關于高溫球閥閥芯閥座表面處理及其性能評價的分析

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)行機構(gòu)組成的截斷類閥門，適用于高溫、高壓、易磨損等復雜工況條件，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)進度，造成較為嚴重的經(jīng)濟損失[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成分、硬度、金相組織與密封面微觀形貌特征進行分析可以發(fā)現(xiàn)，該球閥屬于典型的磨粒磨損失效，失效原因為在球閥啟閉過程中有少量γ-Al 粉末進入球閥內(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，因此導致密封面出現(xiàn)嚴重劃傷問題，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行表面修復處理，致力于優(yōu)化球閥整體性能。

在采用等離子噴涂技術進行閥芯球體表面處理時，選取規(guī)格為φ60mm×15mm 的40Cr13 馬氏體不銹鋼（化學成分包含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、氮氣速率為13．3·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、氮氣速率為17．7L·min-1，四種涂層的厚度均控制在50μm 左右。

在采用電刷鍍修復技術進行閥座進行處理時，選用規(guī)格為φ4．8mm×12．7mm 的CY5SnBiM 鎳基合金（化學成分包含Ni、Cr、Sn、Bi、Mn、Si）作為基體材料，先針對閥座表面進行電凈處理，利用去離子水進行表面沖洗，再分別利用2 號活化液、3 號活化液進行活化處理并采用去離子水進行沖洗，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

2.1 耐磨損性能分析

選用MM-W1A 立式萬能摩擦磨損試驗機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處理后的閥座表面進行耐磨損試驗，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，在標準試驗環(huán)境下以室溫、20N 載荷和190r/min 的滑動速度開展耐磨損試驗。在試驗前后分別將兩種試樣放入燒杯中，利用丙酮溶液進行浸泡，再置于超聲波清洗儀中清洗5min，取出試樣進行干燥處理，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，并整合單位換算出兩種試樣的磨損體積損失，取3 次試驗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初期的摩擦系數(shù)高于鉬涂層與Ni 鍍層配對，但伴隨時間推移，其摩擦系數(shù)呈逐漸降低趨勢，說明當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，借助復合涂層進行涂層強度的強化處理，能夠有效提高裂紋形成時產(chǎn)生的臨界應力，并且呈彌散分布狀態(tài)的納米氧化鋁質(zhì)點有助于延緩裂紋擴展，與基體實現(xiàn)有效結(jié)合，進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，復合涂層表面的晶粒較為細小，相應使得摩擦系數(shù)減小，能夠有效克服裂紋擴展問題，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行分析，采用維氏顯微硬度計以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 個點，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 型液壓拉伸機針對涂層與基體結(jié)合強度進行測試，測得氧化鋁-氧化鈦涂層的結(jié)合強度為最高值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行分析，鍍層與基體以化學鍵形式結(jié)合，僅需在刷鍍環(huán)節(jié)控制好刷鍍工藝指標，即可保證鍍層與基體的結(jié)合強度、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行耐磨損性能、顯微硬度、結(jié)合強度與抗熱震性能測試，試驗結(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 鍍層分別進行閥芯、閥座表面處理后，能夠提升球閥的綜合性能，具備實際應用價值。