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(lái)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(wú)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(wèn)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(guò)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(guò)程中實(shí)現(xiàn)陶瓷涂覆。

1 　試驗(yàn)過(guò)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(guò)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(kāi)去的層狀燃燒過(guò)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(shù)枝晶特征(見(jiàn)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(kāi)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(shuō)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(guò)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(guò)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(zhǎng), 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(jiàn), 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(guò)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(guò)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(lái)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(lái), 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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)量的SiO2 將降低熔體的溫度, 且過(guò)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(guò)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(zhǎng), 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%。