金屬基陶瓷復(fù)合耐磨耐腐蝕水泵過(guò)流部件的研究

曹翔宇， 成龍勝

（1.太原學(xué)院，山西 太原 030013；2.山西省玻璃陶瓷科學(xué)研究所，山西 太原 030013）

陶瓷材料所特有的化學(xué)穩(wěn)定性和高硬度，決定了其良好的耐腐蝕性、耐酸性和耐磨性。金屬鑄件作為水泵過(guò)流部件的基體材料，充分發(fā)揮了其機(jī)械強(qiáng)度高、可加工性強(qiáng)的特性。將陶瓷材料與金屬鑄件表層復(fù)合用于水泵過(guò)流部件，可以大幅度地提高水泵過(guò)流部件的耐磨、耐腐蝕性能，有效延長(zhǎng)使用壽命［1－3］。

1 原料選擇與制備

1.1 原料選擇

根據(jù)課題要求，水泵過(guò)流部件有較好的耐酸性和耐磨蝕性的特點(diǎn)。陶瓷基體選擇了酸性系數(shù)較高的B2O3、SiO2、Pb2O3為玻璃相原料，Al2O3為主晶相原料，輔以堿土金屬化合物以及具有助熔作用和抑制硼玻璃發(fā)生水解的添加劑。使用的原料有：硼砂、硼酸、石英、長(zhǎng)石、螢石、鉛丹、氧化鋁、氧化鈷、氧化鎳、純堿、高嶺土、添加劑。

1.2 原料制備

長(zhǎng)石、石英、螢石等礦物原料購(gòu)進(jìn)后要經(jīng)過(guò)手工揀選、清洗，除掉泥土等夾雜物。將清洗后的原料進(jìn)行干燥，以保證按照配方稱量時(shí)的準(zhǔn)確性。再將干燥后的塊狀礦物原料粉碎，粉碎細(xì)度達(dá)到過(guò)80μm（180目）標(biāo)準(zhǔn)篩。對(duì)粉碎好的礦物原料除鐵，除去粉碎過(guò)程中帶入的少量鐵質(zhì)。

使用工業(yè)級(jí)純度的硼砂、純堿等化工原料，細(xì)度達(dá)到過(guò)80μm（180目）標(biāo)準(zhǔn)篩。

購(gòu)入的高嶺土要清除雜物并漂洗、干燥、除鐵，以保證純度。

2 工藝過(guò)程

2.1 基礎(chǔ)熔塊配方的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和確定

基礎(chǔ)配方設(shè)計(jì)的考慮因素有：燒結(jié)溫度，高溫黏度，燒結(jié)后的耐腐蝕性、耐磨蝕性，漿料在上漿時(shí)的可操作性，漿料與金屬鑄件的低溫黏合性和高溫結(jié)合性，漿料與金屬鑄件相互間的膨脹系數(shù)匹配等。

綜合分析各種因素的影響，設(shè)計(jì)了分別以長(zhǎng)石、硼砂、氧化鉛為主熔劑的3個(gè)系列共100余個(gè)配方，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從中篩選出較為合理的基礎(chǔ)配方，組成范圍如表1。

表1 配方組成范圍 %

2.2 熔塊熔制

能否制得物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的熔塊，除了配方以外，還取決于熔制過(guò)程。熔塊的熔制是復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程，在熔制過(guò)程中粉料的組分不僅發(fā)生了物理變化，而且發(fā)生了固態(tài)和液態(tài)的化學(xué)反應(yīng)。

熔制過(guò)程中，在100℃～250℃時(shí)，粉料中水分和結(jié)晶水強(qiáng)烈汽化；700℃～1 050℃時(shí)，無(wú)水硼砂發(fā)生熔融，伴隨著碳酸鹽的分解，二氧化碳?xì)怏w溢出。這2個(gè)過(guò)程都有可能帶走一部分原料，導(dǎo)致改變配方，因而要特別注意。熔制階段的特點(diǎn)是，在熔融物的表面和熔融物的深處存有大量的氣泡。隨著熔融物的澄清，氣泡數(shù)量減少，熔塊逐步均化。

當(dāng)完全熔融并均勻后，把裝有熔融物的坩堝從電爐中夾出，倒入事先準(zhǔn)備好的水中，進(jìn)行水淬。水淬后的玻璃相粉末易于粉碎。本實(shí)驗(yàn)中，熔塊熔融溫度范圍為1 250℃～1 300℃。

對(duì)水淬后的熔塊要進(jìn)行充分干燥。

2.3 漿料的制備

漿料的組分包括玻璃相（熔塊）部分、氧化鋁晶相部分、上漿黏結(jié)劑等。

玻璃相（熔塊）部分是為了保證在合適的溫度下熔融，與金屬基體牢固地結(jié)合。氧化鋁晶相部分是為了提高陶瓷體的耐磨性。上漿黏結(jié)劑是為了在低溫下使?jié){料均勻地黏附在鑄鐵葉輪表面，并保證在干燥過(guò)程中和燒結(jié)初期不脫落。

將熔塊、氧化鋁和上漿黏結(jié)劑按配方秤量好后，裝入球磨機(jī)中研磨到一定細(xì)度，出磨后調(diào)配到合適的比重。細(xì)度為萬(wàn)孔篩余0.03%～0.08%，比重為1.65～1.80（波美度）。出磨后的料漿要有好的流動(dòng)性、懸浮性和結(jié)合性。

2.4 上漿工藝

上漿前要對(duì)金屬鑄件進(jìn)行預(yù)處理，以改善其對(duì)料漿的黏附性能。

金屬鑄件外觀多呈不規(guī)則形狀，表面粗糙，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。金屬鑄件與陶瓷坯體對(duì)漿料的吸附、黏合能力相去甚遠(yuǎn)，沿用傳統(tǒng)陶瓷坯體掛漿法是很難行得通的。實(shí)驗(yàn)中，在調(diào)整漿料性能的同時(shí)，針對(duì)不同金屬鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，甚至同一鑄件的不同部位，分別采用了浸漬法、噴霧法等不同上漿操作方法，保證鑄件各部位漿料均勻飽滿。上漿環(huán)境溫度保持在20℃～30℃，上漿厚度控制在1.5mm左右。

2.5 干燥

金屬鑄件上漿后，應(yīng)保證適當(dāng)?shù)目諝饬鲃?dòng)，以使葉輪在清潔的環(huán)境下迅速干燥。空氣濕度大的環(huán)境會(huì)使葉輪干燥緩慢，導(dǎo)致復(fù)合過(guò)程中形成銹斑，過(guò)多的水分易使復(fù)合層在干燥過(guò)程中開(kāi)裂。干燥溫度不當(dāng)，同樣會(huì)造成上述情況。因此，應(yīng)保持合適的干燥溫度和干燥濕度。干燥溫度應(yīng)為70℃～80℃，干燥濕度為30%左右。

2.6 燒結(jié)

上好料漿并干燥好的制品應(yīng)在650℃～750℃燒成，燒成時(shí)間控制在1.5h～2.0h。在燒成過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）在450℃以下可以快速升溫，升溫速度保持在10℃／min～15℃／min。

2）在450℃～550℃應(yīng)慢速升溫。此階段陶瓷復(fù)合層的熔塊顆粒表面開(kāi)始熔融，具有黏結(jié)力，復(fù)合層中的顆粒開(kāi)始互相黏結(jié)，接近復(fù)合層開(kāi)始收縮。升溫速度太快將使復(fù)合層開(kāi)裂、翹曲，造成燒結(jié)缺陷。此階段的升溫速度應(yīng)保持在4℃／min。

3）550℃至燒成溫度，可以適當(dāng)?shù)丶涌鞜伤俣?。此時(shí)，復(fù)合層中顆粒已熔融，具有了一定的流動(dòng)性，完全能夠適應(yīng)鑄件膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。

4）在達(dá)到燒成溫度以后應(yīng)保溫10min～15min。在此溫度下陶瓷復(fù)合層中晶相均勻分布，表面平整光亮，與金屬基體結(jié)合牢固。

2.7 加工、靜平衡、組裝

陶瓷材料所特有的化學(xué)穩(wěn)定性和高硬度決定了其良好的耐腐蝕性和耐磨性。相應(yīng)地，高硬度對(duì)機(jī)械加工也帶來(lái)諸多不便，難以用金屬切削機(jī)床加工。

在水泵行業(yè)中，葉輪靜平衡是檢測(cè)項(xiàng)中的關(guān)鍵項(xiàng)，直接影響到潛水泵的使用壽命。一般情況下，所采取的靜平衡工藝多數(shù)為去重法。由于用陶瓷復(fù)合制作的水泵葉輪難以進(jìn)行切削，故對(duì)其采用加重法。在葉輪不平衡處，用特定的無(wú)機(jī)化學(xué)組分原料進(jìn)行配制組合，能定量有效地與陶瓷復(fù)合材料融洽地結(jié)合在一起，并在短時(shí)間內(nèi)固化，滿足平衡要求。

在裝配過(guò)程中，對(duì)金屬基陶瓷復(fù)合過(guò)流部件遵循輕拿輕放的原則，裝配時(shí)采用靜壓法，同時(shí)在該部件的承壓表面加墊橡膠塊，避免承受直接的沖擊力，以保證陶瓷復(fù)合過(guò)流部件在裝配過(guò)程中不受任何損傷。

3 結(jié)論

1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了陶瓷體的配方及工藝過(guò)程。

2）燒結(jié)溫度降低到650℃～750℃。

3）使陶瓷復(fù)合層在燒成溫度下具有較高的黏度，并有30%～40%的晶相。

4）在低的燒結(jié)溫度下，使陶瓷復(fù)合層膨脹系數(shù)接近并略低于鑄鐵葉輪的膨脹系數(shù)，使鑄鐵葉輪與陶瓷復(fù)合層結(jié)合良好。

5）成功地將陶瓷材料與復(fù)雜金屬鑄件復(fù)合，并用于水泵過(guò)流部件，提高了過(guò)流部件的抗磨蝕、耐腐蝕性能，使水泵的使用壽命延長(zhǎng)了3倍～6倍。

［1］（日）素木洋一.釉及色料［M］.劉可棟，劉光躍譯.北京：中國(guó)建筑出版社，1979.

［2］祝桂洪，周健兒，曹春娥，等.陶瓷釉配制基礎(chǔ)［M］.北京：輕工業(yè)出版社，1989.

［3］崔正剛.膠體與界面化學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.