关于高温球阀阀芯阀座表面处理及其性能评价的分析

犹治合 李芳 何恩惠

1.奥工阀门有限公司 浙江温州 325000

2.五洲阀门股份有限公司 浙江温州 325000

金属硬密封球阀是一种由空心球体、左右阀体、阀杆、固定块、球阀支架和手动执行机构组成的截断类阀门，适用于高温、高压、易磨损等复杂工况条件，具有启闭速度快、流动阻力小、适用范围广等性能优势，被广泛应用于化工系统中的流体输送作业环节。

1 高温球阀失效原因与表面处理方法

1.1 失效原因分析

以某石化公司为例，该公司将高温球阀应用于重整催化剂再生系统中，但球阀的使用寿命始终不足30d，不仅导致生产成本较高，还因阀门频繁失效影响到正常生产进度，造成较为严重的经济损失[1]。对此选取该公司已失效的高温球阀作为研究对象，通过针对球阀金属材料的化学成分、硬度、金相组织与密封面微观形貌特征进行分析可以发现，该球阀属于典型的磨粒磨损失效，失效原因为在球阀启闭过程中有少量γ-Al 粉末进入球阀内部，在密封接触面上逐渐累积，由于γ-Al 的硬度大于密封面硬度，加之球阀在生产过程中需持续多次启闭，因此导致密封面出现严重划伤问题，致使球阀泄漏失效[2]。

1.2 阀芯、阀座表面处理方法

为解决球阀频繁失效问题、延长球阀的使用寿命，本文拟分别针对阀芯球体和阀座进行表面修复处理，致力于优化球阀整体性能。

在采用等离子喷涂技术进行阀芯球体表面处理时，选取规格为φ60mm×15mm 的40Cr13 马氏体不锈钢（化学成分包含C、Si、Mn、P、S、Cr）作为基体材料，经由淬火、低温回火完成阀芯处理，再选用纳米氧化铝、氧化钛、碳化钨、钴、钼合金与三氧化二铬作为等离子喷涂料，利用SulzerMetco9M 等离子喷涂设备与F4-MB 型喷枪完成4 种涂层的制备，其中制备氧化铝-氧化钛涂层、三氧化二铬涂层、钼涂层所需的电压值为78V、电流值为650A、氩气速率为36．7L·min-1、粉末速率为28g·min-1、氮气速率为13．3·min-1、喷涂距离为120mm，制备碳化钨-钴涂层所需的粉末速率为30g·min-1、氮气速率为17．7L·min-1，四种涂层的厚度均控制在50μm 左右。

在采用电刷镀修复技术进行阀座进行处理时，选用规格为φ4．8mm×12．7mm 的CY5SnBiM 镍基合金（化学成分包含Ni、Cr、Sn、Bi、Mn、Si）作为基体材料，先针对阀座表面进行电净处理，利用去离子水进行表面冲洗，再分别利用2 号活化液、3 号活化液进行活化处理并采用去离子水进行冲洗，待无电擦拭后完成镀层打底处理，以14V 的工作电压施镀30min，完成工作层的镀后处理，确保各工序环节处理后阀座表面均无干斑或挂水珠问题，并且将镀层厚度控制在100μm 左右，完成Ni 与NiW 镀层的制备。

2 阀芯、阀座性能的综合评价

2.1 耐磨损性能分析

选用MM-W1A 立式万能摩擦磨损试验机分别针对等离子喷涂处理后的阀芯球体表面与电刷镀修复处理后的阀座表面进行耐磨损试验，取规格为φ4．8mm×12．7mm 的阀座试样销与规格为φ60mm×15mm 的阀芯试样盘分别作为上、下试样，在标准试验环境下以室温、20N 载荷和190r/min 的滑动速度开展耐磨损试验。在试验前后分别将两种试样放入烧杯中，利用丙酮溶液进行浸泡，再置于超声波清洗仪中清洗5min，取出试样进行干燥处理，采用BS224S 电子天平（0．1mg）称量阀座试样销磨损前后的质量损失数值，采用表面轮廓测量仪测量阀芯试样盘表面凹坑的宽度、深度指标，并整合单位换算出两种试样的磨损体积损失，取3 次试验所得的平均摩擦系数、磨损量测试结果，完成试样稳态摩擦系数与稳态摩擦率的计算。

通过观察4 种涂层、2 种镀层的多种试样配对的稳态磨损率分析结果可知，氧化铝-氧化钛涂层与Ni、NiW 镀层这两组配对的耐磨性指标整体处于较好水平，尤其与NiW 镀层的配对效果更佳，并且同比未处理试样其磨损率降低2．5 倍左右。通过观察几种试样配对的滑动摩擦系数-时间变化曲线可知，碳化钨-铬涂层、NiW 镀层配对的摩擦系数为0．27 左右，同比未处理试样的摩擦系数降低约2．67 倍；而碳化钨-铬涂层与NiW 镀层、氧化铝-氧化钛涂层与NiW 镀层两组配对在试验初期的摩擦系数高于钼涂层与Ni 镀层配对，但伴随时间推移，其摩擦系数呈逐渐降低趋势，说明当渡过磨合期后两组配对间的分子引力逐渐减小。在低速、轻载、干摩擦条件下，球阀呈现出粘着磨损特征，借助复合涂层进行涂层强度的强化处理，能够有效提高裂纹形成时产生的临界应力，并且呈弥散分布状态的纳米氧化铝质点有助于延缓裂纹扩展，与基体实现有效结合，进一步改善球阀表面在摩擦过程中易被剥落的问题。与此同时，复合涂层表面的晶粒较为细小，相应使得摩擦系数减小，能够有效克服裂纹扩展问题，从而提高球阀的整体耐磨性能。

2.2 涂层与镀层性能比较

针对等离子喷涂涂层的性能进行分析，采用维氏显微硬度计以200g 砝码作为总载荷、加载5s、保载10s 对涂层试样连续测定5 个点，求取平均值，测得任一压痕中心与试样边缘的间距均控制在3mm 以内；再采用WE-50 型液压拉伸机针对涂层与基体结合强度进行测试，测得氧化铝-氧化钛涂层的结合强度为最高值60．4MPa，维氏硬度为1463HV0．2，抗热震性为100 次均无脱落，说明涂层的显微硬度和表面硬度均高于基体，并且氧化铝-氧化钛涂层与基体的结合性能与抗热震性能均最好。接下来针对电刷镀镀层的性能进行分析，镀层与基体以化学键形式结合，仅需在刷镀环节控制好刷镀工艺指标，即可保证镀层与基体的结合强度、抗热震性能均保持理想水平。

总体来看，通过针对表面处理后的阀芯球体和阀座分别进行耐磨损性能、显微硬度、结合强度与抗热震性能测试，试验结果表明处理后可有效改善球阀密封副的磨损问题，并且利用氧化铝-氧化钛涂层与NiW 镀层分别进行阀芯、阀座表面处理后，能够提升球阀的综合性能，具备实际应用价值。