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      球閥廣泛地應(yīng)用于各種流體輸送和化工工藝系統(tǒng)，在役閥門泄漏是企業(yè)生產(chǎn)的重大安全隱患，易造成突發(fā)的惡性事故。金屬硬密封球閥能適用于高溫、高壓工況及料漿、顆粒介質(zhì)等易磨損工況，具有流動(dòng)阻力小，啟閉迅速，使用壓力、溫度范圍廣等特點(diǎn)。但是，當(dāng)流體介質(zhì)為液固或氣固混合物料且固體顆粒硬度又很高時(shí)，球閥球體和閥座密封面的耐磨性能要求較高，特別是氣固混合介質(zhì)引起的球體與閥座間的干摩擦，極易造成密封面的過度磨損或劃傷而*終導(dǎo)致失效。某石化公司重整催化劑再生系統(tǒng)采用美國某公司的高溫球閥，其壽命短則幾天長則不到一個(gè)月。但如此頻繁地更換或維修，不僅給企業(yè)生產(chǎn)造成了重大安全隱患，且增加了生產(chǎn)成本和維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，每年因閥門頻繁失效，造成停工、檢修所帶來的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百萬元。為此，本文對(duì)已失效球閥的閥芯球體和閥座進(jìn)行表面處理，并對(duì)其高溫耐磨損綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
        1 高溫球閥失效原因及閥芯閥座表面處理方案
        1.1 高溫球閥失效原因
        由球閥的化學(xué)成分、硬度、金相組織和密封面微觀形貌分析可知，該球閥為典型的劃傷性磨料磨損失效]。失效的主要原因是少量待生催化劑粉末（主要成分為Al）在球閥啟閉過程中進(jìn)入了密封接觸面，由于Al的硬度遠(yuǎn)較球閥密封表面的硬度高，使球閥在頻繁的啟閉過程中產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的劃傷（如圖1所示），從而導(dǎo)致球閥泄漏失效。

        1.2 閥芯閥座表面處理方案
        綜合考慮球閥的服役狀況和失效原因，對(duì)閥芯球體采用等離子噴涂技術(shù)、閥座采用電刷鍍技術(shù)進(jìn)行表面處理，以提高球閥整體的耐磨性。
        1.2.1 閥芯涂層試樣制備
        試驗(yàn)采用閥芯球體材料40Cr13馬氏體不銹鋼作為噴涂基體材料，試樣尺寸為Φ60mm*15mm；其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：0.38C，0.62Si，0.80Mn，0.050P，0.030S，1.287Cr。經(jīng)檢測，閥芯球體已經(jīng)過淬火+低溫回火處理，其組織為回火馬氏體。
        等離子噴涂喂料分別為納米Al2O3-13% TiO2、WC-12%Co、Mo合金和Cr2O3粉末，其粉末粒度為50~500nm，采用美國Sulzer Metco大氣等離子噴涂系統(tǒng)及F42MB型噴槍制備涂層，噴涂工藝參數(shù)見表1所示。4種涂層的厚度均約為50m。

        1.2.2 閥座鍍層試樣制備
        試驗(yàn)采用閥座材料鎳基合金CY5SnBMi（ASME標(biāo)準(zhǔn)材料）作為基體材料，試樣尺寸為Φ4.8mm*12.7mm；其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：74Ni，12Cr，2.82Sn，2.68Bi，1.10Mn，0.72S。
        在試樣表面分別制備涂層厚度約為100m高速Ni鍍層和NWi鍍層，工藝流程為：鍍前表面處理電凈處理去離子水沖洗2號(hào)活化液活化去離子水沖洗3號(hào)活化液活化去離子水沖洗無電擦拭鍍層打底無電擦拭鍍工作層鍍后處理。各步驟處理后的工作表面對(duì)水潤良好、無干斑和無掛水珠現(xiàn)象。施鍍時(shí)間為30min，工作電壓為14V。

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        2 閥芯閥座表面處理后的性能評(píng)價(jià)
        2.1 耐磨損性能
        采用MMW1型銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)表面處理前后的閥芯、閥座材料進(jìn)行耐磨損性能試驗(yàn)。根據(jù)ASTMG992004銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，上試樣為電刷鍍處理前后的閥座基體材料試樣銷（Φ5mm*12.7mm），下試樣為等離子噴涂處理前后的閥芯材料試樣盤（Φ60mm*15mm），試驗(yàn)在干燥、無振動(dòng)、無腐蝕性氣體和無粉塵的環(huán)境中進(jìn)行。試驗(yàn)溫度為室溫，載荷20N，滑動(dòng)速度190r/min（線速度為4.6m/s）。在試驗(yàn)前后，將試樣放入盛有丙酮溶液的燒杯中，在超聲波清洗儀中清洗3~5min，干燥后用精度為0.1mg的賽多利斯BS224S電子天平稱量銷試樣磨損前后的質(zhì)量損失；用精度為2m的AFLI型接觸與非接觸式表面輪廓測量儀測量盤試樣磨損表面凹坑寬度和深度，通過計(jì)算得到銷和盤的磨損體積損失。選用穩(wěn)定階段的平均摩擦系數(shù)作為試驗(yàn)結(jié)果，所有摩擦系數(shù)和磨損量均取3次試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值，并在此條件下測量試樣的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)。

        圖2所示為不同試樣配對(duì)的穩(wěn)態(tài)磨損率。由圖2可以看出，Al2O3TiO2涂層與Ni和NWi鍍層組成的兩個(gè)配對(duì)具有較好的耐磨性，其中Al2O3-TiO2涂層與NWi鍍層配對(duì)耐磨性更佳，未處理試樣的耐磨性較差，其磨損率約為Al2O3-TiO2涂層與NWi鍍層配對(duì)的25倍。圖3所示為不同試樣的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，未經(jīng)處理試樣的摩擦系數(shù)較大，在磨損2min時(shí)摩擦系數(shù)*高達(dá)到0.72，為WC-Co涂層與NWi鍍層配對(duì)的2.67倍。WC-Co涂層與NWi鍍層配對(duì)、Al2O3-TiO2涂層與NWi鍍層配對(duì)在磨合初期的摩擦系數(shù)比Mo涂層與Ni鍍層配對(duì)的摩擦系數(shù)高，但隨著時(shí)間增加，其摩擦系數(shù)比Mo涂層與Ni鍍層配對(duì)復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)低。磨合期過后，WC-Co涂層與NWi鍍層配對(duì)、Al2O3-TiO2涂層與NWi鍍層配對(duì)的分子引力相對(duì)較小，摩擦系數(shù)較小。在低速輕載干摩擦條件下其磨損機(jī)理主要為粘著磨損，特別是在同種材料作為摩擦副的條件下。經(jīng)過納米Al2O3、TiO2增強(qiáng)的復(fù)合涂層首先以固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和細(xì)化涂層晶粒等強(qiáng)化方式提高涂層的整體強(qiáng)度，從而提高了裂紋形成的臨界應(yīng)力。同時(shí)，彌散分布的納米Al2O3質(zhì)點(diǎn)可以有效防止裂紋擴(kuò)展，使得形成磨屑的時(shí)間延長。納米質(zhì)點(diǎn)與基體的結(jié)合力較好，在摩擦過程中不易從基體中剝落。另一方面，納米Al2O3復(fù)合涂層摩擦系數(shù)較低與其摩擦表面的晶粒大小有關(guān)，Al2O3增強(qiáng)復(fù)合涂層表面光滑且晶粒細(xì)小，因而摩擦系數(shù)較小，相同載荷的摩擦表面切應(yīng)力較小，使得產(chǎn)生裂紋的幾率減少，延緩了裂紋擴(kuò)展的速率，從而提高了材料的耐磨性能。

        2.2 閥芯涂層的綜合性能評(píng)價(jià)
        根據(jù)球閥實(shí)際工況應(yīng)用條件和涂層摩擦學(xué)評(píng)價(jià)方法，對(duì)等離子噴涂涂層的顯微硬度、與基體結(jié)合強(qiáng)度和涂層抗熱震性進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)。
        采用維氏顯微硬度計(jì)測量涂層試樣表面的維氏硬度，試樣經(jīng)打磨，拋光。根據(jù)***-4516-2002金屬涂層維氏與努氏硬度測量方法規(guī)定，總載荷砝碼200g，加載時(shí)間5s，保載時(shí)間10s，每個(gè)試樣連續(xù)測定5個(gè)點(diǎn)，取算術(shù)平均值。兩壓痕中心距離或任一壓痕中心距試樣邊緣的距離不小于3mm。
        根據(jù)ASTMC6332001熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用WE-50型液壓拉伸驗(yàn)機(jī)測定涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。本試驗(yàn)將表面有涂層的金屬試樣放入溫度達(dá)到800°C的馬弗爐中恒溫5min，然后取出試樣放置于冷卻水中冷卻待恢復(fù)到室溫時(shí)觀察涂層有無開裂、脫落，反復(fù)試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)次數(shù)大于100次涂層與基體尚結(jié)合完好，則認(rèn)為涂層質(zhì)量合格。同一涂層采用3個(gè)試樣。表2為各涂層試樣的性能測試結(jié)果。

        由表2可知，涂層的顯微硬度明顯高于基體的顯微硬度，其中Al2O3-TiO2涂層的顯微硬度*高，達(dá)到了1463 HV 0.2，而基體的顯微硬度僅有524 HV 0.2。由于表面沉積形成Al2O3、TiO2、WC和Co2O3等硬質(zhì)金屬間化合物，使得等離子涂層的表面硬度明顯高于基體。
        通過對(duì)Al2O3-TiO2、Cr2O3、Mo和WC涂層材料與基體結(jié)合強(qiáng)度的比較，發(fā)現(xiàn)Al2O3-TiO2的平均結(jié)合強(qiáng)度*高，達(dá)到了60.40MPa。涂層內(nèi)孔隙率以及涂層與基體的線膨脹系數(shù)是否匹配是影響涂層結(jié)合性的主要原因。由試驗(yàn)結(jié)果可知，Al2O3-TiO2金屬陶瓷涂層與閥芯球體的結(jié)合性能*好。
        由表2可知，Cr2O3與Al2O3-TiO2涂層的抗熱震性能*好，特別是Al2O3-TiO2涂層，3個(gè)涂層試樣經(jīng)過100次的冷熱循環(huán)后，均未發(fā)現(xiàn)與基體產(chǎn)生任何的剝離；Mo與WC涂層的抗熱震性能就遠(yuǎn)比前兩種涂層差。
        2.3 閥座鍍層的性能評(píng)價(jià)
        等離子噴涂涂層與基體結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合方式，主要靠分子力進(jìn)行結(jié)合；而電刷鍍的鍍層與基體的結(jié)合方式為化學(xué)鍵結(jié)合。因?yàn)閮煞N表面處理方式涂（鍍）層結(jié)合方式不同，所以在刷鍍過程中，只要刷鍍工藝符合要求，其結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震性能遠(yuǎn)比等離子噴涂涂層的性能好。制好后的球閥現(xiàn)場應(yīng)用情況也充分說明了這一點(diǎn)。
        3 結(jié)論
        1）表面處理后的閥芯、閥座組成的密封副（摩擦副）配對(duì)，具有優(yōu)異的耐磨損性能，隨著滑動(dòng)距離的增加，處理后的密封副磨損量增加緩慢，摩擦系數(shù)較表面處理前有所降低。
        2）閥芯涂層與基體相比具有較高的顯微硬度，由于Ti2O3在Al2O3-TiO2涂層中形成了致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其具有*佳的結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震性能。
        3）經(jīng)過對(duì)高溫球閥閥芯閥座表面處理后的綜合研究評(píng)價(jià)表明，由閥芯等離子噴涂Al2O3TiO2涂層、閥座電刷鍍NWi鍍層所組成的配對(duì)的綜合性能要優(yōu)于其它配對(duì)方案，可采用此配對(duì)方案對(duì)高溫球閥進(jìn)行再制造。經(jīng)過再造后球閥的實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用，此方案是真實(shí)可行的。