閥門是氣體、液（yè）體、粉末材料（liào）輸送係統中的控製元件，具有導流、截流、節流調節、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、強度性能、調（diào）節性能、動（dòng）作性能（néng）和流通性能．對大多數閥（fá）門來說，密封和強度是設計者著重（chóng）考慮的問題，密封是首要問題，由（yóu）於密封（fēng）性能差或密封壽命短而產生（shēng）流體的外（wài）漏或內漏，會造（zào）成環境汙染和經濟損失，有毒性的流體、腐蝕性流體（tǐ）、放射性流體和易燃（rán）易爆流體（tǐ）的泄漏有可能產生重大的經（jīng）濟損失（shī）甚至人員傷亡，強度不夠則將會導致本體或係統的破壞．近年來，人們（men）從機（jī）械學、摩擦學、表麵物理、材料科學等學（xué）科（kē）對閥門的密（mì）封麵進行了不同程（chéng）度的研究，取得了一定的成果（guǒ），但還不能（néng）滿足（zú）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（cǐ），本文分析了閥（fá）門的多種表麵處理技術，並展（zhǎn）望等離子噴塗陶瓷塗層工藝在對中、大（dà）型閥門進行表麵處理應用的前景．

      1 閥門工況及密封麵失（shī）效情況分析

      閥門的種類繁多，其（qí）用途和作（zuò）用不同，為實現特定的目的和功能而采用的閥門（mén）材料不同，結構形式也多種多樣．對於不同的材（cái）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．對於灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、碳素鋼、不鏽鋼等閥門來（lái）說其閥座及啟閉件的密封麵材料一般采用銅合金（錳黃銅、鋁黃銅、鋁青銅）、不鏽鋼和聚四氟乙烯或（huò）橡膠，在一般情況下主要通（tōng）過熱處（chù）理來強化密封表（biǎo）麵，銅合金是經800℃左右加熱後淬火工（gōng）藝強化，不（bú）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（fá）門的密封表麵（miàn）處理是在保證結構及設計參數的前提下，通過熱處理（lǐ）方法來提高強（qiáng）度、硬度等性能（néng）．由於閥門主要是通過（guò）聚四氟乙烯材料來保證密封，通過大量的失效（xiào）閥門研究分析，發現大多數以聚四（sì）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（mì）封材料或密封結構形式（shì）來提高閥門的使用壽命．為了實現這一目標，科技工作者從二個方麵出發，其（qí）一（yī）是從結構上考慮；提出了活塞式（shì）閥門、雙漸開線閥門、旋塞式（shì）閥門、柱塞式（shì）閥門等以適應工作條件的需要；其二是從材料上考慮；提出了全陶瓷閥門、陶瓷噴塗密（mì）封麵閥（fá）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材料的硬度高、耐磨損，耐高溫等特性應用於閥門上．

      2 閥門密封表麵處理技術展望

      通過大量（liàng）資料查詢，目前在閥門密（mì）封（fēng）麵強化陶瓷（cí）塗層的技術主要有二大類，一類是噴塗陶（táo）瓷塗層，一類是（shì）沉積塗層．

      2.1 噴塗陶（táo）瓷

      噴塗工（gōng）藝是現代三大新材料（liào）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（pēn）塗（tú）是一（yī）種表麵改性新工藝（yì），它整體上是利用母體材料性能，進（jìn）而提高設備性能的（de）一項新工藝．陶（táo）瓷材料硬度高、耐磨損、耐高溫，但是陶瓷材（cái）料抗衝擊強（qiáng）度（dù）低，容易脆斷，在基體表（biǎo）麵噴塗陶瓷的作用（yòng）主要在於強化機械物理性能方麵的功效，使得產品的（de）硬度、斷裂韌度、強度等性能（néng）得（dé）到保持和加強（qiáng），使得材料的強度為基體材料所支撐，而高硬度性能、耐（nài）高溫性及防腐性能由噴塗的陶瓷材料所承擔，使之整體結構強度好（hǎo）、硬度高（gāo）、耐磨損、耐（nài）衝刷（shuā）、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（zhǒng）純陶瓷製品，在高衝擊和振動下（xià）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（dǎng）熱（rè）源侵蝕到基體內表麵，從而起到（dào）保護基（jī）體和絕熱作（zuò）用．目前陶瓷噴塗工藝中應用（yòng）較活躍的（de）技術主要（yào）是等（děng）離子（zǐ）噴塗、火焰噴塗、電（diàn）孤噴塗等．

      2.1.1 等離子噴塗陶瓷塗層（céng） 等離子噴塗是以（yǐ）電弧放電產生的等離子體作高溫熱源, 將送入的陶瓷（cí）噴塗粉末迅速（sù）熔化、並隨高速射流噴射到（dào）閥門的工件表麵上，形成耐磨、耐腐蝕覆蓋層，以等離子孤為熱源的熱噴塗，其特點是（shì）零件形變小、塗層種類多、工藝穩定．近十幾年來，等離子噴塗技術有了飛速的（de）發展，已開發出了氣穩等離子噴塗、低壓等離子噴塗、水穩等（děng）離子噴塗、超音速等離子噴塗、計算機控製的等離子噴塗（tú），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（dù）通常是30 ~ 100m，這種方法溫度高，噴槍出口處等離子射（shè）流區（qū）中部溫度達20000K．它可熔化所有金屬、合（hé）金及陶瓷材料（liào），射流速度快，在噴嘴出口處（chù）可達750 m/s．隻（zhī）要將（jiāng）一（yī）些噴塗參數控製合理，例如噴嘴到工件的距離、粉末（mò）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量、性能均勻一致的塗層．新開發的氣穩等離（lí）子噴塗，塗（tú）層與基體的結合及塗層顆（kē）粒之間結合形成（chéng）除以機械結合為主外，還可視粉末的種類，可產生微區的冶金結合和物理結合．

      考慮到陶瓷材料具有極高的硬度、穩定性等特點，研究表明隻（zhī）要陶瓷塗層與基體的（de）結合強度超（chāo）過一定的數值就可滿足閥門的多數工況，可見，等離子噴塗工藝（yì）在閥門的密封麵（miàn）強化上有較大的潛力，特別是在（zài）閥門的密封麵上覆蓋（gài）陶瓷塗層更具優勢7 ．

      2.1.2 火（huǒ）焰噴塗 塗層與基體（tǐ）的結（jié）合強度（dù）是保證塗層優良性能在（zài）產品使用過程中得到充分發揮的前提. 提高塗（tú）層與基體的結合（hé）強度、改善塗層質量的途徑主要有兩（liǎng）點：一是提高熱流（liú）密度（即提高熱能），這一點在（zài）等離子噴塗工藝（yì）中被運用；二是提高（gāo）粒子的運行速度（即提高動能）．

      超音速火焰噴塗是提（tí）高粒子飛行速度的有效方法．利用一種（zhǒng）特（tè）殊火（huǒ）焰噴（pēn）槍獲得（dé）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噴塗層．

      以氧-燃料氣體（tǐ）為熱源，將噴（pēn）塗材料加（jiā）熱到熔化或半熔化狀態，並以高速氣流噴射（shè）到經過預（yù）處（chù）理的基體表麵，形成滿足設（shè）計（jì）要求性（xìng）能（néng）的塗層．與等離子噴塗工藝相比較，超音速火焰噴塗技術較新，其特點是噴嘴出（chū）口（kǒu）射流速度大於1370m/s，合理調整噴嘴出口的射流速度和溫度（dù），可控（kòng）製塗層與基體（tǐ）結合強度和孔隙率．超音速火焰（yàn）噴塗(HVOF) 技（jì）術有如下優點：

      （1）由於有較高的衝擊（jī）速度，因而塗層的結合強度高，可（kě）滿足陶瓷（cí）塗層與基體所需的結合（hé）強（qiáng）度，結（jié）合強度可大於70 Mpa；（2） 可得到低孔隙率的噴（pēn）塗層（céng），一（yī）方（fāng）麵可間接提高結合率，另一方麵（miàn）可使摩擦係數減（jiǎn）小（xiǎo），降（jiàng）低磨損率，提高壽命，加強了密封．（3）工藝簡單，控製容易，能得到更均勻一致和重現性（xìng）好的塗層．特別是塗層質量幾乎與噴嘴到工件（jiàn）之間的距離無關（在噴塗範圍內）.（4）塗（tú）層（céng）硬度高，一般為WRC70-72（WC/Co）HRC46-48（Ni 基合金）. 但是它（tā）的缺點在於：噴塗粉末尺寸大小要求嚴（yán）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℃，較等離（lí）子噴塗低，但火焰長（zhǎng），易使基體材料過熱．對於閥門的噴塗處理溫度不（bú）能超（chāo）過閥門（mén）基體材料回（huí）火溫度．可見，此項技術在閥門密封麵的強化上有一定的局限性．

      爆炸噴塗（tú）是將一（yī）定比例的氧氣和乙炔氣送入到噴槍內，然後再由另（lìng）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，有電火花塞點火，使氧-乙炔混合發生（shēng）爆炸，產生熱量和壓力波．噴塗（tú）粉末在加速過程中被加熱（rè），撞擊（jī）在工件表麵，形成致密的塗層（céng）．該項（xiàng）技術（shù）主要應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（yǐng）響密封性能．

      2.1.3 電弧噴（pēn）塗（tú）技術

      （1）普通電弧噴塗（tú）以電弧為熱源，將（jiāng）熔化的金屬（shǔ）絲用高速氣流霧化，並以高速噴射到工件表麵形成塗層的一種工藝．其特點表（biǎo）現為，塗層性（xìng）能優（yōu）異、效率高、節（jiē）能經濟、使用安全．

      （2）超音速電弧噴（pēn）塗在普通電弧噴塗技術基礎上，通過（guò）改（gǎi）進（jìn）電弧噴槍和電源，新開發的一種表麵處理技術．它不（bú）但具有（yǒu）普通電弧噴塗（tú）技術的主要特點，而且由於其噴塗速度（dù）的（de）提高，達到並（bìng）超過（guò）音速（sù），從而使塗層質量明顯（xiǎn）改善，結合強度顯著提（tí）高，孔隙率大大降低，在耐磨防腐等表麵防護，表麵處（chù）理領域有明顯優於普通電弧噴塗的應用（yòng）前景．

      這2 種噴塗技術對噴塗材（cái）料有一定限製，塗層材料主（zhǔ）要為金屬基材料、而（ér）且材料形狀為絲狀．對將陶（táo）瓷材料與金屬材料的性能整合，以整體提高閥門的（de）耐磨性、耐腐蝕、耐高溫效果相對困難（nán）．不能將陶瓷材料製成絲狀，而且大多數陶瓷材料不導電，實施（shī）較困難．

      2.2 沉積塗層

      隨著現代科學（xué）技（jì）術的發展，表麵處（chù）理技術也得到較快的發展，氣相沉積是（shì）其中的代表技術之一，氣（qì）相沉積技術（shù）按其成膜機理可分為化學氣（qì）相（xiàng）沉（chén）積、物理氣相沉積、等離（lí）子氣相沉積（jī）、低（dī）溫氣相沉積等幾（jǐ）大類．近年來，物理氣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（jiàn）射鍍膜包括：二（èr）級濺射鍍膜、射頻（pín）濺射鍍膜、磁控濺射鍍膜（mó）反應濺射、三級濺射、脈衝激光沉積．

      物理氣相沉積是在真空下，通過真空蒸鍍（dù）、浸射或離子鍍滲方式產生塗（tú）層．采用物理氣相沉積技術中的磁控濺射（shè）工藝在（zài）某（mǒu）閥門表麵強化處理（lǐ）上的應（yīng）用（yòng）研究，物理氣相沉積技術表現（xiàn）出如下幾個方麵的優點：（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（biàn）的幾率（lǜ）.（2）塗層有極高的硬度，增強了耐磨性（xìng）.（3）塗層同基體有（yǒu）極高的結合強度，塗層不會脫落.（4）塗層薄臘的粗糙度直接（jiē）與基體的表麵粗糙度相（xiàng）關，從而可獲的（de）較（jiào）低摩擦率和較（jiào）低的磨損（sǔn）係數.（5）能塗敷複雜的型麵，塗層薄膜極（jí）薄，不需加工，保證形位精度．

      物理氣相沉積存在有（yǒu）如下缺點：（1）沉積速率低、費用高.（2）沉積（jī）層一次沉積的塗層厚度不能太厚，增加了工（gōng）藝的複雜性.（3）實施的材料（liào）種類少．但整體來說，其不（bú）需加工性在保證密封麵的形狀（zhuàng）有較大優勢，可見（jiàn）隨（suí）著物理（lǐ）氣（qì）相沉積的發展，該工藝在閥門密封麵的處理上也具有較好的應用（yòng）前景．

      2.3 用於強化閥門密封（fēng）麵的陶瓷塗層材料、工藝及研（yán）究方向

      考慮到（dào）閥門大多數情況在幹摩擦狀態工作,陶瓷材料的熱（rè）傳（chuán）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 是較為理想的候選材料之一．主（zhǔ）要表現在：（1）Cr2O3 在整個溫度範圍內不發（fā）生相變，因而不會因相（xiàng）變而發生體積收（shōu）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塗層的熱膨脹係數較Al2O3 和ZrO2 等大，與其（qí）他（tā）陶瓷材料相比，Cr2O3 與鋼鐵最接近.（3）Cr2O3與Al2O3 和ZrO2 等材料相比，熔點較高（gāo），具有較強的抗熔著磨（mó）損（sǔn）的能力.（4）Cr2O3 塗層密度大、硬度高揚氏模量等方麵都比其他材料好．

      通過分析閥門的（de）工作狀（zhuàng）況，由摩擦學知識可知，閥門在許多情況下都（dōu）表現為幹摩擦，在（zài）這種情況下，磨損率在很（hěn）大程度上取決於（yú）配合表麵的粘著傾向和粘著程度．粘著本（běn）質上是一（yī）種（zhǒng）在微小接觸麵積上發生的固相焊接，接（jiē）觸麵積（jī）越（yuè）大，粘著傾向越強烈，為了提高閥門的使用壽命或延長閥（fá）門的更換期，必須進一步（bù）改善摩擦副的摩擦學性能．為此，可以從兩方麵入手：一方麵，提（tí）高塗（tú）層材料的熔點、導熱率，這使得熱量（liàng）被（bèi）吸收，從而不致發生熔著磨損；另一（yī）方（fāng）麵想辦法使輸入摩擦係統的能量能（néng）夠被彈性變形、塑性變形或相變（biàn）吸收，使得（dé）裂紋不易形成，從而提高（gāo）抗磨能力5~7 ．

      閥門密封麵的磨（mó）擦（cā）形式（shì）主要表現為磨粒磨損和（hé）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（sǔn），改善粘著摩損可采用在閥門（mén）的配合密封表麵改變（biàn）材料化學特性的方法．在閥門密封麵上噴塗陶瓷（cí）塗層具有下列功效：（1）減少密封（fēng）麵粘著傾向，密封麵為兩種不同性質的（de）材料；（2）提高密封麵抗磨損的能力；（3）耐電化腐蝕磨損能力提高．

      由於閥門的種類繁（fán）多（duō），結構形式多種多樣，不（bú）同結構形式需要合適（shì）的陶瓷塗層（céng）材料來強（qiáng）化，為了進一步提高塗層的摩擦學性能，可以從以下幾個方（fāng）麵考慮：（1）優化出高硬度、高熔點（diǎn）、高密度的塗層材（cái）料；（2）通過一些（xiē）增韌機製，改善陶瓷塗層（céng）的韌性，從而整體提（tí）高其摩（mó）擦學性（xìng）能（néng）；（3）通過加入一些自潤滑材料在陶瓷材料（liào）中，使之能具有一定的潤滑效果，從而改善密封麵的摩擦學性能；（4）新型複合沉積（jī）塗（tú）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（mì）封麵強化工藝應用實例（lì）

      ①號試樣：以45 鋼為（wéi）基體材料，塗層材料為Cr2O3 的某閥門閥芯采用等離子噴塗工（gōng）藝後（hòu）塗層（céng）性能為結合強度達35Mpa，孔隙率9％，表麵硬度為1540 HV．

      ②號試樣：以2Crl3 作為基（jī）體材料進行磁（cí）控濺射工藝後，塗層（céng）結構為由納米厚度的氮化碳塗層和過渡金屬氮（dàn）化物層交替疊加組成多層複合膜．其塗層性質表麵（miàn）顯微硬度為30.5Gpa，劃痕臨界載荷為（wéi）43N，與球鐵400 配（pèi）副時的摩擦係數為（wéi）0.15（幹擦條件下），塗層磨損（sǔn）率5.15 × 10 16M3/Nm（20℃常溫條件下）．

      ③號試樣：2Crl3 為材料製成的閥芯，表麵（miàn）硬度HRC52，表麵粗糙度為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（bié）與球鐵（tiě）QT400 配副組（zǔ）裝成閥門，三種閥門同時（shí）裝在某鋼鐵公司第三號煉鋼爐的同（tóng）一排（pái）供碳粉（fěn）管道上控製碳粉供給（gěi），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號閥門的70％．也就是在三種閥門中②閥門的壽命（mìng）最長，但目（mù）前製造費用相對高一些，①號閥門與②號相（xiàng）近，但後期加工費用相對較高．隨（suí）著技術的普及，在不久的將來兩種閥門製造總（zǒng）體費用將下降很多．

      總之，通過對閥門工況分析，並（bìng）結合目前國內外陶瓷塗層發展情況可以看出：（1）環保及企業經濟效益等（děng）因素綜合要求（qiú）必須大幅提高閥門的密封（fēng）麵摩擦學性能；（2）等離子（zǐ）噴塗工藝和物理氣相沉積（jī）工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為理想的候選材（cái）料之（zhī）一；（4）為了提高閥門的使用壽命（mìng）或（huò）延長（zhǎng）閥門的更換期，必須從閥門結構加以改進（jìn），使之能適應陶瓷塗（tú）層強化閥（fá）門密封麵的（de）要求．（5）新型複合型（xíng）物理氣相沉（chén）積在閥門密封（fēng）麵表麵強化有較好的前景．