閥門是氣體、液（yè）體、粉末材料輸送係統中的控製元（yuán）件，具有（yǒu）導流、截流、節流（liú）調節、防止倒流、分流或溢流卸壓等功能（néng）．閥門（mén）一般應具有：密封性能、強度性能、調節性能、動作性能和流通性能．對大多數閥門來說，密封和強（qiáng）度是（shì）設計者著重（chóng）考慮的（de）問題，密封是（shì）首要問題，由於密封性能差或（huò）密封壽命短而產生（shēng）流體的外漏或（huò）內（nèi）漏，會造成環境汙染和經濟損失，有毒性的流體、腐蝕性流體（tǐ）、放射性流體和易燃易爆流體的泄漏（lòu）有可能產（chǎn）生重大的經濟損失甚至人員傷亡，強度不夠（gòu）則將會導致本體或係統的破壞．近年來，人（rén）們從機械學、摩擦學（xué）、表麵物理、材料科學等學（xué）科對閥門的密封麵進行了不同程度的研（yán）究，取得了一定（dìng）的成果，但還不能滿足在粉（fěn）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（xī）了閥門的多種表麵處理技術，並展望等離（lí）子噴塗陶瓷塗層工藝在對中、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（shī）效情況（kuàng）分析

      閥門的種類繁多，其用途和作用不同，為實現特定的目的和功能而（ér）采（cǎi）用的閥門材料不同，結構（gòu）形式也多種多（duō）樣．對於不同的材料、不同結構所構成的密封（fēng）麵所采用的表麵處理工藝也不同（tóng）．對（duì）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材料一般（bān）采用銅合金（錳黃（huáng）銅、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密封表麵，銅合金是經800℃左右加（jiā）熱後淬火工藝強化，不鏽鋼常用的熱處（chù）理工藝有固溶處理、穩定化（huà）處理、除應力處理等工藝（yì）．通常，閥（fá）門的密（mì）封表麵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（néng）．由於（yú）閥門主（zhǔ）要是通過聚四氟乙烯材料來保（bǎo）證（zhèng）密封，通過大量的失效閥門研究分析，發現大（dà）多數以聚四氟乙烯為密封材料的（de）閥門的失效都是由於聚四氟乙烯破（pò）壞而導致的．

      為此（cǐ）必須改（gǎi）善密封材（cái）料或密封結構形式（shì）來（lái）提高閥門（mén）的使用（yòng）壽命．為了實現這一目標，科技工作者從（cóng）二個方麵出發，其一是從結構上考慮；提出了活塞式閥門、雙漸開線閥門、旋塞式閥門、柱塞式閥門（mén）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（mén）、陶瓷噴塗（tú）密封麵閥門、硬質薄膜沉積密封麵等（děng）全（quán）新理念，其主要目的是想把陶瓷等新材料的硬度高（gāo）、耐磨損，耐高溫（wēn）等特性應用於閥門上．

      2 閥門密封（fēng）表麵處理技（jì）術展望（wàng）

      通過大量資料查詢，目前（qián）在閥門密封麵強化陶瓷塗層的技術主要有二大類，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（gōng）藝是現代三（sān）大新材料中應用、發（fā）展最快的新（xīn）工藝，它將是21 世紀的主導技術（shù）1 ．陶瓷噴塗是一種表麵改性新工藝（yì），它整體上是利用母體材料性（xìng）能，進而提高設備性能的一（yī）項新工藝．陶瓷材料硬度高、耐（nài）磨損、耐高溫，但是陶瓷（cí）材料抗衝擊強度低，容易脆斷，在基體表麵噴塗陶瓷的作用主要在於強化機械（xiè）物理性能方麵的功效，使得（dé）產品的硬度、斷裂韌度、強度（dù）等性能得到保持和（hé）加強，使（shǐ）得材料的強度為基體（tǐ）材料所（suǒ）支撐，而高硬度性能、耐（nài）高溫性及防腐性能由（yóu）噴塗的（de）陶瓷材料所承擔，使之整體（tǐ）結構強（qiáng）度好、硬度高、耐磨損、耐衝刷（shuā）、耐防（fáng）腐．同時，噴塗的陶瓷塗層致（zhì）密，耐（nài）腐蝕（shí）、耐高溫性（xìng）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，從而起（qǐ）到保護基體和絕熱作用．目前陶瓷（cí）噴塗工藝中應用較活躍的技術主要是等離子噴塗、火（huǒ）焰噴塗、電孤噴塗等．

      2.1.1 等離子噴塗陶瓷塗層 等離子噴塗是以電弧放電產（chǎn）生的等離子體作高（gāo）溫熱源, 將送入的陶（táo）瓷噴（pēn）塗粉末迅速熔化、並隨高速射流（liú）噴射到閥門的工件表麵上（shàng），形成耐磨、耐腐蝕覆蓋層，以等離子孤為熱源的熱噴塗，其特點是零件形變小、塗層種類多、工藝穩定（dìng）．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、低壓等離子噴塗（tú）、水穩等離子噴塗、超音速等離子噴塗、計算機（jī）控製的等離子噴塗，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（xū）的（de）粉末粒度通常是30 ~ 100m，這（zhè）種（zhǒng）方法溫（wēn）度高，噴（pēn）槍出口處等離子射流區中部溫度達20000K．它可熔（róng）化所有金屬（shǔ）、合金（jīn）及陶瓷材料（liào），射流（liú）速度快，在（zài）噴嘴出口處可達750 m/s．隻要將一些噴塗參數控製合理，例如噴嘴到（dào）工件的距（jù）離、粉末粒度和類型（xíng）、粉末的引入位置、弧（hú）電壓和電流、輸送粉末的氣體種類等就可得到高質量（liàng）、性能均勻一致的塗層．新開發的氣穩（wěn）等離子噴塗，塗層與基體的結合及塗層顆粒之間結合形（xíng）成除以機械結合為主外，還（hái）可視粉末的（de）種（zhǒng）類，可產生微區的冶金結（jié）合和物（wù）理結合．

      考慮到陶瓷材料具有極高的硬度（dù）、穩定（dìng）性（xìng）等特點，研究表明隻（zhī）要陶瓷塗層與基體（tǐ）的結合強度（dù）超（chāo）過一定的數值就可滿足閥（fá）門的（de）多數工（gōng）況，可見，等離子（zǐ）噴塗工藝在閥門的密（mì）封麵強化上有較大的（de）潛力（lì），特別是在閥門的密封麵（miàn）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（qiáng）度是保證塗層優良性能在產品使用過程中得到（dào）充分發揮的前（qián）提. 提高（gāo）塗層與基體的結合強度、改善塗層質量的途徑主要（yào）有兩點：一是提高（gāo）熱（rè）流密度（即提高熱能），這（zhè）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（dù）（即提高（gāo）動能）．

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

      以氧-燃料氣體為熱源，將噴塗材（cái）料加熱到（dào）熔化或半熔化狀態，並以高速氣流噴（pēn）射到經過預處理的基體表麵，形成滿足設計要求性能的塗層．與等離子噴塗工藝（yì）相比較，超音速火焰噴塗技術較新，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（de）射流速度（dù）和溫度（dù），可控製塗層與基體結合強度（dù）和孔隙率．超音速火焰（yàn）噴塗(HVOF) 技術有如下優點：

      （1）由於有（yǒu）較高的（de）衝擊（jī）速度，因而塗（tú）層的結合強度高，可滿足陶瓷塗層與（yǔ）基體所需的結合強度，結合強度可大於70 Mpa；（2） 可（kě）得到低孔隙率的噴塗層，一方麵可間接提高結合（hé）率，另一方麵可使摩（mó）擦係數減小，降低磨損率，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好的（de）塗（tú）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）在於：噴塗粉末尺寸（cùn）大小要求嚴格；由於數倍於音速噴射，噪音（yīn）大，對操作人（rén）員（yuán）的身體危害大；粉末進入點處火焰（yàn）溫度約為2800℃，較等離子噴塗低，但火焰長，易使（shǐ）基體材料過熱．對於閥門的噴塗處理溫度不能超過（guò）閥門基（jī）體材料回火溫度．可見，此項（xiàng）技術（shù）在（zài）閥門（mén）密（mì）封麵的強化上有一定的局限性．

      爆炸噴塗是將一定比（bǐ）例的氧氣和乙炔氣送（sòng）入到噴槍內，然後再由（yóu）另一（yī）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-乙炔混合發生爆炸，產生（shēng）熱量和壓力波．噴塗粉末（mò）在加速過程中被（bèi）加熱，撞擊（jī）在工件表麵，形成致密的塗層．該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）定的形狀不易保證，從而影（yǐng）響密封性能．

      2.1.3 電弧噴塗技術

      （1）普通電弧（hú）噴塗以電弧為熱源（yuán），將熔化的金屬絲用高速氣流霧化，並以高速（sù）噴射到工件表麵（miàn）形成塗層的一種工藝．其特點表現為，塗層性能優異、效率（lǜ）高、節能經濟、使用（yòng）安全（quán）．

      （2）超音速電弧噴塗在普通電弧噴塗技（jì）術基礎（chǔ）上，通過改進電弧噴槍和電源（yuán），新開發的一（yī）種表麵（miàn）處理技（jì）術．它不但具有普通電弧噴塗技術的主（zhǔ）要特點，而且由於其噴塗速度的提高，達到並超過音速，從而使塗層質量（liàng）明顯改善，結合強度顯著提高，孔隙率大大降低，在耐磨（mó）防腐（fǔ）等表麵防護，表麵（miàn）處理（lǐ）領域有明顯優於普通電弧噴塗的應用前景．

      這2 種噴塗技術（shù）對噴塗材料有一定限製，塗層材料主要為金屬（shǔ）基材料、而且（qiě）材料形狀為絲狀．對將陶瓷材料（liào）與金屬材料（liào）的性能整合（hé），以整體提（tí）高閥門的耐磨性、耐腐蝕、耐高溫（wēn）效果相對困難．不能將陶瓷（cí）材料製成絲狀（zhuàng），而且大（dà）多數陶瓷（cí）材料不導電，實（shí）施較困難（nán）．

      2.2 沉積塗層

      隨著（zhe）現代科學技術的發展，表麵處理技術（shù）也得到較快的發展，氣相沉積是其中的代（dài）表技術之一，氣相沉積技術按其成（chéng）膜機理可分為化學氣相沉積、物理氣相沉積、等（děng）離子氣相沉積、低溫氣相沉積等幾大類．近年來，物理（lǐ）氣（qì）相沉（chén）積工藝發展（zhǎn）迅猛，其主要技（jì）術有（yǒu）：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、磁控濺射鍍膜反應濺射、三級濺射、脈衝激光（guāng）沉積．

      物（wù）理氣相沉積是（shì）在真空下，通（tōng）過（guò）真空蒸鍍、浸射或離子鍍滲方式產生塗層．采用物理氣相沉積技術中的磁控（kòng）濺射工藝在某閥門表麵強化處理上的應用研究，物理氣相沉（chén）積技術表現出如下幾（jǐ）個方麵（miàn）的優點：（1）使基（jī）體（tǐ）的溫升較低，不會超過（guò）基體的回火溫度，減小了形變的幾率.（2）塗層有極高的（de）硬度，增強了耐磨性.（3）塗（tú）層同基體（tǐ）有極高的結合強度，塗層不會脫落.（4）塗層薄臘的粗糙度（dù）直接與基體的表麵粗糙度相（xiàng）關，從（cóng）而可獲的較低摩擦率和較低的磨（mó）損係數.（5）能塗敷複雜的型麵（miàn），塗層薄膜極薄，不需加工，保證（zhèng）形位精度．

      物（wù）理（lǐ）氣相沉積存在有如下缺點：（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（hòu），增加（jiā）了工（gōng）藝的複雜性.（3）實施的（de）材料種類少．但整體來說，其不需加工（gōng）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，該工藝在閥門密封麵（miàn）的處理上也具有（yǒu）較好的應用前景．

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

      考慮到閥門大多數情況在（zài）幹摩擦狀態工作,陶瓷材料的熱傳導性（xìng）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（hòu）選材料之一．主要表現在：（1）Cr2O3 在整個溫度範圍內不發生相變，因而不（bú）會因相變而發生體積收縮或膨脹，從而減小了應力產生的機會，使塗層相對不易（yì）脫落（. 2）Cr2O3塗層的熱膨脹係數較Al2O3 和ZrO2 等大，與其（qí）他陶瓷材料相比（bǐ），Cr2O3 與鋼鐵最接近.（3）Cr2O3與Al2O3 和ZrO2 等材料相（xiàng）比，熔（róng）點較高，具有較強的（de）抗熔著磨損的能力（lì）.（4）Cr2O3 塗層密（mì）度大、硬度高揚氏模量等方麵都比其他材料好．

      通過（guò）分析閥門的工作狀況，由摩擦學（xué）知識可知，閥門在許多情（qíng）況下都表現為幹摩擦，在這種情況下，磨損率在很大程（chéng）度上取（qǔ）決於配合表麵的粘著傾向和粘著程度．粘著本質上是一種（zhǒng）在微小接觸麵積上發生的固（gù）相（xiàng）焊接，接觸麵積（jī）越大，粘著傾向越強烈，為了提高（gāo）閥門的使用（yòng）壽命或延長閥門的更換期，必須進一步改善摩擦副的摩擦學性能．為此，可以從兩方麵入（rù）手：一方麵，提（tí）高塗層材（cái）料的熔點（diǎn）、導熱率，這使得熱量被（bèi）吸收，從而不致發生熔著（zhe）磨損；另（lìng）一方麵（miàn）想辦法使輸入摩擦（cā）係統的能量能夠被彈性變形、塑性變形或相變吸收，使得（dé）裂（liè）紋不易形成，從而提高抗磨能力5~7 ．

      閥門密封麵的磨（mó）擦形式主要表現（xiàn）為磨（mó）粒（lì）磨損（sǔn）和粘著磨損（sǔn）. 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（kàng）磨粒磨損（sǔn），改善粘著摩損可采用在閥門的配合密（mì）封表麵改變材料化學特性的方法．在（zài）閥門密封麵上噴塗陶瓷塗層具有下列功效（xiào）：（1）減少密封麵粘著傾向，密封麵為（wéi）兩種不同性質的材料；（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（fá）門的種類繁多，結構形式多（duō）種多（duō）樣，不（bú）同結構形式需要合適（shì）的陶瓷塗層材料來強（qiáng）化，為了進一（yī）步提高塗層的摩擦學性能，可以從以下幾個方麵考慮：（1）優化出高硬度、高熔點、高（gāo）密度的塗層材料（liào）；（2）通過一些增韌機製，改（gǎi）善陶瓷塗層的韌性，從而整體提高其摩擦學性能；（3）通過加入一些自潤滑材料在陶瓷材料中，使之能具（jù）有一定的（de）潤（rùn）滑效果，從而改善（shàn）密封麵的（de）摩擦學性能；（4）新型（xíng）複合沉積塗層技術、納米（mǐ）塗層技術、硬質薄膜技術的引入．

      2.4 幾種閥門密封麵強化工藝應（yīng）用實例

      ①號試樣：以45 鋼（gāng）為基體材料，塗層（céng）材料為Cr2O3 的某閥門閥芯（xīn）采用等離子噴塗（tú）工藝後塗層性能為結合強度達（dá）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（yóu）納米厚度的氮（dàn）化碳塗層和過渡（dù）金屬氮化物層交替疊加組成多層複合膜．其塗層性（xìng）質表麵顯微硬度（dù）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（cháng）溫條件下）．

      ③號試樣（yàng）：2Crl3 為材料製成（chéng）的閥（fá）芯，表麵硬度HRC52，表麵粗糙（cāo）度為Ra = 1.6 m．2Crl3是製造閥門芯的常用材料（liào）之一．

      ①、②、③號（hào）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（gòng）碳粉管道上控製碳粉供給，使用結果（guǒ）表明②號閥門的更換率是③號閥門的60％；①號閥門更換（huàn）率是③號閥（fá）門的70％．也（yě）就是在三種閥門中②閥門（mén）的壽命最長（zhǎng），但目（mù）前製造費用相對高（gāo）一些（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，在不久的將來（lái）兩種閥門製造總（zǒng）體費用將（jiāng）下降很多．

      總之，通過對閥門工況分析，並結合（hé）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（yì）等因素綜合要求必須大幅提（tí）高（gāo）閥門的密封麵摩擦學性能；（2）等離子噴塗工藝和物理氣相沉積工藝是提高閥門（mén）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料之一；（4）為（wéi）了提高閥門的使用壽命或延長閥門的更換期，必須從閥門結構（gòu）加以改進，使之能適應陶瓷塗層強化閥（fá）門（mén）密封麵的（de）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的前景．