小口徑耐磨蝕復(fù)合鋼管的研制
摘要: 采用SHS 鋁熱O重力分離法制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管, 研究了影響制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的因素。結(jié)果表明, 選擇壁厚均勻的母管, 采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度、適量的添加劑有利于制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展, 管道運(yùn)輸在工業(yè)中的地位越來越重要。然而, 管道運(yùn)輸中的惡劣環(huán)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(nèi)襯復(fù)合管的出現(xiàn), 為解決這一問題,提供了一條嶄新的途徑。SHS 陶瓷復(fù)合鋼管具有工藝簡(jiǎn)單、過程迅速、節(jié)約能源、性能良好等特點(diǎn), 成為表面強(qiáng)化技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域。
制備陶瓷復(fù)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(xì)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?fàn)顟B(tài), 借助鋁熱反應(yīng)和Al2O3OFe 液相重力分離在燃燒過程中實(shí)現(xiàn)陶瓷涂覆。
1 試驗(yàn)過程
試驗(yàn)用管材為φ24mm×2.0mm×400mm、彎曲角度15°的1Cr18Ni9Ti不銹鋼管。試驗(yàn)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(yàn)依據(jù)鋁熱反應(yīng)2Al+Fe2O3-Al2O3+2Fe+836kJ/mol,將粉末按一定比例配制后,裝入混料機(jī)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(nèi),將鋼管垂直安裝到裝制上,點(diǎn)火引發(fā)反應(yīng)。在高反應(yīng)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(nèi)壁;金屬鐵由于密度大,自然下沉,在排出管外,冷卻后陶瓷內(nèi)襯管制造完成。
2 試驗(yàn)結(jié)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(nèi)襯復(fù)合鋼管,是通過在原料粉體的局部點(diǎn)火, 合成反應(yīng)就從點(diǎn)火處自上而下的自發(fā)地傳播開去的層狀燃燒過程。根據(jù)陶瓷層結(jié)晶形態(tài)觀察陶瓷層中的熱流方向應(yīng)是沿徑向由內(nèi)向外的, 其凝固方向應(yīng)是由外向內(nèi)的, 陶瓷層的組織結(jié)構(gòu)具有沿徑向的樹枝晶特征(見圖1) 。
試驗(yàn)的陶瓷層主要由α-Al2O3、FeO·Al2O3、3Al2O3·2SiO2組成。由于SHS燃燒特點(diǎn)和鋼管外表面與周圍空氣介質(zhì)的傳熱為強(qiáng)制對(duì)流[3],這樣鋼管壁厚的均勻性對(duì)制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管就產(chǎn)生很大的影響。如果鋼管(母管)壁厚均勻規(guī)范,點(diǎn)火引發(fā)反應(yīng)后,金屬鐵由于密度差異下沉,在反應(yīng)系上部浮動(dòng)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(jié)合。隨著反應(yīng)界面下降的同時(shí),在金屬管壁內(nèi)表面處就發(fā)生了陶瓷的連續(xù)涂覆。但如果選定的母管壁厚不均勻,就會(huì)使鋁熱反應(yīng)產(chǎn)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(diǎn)火反應(yīng)后的開初4s內(nèi)溫度急劇上升[2],變形抗力急劇下降,加之反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體壓力,使薄壁處就成為泄壓被擊穿的薄弱區(qū)域。一旦條件成熟就會(huì)導(dǎo)致熔體外泄,出現(xiàn)空洞。所以說母管壁厚的均勻性是順利制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的主要因素之一。
212 預(yù)熱的影響
SHS 鋁熱反應(yīng)前對(duì)反應(yīng)物料預(yù)熱一方面可以去除反應(yīng)物料中的低熔點(diǎn)雜質(zhì)和水份; 另一方面, 預(yù)熱可以提高整個(gè)反應(yīng)體系的反應(yīng)溫度。衡量實(shí)現(xiàn)SHS過程可能性的方法是計(jì)算反應(yīng)的絕熱燃燒溫度和考察反應(yīng)過程中的熱量變化, 只有絕熱燃燒溫度足夠高時(shí), 才能保持廣泛的非均勻反應(yīng)。研究[3 ]認(rèn)為, 反應(yīng)絕熱燃燒溫度隨預(yù)熱溫度升高而升高, 而且結(jié)晶后陶瓷層的質(zhì)量與陶瓷熔體的粘度密切相關(guān)。陶瓷熔體高溫停留時(shí)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(duì)密度越高。圖2 示出了預(yù)熱對(duì)陶瓷相對(duì)密度的影響。
由圖2 可見, 預(yù)熱溫度低于80 ℃, 陶瓷相對(duì)密度變化不明顯, 當(dāng)預(yù)熱溫度超過80 ℃時(shí), 陶瓷層的相對(duì)密度隨預(yù)熱溫度升高而增加。但預(yù)熱溫度超過170 ℃時(shí), CrO3 會(huì)提前分解生成Cr2O3 和O2 ( 即4CrO3-2Cr2O3 + 3O2) 使反應(yīng)體系的溫度降低, 熔體粘度增加, 陶瓷層相對(duì)密度下降。
3.3 添加劑的影響
為提高陶瓷層相對(duì)密度, 試驗(yàn)中在物料中加入了SiO2 , 目的是降低陶瓷層的凝固點(diǎn)。減少陶瓷層液相時(shí)的粘滯度, 因而對(duì)提高陶瓷層質(zhì)量有益。根據(jù)Al2O3OSiO2 相圖[4 ]可知, SiO2 (熔點(diǎn)1 713 ℃) 可以與Al2O3 (熔點(diǎn)2 050 ℃) 在1 545 ℃時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng),形成低熔點(diǎn)的莫來石相3Al2O3 ·SiO2 。也就是高熔點(diǎn)的Al2O3 以枝晶形式從熔體中結(jié)晶出來, 形成陶瓷骨架, 低熔點(diǎn)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(diǎn)較高先從剩余的液相中結(jié)晶, 結(jié)晶的是熔點(diǎn)較低的3Al2O3·2SiO2 。顯然正是低熔點(diǎn)的莫來石相改善了熔融陶瓷的流動(dòng)性, 從而促進(jìn)了陶瓷層的致密化。但SiO2 加入過多會(huì)降低反應(yīng)溫度, 同時(shí)在顯微組織中出現(xiàn)塊狀硅化合物相, 使硬度和其它力學(xué)性能降低[1 ] 。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò), 使熔體粘度增加, 流動(dòng)性變差, 陶瓷的相對(duì)密度下降[5 ] 。
為了使鋁熱O重力分離制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管時(shí)體系易于點(diǎn)燃和增加該反應(yīng)放熱量, 在鋁熱劑中還加入了CrO3 , 試驗(yàn)證明CrO3 的加入不但使體系溫度增加、陶瓷相對(duì)密度提高; 而且可以促進(jìn)SHS 燃燒過程, 激活原子擴(kuò)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(jié)論
(1) 母管壁厚均勻的是順利實(shí)現(xiàn)SHS 鋁熱O重力分離法制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的關(guān)鍵條件之一。
(2) 適當(dāng)預(yù)熱可以提高整個(gè)反應(yīng)體系的反應(yīng)溫度, 使陶瓷熔體高溫停留時(shí)間加長, 熔體粘度減小,陶瓷層相對(duì)密度提高, 在預(yù)熱溫度160 ℃時(shí)陶瓷相對(duì)密度達(dá)91%。