離心-SHS陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管性能的研究

離心-SHS陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管性能的研究

黃鋒 ， 問朋朋 ， 何彥虎

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院　機(jī)電工程分院, 浙江　湖州　313000)

摘要：針對(duì)Al-Fe2O3燃燒體系，選取納米SiO2、Na2B4O7為添加劑，采用離心自蔓延高溫合成技術(shù)制備出陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管。在Na2B4O7質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %的條件下，研究了納米SiO2對(duì)陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管致密度以及耐腐蝕性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)納米SiO2添加量為6 %時(shí)，復(fù)合鋼管陶瓷層致密度最好，當(dāng)納米SiO2添加量為4 %時(shí)，耐腐蝕性最好。

關(guān)鍵詞：離心-SHS；復(fù)合鋼管；致密度；耐腐蝕

收稿日期：2014-09-15

基金項(xiàng)目：浙江省教育廳2014年度科研項(xiàng)目“添加劑對(duì)自蔓延高溫合成陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管性能的影響(Y201432155)”。

作者簡(jiǎn)介：黃鋒(1988-)，男，江蘇南通人，助教，碩士，主要從事新材料制備工藝技術(shù)研究；問朋朋(1985-)，男，河南漯河人，助教，碩士，主要從事新能源技術(shù)研究；何彥虎(1972-)，男，山東德州人，副教授，碩士，主要從事自動(dòng)控制技術(shù)研究。

中圖分類號(hào)：TQ174.75+8.2

Study on Properties of Ceramic-lined Steel Pipes Prepared by Centrifugal

HUANGFeng , WEN Peng-Peng , HE Yan-Hu

(Faculty of Electromechanical Engineering，Huzhou Vocational and Technological College，Huzhou313000,China)

Abstract:Ceramic-lined steel pipes were prepared by adding nano-SiO2, Na2B4O7 additives into (Al-Fe2O3) combustion system on the basic of using centrifugal-SHS. The effect of nano-SiO2 on the density and corrosion-resistance of ceramic-lined steel pipes was studied with the condition of adding 4 % Na2B4O7. The results show that the best density of steel pipes is got by adding 6 % SiO2 and the best corrosion-resistance is got by adding 4 % SiO2.

Key words:centrifugal-SHS; steel pipe; density; corrosion-resistance

20世紀(jì)70年代誕生了自蔓延高溫合成技術(shù)(Self-propagating High-temperature Synthesis, SHS)，它具有能量消耗小、合成時(shí)間短、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。人們將SHS技術(shù)與離心鑄造技術(shù)相結(jié)合成功制備出陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管，經(jīng)實(shí)踐證明，制備出的復(fù)合鋼管能夠滿足工業(yè)應(yīng)用的需求[4-5]。為了提高復(fù)合鋼管的使用壽命，其致密度及耐腐蝕性一直是研究重點(diǎn)之一[6-8]。李冬黎[9]、王建江[10]等選取SiO2為添加劑，分別研究了其對(duì)復(fù)合鋼管陶瓷層致密度及耐腐蝕性的影響，結(jié)果表明，陶瓷層致密度及耐腐蝕性得到一定的提高。為了進(jìn)一步提高陶瓷層致密度及耐腐蝕性，本文將鋁熱劑的粒度拓展到納米級(jí)，并研究了納米SiO2對(duì)復(fù)合鋼管陶瓷層致密度和耐腐蝕性的影響。

1　實(shí)驗(yàn)材料、配方及過程

1.1實(shí)驗(yàn)材料及配方

實(shí)驗(yàn)所用鋼管為20號(hào)鋼，鋼管長(zhǎng)度150 mm，內(nèi)徑65 mm，壁厚10 mm。鋁熱劑：Al粉， w(Al)99 %，200目；Al粉，w(Al)99.9%，70 nm；Fe2O3粉，w(Fe2O3)99.5 %，50 nm。添加劑：SiO2，w(SiO2)99.9 %，40 nm；Na2B4O7，w(Na2B4O7)97 %。

離心-自蔓延高溫合成技術(shù)基于以下鋁熱反應(yīng)實(shí)現(xiàn)：

Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3+836 KJ/mol

(1)

通常情況下氧化鐵與鋁粉的質(zhì)量比為3∶1，為了彌補(bǔ)自蔓延反應(yīng)中鋁的損失，將氧化鐵和鋁粉的質(zhì)量比調(diào)整為2.9∶1，反應(yīng)配方如表1所示。

表1　反應(yīng)物料配方

1.2實(shí)驗(yàn)過程

使用876-1A型真空干燥箱對(duì)氧化鐵粉進(jìn)行烘干處理，用電子天平分別稱量反應(yīng)物料，將稱量好的反應(yīng)物料按表1編號(hào)充分混合后填充到經(jīng)酸性除銹、堿性除油后的鋼管內(nèi)，在鋼管兩端安置擋圈并固定端蓋。將上述鋼管安置到離心機(jī)上，待離心機(jī)轉(zhuǎn)到一定的速度(1400 r/min)時(shí)，此時(shí)反應(yīng)物料將均勻的分布在鋼管內(nèi)壁上，采用氧-乙炔火焰從鋼管一端點(diǎn)火，鋼管一端呈現(xiàn)紅光并沿內(nèi)壁蔓延開去，自蔓延反應(yīng)瞬間完成，待鋼管在室溫下自然冷卻后，生成了陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管。沿復(fù)合鋼管徑向切割成4塊，并選擇其中一塊切割成小試樣，打磨、拋光后使用BX12金相圖像分析儀觀察復(fù)合鋼管各層結(jié)合狀況，利用阿基米德原理測(cè)量其致密度，復(fù)合鋼管的耐腐蝕性可以通過對(duì)其在10 %硫酸溶液中經(jīng)室溫放置4 d后的試樣利用腐蝕失重法測(cè)定。腐蝕過程中試樣的上部與底部用石臘浸封，按式(2)計(jì)算腐蝕率。

(2)

式中：ΔW為腐蝕前后試樣的質(zhì)量差，g；Dp為復(fù)合鋼管內(nèi)徑，mm；H為腐蝕介質(zhì)高度，mm；t為腐蝕時(shí)間，

(2)

式中：ΔW為腐蝕前后試樣的質(zhì)量差，g；Dp為復(fù)合鋼管內(nèi)徑，mm；H為腐蝕介質(zhì)高度，mm；t為腐蝕時(shí)間，h。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1復(fù)合鋼管各層結(jié)合狀況

鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生高溫，使反應(yīng)生成物Fe、Al2O3處于熔融狀態(tài)，在離心力作用下產(chǎn)生分離，比重較大的Fe沿鋼管內(nèi)壁形成過渡層，比重小的Al2O3沿過渡層內(nèi)表面形成陶瓷層，通過肉眼觀察到從內(nèi)到外依次為陶瓷層-過渡層-鋼管基體(如圖1所示)。鋼管基體與過渡層結(jié)合界面顯微結(jié)構(gòu)如圖2所示，上層為鋼管基體，下層為過渡層，可以看出，過渡層與鋼管基體結(jié)合完好，呈現(xiàn)冶金結(jié)合(指兩件金屬的界面間原子相互擴(kuò)散而形成的結(jié)合，這種結(jié)合或者是連接狀態(tài)，或者是在溫度或壓力的作用下形成的)。圖3為陶瓷層與過渡層結(jié)合界面顯微結(jié)構(gòu)，上層灰色塊狀物為Al2O3，陶瓷層中部分亮白色顆粒為金屬顆粒，形成原因?yàn)殡x心力較小，生成熔融物分離不徹底。下層為過渡層，可以看出過渡層與陶瓷層之間連接不規(guī)則，存在一些微小的裂縫，其與陶瓷層呈現(xiàn)機(jī)械結(jié)合。

圖1　復(fù)合鋼管宏觀圖

圖2　過渡層-鋼管基體界面結(jié)構(gòu)　　　　　　　　　　　　　圖3　陶瓷層-過渡層界面結(jié)構(gòu)

2.2復(fù)合鋼管陶瓷層致密度與耐腐蝕性

圖4為陶瓷層致密度隨添加劑納米SiO2加入量的變化曲線，當(dāng)納米SiO2的加入量為6 %時(shí)，陶瓷層的致密度達(dá)到最大值95 %。從圖中可以看出，陶瓷層致密度隨著納米SiO2加入量的增加呈先上升后下降的變化，可見納米SiO2的加入對(duì)陶瓷層致密度有雙重影響。其有利方面表現(xiàn)為：當(dāng)納米SiO2加入后，可以降低鋁熱反應(yīng)的溫度，從而降低反應(yīng)的劇烈性，有利于自蔓延反應(yīng)更好的進(jìn)行，起到稀釋劑的作用；同時(shí)由于反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，增加了氣體溢出的時(shí)間，從而降低了陶瓷層中孔隙，致密度得到提高。其不利方面體現(xiàn)在：當(dāng)納米SiO2加入量過多時(shí)，會(huì)增加Al2O3熔體的動(dòng)力粘度，抑制了初晶相Al2O3析出前的排氣過程，阻礙了陶瓷層的致密化過程。

圖5為陶瓷層腐蝕率隨納米SiO2添加量的變化曲線，可以看出，當(dāng)納米SiO2的加入量為4% 時(shí)，腐蝕失重率最低，陶瓷層耐腐蝕性最好；當(dāng)添加劑含量進(jìn)一步增加時(shí)，耐腐蝕性下降。陶瓷層的致密度在一定程度上影響著其耐腐蝕性，當(dāng)納米SiO2添加量為2 %-4 %時(shí)，陶瓷層致密度呈上升趨勢(shì)，在此范圍內(nèi)，陶瓷層孔隙率降低，表面質(zhì)量得到提高，耐腐蝕性逐漸提高。

圖4　納米SiO 2對(duì)致密度的影響　　　　　　　　　　　　　　圖5　納米SiO 2對(duì)腐蝕失重率的影響

3　結(jié)　論

(1)選取納米SiO2為添加劑可以制備出陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管，從內(nèi)到外依次為陶瓷層-過渡層-鋼管基體，鋼管基體與過渡層呈冶金結(jié)合，而陶瓷層與過渡層呈機(jī)械結(jié)合。

(2)添加適量的納米級(jí)SiO2粉末可以提高陶瓷層致密度與耐腐蝕性，當(dāng)納米SiO2添加量為6 %時(shí)，復(fù)合鋼管陶瓷層致密度最好，達(dá)到95 %；當(dāng)納米SiO2添加量為4 %時(shí)，耐腐蝕性最好，腐蝕失重率為0.48 g·m-2·h-1，但添加量過多時(shí)性能反而降低。

參考文獻(xiàn)：

[1] Moore J J, Feng H J.Combustion synthesis of advanced materials: part Ⅰ: reaction parameters[J].Progress in Materials Science,1995,39:243-273.

[2] Fu Z Y,Wang H,Wang W M,et al.Composites fabricated by self-propagating high-temperature synthesis[J].Materials Processing Technology,2003,137:30-34.

[3] Odawara O.Long ceramic-lined pipes produced by a centrifugal-thermit process[J].American Ceramic Society,1990,73(3):629-633.

[4] 李俊壽,尹玉軍,馬玉峰.SHS陶瓷襯管技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào),2005,19(8):72-75.

[5] 王建江,趙忠民,張龍,等.制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管SHS離心機(jī)[J].粉末冶金技術(shù),1997,15(4):269-273.

[6] 張磊.SHS制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管中多孔層抑制措施[J].特種鑄造及有色合金,2007,27(9):725-727.

[7] 楊友,趙洪運(yùn),吳化,等.SHS-離心法陶瓷襯管致密性的提高[J].焊接學(xué)報(bào),2003,24(2):75-78.

[8] 夏天東,李冬黎,趙文軍,等.CrO3對(duì)陶瓷復(fù)合鋼管致密化及力學(xué)性能的影響[J].熱加工工藝，2000(2):30-32.

[9] 李冬黎,何湘寧.SiO2對(duì)陶瓷復(fù)合鋼管孔隙度和力學(xué)性能的影響[J].機(jī)械工程材料,2001,25(3):32-34.

[10] 王建江,趙忠民,葉明惠,等.SHS陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管的耐蝕性研究[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2000,12(4):203-206.