离心-SHS陶瓷内衬复合钢管性能的研究

离心-SHS陶瓷内衬复合钢管性能的研究

黄锋 ， 问朋朋 ， 何彦虎

(湖州职业技术学院　机电工程分院, 浙江　湖州　313000)

摘要：针对Al-Fe2O3燃烧体系，选取纳米SiO2、Na2B4O7为添加剂，采用离心自蔓延高温合成技术制备出陶瓷内衬复合钢管。在Na2B4O7质量分数为4 %的条件下，研究了纳米SiO2对陶瓷内衬复合钢管致密度以及耐腐蚀性能的影响。结果表明：当纳米SiO2添加量为6 %时，复合钢管陶瓷层致密度最好，当纳米SiO2添加量为4 %时，耐腐蚀性最好。

关键词：离心-SHS；复合钢管；致密度；耐腐蚀

收稿日期：2014-09-15

基金项目：浙江省教育厅2014年度科研项目“添加剂对自蔓延高温合成陶瓷内衬复合管性能的影响(Y201432155)”。

作者简介：黄锋(1988-)，男，江苏南通人，助教，硕士，主要从事新材料制备工艺技术研究；问朋朋(1985-)，男，河南漯河人，助教，硕士，主要从事新能源技术研究；何彦虎(1972-)，男，山东德州人，副教授，硕士，主要从事自动控制技术研究。

中图分类号：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世纪70年代诞生了自蔓延高温合成技术(Self-propagating High-temperature Synthesis, SHS)，它具有能量消耗小、合成时间短、产品质量高等优点[1-3]。人们将SHS技术与离心铸造技术相结合成功制备出陶瓷内衬复合钢管，经实践证明，制备出的复合钢管能够满足工业应用的需求[4-5]。为了提高复合钢管的使用寿命，其致密度及耐腐蚀性一直是研究重点之一[6-8]。李冬黎[9]、王建江[10]等选取SiO2为添加剂，分别研究了其对复合钢管陶瓷层致密度及耐腐蚀性的影响，结果表明，陶瓷层致密度及耐腐蚀性得到一定的提高。为了进一步提高陶瓷层致密度及耐腐蚀性，本文将铝热剂的粒度拓展到纳米级，并研究了纳米SiO2对复合钢管陶瓷层致密度和耐腐蚀性的影响。

1　实验材料、配方及过程

1.1实验材料及配方

实验所用钢管为20号钢，钢管长度150 mm，内径65 mm，壁厚10 mm。铝热剂：Al粉， w(Al)99 %，200目；Al粉，w(Al)99.9%，70 nm；Fe2O3粉，w(Fe2O3)99.5 %，50 nm。添加剂：SiO2，w(SiO2)99.9 %，40 nm；Na2B4O7，w(Na2B4O7)97 %。

离心-自蔓延高温合成技术基于以下铝热反应实现：

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

(1)

通常情况下氧化铁与铝粉的质量比为3∶1，为了弥补自蔓延反应中铝的损失，将氧化铁和铝粉的质量比调整为2.9∶1，反应配方如表1所示。

表1　反应物料配方

1.2实验过程

使用876-1A型真空干燥箱对氧化铁粉进行烘干处理，用电子天平分别称量反应物料，将称量好的反应物料按表1编号充分混合后填充到经酸性除锈、碱性除油后的钢管内，在钢管两端安置挡圈并固定端盖。将上述钢管安置到离心机上，待离心机转到一定的速度(1400 r/min)时，此时反应物料将均匀的分布在钢管内壁上，采用氧-乙炔火焰从钢管一端点火，钢管一端呈现红光并沿内壁蔓延开去，自蔓延反应瞬间完成，待钢管在室温下自然冷却后，生成了陶瓷内衬复合钢管。沿复合钢管径向切割成4块，并选择其中一块切割成小试样，打磨、抛光后使用BX12金相图像分析仪观察复合钢管各层结合状况，利用阿基米德原理测量其致密度，复合钢管的耐腐蚀性可以通过对其在10 %硫酸溶液中经室温放置4 d后的试样利用腐蚀失重法测定。腐蚀过程中试样的上部与底部用石腊浸封，按式(2)计算腐蚀率。

(2)

式中：ΔW为腐蚀前后试样的质量差，g；Dp为复合钢管内径，mm；H为腐蚀介质高度，mm；t为腐蚀时间，

(2)

式中：ΔW为腐蚀前后试样的质量差，g；Dp为复合钢管内径，mm；H为腐蚀介质高度，mm；t为腐蚀时间，h。

2　实验结果及分析

2.1复合钢管各层结合状况

铝热反应产生高温，使反应生成物Fe、Al2O3处于熔融状态，在离心力作用下产生分离，比重较大的Fe沿钢管内壁形成过渡层，比重小的Al2O3沿过渡层内表面形成陶瓷层，通过肉眼观察到从内到外依次为陶瓷层-过渡层-钢管基体(如图1所示)。钢管基体与过渡层结合界面显微结构如图2所示，上层为钢管基体，下层为过渡层，可以看出，过渡层与钢管基体结合完好，呈现冶金结合(指两件金属的界面间原子相互扩散而形成的结合，这种结合或者是连接状态，或者是在温度或压力的作用下形成的)。图3为陶瓷层与过渡层结合界面显微结构，上层灰色块状物为Al2O3，陶瓷层中部分亮白色颗粒为金属颗粒，形成原因为离心力较小，生成熔融物分离不彻底。下层为过渡层，可以看出过渡层与陶瓷层之间连接不规则，存在一些微小的裂缝，其与陶瓷层呈现机械结合。

图1　复合钢管宏观图

图2　过渡层-钢管基体界面结构　　　　　　　　　　　　　图3　陶瓷层-过渡层界面结构

2.2复合钢管陶瓷层致密度与耐腐蚀性

图4为陶瓷层致密度随添加剂纳米SiO2加入量的变化曲线，当纳米SiO2的加入量为6 %时，陶瓷层的致密度达到最大值95 %。从图中可以看出，陶瓷层致密度随着纳米SiO2加入量的增加呈先上升后下降的变化，可见纳米SiO2的加入对陶瓷层致密度有双重影响。其有利方面表现为：当纳米SiO2加入后，可以降低铝热反应的温度，从而降低反应的剧烈性，有利于自蔓延反应更好的进行，起到稀释剂的作用；同时由于反应时间的延长，增加了气体溢出的时间，从而降低了陶瓷层中孔隙，致密度得到提高。其不利方面体现在：当纳米SiO2加入量过多时，会增加Al2O3熔体的动力粘度，抑制了初晶相Al2O3析出前的排气过程，阻碍了陶瓷层的致密化过程。

图5为陶瓷层腐蚀率随纳米SiO2添加量的变化曲线，可以看出，当纳米SiO2的加入量为4% 时，腐蚀失重率最低，陶瓷层耐腐蚀性最好；当添加剂含量进一步增加时，耐腐蚀性下降。陶瓷层的致密度在一定程度上影响着其耐腐蚀性，当纳米SiO2添加量为2 %-4 %时，陶瓷层致密度呈上升趋势，在此范围内，陶瓷层孔隙率降低，表面质量得到提高，耐腐蚀性逐渐提高。

图4　纳米SiO 2对致密度的影响　　　　　　　　　　　　　　图5　纳米SiO 2对腐蚀失重率的影响

3　结　论

(1)选取纳米SiO2为添加剂可以制备出陶瓷内衬复合钢管，从内到外依次为陶瓷层-过渡层-钢管基体，钢管基体与过渡层呈冶金结合，而陶瓷层与过渡层呈机械结合。

(2)添加适量的纳米级SiO2粉末可以提高陶瓷层致密度与耐腐蚀性，当纳米SiO2添加量为6 %时，复合钢管陶瓷层致密度最好，达到95 %；当纳米SiO2添加量为4 %时，耐腐蚀性最好，腐蚀失重率为0.48 g·m-2·h-1，但添加量过多时性能反而降低。

参考文献：

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[5] 王建江,赵忠民,张龙,等.制备陶瓷内衬复合钢管SHS离心机[J].粉末冶金技术,1997,15(4):269-273.

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[9] 李冬黎,何湘宁.SiO2对陶瓷复合钢管孔隙度和力学性能的影响[J].机械工程材料,2001,25(3):32-34.

[10] 王建江,赵忠民,叶明惠,等.SHS陶瓷内衬复合管的耐蚀性研究[J].腐蚀科学与防护技术,2000,12(4):203-206.