氧化鋯陶瓷球閥的材料性能分析

陳國順，鄭淵，陳素婷

（1.永嘉縣泵閥科技創新服務中心，永嘉 325105 2.特技閥門集團有限公司，永嘉 325100）

1 前言

目前，我國化工產業廢水處理工作的要求不斷提升，黑水的科學處理被國家、社會提起了高度重視。在可持續發展的整體環境之中，大量腐蝕性物質、污染物質的處理已經成為化工行業發展的關鍵，氧化鋯陶瓷材料的出現與應用為之后化工行業廢水處理提供了更多的可能性。氧化鋯陶瓷材料出現于19世紀七十年代，短時間內得到高速普及，被應用于多個行業，探索中由之前與其他金屬材料相結合的生產形式逐漸發展，最終達成改進目標，生成陶瓷球閥。在實際使用中，化工企業以及其他廢水污水處理企業發現，此材料穩定性極高，抗高溫、腐蝕、耐磨損，是可持續應用的優質材料，也因此該材料再一次獲得了普及。我國緊跟時代發展，在氧化鋯陶瓷材料的生產中也跟隨世界上其他國家成為氧化鋯陶瓷材料生產的主力。

2 氧化鋯陶瓷球閥的應用價值

陶瓷材料天然具有抗腐蝕的效果，主要被分為結構陶瓷材料、功能陶瓷材料。其中，結構陶瓷材料在機械中應用，抗腐蝕能力方面特點突出，而功能陶瓷材料則具備多功能性特征，包含熱、電、力、磁等多種功能[1]。陶瓷球閥的結構材料種類多元，氧化鋯只是其中的一種，有區域韌性強，可以接受較高的扭矩，所以得到普及應用。陶瓷球閥，主要形狀為球體，形狀包含半球形與全球形，不同球體形狀使用的區域各有差異。半球形陶瓷球閥：應用場合為介質黏稠、容易固化、結垢以及大顆粒的場合，尤其是氧化鈣、石灰混合物等[2]。

全球型陶瓷球閥應用場合：主要包含石油、蒸汽、泥漿、氣體等介質的運輸。全球型陶瓷球閥通孔形狀主要分為兩類，一類是O型球閥，在管道中以截斷、改變介質流向為主；另一類則是V型球閥，在管理中心具有控制作用，選擇不同的角度，液體流量得到規范，被控制在規定的范圍之中，不同的通孔使用的場合也有所差異。陶瓷球閥配備有執行機構（電動型、氣動性）與否，其主要被分為兩類：控制型、非控制型。按照閥門的數目，其也可以被分成二通型、三通型以及四通型等多種類型。

3 實驗設計

化工處理方面，煤化黑水中含有大量的氯離子，具有腐蝕性。本文研究內容主要圍繞氧化鋯抗腐蝕性能展開分析，研究技術應用鹽霧腐蝕試驗，研究標準以硬度值為主[3]。黑水介質中存在渣體沉淀，直徑約為0.05mm，顆粒中的Si02、Fe203、A1203等的各項成分在運輸中會與閥內件相互產生摩擦力，運輸設備中閥內件也會在摩擦力作用中出現磨損。本文在硬度分析實驗中采用的方法為磨損實驗法，以檢驗材料真實的抗磨損性能。

4 鹽霧腐蝕實驗

4.1 實驗方案及準備工作

本實驗選擇以分組實驗展開，實驗設備為鹽霧腐蝕試驗箱，標準按照國家規定標準（GB2423.17）中內容判斷[4]。實驗組別共計6組，每種材料實驗樣品18塊，材料實驗樣品在經過處理（處理流程：打磨、拋光、用酒精清洗、晾干等，最后稱重計算每組實驗實驗樣品的平均重量數值）之后，可投入實驗。

實驗時間預計從第8個小時開啟，為實驗樣品提供充分的反應時間，檢測數據記錄自8小時之后以倍數為標準逐步展開，檢測數據序號在每一次提取之后逐步增大，實驗時間持續到72小時后可停止，此時的檢驗數據以逐步趨于穩定，并無較大的持續實驗價值。試驗后實驗樣品腐蝕物需通過物理清除的方式展開，通過超聲波清洗的形式檢驗腐蝕物質重量，清洗介質為無水酒精。

4.2 鹽霧實驗工作展開

本鹽霧試驗按照上述實驗方案流程展開，在氧化鋯陶瓷材料實驗的同時另選了兩種實驗樣品材料（F304、噴涂WC的F304），通過分組獲取了實驗材料清洗的質量得到數據，在使用鹽霧速率評定法計算出不同材料實驗樣品的腐蝕速度。表1為實驗樣品清洗后腐蝕物的質量，表2為實驗樣品去除腐蝕物后的凈重數據，表格數據單位：g。

表1 實驗樣品清洗后腐蝕物的質量表

表2 實驗樣品去除腐蝕物后的凈重數據表

鹽霧速率評定法公式：

本式中：K－腐蝕速度；m0－腐蝕前實驗樣品的質量；m1－腐蝕后實驗樣品的質量；s－腐蝕物取出后實驗樣品檢測后的面積，t－實驗樣品在實驗中的腐蝕時間。經分析后可知，上述三種實驗樣品的實驗速度各不相同，氧化鋯在受到氯離子的復試后，質量并未發生變化。但是，噴涂WC的F304鋼材料與普通的F304鋼材料均受到了一定的腐蝕，而普通的鋼材料在沒有涂層保護的情況下，腐蝕問題較為嚴重。在實驗樣品的觀察中可知，腐蝕前后的實驗樣品各自呈現出了不同的撞他，氧化鋯無反應，光澤度也并未受到影響。F304鋼材料在8小時地反映出其就出現了變化，直到72小時，F304鋼材料腐蝕面積不斷放大，產生了較為嚴重的影響。噴涂的F304鋼材料也是在72小時的時間出現了霧狀腐蝕現象，且腐蝕孔洞問題也隨之暴露。

本實驗研究者在查閱材料后發現氧化鋯的腐蝕毒較高，可長期投入使用，但是需避免與氫氟酸、玻璃溶液的接觸。

4.3 硬度實驗

本硬度實驗在方案制定中選擇將時間控制在15s，加以載荷=500g，硬度試驗數據可通過硬度計數據顯示。本實驗分別對上述三種材料的硬度值檢測，經對比發現，普通的F304鋼材料硬度值最低，僅為295HV，但是噴涂WC之后的F304鋼材料硬度值則呈大幅度上漲趨勢，一度達到了1354HV，硬度更是超出未噴涂WC涂層鋼材料359%，氧化鋯在硬度上是前兩種材料不可比擬的，硬度值達到了1498HV。

4.4 磨損試驗

本實驗主要研究目的為：選擇合適的材料控制閥內渣體對設備材料的磨損問題，并檢驗氧化鋯陶瓷材料是否具備使用價值。實驗檢驗設備為白光干涉儀器、磨損試驗機器。在使用白光干涉儀器中，實驗者可以獲得實驗材料磨痕數據，并查看磨痕的形狀、特點等，生成磨痕凹槽曲線。三種實驗樣品在與氮化硅陶瓷球體的相互摩擦作用力下，得到摩擦的參數，磨件規格為0.6cm，磨損試驗中的參數數據如下表中內容所示。

表3 實驗機磨損實驗參數表

本研究通過對于實驗樣品多個部分的磨痕分析發現，磨痕主要集中于兩面（a、b），磨損表面的分析可從此中的兩個方面展開。在a部分磨損區域下，磨痕形狀為，中間直口槽型，形狀外的實驗樣品磨損區域較小且不明顯，拍攝一起為白光干涉儀器；b部分的磨痕則為直槽口凹坑曲線，由于作用力材料為球體形狀，直槽口中間部分較深。所選擇使用的操控邠由A-B方向產生磨痕，x軸的值代表了磨痕的長度情況，z軸則可代表磨痕的深度情況。

經實驗表明氧化鋯材料磨損度較低，肉眼無法分辨，深度值＜1φm。F304鋼材料受磨損問題嚴重，磨痕寬度較寬，磨痕深度則穩定于15φm，噴涂WCF304不銹鋼材料之后，不銹鋼材料主要被控制在0.3mm，在反復的摩擦力作用下，鋼材料涂層被刮掉，產生碎屑，再次進入相互作用的兩個實驗樣品中間，磨痕車貢獻出犁溝形狀。三種實驗樣品對比分析后抗磨損度可得，氧化鋯陶瓷＞噴涂WC的F304鋼材料＞F304鋼材料。表4中數據為實驗樣品的磨損體積情況，氧化鋯在抗磨損度方面仍舊展現出了自身的突出性能，高穩定性使其得到大量普及。

表4 實驗樣品磨損體積

4.5 實驗結論生成

本文通過在球閥球體材料的實驗，找出了最具穩定性的材料氧化鋯陶瓷，通過對比分析的形式排除了鋼材料的使用價值。在化工產業的運輸設備材料應用中，鋼材料穩定性較差，不具備使用價值，在鹽霧腐蝕實驗、硬度測試、抗摩擦力實驗中其均不適用，仍具有一定的基礎壁壘。為保證運輸質量，選擇氧化鋯陶瓷材料是目前最明智的選擇。在上述實驗分析中可知：

（1）在鹽霧的腐蝕性實驗中，氧化鋯并無反應，F304鋼材料與噴有WC涂層的F304鋼材料均出現了不同程度的腐蝕現象。在硬度測試之中，氧化鋯陶瓷硬度的數值為噴涂WC不銹鋼材料的1.1倍，是普通F304鋼材料的5倍。

（2）經磨損實驗中的數據獲取可知，氧化鋯陶瓷磨痕的深度數值在肉眼狀態下難以分辨，在燈光條件下得以展示，但磨痕數量極少。普通F304鋼材料磨損為氧化鋯材料的15倍，磨損機器嚴重。而噴涂WC不銹鋼材料的磨損樹脂則為氧化鋯陶瓷材料的3倍，在無氧化鋯材料的環境下，噴涂WC不銹鋼材料具備使用價值，但是仍需以養護高陶瓷料為第一選擇。因此，氧化鋯套材料在各個方面均展示出了驚人的穩定性，為化工行業以及其他行業的發展以及運輸成本的控制帶來了較大的幫助。但是，本文在研究中并未對陶瓷材料的其他性能進行研究，其自身作為一種“脆性材料”在發生劇烈震動的過程中，出現碎裂的可能性較大，在燒結之中，需添加相關的穩定劑以保證其質量。之后氧化鋯的發展及優化方向可擬定于氧化鋯抗震能力的提升，在攻克氧化鋯“脆性”的難關上投入注意力，發現除了Y203、MgO等穩定劑以外的其他優化材料，用以解決目前的陶瓷球閥震動、材料高熱溫度變化下（熱震作用）等問題的處理，以控制溫度閥的高熱問題。

5 結論

綜上所述，本文主要針對氧化鋯陶瓷材料性能展開分析，針對該材料展開了三種實驗，包含氧化鋯陶瓷材料的鹽霧腐蝕實驗、硬度實驗以及磨損試驗，整理出相關數據后，證明氧化鋯材料的使用價值，為之后相關單位氧化鋯材料的應用提供建議。