灰鐵倒流殼內流道涂瓷釉的實驗研究

李 剛

(杰泊機械貿易(上海)有限公司，上海200050)

0 引言

泵是控制和輔助液態介質的傳送裝置,在世界范圍內具有非常廣泛的應用。 例如,日常生活中的自來水輸送、污水的處理,到石油、天然氣的采掘和輸送,再到核工業的污水處理。 目前,國家規劃的2035 年碳中和目標提出了節能減排的要求。 提高泵的性能和循環使用能減少碳排放。

泵是由倒流殼和葉輪共同裝配完成,提高倒流殼的表面光潔度可以減少工作面的摩檫力。 潛水泵的主要性能是揚程,內部的表面光潔度提高可以使得深井泵的揚程提高20%以上。 此外,涂瓷釉可以防腐蝕,從而提高產品的使用壽命[1-3],更重要的是,瓷釉的可修復性強,可節約制造成本。

目前,內流道涂瓷釉的工藝已經正式進入量產,但是瓷釉和倒流殼的材料屬性不同,而且倒流殼內部結構復雜,形狀不均勻,金屬和非金屬具體的熱膨脹系數、冷收縮系數,釉面的熔點和灰鐵的熔點也不一致。 液態的瓷釉漿具有流動性,怎樣讓瓷釉漿均勻涂在內流道,用怎樣的冷卻方式,在燒結的過程中產品的擺放,燒結的溫度控制以及溫度的保持等問題需要深入研究。 本文將通過瓷釉原材料配比、涂刷方式、燒結溫度和保溫時間對涂瓷釉工藝進行詳細的說明。

1 實驗材料和方法

1.1 瓷釉配方調制和瓷釉涂刷方式

玻璃料占比45%左右、石英占比6%、黏土占比3.6%、水占比49%,其他則為添加劑。 使用虹吸爐使得漿液均勻地分布在內流道上,用標準尺檢測配料是否合格。

1.2 不同溫度下瓷釉涂層的附著力和瓷釉燒結溫度的控制

試驗中所用瓷釉涂層成分如表1 所示,倒流殼葉片采用長度10 mm 的Class 30 灰鐵材質。 試驗前將倒流殼進行噴砂拋丸處理,達到表面光潔度Ra3.2,待表面干燥后將涂層倒流殼移入高溫爐,升溫至500 ～800 ℃,保溫30 min 后,自然冷卻至室溫,獲得高溫燒結后的瓷釉涂層倒流殼。 將燒結后的活性瓷釉涂層倒流殼切割成兩段,在一端的倒流殼葉片表面連接通電導線。 7 種不同溫度各制作試塊進行拉力試驗后做比較實驗。

表1 瓷釉配方

1.3 倒流殼涂瓷釉

溫度分別設定在500 ℃,550 ℃,600 ℃,650 ℃,700 ℃和750 ℃時,分別燒結30 min,然后根據肉眼觀察其結果。

2 實驗結果

2.1 配料的實驗結果及分析

因為葉片的薄壁面,在燒結的過程中薄壁的地方與瓷釉的熱膨脹系數相差較大,根據不同的產品調整漿液中的膨潤土成分,最終以表1 所示的配比為最合適的配方,配方在容器中攪拌2.5 h。 瓷釉配料按照以上方法配成漿液以后需要用標準尺蘸上后檢測釉料的質量,控制在55～58 g。 配料的研制同樣要和燒結的溫度同時匹配才能得到想要的釉面。 涂刷在倒流殼表面后通過750 ℃左右的高溫將其燒結在倒流殼表面,能有效提高耐腐蝕能力。

2.2 涂刷均勻釉面的結果及分析

使用虹吸的容器,把倒流殼放入液態瓷釉中,虹吸容器制造負壓后,倒流殼會緩緩地吸入殼體中,在穩定的壓力下,瓷釉吸附的效果更好、更均勻,不會造成局部地區堆積重疊,可以減少產品的缺陷。 虹吸涂好瓷釉后,自然冷卻20 min,用肉眼檢測內部瓷釉涂層是否均勻,如果有不均勻的地方,需要用刷子涂刷保證瓷釉涂層的均勻性。 涂刷均勻以后,要等到釉面完全干燥（淺灰色表示完全干燥,深灰色或者深灰色的斑點沒有完全消失則表示沒有完全干燥）,干燥之后用氣槍把倒流殼表面的殘渣吹干凈,然后整齊有序地擺放到焙燒爐中,馬上進行燒結,即可以得到滿意的效果。

在不同溫度下瓷釉涂層的附著力隨著溫度的變化基本沒有什么影響（見表2）,分別在500 ℃,550 ℃,600℃,650 ℃,700 ℃,750 ℃,800 ℃對聯結強度進行測試,隨著溫度的升高,所有試塊的強度均超過了14 MPa。

表2 壓力檢測

2.3 最佳燒結溫度的實驗結果及分析

把燒結溫度分別設定為500 ℃,550 ℃,600 ℃,650 ℃,700 ℃,750 ℃,800 ℃,觀察其顏色和光澤度（見表3）。 發現500 ℃時,瓷釉為藍白色,無光澤,釉面大面積脫落,有裂紋。 發現550 ℃時,瓷釉為淡藍白色,無光澤,釉面小面積脫落,有少量裂紋。 發現600 ℃時,瓷釉為藍白色,無光澤,釉面無脫落,有大量魚鱗爆裂紋。 發現650 ℃時,瓷釉為藍白色,光澤一般,釉面無脫落,有少量魚鱗爆裂紋。 發現700 ℃時,瓷釉為亮藍色,光澤較好,釉面小面積脫落,無魚鱗爆裂紋。 發現750 ℃時,瓷釉為亮白色,光澤較好,釉面無脫落,無裂紋。 由此得出結論：700 ～800 ℃為金屬和非金屬的最佳結合溫度。

表3 涂層性能比較

2.4 灰鐵倒流殼瓷內流道釉面修復

倒流殼涂瓷釉后由于倒流殼是灰鐵材料（金屬材質）,而瓷釉是非金屬,這樣金屬和非金屬存在不同的膨脹系數和不同的熱性能。 即使在嚴格控制制造工藝和制造設備穩定性的情況下,還是有15%左右的不合格率（見圖1—2）,需要有完整的改進措施。 如果這些問題得不到修復,會影響泵的性能。

圖1 葉片根部出現瓷釉裂開

灰鐵倒流殼內流道涂瓷釉研發修復方案：（1）涂硬的金屬漆在葉片的根部部位,使得修復部位和本體具有相似的表面光潔度,沒有色差；（2）拋丸去掉原來的瓷釉,重新涂瓷釉。

圖2 葉片定部出現瓷釉脫落

如圖3 所示,葉片上出現了斑點和密密麻麻的小突起。 原因分析：內流道沒有清理干凈。 解決方案：重新拋丸噴砂去掉內流道原有釉面,重新拋丸使得內流道表面光潔度達到Ra3.2 ～6.3 后重新涂瓷釉。

圖3 葉片上出現斑點和小突起

3 討論

抗腐蝕性能是研究瓷釉的重要方向。 對于腐蝕性倒流殼的耐久性設計,氯的入侵是必須考慮的問題。 腐蝕性的液體中一般含有氯離子,侵入倒流殼本體后由于倒流殼非常容易生銹,導致灰鐵銹蝕,縮短倒流殼使用壽命。 在倒流殼表面添加保護層,隔斷腐蝕性離子入侵,是阻止生銹最直接、最有效的方法之一。 瓷釉涂層是一種新型無機鹽陶瓷涂層,涂刷在倒流殼表面后通過750 ℃左右的高溫將其燒結在倒流殼表面,能有效提高耐腐蝕能力；同時瓷釉涂層原料容易得到,成本低,可以用在腐蝕性的環境中,非常具有應用前景。

通過對非金屬瓷釉和倒流粘接性的研究,400 ℃燒結后活性瓷釉涂層以顆粒的形式聚集在葉片表面,涂層成分之間沒有相互反應生成致密的保護層。 由于涂層顆粒只是以堆積的形式存在,燒結后的涂層沒有與倒流殼葉片緊密粘接,二者之間存在間隙[4]。 經800 ℃燒結后,顆粒已相互反應融合形成整體,涂層各成分在此溫度下反應產生大量結晶體。 800 ℃涂層從倒流殼葉片向環氧方向依次可分為以下幾個特征區域：氧化膜延伸區、環向孔洞、針狀晶體、斑狀晶體。 涂層環向孔洞主要分布在距葉片200 μm 范圍內[4],孔洞內無碳元素分布,因此推斷均為封閉孔。分別對涂層各層物質進行元素分析,統計各層物質含量最高的3 種元素分別為：葉片氧化膜延伸區（鐵、硅、氧）、環向孔洞周圍黑色物質（鐵、硅、氧）、針狀晶體1（鐵、硅、氧）、斑狀晶體（鐵、氧、鎳）、針狀晶體（鐵、氧、猛）。 在葉片氧化膜區域發現了本屬于涂層的硅、鈣等元素,在涂層內部發現了本屬于倒流殼葉片的鐵、錳等元素,葉片-涂層界面變得模糊、破碎,這說明在800 ℃燒結條件下,葉片、涂層相互滲透、融合,二者緊密結合形成不可分割的整體[4-5]。

按照本文提到的瓷釉配方進行配比,所有的毛坯在涂瓷釉之前都必須經過內流道的清理,通常會選擇噴砂處理使得內流道的表面光潔度達到Ra3.2,粗糙度達不到要求會造成瓷釉的粘接性能差。 瓷釉配料按照以上方法配好成漿液以后需要用標準尺蘸上后檢測釉料的質量,需要控制在55 ～58 g。 進行內流道的瓷釉噴涂,噴涂以后100%檢測內流道中的釉是否完全涂好、瓷釉是否均勻。 不均勻的地方用刷子蘸上釉以后刷在不均勻的表面上,放到爐中燒結,溫度達到700～800 ℃后保溫2 h。