ZrO₂對離心SHS陶瓷內襯復合鋼管組織及性能的影響

黃鋒 問朋朋 何彥虎

摘 要： 針對Al-Fe2O3鋁熱體系，采用離心自蔓延高溫合成法制備出陶瓷內襯復合鋼管。在SiO2質量分數為4%，Ni質量分數為1%的條件下，研究了不同質量分數的ZrO2添加劑對復合管組織結構及力學性能的影響。XRD分析表明，陶瓷層的主要成分為α-Al2O3、還有少量Al2SiO5，FeAl2O4，ZrO2存在。SEM觀察發現陶瓷層與過渡層結合良好。利用電子萬能力學實驗機測試了復合鋼管的壓潰強度，結果表明，加入8%（質量分數）ZrO2的復合鋼管的壓潰強度達到353MPa，比未加入添加劑的試樣提高了22.6%。測試結果表明陶瓷層致密度可達94.4%。

關鍵詞： 自蔓延高溫合成； 復合鋼管； 組織性能； 添加劑

中圖分類號： TQ 174.1 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）04-0079-04

0 引 言

隨著科技生產和工業的迅速發展，在冶金、礦山、電廠等領域常用的稀土耐磨管、鑄石管等管道材料，由于存在耐磨性低、成本高等缺點，已經不能滿足工業應用。20世紀70年代，誕生了自蔓延高溫合成技術（Self-propagating High-temperature Synthesis， SHS），科研工作者利用SHS技術的固有特點，將其與離心鑄造技術相結合，開發出陶瓷內襯復合鋼管[1-4]。近年來，為了提高復合鋼管的使用壽命，推動復合鋼管的市場化進程，研究者通過優化制備工藝、施加添加劑等方法對此進行了深入研究，并取得了較好的成果，其中有關添加劑的研究一直是熱點。研究表明，選取SiO2為添加劑，可以降低陶瓷層孔隙度；選取Ni粉為添加劑，可以提高復合鋼管壓潰強度；選取ZrO2為添加劑，可以增強陶瓷層的斷裂韌性[5-7]。為此，本研究選取SiO2，Ni和ZrO2為添加劑，研究其對復合鋼管性能的影響，以期提高復合管的綜合性能。

1 實 驗

1.1 材料

實驗所用基材為市售型材20號無縫鋼管，尺寸規格為Φ70 mm×8 mm×160 mm，實驗所用粉末均為市售分析純試劑，詳細信息如表1所示。

為了彌補自蔓延反應中鋁的損失，鋁熱劑中氧化鐵和鋁的質量比為2.9∶1[8]，反應物料配方如表2所示。

1.2 步驟

（1）鋼管的準備

將鋼管切割至實驗所需規格，機械除銹待用。

（2）反應物料的準備

將反應物料按表2進行配比，編號后分別裝入行星球磨機中混料，將混合均勻的反應物料放入140 ℃干燥箱中干燥14 h后取出。

（3）填料

將干燥好的反應物料分別裝入對應編號的鋼管中壓實，鋼管兩端安置擋圈并旋上端蓋（反應時高溫熔體容易流出，安置擋圈及端蓋可以提高實驗安全性）。

（4）點火

依次將裝滿反應物料的不同鋼管安置到自蔓延離心設備上，啟動離心設備，待轉速上升到反應所需速度時（1600 r/min），在鋼管一端采用氧炔焰點火，引發自蔓延反應。

1.3 測試方法

待鋼管在室溫下自然冷卻后，陶瓷內襯復合鋼管生成。利用阿基米德原理測試陶瓷層孔隙度。使用CCS-44300型電子萬能力學試驗機測試陶瓷復合鋼管陶瓷層的壓潰強度，測試速度為5 mm/min，詳細測試方法見文獻[1]。研磨壓潰實驗后收集的陶瓷粉末，制成試樣后，采用日本Rigaku D/MAX 3C型X射線衍射儀進行XRD分析，使用Cu Kα輻射，管壓為40 kV，管電流為100 mA，采用θ～2θ步進掃描方式，步長為0.02°（2θ），掃描速度為6°/min。將復合鋼管沿徑向和軸向切割成小塊，利用日立S-3400N II型掃描電子顯微鏡觀察復合鋼管微觀結構。利用Horiba公司的EX-250型能譜分析儀對陶瓷層局部區域進行能譜分析。

2 結果與討論

2.1 復合鋼管的結構

圖1為復合鋼管宏觀圖。圖1（a）中可以看出，陶瓷內襯層與鋼管基體結合良好，無明顯的間隙，且陶瓷層厚度均勻、表面光滑、無明顯裂紋；從圖1（b）中可以看出，制備出的復合鋼管過渡層厚度約為2 mm，緊貼過渡層生成了厚度約為4 mm的陶瓷層。

圖2為配方No.5制備的陶瓷復合鋼管試樣的SEM微觀結構。圖2中，深灰色為陶瓷層，淺灰色為過渡層。由圖2可以看出，陶瓷層與過渡層結合良好，兩者具有較好的潤濕性。

2.2 陶瓷層的物相構成

圖3為配方No.2制備的陶瓷復合鋼管試樣的陶瓷層X射線衍射結果。由圖3可以看出，陶瓷層的基體相為α-Al2O3，還有少量的硅線石Al2SiO5，鐵鋁尖晶石FeAl2O4及ZrO2存在。表3為陶瓷層局部區域的EDS分析結果。結合XRD分析可知，ZrO2的加入并未改變陶瓷層原有的物相結構，Al2O3為主要的反應產物。

2.3 復合鋼管力學性能

壓潰強度可綜合反應陶瓷層的性能，包括陶瓷層的致密度、過渡層的狀態等。圖4為壓潰強度隨ZrO2質量分數不同變化的曲線。由圖4可以看出，當ZrO2添加量大于2%時，復合鋼管的壓潰強度呈上升趨勢；當其添加量達到8%時，復合鋼管壓潰強度達到極大值353 MPa。這主要是因為ZrO2熔點（2680℃）高于Al2O3的熔點（2050℃），在反應過程中沒能完全熔化，以顆粒的形式彌散在陶瓷層中，形成了ZrO2+Al2O3陶瓷，與XRD和EDS分析相符，這樣的組合有利于提高復合鋼管的壓潰強度。當ZrO2添加量為2%時，由于添加量過少，對復合鋼管力學性能起到主要影響的是添加劑SiO2。另一方面，在反應體系的冷卻過程中，ZrO2四方相轉變為單斜相由于新相晶核形成困難，轉變溫度有滯后現象，且在此過程中晶型轉變是位移性轉變，并伴隨3%～5%的體積效應，從而在一定程度上阻礙了裂紋的擴展，有利于復合鋼管壓潰強度的提高。當ZrO2添加量小于8%時，由于自蔓延反應速度過快，添加劑的含量還不足以發生上述晶格切邊及體積效應，另外，隨著ZrO2添加量的增加，在一定程度上抑制了硅線石Al2SiO5的生成，從而降低了復合鋼管的壓潰強度。

2.4 陶瓷層致密度

復合鋼管陶瓷層孔隙率在一定程度上影響著陶瓷層的壓潰強度及耐腐蝕性能。圖5為陶瓷層致密度隨ZrO2質量分數不同變化的曲線。由圖5可以看出，加入添加劑的試樣致密度均比單一鋁熱劑試樣的致密度要高，陶瓷層致密度呈總體上升趨勢，這主要是因為隨著ZrO2添加量的增加，冷卻過程中彌散在Al2O3基體中的ZrO2顆粒越來越多，這在一定程度上填補了氣孔和間隙；當為ZrO2添加量8%時，致密度達到極大值94.4%，這與復合鋼管壓潰強度達到極大值時ZrO2質量分數正好相符。由于自蔓延反應速率較快，而且ZrO2單斜相←→四方相之間的轉變在1170 ℃時快速進行，并伴有顯著體積變化，加熱時收縮，冷卻時膨脹，兩種晶型可反復瞬時轉變，利用多晶轉變現象容易產生裂紋，這可能是使陶瓷層致密度在ZrO2添加量為6%時下降的原因。

3 結 論

（1） 在鋁熱劑中添加SiO2，Ni，ZrO2制備出的陶瓷內襯復合鋼管由陶瓷層、過渡層及鋼管層組成，且陶瓷層厚度均勻、表面光滑、無明顯裂紋。

（2） 添加SiO2，Ni，ZrO2制備的復合鋼管的陶瓷層主要由α-Al2O3和少量的硅線石Al2SiO5、鐵鋁尖晶石FeAl2O4及ZrO2組成。

（3） 當ZrO2添加量為8%時，陶瓷層致密度達到極大值94.4%。添加8%ZrO2+4%的SiO2+1%Ni的復合鋼管的壓潰強度達到353 MPa，比未添加任何添加劑的試樣提高了22.6%。

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（責任編輯：徐興華）