瓷閥（fá）門、陶瓷噴塗密封麵閥門、硬（yìng）質薄膜沉積密封麵等全新理念，其主要目的是想把陶瓷等新材料的硬度高、耐磨（mó）損，耐高溫等特性（xìng）應（yīng）用於閥門上．

      2 閥門密封表麵處理技術展望

      通過大量資（zī）料查詢，目前在閥門密封麵強化陶瓷塗層的技術主要有（yǒu）二大類（lèi），一類是噴塗（tú）陶瓷塗層，一類是沉積塗層．

      2.1 噴塗陶瓷

      噴塗工藝是現（xiàn）代三大（dà）新（xīn）材料中應用、發展最快的新工藝，它將是21 世紀的主導技術1 ．陶瓷噴塗是一種表麵改性（xìng）新工（gōng）藝，它整體上是利用（yòng）母體材（cái）料性能，進而提高設備性能的一項新工藝（yì）．陶瓷材料硬度高、耐磨損（sǔn）、耐高溫，但是陶瓷（cí）材料抗衝擊強度低，容易脆斷，在基（jī）體表麵噴塗陶瓷的作用主要在於強化機械物理性能方麵的功效，使得產品的硬度、斷裂韌度、強度等性（xìng）能得到保持和（hé）加強，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（néng）由噴塗的陶瓷材料所承擔，使之整體結構強度好、硬度高（gāo）、耐磨損、耐衝刷、耐防（fáng）腐．同時，噴塗的陶瓷塗層致密，耐腐（fǔ）蝕、耐（nài）高溫性能不（bú）低於同種純陶瓷製品，在高衝擊和振動下不產生裂紋和脫落，經噴塗後的製品使用壽命增加3 倍以上1~3 ．陶瓷噴塗層亦很好的阻擋熱源侵蝕到基體內（nèi）表麵，從（cóng）而起到保護基體和絕熱作用．目前陶瓷噴塗工藝中應用較活躍的技術主要是等離子噴塗、火焰噴塗、電孤噴塗等．

      2.1.1 等離子噴塗（tú）陶瓷（cí）塗層 等離子（zǐ）噴塗是以電弧放電產生的等離子體作高溫（wēn）熱源, 將送入的陶瓷噴塗粉末迅速熔化、並隨高速射流噴射到閥門的工件表麵上，形成耐磨、耐腐蝕覆蓋層，以（yǐ）等離子孤為（wéi）熱源的熱噴塗，其特點是零件形變小、塗層種類多、工藝穩（wěn）定．近十幾（jǐ）年來，等（děng）離子噴塗技術有了飛速的（de）發（fā）展（zhǎn），已（yǐ）開發出了氣穩等離子（zǐ）噴塗、低壓等離子（zǐ）噴塗、水穩等離子噴塗、超音速（sù）等離子噴塗（tú）、計算機控製的等（děng）離子噴塗，根據需要可選用不同的設備來滿足塗層性能的需要．

      等離子噴塗所需的粉末粒度通常是30 ~ 100m，這種方法溫（wēn）度高，噴槍出口處（chù）等離子射流區中部溫度達20000K．它可熔化所有（yǒu）金屬、合金及陶瓷材料，射（shè）流速度（dù）快，在噴嘴出口處可達750 m/s．隻要將一些（xiē）噴塗參數控製合理，例如噴嘴到工件的距離、粉末粒度和（hé）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等（děng）就可得到高質（zhì）量、性能均勻（yún）一致的塗層．新開發的氣穩等離子噴塗，塗層與基體的結（jié）合及塗（tú）層顆粒之間結合形成除以機械結合為主外，還可視粉末的種類，可（kě）產生微區（qū）的冶金結合和物理結合．

      考慮到陶瓷（cí）材料具有極高的硬度、穩定性等特點，研究表明隻要陶（táo）瓷塗層與基（jī）體的結合強（qiáng）度超過一定的（de）數值就可滿足（zú）閥門的多數工況，可見，等離子噴塗工藝在閥門的密封麵強化上（shàng）有較大的潛力，特別是在閥門（mén）的密封麵上覆蓋陶（táo）瓷塗層更具優勢7 ．

      2.1.2 火焰（yàn）噴塗 塗層與基體的結合強度（dù）是（shì）保（bǎo）證塗層優良性能在產品使（shǐ）用過程中得到充分（fèn）發揮的前提（tí）. 提高塗層與（yǔ）基體的（de）結合強度、改善塗層質量的途徑主要有兩點：一是提（tí）高熱流密度（即提（tí）高熱能），這一點在等離子噴塗工藝中被運用；二是提高粒（lì）子的運行速度（即提高動能）．

      超音速火焰噴塗是提高粒子飛行速（sù）度的有效方法．利用一種特殊火焰噴槍獲得高溫、高速焰流用來噴塗陶瓷粉末等難熔材料並得到優異性能的（de）噴塗層．

      以氧（yǎng）-燃料氣體為（wéi）熱（rè）源，將噴塗材料加熱到熔化或半熔化狀態，並以高速氣流噴射到經過預處（chù）理的基體表麵，形成滿足設計要求性能（néng）的塗層．與等離子噴塗工藝相比較，超音速（sù）火焰噴塗技術較（jiào）新，其特點是噴嘴出口射流速度大於1370m/s，合理調整噴嘴出口的射流速度和溫度，可控製塗層與基（jī）體結合強度和孔隙率．超音速火（huǒ）焰噴塗(HVOF) 技術有如下優點：

      （1）由於有較高的衝擊速度，因而塗層的結（jié）合（hé）強度高，可滿足陶瓷塗層與基體所（suǒ）需的結（jié）合強度，結（jié）合強度可大於70 Mpa；（2） 可得到（dào）低（dī）孔隙率的噴塗層（céng），一方麵可間接提高結合率，另一方麵可使摩擦係數減小，降低磨損率，提高壽命，加強（qiáng）了密封．（3）工藝簡（jiǎn）單，控製（zhì）容易，能得（dé）到更均勻一致和重現性好的塗層．特別是塗層質量幾乎與噴嘴到工（gōng）件之間的距離無關（在噴塗範圍內）.（4）塗（tú）層硬度高，一般為WRC70-72（WC/Co）HRC46-48（Ni 基（jī）合金）. 但是它的缺點在於（yú）：噴（pēn）塗粉末尺寸大小（xiǎo）要求嚴格；由於數倍於音速噴射，噪音大，對操作人員的身體危害大；粉末進入點處火焰溫度約為2800℃，較（jiào）等離子噴塗低，但（dàn）火焰長，易使基體材料過熱．對於閥（fá）門的噴塗處理（lǐ）溫度不能超過閥門基體材料回火溫度．可見，此項技術在閥（fá）門密封麵的強（qiáng）化上有一定的（de）局限性．

      爆炸噴塗是將一定比例的氧氣和乙炔氣送（sòng）入到噴槍內，然（rán）後（hòu）再（zài）由另一入口將（jiāng）噴塗粉末用氮氣混（hún）合送入，在槍內（nèi）充有一定量的（de）混合氣體和粉末，有電（diàn）火花塞點（diǎn）火，使（shǐ）氧-乙炔混合發生爆炸，產生熱量和壓力波．噴塗粉末在加速過（guò）程中被加熱，撞擊在工（gōng）件表麵，形成致密的塗層．該（gāi）項技術主要應用在零件的大麵積修複上，在閥門密封麵上形成特（tè）定（dìng）的形狀不易保（bǎo）證，從而影（yǐng）響密封性（xìng）能．

      2.1.3 電弧噴塗技術

      （1）普通電弧噴塗以電弧為熱源，將熔化的金屬絲用高速氣（qì）流霧化，並以高速噴射到（dào）工件表麵形成塗層的（de）一種（zhǒng）工藝．其特點表現為（wéi），塗層性能優異、效率高、節能經濟、使用安全．

      （2）超音速電弧噴塗在普通電（diàn）弧噴塗技術（shù）基（jī）礎上，通過改進電弧噴槍和電源，新開發的一種表麵處理技術．它不但具（jù）有普通電弧噴塗技術的主要特點，而且（qiě）由於其噴塗速度的提高，達到並（bìng）超過音速，從而使塗（tú）層質量明（míng）顯改善，結合（hé）強度顯著（zhe）提高，孔（kǒng）隙率大大降低，在耐磨防腐等表麵防護，表麵處理領域有明顯優於普通電弧噴塗（tú）的應用前景（jǐng）．

      這2 種（zhǒng）噴塗技術對噴塗材料有一定限製（zhì），塗層材料主要為金屬基材料、而且材料形狀為絲狀．對將（jiāng）陶瓷材料與金屬材料的性能整（zhěng）合，以整體提高閥門的耐磨性（xìng）、耐腐蝕、耐高溫效果相對困難．不能將（jiāng）陶瓷材料製成絲狀，而且（qiě）大多數陶瓷材（cái）料不導電，實（shí）施較困難（nán）．

      2.2 沉積塗層

      隨著現代科學（xué）技術的（de）發展，表麵處理技術也得到（dào）較快的發展，氣相沉積是其中的代表技術之（zhī）一，氣相沉積技（jì）術按其成膜機理可分為化學氣相沉積、物（wù）理氣相沉積（jī）、等離子氣相沉積、低溫氣相沉積等幾大類．近年來，物理氣相（xiàng）沉積工藝發展（zhǎn）迅猛，其主要技術（shù）有：真空蒸鍍（dù）、濺射鍍（dù）膜、離子鍍膜．濺射鍍膜包括：二級濺射鍍膜、射頻（pín）濺射鍍膜、磁控濺射鍍（dù）膜反應濺射、三級濺射、脈衝激（jī）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生塗（tú）層．采用物（wù）理（lǐ）氣相沉積技術中的磁控濺射工藝在某閥門表麵強化處（chù）理上（shàng）的應用研究，物理氣相沉積技術表現出如下幾個方麵的優（yōu）點：（1）使基體的溫升較低，不會超過基體的回火溫度，減（jiǎn）小了形（xíng）變的幾率（lǜ）.（2）塗層有極高的硬度，增強了耐磨性.（3）塗層同基體有極（jí）高的結合強度（dù），塗層不會（huì）脫落.（4）塗層（céng）薄臘（là）的粗糙度直接（jiē）與基體的表麵粗糙度相關，從而可獲的較低摩擦率和較低的磨（mó）損係數.（5）能塗敷（fū）複雜的型麵，塗層薄（báo）膜極薄，不需加工，保證形位精度．

      物（wù）理氣相（xiàng）沉積存在（zài）有（yǒu）如下（xià）缺點：（1）沉積速率低、費（fèi）用高.（2）沉積層（céng）一次沉積的塗層厚度不能太厚，增加了工藝的複雜性（xìng）.（3）實（shí）施的材料種類少．但整體來說，其（qí）不（bú）需（xū）加工性在保證密（mì）封麵的形（xíng）狀有（yǒu）較大優勢，可見隨著物（wù）理氣相沉積（jī）的發展，該（gāi）工藝（yì）在閥門密封麵的處（chù）理上（shàng）也具有較好的應用（yòng）前景．

      2.3 用於強化閥門密封麵的陶瓷（cí）塗層材（cái）料、工藝及研（yán）究方向（xiàng）

      考慮到閥（fá）門大多數情況在幹摩擦狀（zhuàng）態工作,陶瓷材料的熱傳導性差, 熱膨脹係數與基體也存在一定的差別, 綜合分析各方麵的情況，認為Cr2O3 是較為理（lǐ）想（xiǎng）的候選材料之一．主要表現（xiàn）在：（1）Cr2O3 在整個溫度範圍內不（bú）發生相變，因而不會因相變而發生體積收縮（suō）或膨脹（zhàng），從而減小了應力產生（shēng）的機會，使塗（tú）層相對（duì）不易脫落（. 2）Cr2O3塗層的熱膨脹係數較Al2O3 和ZrO2 等大，與其他（tā）陶瓷材料相（xiàng）比，Cr2O3 與鋼鐵最接近.（3）Cr2O3與（yǔ）Al2O3 和ZrO2 等材料相比，熔（róng）點較高（gāo），具有較強的抗熔著磨損的能力（lì）.（4）Cr2O3 塗層密度大、硬度高揚氏模量等方麵都比（bǐ）其他材料好．

      通過分析閥門的工作狀況，由摩擦（cā）學知識可知，閥門在（zài）許多情況下都表（biǎo）現為幹摩擦，在這種情況下（xià），磨損率（lǜ）在很大程度上取決於配合（hé）表麵的粘著傾向和粘著程（chéng）度．粘（zhān）著本質上（shàng）是（shì）一種在微小接觸麵積上（shàng）發生的固相（xiàng）焊接，接觸麵積越大，粘著傾（qīng）向越強烈，為了提高閥門的使用壽命或延長閥門的更換期，必（bì）須進一步改善（shàn）摩擦副的摩（mó）擦學性能．為此，可以從兩方麵入手：一方麵，提高（gāo）塗層材料的熔（róng）點、導熱率，這使得熱量被吸收，從而不致發生熔著磨損；另一（yī）方麵想辦法使輸入摩擦係統的能量能夠被彈性變形、塑性變形（xíng）或相變吸收，使得裂紋不易形成，從而提高抗磨能力5~7 ．

      閥門密封麵的磨擦形式主要表現為磨粒磨損和粘著磨損. 改善磨粒摩擦可（kě）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（hé）密封表麵改變材料化學特性的方法．在閥（fá）門密封麵上噴塗（tú）陶瓷塗層具有下列功效：（1）減少密（mì）封麵粘（zhān）著傾向，密封麵為兩種不同性質的（de）材料；（2）提（tí）高密封麵抗磨損（sǔn）的能力；（3）耐電化腐蝕磨損能力提（tí）高．

      由於閥門（mén）的種類繁多（duō），結構形式多種多樣，不同結構（gòu）形式需要合適的陶瓷塗層材料來強化，為了進一步（bù）提高（gāo）塗層的摩擦學性能，可以（yǐ）從以下幾個方麵考慮：（1）優化（huà）出高硬度、高熔點、高（gāo）密度的塗層材料；（2）通過一些增韌機製，改善（shàn）陶瓷塗層的韌性，從而整體提高其摩擦學性能；（3）通過加入一些自潤滑材料（liào）在陶瓷材料（liào）中，使之能具有一（yī）定的潤滑效果，從而改善密封（fēng）麵（miàn）的摩擦學性能；（4）新型複合沉積塗層技（jì）術、納米塗（tú）層技（jì）術、硬質薄膜技術的引入．

      2.4 幾種閥門密封麵強化工藝應用實例

      ①號試樣：以45 鋼為基體材料，塗層材料為Cr2O3 的某閥門閥芯采用（yòng）等離（lí）子噴塗工藝後（hòu）塗層性能為結合強度達35Mpa，孔（kǒng）隙率9％，表麵硬度為1540 HV．

      ②號（hào）試樣：以2Crl3 作為基體材料進行磁控（kòng）濺射工藝後，塗層（céng）結構為由納米厚度的氮化碳（tàn）塗層（céng）和過渡金屬氮化（huà）物層交替疊加組成多層複合膜．其塗層性質表麵顯微硬度為30.5Gpa，劃痕臨界載荷為43N，與球鐵400 配副時的摩擦係數為0.15（幹擦條件下），塗層磨（mó）損率5.15 × 10 16M3/Nm（20℃常（cháng）溫條件下）．

      ③號試樣：2Crl3 為材料製成（chéng）的閥芯，表麵硬度HRC52，表麵粗糙（cāo）度（dù）為Ra = 1.6 m．2Crl3是製造閥門芯的常用（yòng）材料之一．

      ①、②、③號試樣分別與球鐵QT400 配（pèi）副組裝成閥門，三種閥門同時裝在某鋼鐵公司第三（sān）號煉鋼爐的同一排供碳粉（fěn）管道上控製碳粉供給，使用結果表明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（fá）門的70％．也就是在三種閥門中②閥門的壽命最長，但目（mù）前製造費用相對高一（yī）些（xiē），①號閥門與②號相近，但後期加工費用相對較高．隨著技術的普及，在不（bú）久的將來兩種閥門製造總體費用將下降（jiàng）很多．

      總之，通過對閥門（mén）工況分析，並結合目前國內外（wài）陶瓷塗層發展情況可以看出：（1）環保及企業經濟效益等因素綜合要求必須大幅提（tí）高閥門的密封麵摩擦學性能（néng）；（2）等離子噴塗工藝和物理氣相沉積工藝是提高閥門密封麵性能的候選工藝；（3）Cr2O3 是用（yòng）來強化閥門密封麵的較（jiào）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（fá）門的更換期，必須從閥門結構加以改進（jìn），使之能適應陶瓷塗層強化閥門密封麵的要求．（5）新型複合型物理氣相沉積在閥（fá）門密封麵表麵強化有較好（hǎo）的前景．