關(guān)于高溫球閥閥芯閥座表面處理及其性能評價(jià)的分析

猶治合 李芳 何恩惠

1.奧工閥門有限公司 浙江溫州 325000

2.五洲閥門股份有限公司 浙江溫州 325000

金屬硬密封球閥是一種由空心球體、左右閥體、閥桿、固定塊、球閥支架和手動執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的截?cái)囝愰y門，適用于高溫、高壓、易磨損等復(fù)雜工況條件，具有啟閉速度快、流動阻力小、適用范圍廣等性能優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于化工系統(tǒng)中的流體輸送作業(yè)環(huán)節(jié)。

1 高溫球閥失效原因與表面處理方法

1.1 失效原因分析

以某石化公司為例，該公司將高溫球閥應(yīng)用于重整催化劑再生系統(tǒng)中，但球閥的使用壽命始終不足30d，不僅導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高，還因閥門頻繁失效影響到正常生產(chǎn)進(jìn)度，造成較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。對此選取該公司已失效的高溫球閥作為研究對象，通過針對球閥金屬材料的化學(xué)成分、硬度、金相組織與密封面微觀形貌特征進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該球閥屬于典型的磨粒磨損失效，失效原因?yàn)樵谇蜷y啟閉過程中有少量γ-Al 粉末進(jìn)入球閥內(nèi)部，在密封接觸面上逐漸累積，由于γ-Al 的硬度大于密封面硬度，加之球閥在生產(chǎn)過程中需持續(xù)多次啟閉，因此導(dǎo)致密封面出現(xiàn)嚴(yán)重劃傷問題，致使球閥泄漏失效[2]。

1.2 閥芯、閥座表面處理方法

為解決球閥頻繁失效問題、延長球閥的使用壽命，本文擬分別針對閥芯球體和閥座進(jìn)行表面修復(fù)處理，致力于優(yōu)化球閥整體性能。

在采用等離子噴涂技術(shù)進(jìn)行閥芯球體表面處理時(shí)，選取規(guī)格為φ60mm×15mm 的40Cr13 馬氏體不銹鋼（化學(xué)成分包含C、Si、Mn、P、S、Cr）作為基體材料，經(jīng)由淬火、低溫回火完成閥芯處理，再選用納米氧化鋁、氧化鈦、碳化鎢、鈷、鉬合金與三氧化二鉻作為等離子噴涂料，利用SulzerMetco9M 等離子噴涂設(shè)備與F4-MB 型噴槍完成4 種涂層的制備，其中制備氧化鋁-氧化鈦涂層、三氧化二鉻涂層、鉬涂層所需的電壓值為78V、電流值為650A、氬氣速率為36．7L·min-1、粉末速率為28g·min-1、氮?dú)馑俾蕿?3．3·min-1、噴涂距離為120mm，制備碳化鎢-鈷涂層所需的粉末速率為30g·min-1、氮?dú)馑俾蕿?7．7L·min-1，四種涂層的厚度均控制在50μm 左右。

在采用電刷鍍修復(fù)技術(shù)進(jìn)行閥座進(jìn)行處理時(shí)，選用規(guī)格為φ4．8mm×12．7mm 的CY5SnBiM 鎳基合金（化學(xué)成分包含Ni、Cr、Sn、Bi、Mn、Si）作為基體材料，先針對閥座表面進(jìn)行電凈處理，利用去離子水進(jìn)行表面沖洗，再分別利用2 號活化液、3 號活化液進(jìn)行活化處理并采用去離子水進(jìn)行沖洗，待無電擦拭后完成鍍層打底處理，以14V 的工作電壓施鍍30min，完成工作層的鍍后處理，確保各工序環(huán)節(jié)處理后閥座表面均無干斑或掛水珠問題，并且將鍍層厚度控制在100μm 左右，完成Ni 與NiW 鍍層的制備。

2 閥芯、閥座性能的綜合評價(jià)

2.1 耐磨損性能分析

選用MM-W1A 立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別針對等離子噴涂處理后的閥芯球體表面與電刷鍍修復(fù)處理后的閥座表面進(jìn)行耐磨損試驗(yàn)，取規(guī)格為φ4．8mm×12．7mm 的閥座試樣銷與規(guī)格為φ60mm×15mm 的閥芯試樣盤分別作為上、下試樣，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境下以室溫、20N 載荷和190r/min 的滑動速度開展耐磨損試驗(yàn)。在試驗(yàn)前后分別將兩種試樣放入燒杯中，利用丙酮溶液進(jìn)行浸泡，再置于超聲波清洗儀中清洗5min，取出試樣進(jìn)行干燥處理，采用BS224S 電子天平（0．1mg）稱量閥座試樣銷磨損前后的質(zhì)量損失數(shù)值，采用表面輪廓測量儀測量閥芯試樣盤表面凹坑的寬度、深度指標(biāo)，并整合單位換算出兩種試樣的磨損體積損失，取3 次試驗(yàn)所得的平均摩擦系數(shù)、磨損量測試結(jié)果，完成試樣穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)與穩(wěn)態(tài)摩擦率的計(jì)算。

通過觀察4 種涂層、2 種鍍層的多種試樣配對的穩(wěn)態(tài)磨損率分析結(jié)果可知，氧化鋁-氧化鈦涂層與Ni、NiW 鍍層這兩組配對的耐磨性指標(biāo)整體處于較好水平，尤其與NiW 鍍層的配對效果更佳，并且同比未處理試樣其磨損率降低2．5 倍左右。通過觀察幾種試樣配對的滑動摩擦系數(shù)-時(shí)間變化曲線可知，碳化鎢-鉻涂層、NiW 鍍層配對的摩擦系數(shù)為0．27 左右，同比未處理試樣的摩擦系數(shù)降低約2．67 倍；而碳化鎢-鉻涂層與NiW 鍍層、氧化鋁-氧化鈦涂層與NiW 鍍層兩組配對在試驗(yàn)初期的摩擦系數(shù)高于鉬涂層與Ni 鍍層配對，但伴隨時(shí)間推移，其摩擦系數(shù)呈逐漸降低趨勢，說明當(dāng)渡過磨合期后兩組配對間的分子引力逐漸減小。在低速、輕載、干摩擦條件下，球閥呈現(xiàn)出粘著磨損特征，借助復(fù)合涂層進(jìn)行涂層強(qiáng)度的強(qiáng)化處理，能夠有效提高裂紋形成時(shí)產(chǎn)生的臨界應(yīng)力，并且呈彌散分布狀態(tài)的納米氧化鋁質(zhì)點(diǎn)有助于延緩裂紋擴(kuò)展，與基體實(shí)現(xiàn)有效結(jié)合，進(jìn)一步改善球閥表面在摩擦過程中易被剝落的問題。與此同時(shí)，復(fù)合涂層表面的晶粒較為細(xì)小，相應(yīng)使得摩擦系數(shù)減小，能夠有效克服裂紋擴(kuò)展問題，從而提高球閥的整體耐磨性能。

2.2 涂層與鍍層性能比較

針對等離子噴涂涂層的性能進(jìn)行分析，采用維氏顯微硬度計(jì)以200g 砝碼作為總載荷、加載5s、保載10s 對涂層試樣連續(xù)測定5 個(gè)點(diǎn)，求取平均值，測得任一壓痕中心與試樣邊緣的間距均控制在3mm 以內(nèi)；再采用WE-50 型液壓拉伸機(jī)針對涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試，測得氧化鋁-氧化鈦涂層的結(jié)合強(qiáng)度為最高值60．4MPa，維氏硬度為1463HV0．2，抗熱震性為100 次均無脫落，說明涂層的顯微硬度和表面硬度均高于基體，并且氧化鋁-氧化鈦涂層與基體的結(jié)合性能與抗熱震性能均最好。接下來針對電刷鍍鍍層的性能進(jìn)行分析，鍍層與基體以化學(xué)鍵形式結(jié)合，僅需在刷鍍環(huán)節(jié)控制好刷鍍工藝指標(biāo)，即可保證鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、抗熱震性能均保持理想水平。

總體來看，通過針對表面處理后的閥芯球體和閥座分別進(jìn)行耐磨損性能、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度與抗熱震性能測試，試驗(yàn)結(jié)果表明處理后可有效改善球閥密封副的磨損問題，并且利用氧化鋁-氧化鈦涂層與NiW 鍍層分別進(jìn)行閥芯、閥座表面處理后，能夠提升球閥的綜合性能，具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。