氧化锆陶瓷球阀的材料性能分析

陈国顺，郑渊，陈素婷

（1.永嘉县泵阀科技创新服务中心，永嘉 325105 2.特技阀门集团有限公司，永嘉 325100）

1 前言

目前，我国化工产业废水处理工作的要求不断提升，黑水的科学处理被国家、社会提起了高度重视。在可持续发展的整体环境之中，大量腐蚀性物质、污染物质的处理已经成为化工行业发展的关键，氧化锆陶瓷材料的出现与应用为之后化工行业废水处理提供了更多的可能性。氧化锆陶瓷材料出现于19世纪七十年代，短时间内得到高速普及，被应用于多个行业，探索中由之前与其他金属材料相结合的生产形式逐渐发展，最终达成改进目标，生成陶瓷球阀。在实际使用中，化工企业以及其他废水污水处理企业发现，此材料稳定性极高，抗高温、腐蚀、耐磨损，是可持续应用的优质材料，也因此该材料再一次获得了普及。我国紧跟时代发展，在氧化锆陶瓷材料的生产中也跟随世界上其他国家成为氧化锆陶瓷材料生产的主力。

2 氧化锆陶瓷球阀的应用价值

陶瓷材料天然具有抗腐蚀的效果，主要被分为结构陶瓷材料、功能陶瓷材料。其中，结构陶瓷材料在机械中应用，抗腐蚀能力方面特点突出，而功能陶瓷材料则具备多功能性特征，包含热、电、力、磁等多种功能[1]。陶瓷球阀的结构材料种类多元，氧化锆只是其中的一种，有区域韧性强，可以接受较高的扭矩，所以得到普及应用。陶瓷球阀，主要形状为球体，形状包含半球形与全球形，不同球体形状使用的区域各有差异。半球形陶瓷球阀：应用场合为介质黏稠、容易固化、结垢以及大颗粒的场合，尤其是氧化钙、石灰混合物等[2]。

全球型陶瓷球阀应用场合：主要包含石油、蒸汽、泥浆、气体等介质的运输。全球型陶瓷球阀通孔形状主要分为两类，一类是O型球阀，在管道中以截断、改变介质流向为主；另一类则是V型球阀，在管理中心具有控制作用，选择不同的角度，液体流量得到规范，被控制在规定的范围之中，不同的通孔使用的场合也有所差异。陶瓷球阀配备有执行机构（电动型、气动性）与否，其主要被分为两类：控制型、非控制型。按照阀门的数目，其也可以被分成二通型、三通型以及四通型等多种类型。

3 实验设计

化工处理方面，煤化黑水中含有大量的氯离子，具有腐蚀性。本文研究内容主要围绕氧化锆抗腐蚀性能展开分析，研究技术应用盐雾腐蚀试验，研究标准以硬度值为主[3]。黑水介质中存在渣体沉淀，直径约为0.05mm，颗粒中的Si02、Fe203、A1203等的各项成分在运输中会与阀内件相互产生摩擦力，运输设备中阀内件也会在摩擦力作用中出现磨损。本文在硬度分析实验中采用的方法为磨损实验法，以检验材料真实的抗磨损性能。

4 盐雾腐蚀实验

4.1 实验方案及准备工作

本实验选择以分组实验展开，实验设备为盐雾腐蚀试验箱，标准按照国家规定标准（GB2423.17）中内容判断[4]。实验组别共计6组，每种材料实验样品18块，材料实验样品在经过处理（处理流程：打磨、抛光、用酒精清洗、晾干等，最后称重计算每组实验实验样品的平均重量数值）之后，可投入实验。

实验时间预计从第8个小时开启，为实验样品提供充分的反应时间，检测数据记录自8小时之后以倍数为标准逐步展开，检测数据序号在每一次提取之后逐步增大，实验时间持续到72小时后可停止，此时的检验数据以逐步趋于稳定，并无较大的持续实验价值。试验后实验样品腐蚀物需通过物理清除的方式展开，通过超声波清洗的形式检验腐蚀物质重量，清洗介质为无水酒精。

4.2 盐雾实验工作展开

本盐雾试验按照上述实验方案流程展开，在氧化锆陶瓷材料实验的同时另选了两种实验样品材料（F304、喷涂WC的F304），通过分组获取了实验材料清洗的质量得到数据，在使用盐雾速率评定法计算出不同材料实验样品的腐蚀速度。表1为实验样品清洗后腐蚀物的质量，表2为实验样品去除腐蚀物后的净重数据，表格数据单位：g。

表1 实验样品清洗后腐蚀物的质量表

表2 实验样品去除腐蚀物后的净重数据表

盐雾速率评定法公式：

本式中：K－腐蚀速度；m0－腐蚀前实验样品的质量；m1－腐蚀后实验样品的质量；s－腐蚀物取出后实验样品检测后的面积，t－实验样品在实验中的腐蚀时间。经分析后可知，上述三种实验样品的实验速度各不相同，氧化锆在受到氯离子的复试后，质量并未发生变化。但是，喷涂WC的F304钢材料与普通的F304钢材料均受到了一定的腐蚀，而普通的钢材料在没有涂层保护的情况下，腐蚀问题较为严重。在实验样品的观察中可知，腐蚀前后的实验样品各自呈现出了不同的撞他，氧化锆无反应，光泽度也并未受到影响。F304钢材料在8小时地反映出其就出现了变化，直到72小时，F304钢材料腐蚀面积不断放大，产生了较为严重的影响。喷涂的F304钢材料也是在72小时的时间出现了雾状腐蚀现象，且腐蚀孔洞问题也随之暴露。

本实验研究者在查阅材料后发现氧化锆的腐蚀毒较高，可长期投入使用，但是需避免与氢氟酸、玻璃溶液的接触。

4.3 硬度实验

本硬度实验在方案制定中选择将时间控制在15s，加以载荷=500g，硬度试验数据可通过硬度计数据显示。本实验分别对上述三种材料的硬度值检测，经对比发现，普通的F304钢材料硬度值最低，仅为295HV，但是喷涂WC之后的F304钢材料硬度值则呈大幅度上涨趋势，一度达到了1354HV，硬度更是超出未喷涂WC涂层钢材料359%，氧化锆在硬度上是前两种材料不可比拟的，硬度值达到了1498HV。

4.4 磨损试验

本实验主要研究目的为：选择合适的材料控制阀内渣体对设备材料的磨损问题，并检验氧化锆陶瓷材料是否具备使用价值。实验检验设备为白光干涉仪器、磨损试验机器。在使用白光干涉仪器中，实验者可以获得实验材料磨痕数据，并查看磨痕的形状、特点等，生成磨痕凹槽曲线。三种实验样品在与氮化硅陶瓷球体的相互摩擦作用力下，得到摩擦的参数，磨件规格为0.6cm，磨损试验中的参数数据如下表中内容所示。

表3 实验机磨损实验参数表

本研究通过对于实验样品多个部分的磨痕分析发现，磨痕主要集中于两面（a、b），磨损表面的分析可从此中的两个方面展开。在a部分磨损区域下，磨痕形状为，中间直口槽型，形状外的实验样品磨损区域较小且不明显，拍摄一起为白光干涉仪器；b部分的磨痕则为直槽口凹坑曲线，由于作用力材料为球体形状，直槽口中间部分较深。所选择使用的操控邠由A-B方向产生磨痕，x轴的值代表了磨痕的长度情况，z轴则可代表磨痕的深度情况。

经实验表明氧化锆材料磨损度较低，肉眼无法分辨，深度值＜1φm。F304钢材料受磨损问题严重，磨痕宽度较宽，磨痕深度则稳定于15φm，喷涂WCF304不锈钢材料之后，不锈钢材料主要被控制在0.3mm，在反复的摩擦力作用下，钢材料涂层被刮掉，产生碎屑，再次进入相互作用的两个实验样品中间，磨痕车贡献出犁沟形状。三种实验样品对比分析后抗磨损度可得，氧化锆陶瓷＞喷涂WC的F304钢材料＞F304钢材料。表4中数据为实验样品的磨损体积情况，氧化锆在抗磨损度方面仍旧展现出了自身的突出性能，高稳定性使其得到大量普及。

表4 实验样品磨损体积

4.5 实验结论生成

本文通过在球阀球体材料的实验，找出了最具稳定性的材料氧化锆陶瓷，通过对比分析的形式排除了钢材料的使用价值。在化工产业的运输设备材料应用中，钢材料稳定性较差，不具备使用价值，在盐雾腐蚀实验、硬度测试、抗摩擦力实验中其均不适用，仍具有一定的基础壁垒。为保证运输质量，选择氧化锆陶瓷材料是目前最明智的选择。在上述实验分析中可知：

（1）在盐雾的腐蚀性实验中，氧化锆并无反应，F304钢材料与喷有WC涂层的F304钢材料均出现了不同程度的腐蚀现象。在硬度测试之中，氧化锆陶瓷硬度的数值为喷涂WC不锈钢材料的1.1倍，是普通F304钢材料的5倍。

（2）经磨损实验中的数据获取可知，氧化锆陶瓷磨痕的深度数值在肉眼状态下难以分辨，在灯光条件下得以展示，但磨痕数量极少。普通F304钢材料磨损为氧化锆材料的15倍，磨损机器严重。而喷涂WC不锈钢材料的磨损树脂则为氧化锆陶瓷材料的3倍，在无氧化锆材料的环境下，喷涂WC不锈钢材料具备使用价值，但是仍需以养护高陶瓷料为第一选择。因此，氧化锆套材料在各个方面均展示出了惊人的稳定性，为化工行业以及其他行业的发展以及运输成本的控制带来了较大的帮助。但是，本文在研究中并未对陶瓷材料的其他性能进行研究，其自身作为一种“脆性材料”在发生剧烈震动的过程中，出现碎裂的可能性较大，在烧结之中，需添加相关的稳定剂以保证其质量。之后氧化锆的发展及优化方向可拟定于氧化锆抗震能力的提升，在攻克氧化锆“脆性”的难关上投入注意力，发现除了Y203、MgO等稳定剂以外的其他优化材料，用以解决目前的陶瓷球阀震动、材料高热温度变化下（热震作用）等问题的处理，以控制温度阀的高热问题。

5 结论

综上所述，本文主要针对氧化锆陶瓷材料性能展开分析，针对该材料展开了三种实验，包含氧化锆陶瓷材料的盐雾腐蚀实验、硬度实验以及磨损试验，整理出相关数据后，证明氧化锆材料的使用价值，为之后相关单位氧化锆材料的应用提供建议。