小口徑耐磨蝕復合鋼管的研制
摘要: 采用SHS 鋁熱O重力分離法制備陶瓷內襯復合鋼管, 研究了影響制備陶瓷內襯復合鋼管的因素。結果表明, 選擇壁厚均勻的母管, 采取適當的預熱溫度、適量的添加劑有利于制備陶瓷內襯復合鋼管。
隨著現代工業的高速發展, 管道運輸在工業中的地位越來越重要。然而, 管道運輸中的惡劣環境, 如磨損、腐蝕、熱沖擊等, 使得目前常用的金屬或非金屬管道材料在成本或性能上都無法滿足其要求[1 ] 。陶瓷材料雖具有良好的抗腐蝕、耐磨蝕、抗熱性能, 但由于韌性差, 阻礙了其在管道輸送中的大批量使用。高溫合成陶瓷內襯復合管的出現, 為解決這一問題,提供了一條嶄新的途徑。SHS 陶瓷復合鋼管具有工藝簡單、過程迅速、節約能源、性能良好等特點, 成為表面強化技術的一個重要領域。
制備陶瓷復合鋼管SHSO離心鋁熱法和SHSO重力分離法。前者由于方法本身和離心力的限制, 不能制備細管、彎管和變徑管。后者只需將裝有鋁熱劑的管材置于垂直靜止狀態, 借助鋁熱反應和Al2O3OFe 液相重力分離在燃燒過程中實現陶瓷涂覆。
1 試驗過程
試驗用管材為φ24mm×2.0mm×400mm、彎曲角度15°的1Cr18Ni9Ti不銹鋼管。試驗原料Al、Fe2O3、SiO2、CrO3粉,除CrO3粒度為-40～+80目以外,其余均為-100～+200目。
試驗依據鋁熱反應2Al+Fe2O3-Al2O3+2Fe+836kJ/mol,將粉末按一定比例配制后,裝入混料機中混合12h,取出放入烘干箱中烘干。然后以一定密度加壓充添于鋼管內,將鋼管垂直安裝到裝制上,點火引發反應。在高反應熱作用下,生成的氧化鋁由于密度小而位于熔池的上部,隨著液面的下降,涂覆在鋼管的內壁;金屬鐵由于密度大,自然下沉,在排出管外,冷卻后陶瓷內襯管制造完成。
2 試驗結果與討論
2.1 鋼管壁厚均勻性的影響SHS鋁熱O重力分離法制備陶瓷內襯復合鋼管,是通過在原料粉體的局部點火, 合成反應就從點火處自上而下的自發地傳播開去的層狀燃燒過程。根據陶瓷層結晶形態觀察陶瓷層中的熱流方向應是沿徑向由內向外的, 其凝固方向應是由外向內的, 陶瓷層的組織結構具有沿徑向的樹枝晶特征(見圖1) 。
試驗的陶瓷層主要由α-Al2O3、FeO·Al2O3、3Al2O3·2SiO2組成。由于SHS燃燒特點和鋼管外表面與周圍空氣介質的傳熱為強制對流[3],這樣鋼管壁厚的均勻性對制備陶瓷內襯復合鋼管就產生很大的影響。如果鋼管(母管)壁厚均勻規范,點火引發反應后,金屬鐵由于密度差異下沉,在反應系上部浮動的熔融陶瓷在與金屬管壁接觸的部分冷卻凝固而與金屬結合。隨著反應界面下降的同時,在金屬管壁內表面處就發生了陶瓷的連續涂覆。但如果選定的母管壁厚不均勻,就會使鋁熱反應產生的2726185℃(3000K)高溫在管壁單位面積上分布的熱量不均,尤其是母管在SHS點火反應后的開初4s內溫度急劇上升[2],變形抗力急劇下降,加之反應中產生的氣體壓力,使薄壁處就成為泄壓被擊穿的薄弱區域。一旦條件成熟就會導致熔體外泄,出現空洞。所以說母管壁厚的均勻性是順利制備陶瓷內襯復合鋼管的主要因素之一。
212 預熱的影響
SHS 鋁熱反應前對反應物料預熱一方面可以去除反應物料中的低熔點雜質和水份; 另一方面, 預熱可以提高整個反應體系的反應溫度。衡量實現SHS過程可能性的方法是計算反應的絕熱燃燒溫度和考察反應過程中的熱量變化, 只有絕熱燃燒溫度足夠高時, 才能保持廣泛的非均勻反應。研究[3 ]認為, 反應絕熱燃燒溫度隨預熱溫度升高而升高, 而且結晶后陶瓷層的質量與陶瓷熔體的粘度密切相關。陶瓷熔體高溫停留時間越長, 陶瓷熔體的粘度越小, 熔體中的氣體越容易逸出, 陶瓷層的相對密度越高。圖2 示出了預熱對陶瓷相對密度的影響。
由圖2 可見, 預熱溫度低于80 ℃, 陶瓷相對密度變化不明顯, 當預熱溫度超過80 ℃時, 陶瓷層的相對密度隨預熱溫度升高而增加。但預熱溫度超過170 ℃時, CrO3 會提前分解生成Cr2O3 和O2 ( 即4CrO3-2Cr2O3 + 3O2) 使反應體系的溫度降低, 熔體粘度增加, 陶瓷層相對密度下降。
3.3 添加劑的影響
為提高陶瓷層相對密度, 試驗中在物料中加入了SiO2 , 目的是降低陶瓷層的凝固點。減少陶瓷層液相時的粘滯度, 因而對提高陶瓷層質量有益。根據Al2O3OSiO2 相圖[4 ]可知, SiO2 (熔點1 713 ℃) 可以與Al2O3 (熔點2 050 ℃) 在1 545 ℃時發生包晶反應,形成低熔點的莫來石相3Al2O3 ·SiO2 。也就是高熔點的Al2O3 以枝晶形式從熔體中結晶出來, 形成陶瓷骨架, 低熔點液相則添充于骨架之中。在隨后的冷卻過程中, FeO·Al2O3 由于熔點較高先從剩余的液相中結晶, 結晶的是熔點較低的3Al2O3·2SiO2 。顯然正是低熔點的莫來石相改善了熔融陶瓷的流動性, 從而促進了陶瓷層的致密化。但SiO2 加入過多會降低反應溫度, 同時在顯微組織中出現塊狀硅化合物相, 使硬度和其它力學性能降低[1 ] 。在試驗中發現添加過量的SiO2 將降低熔體的溫度, 且過量的SiO2 易于在陶瓷中形成SiO4陰離子網絡, 使熔體粘度增加, 流動性變差, 陶瓷的相對密度下降[5 ] 。
為了使鋁熱O重力分離制備陶瓷內襯復合鋼管時體系易于點燃和增加該反應放熱量, 在鋁熱劑中還加入了CrO3 , 試驗證明CrO3 的加入不但使體系溫度增加、陶瓷相對密度提高; 而且可以促進SHS 燃燒過程, 激活原子擴散能力, 正確地減少陶瓷中的尖晶石含量而使陶瓷層的耐磨性增加。
4 結論
(1) 母管壁厚均勻的是順利實現SHS 鋁熱O重力分離法制備陶瓷內襯復合鋼管的關鍵條件之一。
(2) 適當預熱可以提高整個反應體系的反應溫度, 使陶瓷熔體高溫停留時間加長, 熔體粘度減小,陶瓷層相對密度提高, 在預熱溫度160 ℃時陶瓷相對密度達91%。