離心-SHS陶瓷內襯復合鋼管性能的研究

離心-SHS陶瓷內襯復合鋼管性能的研究

黃鋒 ， 問朋朋 ， 何彥虎

(湖州職業技術學院　機電工程分院, 浙江　湖州　313000)

摘要：針對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制備出陶瓷內襯復合鋼管。在Na2B4O7質量分數為4 %的條件下，研究了納米SiO2對陶瓷內襯復合鋼管致密度以及耐腐蝕性能的影響。結果表明：當納米SiO2添加量為6 %時，復合鋼管陶瓷層致密度最好，當納米SiO2添加量為4 %時，耐腐蝕性最好。

關鍵詞：離心-SHS；復合鋼管；致密度；耐腐蝕

收稿日期：2014-09-15

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

作者簡介：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研究；何彥虎(1972-)，男，山東德州人，副教授，碩士，主要從事自動控制技術研究。

中圖分類號：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70年代誕生了自蔓延高溫合成技術(Self-propagating High-temperature Synthesis, SHS)，它具有能量消耗小、合成時間短、產品質量高等優點[1-3]。人們將SHS技術與離心鑄造技術相結合成功制備出陶瓷內襯復合鋼管，經實踐證明，制備出的復合鋼管能夠滿足工業應用的需求[4-5]。為了提高復合鋼管的使用壽命，其致密度及耐腐蝕性一直是研究重點之一[6-8]。李冬黎[9]、王建江[10]等選取SiO2為添加劑，分別研究了其對復合鋼管陶瓷層致密度及耐腐蝕性的影響，結果表明，陶瓷層致密度及耐腐蝕性得到一定的提高。為了進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，并研究了納米SiO2對復合鋼管陶瓷層致密度和耐腐蝕性的影響。

1　實驗材料、配方及過程

1.1實驗材料及配方

實驗所用鋼管為20號鋼，鋼管長度150 mm，內徑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基于以下鋁熱反應實現：

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

(1)

通常情況下氧化鐵與鋁粉的質量比為3∶1，為了彌補自蔓延反應中鋁的損失，將氧化鐵和鋁粉的質量比調整為2.9∶1，反應配方如表1所示。

表1　反應物料配方

1.2實驗過程

使用876-1A型真空干燥箱對氧化鐵粉進行烘干處理，用電子天平分別稱量反應物料，將稱量好的反應物料按表1編號充分混合后填充到經酸性除銹、堿性除油后的鋼管內，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上，待離心機轉到一定的速度(1400 r/min)時，此時反應物料將均勻的分布在鋼管內壁上，采用氧-乙炔火焰從鋼管一端點火，鋼管一端呈現紅光并沿內壁蔓延開去，自蔓延反應瞬間完成，待鋼管在室溫下自然冷卻后，生成了陶瓷內襯復合鋼管。沿復合鋼管徑向切割成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合鋼管各層結合狀況，利用阿基米德原理測量其致密度，復合鋼管的耐腐蝕性可以通過對其在10 %硫酸溶液中經室溫放置4 d后的試樣利用腐蝕失重法測定。腐蝕過程中試樣的上部與底部用石臘浸封，按式(2)計算腐蝕率。

(2)

式中：ΔW為腐蝕前后試樣的質量差，g；Dp為復合鋼管內徑，mm；H為腐蝕介質高度，mm；t為腐蝕時間，

(2)

式中：ΔW為腐蝕前后試樣的質量差，g；Dp為復合鋼管內徑，mm；H為腐蝕介質高度，mm；t為腐蝕時間，h。

2　實驗結果及分析

2.1復合鋼管各層結合狀況

鋁熱反應產生高溫，使反應生成物Fe、Al2O3處于熔融狀態，在離心力作用下產生分離，比重較大的Fe沿鋼管內壁形成過渡層，比重小的Al2O3沿過渡層內表面形成陶瓷層，通過肉眼觀察到從內到外依次為陶瓷層-過渡層-鋼管基體(如圖1所示)。鋼管基體與過渡層結合界面顯微結構如圖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合完好，呈現冶金結合(指兩件金屬的界面間原子相互擴散而形成的結合，這種結合或者是連接狀態，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合界面顯微結構，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，形成原因為離心力較小，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則，存在一些微小的裂縫，其與陶瓷層呈現機械結合。

圖1　復合鋼管宏觀圖

圖2　過渡層-鋼管基體界面結構　　　　　　　　　　　　　圖3　陶瓷層-過渡層界面結構

2.2復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，當納米SiO2的加入量為6 %時，陶瓷層的致密度達到最大值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的加入對陶瓷層致密度有雙重影響。其有利方面表現為：當納米SiO2加入后，可以降低鋁熱反應的溫度，從而降低反應的劇烈性，有利于自蔓延反應更好的進行，起到稀釋劑的作用；同時由于反應時間的延長，增加了氣體溢出的時間，從而降低了陶瓷層中孔隙，致密度得到提高。其不利方面體現在：當納米SiO2加入量過多時，會增加Al2O3熔體的動力粘度，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，當納米SiO2的加入量為4% 時，腐蝕失重率最低，陶瓷層耐腐蝕性最好；當添加劑含量進一步增加時，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，當納米SiO2添加量為2 %-4 %時，陶瓷層致密度呈上升趨勢，在此范圍內，陶瓷層孔隙率降低，表面質量得到提高，耐腐蝕性逐漸提高。

圖4　納米SiO 2對致密度的影響　　　　　　　　　　　　　　圖5　納米SiO 2對腐蝕失重率的影響

3　結　論

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

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

參考文獻：

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[9] 李冬黎,何湘寧.SiO2對陶瓷復合鋼管孔隙度和力學性能的影響[J].機械工程材料,2001,25(3):32-34.

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