閥門是氣體、液體、粉末材料輸（shū）送係（xì）統中的控製元件，具（jù）有導流、截流、節流調節、防止（zhǐ）倒流、分流或溢流卸壓等功能（néng）．閥（fá）門一般應（yīng）具有：密封性能、強度性能、調節性能、動作性能和流通（tōng）性能．對大多數閥門來說，密（mì）封和強度是設計者（zhě）著重考慮（lǜ）的（de）問題，密封是（shì）首要問題，由於密封性能差或密封壽命短而產生流體的外漏或內漏，會造成環境汙染和經濟損（sǔn）失，有毒（dú）性的流體、腐蝕性流體（tǐ）、放射性流（liú）體和易（yì）燃易爆流體的泄漏有可能產生重大的經濟損失甚至人員傷亡，強度不夠則將會導致本體或係統（tǒng）的破（pò）壞．近年來（lái），人們從機械學、摩擦學、表麵（miàn）物理、材料科學等學科對閥門的（de）密封麵進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、危險介質、腐蝕介質、高溫環境對閥門提出的長壽命要求．為此，本文分析了閥門的多種（zhǒng）表麵處理技術（shù），並展望等離子噴塗陶瓷塗（tú）層工藝在對中（zhōng）、大型閥門進行表麵處理（lǐ）應用的前景．

      1 閥門工況及密封麵失效情況分析

      閥門的種類繁多（duō），其用途和作用不同，為實現特定的目的和功能而采（cǎi）用的閥門材料不同，結構形式也多種多樣．對於不（bú）同的材料、不同結構所構成的密封麵所采用的表麵處理工藝也（yě）不同．對於灰鑄（zhù）鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、碳素（sù）鋼、不鏽鋼等（děng）閥門來說其閥座及啟閉件的密封麵材（cái）料一般采用銅合金（錳黃銅（tóng）、鋁黃（huáng）銅、鋁青銅）、不鏽鋼和聚四氟乙（yǐ）烯或橡膠，在一般情況下主要通過熱處理來強（qiáng）化密封表麵，銅合金是經800℃左右加熱後淬火工藝強化，不鏽鋼常用的熱處理（lǐ）工藝有固溶處理、穩定化處理、除應力處理等工藝．通常，閥門的密封表麵處理（lǐ）是在保證結構及設計（jì）參數的前提下，通過熱處理方法來提（tí）高強度、硬度等性能．由於閥門主要是通過聚四氟乙烯材（cái）料來保證密封（fēng），通過大量的失（shī）效閥門研究分析，發現大多數以聚四氟乙烯為密封材料的閥門的失效都是由於聚四氟乙烯破壞而導致的．

      為此必須改善密封材料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，科技工作者從二（èr）個方麵出（chū）發，其一是從（cóng）結構上考慮；提出了活塞式（shì）閥門、雙漸開線閥門、旋塞式閥門、柱（zhù）塞式閥門（mén）等以適應工作條件的需要；其二（èr）是從材料上考慮；提出了全陶瓷閥門、陶瓷噴塗密封麵閥門、硬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（xīn）材（cái）料的硬度高、耐磨損，耐高溫等特性應用於閥門上．

      2 閥門（mén）密封表麵處理技（jì）術展望

      通過（guò）大量資料查詢，目（mù）前在閥門密封麵（miàn）強化陶瓷塗層的技術主要有二大類，一類是（shì）噴塗陶瓷塗層（céng），一類是沉積（jī）塗層．

      2.1 噴塗陶瓷

      噴塗工藝是現代三大（dà）新材料中應用、發展最快的新工藝，它將是21 世紀的主導技術1 ．陶瓷（cí）噴塗（tú）是一種表（biǎo）麵改性新工藝，它整體上是利用母體材料性能，進（jìn）而（ér）提（tí）高設備性能的一項新工藝（yì）．陶瓷材料硬度高、耐磨損、耐高溫，但是陶瓷材料（liào）抗衝擊強度低，容易脆斷，在基體表（biǎo）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（yìng）度（dù）、斷裂韌度、強度等性能得到保持和加強，使得材料的強（qiáng）度為基（jī）體材料所支撐，而高硬度性能、耐高溫性及防腐性能由噴塗的陶（táo）瓷材（cái）料所承擔，使之整體結構強度好、硬度高、耐磨損、耐衝刷、耐防腐．同時，噴塗的陶瓷塗層致密，耐腐蝕、耐高溫性能不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（tú）後的製品（pǐn）使用壽命增加3 倍以上1~3 ．陶瓷噴（pēn）塗層亦很好的（de）阻擋熱源侵蝕到基體內表麵，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（děng）離子（zǐ）噴塗、火焰噴塗、電孤噴（pēn）塗等．

      2.1.1 等離子噴塗陶瓷塗層 等（děng）離子噴塗是（shì）以電弧放電（diàn）產生的等離子體（tǐ）作高溫熱源（yuán）, 將送入的陶瓷噴塗粉末迅速熔化、並隨高速（sù）射（shè）流噴射到閥門的工件表麵上，形成耐磨、耐腐蝕覆（fù）蓋層，以（yǐ）等離子（zǐ）孤為熱源的熱噴塗，其特點是零件形變小（xiǎo）、塗（tú）層（céng）種類多、工藝穩定．近十幾年來，等離子噴塗技術有了飛速的發展，已開發出了氣穩等離子噴塗、低壓（yā）等離子噴塗（tú）、水穩等離子噴塗、超音速（sù）等離子噴塗、計算機控製的等離子噴（pēn）塗，根據需要（yào）可選用不同的設備來滿足塗層性（xìng）能的需要．

      等離子噴塗所需的粉末粒度通常是（shì）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20000K．它可熔化所有金屬、合金及陶瓷材料，射流（liú）速度快，在噴嘴出口處可（kě）達750 m/s．隻要將一些噴塗參數控製合理，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（liú）、輸送粉末的氣體種類等就可得到高質量、性能均勻一致的塗層．新開發的氣穩等（děng）離子噴塗，塗層與基體的結合及塗層顆粒之間結合形（xíng）成除以機（jī）械結合為主外（wài），還可視粉末的種類，可產生微區的（de）冶金結合和物理結合．

      考慮到（dào）陶瓷材（cái）料具有極高的硬度、穩定性等特點，研究表明隻要陶瓷塗層（céng）與基體的結合（hé）強度超過一定的數值就可（kě）滿足（zú）閥門（mén）的多數工況，可見，等離子噴塗工藝在閥門的密封（fēng）麵強化上有較（jiào）大的潛力，特別是在閥門的密封麵上覆蓋陶瓷塗層更具優勢7 ．

      2.1.2 火焰噴塗 塗層與基體的結合強度（dù）是保證塗層優良性能在產品使用過程中（zhōng）得到（dào）充分發揮的前提（tí）. 提（tí）高塗層與基體的結合（hé）強度、改善塗層質量的途徑（jìng）主要有兩點：一是提高（gāo）熱流（liú）密度（即提高熱能），這一點在等離子噴塗工藝中被運用；二是提高粒子的運行速度（即提高動能）．

      超音速火焰噴塗（tú）是提高粒子飛行（háng）速度的有效（xiào）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（róng）材料並得到優異性能的噴塗層．

      以氧-燃料氣體為熱（rè）源，將噴塗材料加熱（rè）到熔化或半熔化狀態，並以高速氣流噴射到經過預處理的基（jī）體表麵，形成滿足設計（jì）要求性能的塗層．與等離子噴塗工藝相比較，超音速（sù）火焰噴塗技術較新（xīn），其（qí）特（tè）點是噴嘴（zuǐ）出口射流速度大於1370m/s，合（hé）理（lǐ）調整噴（pēn）嘴出口的射流速度和溫（wēn）度，可控製塗層與基體結（jié）合強（qiáng）度和孔隙率．超音速火焰噴塗（tú）(HVOF) 技術有如下優點：

      （1）由（yóu）於有（yǒu）較（jiào）高的衝擊速（sù）度，因而塗層的結合強度高，可滿足陶瓷塗（tú）層與基體所需的結合強度，結（jié）合強度可大於（yú）70 Mpa；（2） 可得到低孔隙率的噴塗（tú）層，一方麵可間接（jiē）提高結（jié）合率（lǜ），另一方（fāng）麵可使摩擦係數減小，降低（dī）磨損率，提高壽命，加強了密封．（3）工藝簡單，控製容易（yì），能得到更均勻一致和重現性好的塗層．特別是（shì）塗層質量幾乎與噴嘴到工件之間的距（jù）離無（wú）關（在噴塗範圍內）.（4）塗層硬度高，一般為WRC70-72（WC/Co）HRC46-48（Ni 基合金）. 但是它的（de）缺點在於：噴塗粉末尺寸大小要求（qiú）嚴格；由於數倍於音速（sù）噴射，噪音大，對操（cāo）作人員的身體危害大；粉末進入點處火焰溫度約為2800℃，較等離子噴塗低，但火焰長，易使基體材料過熱．對於閥（fá）門的噴（pēn）塗處（chù）理溫度（dù）不能超過閥門基體（tǐ）材料回火溫度．可見，此項技術在閥門密封麵的強化上有一定的局（jú）限（xiàn）性．

      爆（bào）炸噴塗是將一定比例的（de）氧氣和乙炔氣送入到噴槍內，然後再由另一入口將噴塗粉末用氮氣混合送入，在槍內充有一定量的混合氣體和粉末，有（yǒu）電火花塞點火，使氧-乙炔混合發生爆炸，產生熱量和壓力波．噴塗（tú）粉末在加速過程中被加熱，撞擊在工件表麵，形成致密的（de）塗層．該項技術主要應（yīng）用在零件的大麵積修複上，在閥門密封麵上形成特定的形狀不易保證，從而影響密封性能．

      2.1.3 電弧噴塗技術

      （1）普（pǔ）通電（diàn）弧噴塗以（yǐ）電弧為熱源，將熔化的金屬絲用高速氣流霧化，並以高速噴射到工件表（biǎo）麵形成塗層的一種工藝．其特點表現為，塗層性能優異、效率高、節能（néng）經濟、使用安全．

      （2）超音速電弧噴塗在（zài）普通電弧（hú）噴塗技術基礎上，通過改進電弧噴槍和電源，新開發（fā）的一種表麵處理技術．它不但具有普通電弧噴塗技術的主要特點，而且（qiě）由於其（qí）噴塗速度的提高，達到並超過音速，從而使塗層質量明顯改善，結合強度顯著提高，孔隙率大大降（jiàng）低，在耐磨防（fáng）腐等表麵防護，表麵（miàn）處理領域有明顯優（yōu）於（yú）普通（tōng）電弧噴塗的應用前景．

      這2 種噴塗技術對噴塗材料有一定限製，塗層材料主要為金（jīn）屬基材料、而且材料形狀為絲狀．對將陶瓷材料與金屬（shǔ）材料（liào）的性能整合，以整體提高閥門的耐磨性、耐（nài）腐蝕、耐高溫效果相對困難．不能（néng）將陶瓷材料製成（chéng）絲狀，而且（qiě）大多數（shù）陶瓷材料不導電，實施較困難．

      2.2 沉積塗層

      隨著現代科學技術的發展，表麵處理技術也得到較快的發展，氣相沉積是其中的代表技術之一，氣相沉積技（jì）術按其（qí）成膜機理可分為化學氣相沉積、物（wù）理氣相（xiàng）沉積（jī）、等離子氣相沉積（jī）、低溫氣相（xiàng）沉（chén）積等幾大類．近年來，物理氣（qì）相沉積工藝發展迅猛，其主要技術有：真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍（dù）膜．濺射鍍膜包括：二級濺射鍍膜、射頻濺射鍍膜、磁控濺射鍍膜反應濺射、三級濺射、脈衝激光沉積．

      物理氣相沉（chén）積是在真空（kōng）下，通過真空蒸鍍（dù）、浸射或離子鍍滲方式產生塗層．采用物理氣相沉積（jī）技術中的磁控濺射工藝在某閥門表麵強化處理上的應用研（yán）究，物理氣相沉積技術表現出如（rú）下幾個方（fāng）麵（miàn）的優點：（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）塗層有極高的硬度，增強了耐磨性.（3）塗層同（tóng）基體有極高的結合強度，塗層不會脫落.（4）塗層薄臘的粗糙（cāo）度（dù）直接與基體的表（biǎo）麵粗糙度相關，從而可獲的較低摩擦率和較低（dī）的（de）磨損係數.（5）能塗敷複雜的型麵，塗層薄膜極薄，不需加工，保證形位（wèi）精度．

      物理氣相沉積存在有如下缺點：（1）沉積速率（lǜ）低、費用高.（2）沉積層一次沉積的塗（tú）層厚度不能太厚，增加了工藝的複（fù）雜性.（3）實（shí）施的材料種類少．但整體來說（shuō），其不需加工性在保證密封麵的形狀有較大優勢，可見隨著物理氣相沉積的發展，該工藝在閥門密封（fēng）麵的處理上也具有較好的應用前（qián）景．

      2.3 用於強化閥門密封麵的陶瓷塗層材（cái）料、工藝及（jí）研究方向

      考慮到閥門（mén）大多數（shù）情況在幹摩擦（cā）狀（zhuàng）態工作,陶瓷（cí）材料（liào）的熱傳導性差, 熱膨脹係數與基體也存在一定的差別（bié）, 綜合分析各方麵的情況，認為Cr2O3 是較為理（lǐ）想的候選材料之（zhī）一．主要表現（xiàn）在：（1）Cr2O3 在整個溫度範圍（wéi）內不發（fā）生相變，因而不（bú）會因相變（biàn）而發生體（tǐ）積收縮或膨脹，從而減小了應力產生的機會，使塗層相對不易脫落（. 2）Cr2O3塗（tú）層的熱膨脹（zhàng）係數較Al2O3 和ZrO2 等大，與其他陶瓷材（cái）料相比，Cr2O3 與鋼鐵最接近.（3）Cr2O3與（yǔ）Al2O3 和ZrO2 等材料相比，熔點較高，具（jù）有較強（qiáng）的抗熔著磨損的能力.（4）Cr2O3 塗層密度大（dà）、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，由摩擦學知識可知，閥門在許多情況下都（dōu）表現為幹摩（mó）擦，在這種情況下，磨損率在（zài）很大程度上（shàng）取決於配（pèi）合（hé）表麵的粘著傾向（xiàng）和粘（zhān）著程度．粘著（zhe）本質上是一種（zhǒng）在微（wēi）小接觸麵積上發生的（de）固相焊接，接觸麵積越大，粘著（zhe）傾向越強烈，為了提高閥門的使用壽命或延長閥（fá）門的更換期，必須進一（yī）步（bù）改善摩擦副的摩擦學性能．為（wéi）此，可以從兩（liǎng）方麵入手：一方麵，提高塗層材料的熔（róng）點（diǎn）、導熱率，這使得熱量被吸收，從而（ér）不致發生熔著磨損；另一方麵想辦法使輸入摩擦係統的能量能夠被彈性變形、塑（sù）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（mì）封麵（miàn）的磨擦形式（shì）主要表現為磨粒磨損（sǔn）和（hé）粘著磨損. 改善磨粒摩擦（cā）可通（tōng）過提高摩擦副的硬（yìng）度或塑（sù）性變形來對（duì）抗磨（mó）粒磨損，改善（shàn）粘著摩損可采用在閥門的配合密封表麵改變材料化學特性的方法．在閥門密封麵上（shàng）噴塗陶瓷塗層具（jù）有下（xià）列功效：（1）減（jiǎn）少密封麵粘著傾向，密封（fēng）麵為兩種不同性質（zhì）的（de）材料；（2）提高密封麵抗磨損的能力；（3）耐電化腐蝕（shí）磨損能力提高（gāo）．

      由於閥門的種類繁多（duō），結構（gòu）形（xíng）式多種（zhǒng）多樣，不同結構形式需要合適的陶（táo）瓷塗層材料來（lái）強化，為了進一步提高塗層的摩擦學（xué）性能，可以從以（yǐ）下幾個方麵考（kǎo）慮：（1）優化出高（gāo）硬度、高熔點、高密度的塗層材料；（2）通過一些增韌機製，改善陶瓷（cí）塗（tú）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在陶瓷材料中，使之（zhī）能具有一定的潤（rùn）滑（huá）效果，從而改善密封麵的摩擦學性能；（4）新型複合沉積塗層技術、納米塗層技術、硬質薄膜技術的引入．

      2.4 幾種閥門密封（fēng）麵強化工（gōng）藝應（yīng）用實例

      ①號（hào）試樣：以45 鋼為基（jī）體材料，塗層材料（liào）為Cr2O3 的某閥門閥芯采用等離子噴塗工藝後塗層性能為（wéi）結合強度達35Mpa，孔隙率9％，表麵硬度為1540 HV．

      ②號試樣：以2Crl3 作為基體材料進行磁控濺射工藝後，塗層結構為由納米（mǐ）厚度的（de）氮化碳塗層和過渡（dù）金屬氮化物層交替疊加組（zǔ）成（chéng）多層複合膜．其塗層性質表麵顯微硬（yìng）度為30.5Gpa，劃痕臨界載荷為43N，與球鐵400 配副時的（de）摩擦係數為0.15（幹擦條件下），塗層磨損率5.15 × 10 16M3/Nm（20℃常溫條件下）．

      ③號試樣：2Crl3 為材料製成的閥（fá）芯，表麵硬（yìng）度（dù）HRC52，表麵粗糙（cāo）度為Ra = 1.6 m．2Crl3是製造閥門芯的（de）常用材料之一．

      ①、②、③號試樣分別與球（qiú）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號（hào）煉鋼爐（lú）的同一（yī）排供碳粉（fěn）管（guǎn）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（de）60％；①號閥門更換率是③號（hào）閥門的70％．也就是在三種閥門（mén）中②閥門的壽命最（zuì）長，但目前製造費用相對高一些，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（de）普及，在不久的將來兩種閥門製造總體（tǐ）費用將下降很多．

      總之（zhī），通過對閥門工（gōng）況分析（xī），並結合（hé）目前國內外陶瓷塗層發展（zhǎn）情況可以看出：（1）環保及企業經濟效益等因素綜合要求（qiú）必（bì）須（xū）大幅提高閥門的密（mì）封麵摩擦學性能；（2）等離子（zǐ）噴塗工藝和（hé）物理氣相沉積工（gōng）藝是提高閥門密封麵性能的候選工藝；（3）Cr2O3 是用來強化閥門密封麵的較（jiào）為理想的候（hòu）選材料之一；（4）為了提高閥門的使（shǐ）用壽命或延長閥門的（de）更換期，必須從閥門結構（gòu）加以改進，使之能（néng）適應（yīng）陶（táo）瓷（cí）塗（tú）層強化閥（fá）門（mén）密封麵的要求．（5）新型複合型物理氣相沉積在閥門密封麵表麵強化有較好（hǎo）的前景．