ZrO₂對(duì)離心SHS陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管組織及性能的影響

黃鋒 問朋朋 何彥虎

摘 要： 針對(duì)Al-Fe2O3鋁熱體系，采用離心自蔓延高溫合成法制備出陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管。在SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的條件下，研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZrO2添加劑對(duì)復(fù)合管組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)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，F(xiàn)eAl2O4，ZrO2存在。SEM觀察發(fā)現(xiàn)陶瓷層與過渡層結(jié)合良好。利用電子萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試了復(fù)合鋼管的壓潰強(qiáng)度，結(jié)果表明，加入8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）ZrO2的復(fù)合鋼管的壓潰強(qiáng)度達(dá)到353MPa，比未加入添加劑的試樣提高了22.6%。測(cè)試結(jié)果表明陶瓷層致密度可達(dá)94.4%。

關(guān)鍵詞： 自蔓延高溫合成； 復(fù)合鋼管； 組織性能； 添加劑

中圖分類號(hào)： TQ 174.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2015）04-0079-04

0 引 言

隨著科技生產(chǎn)和工業(yè)的迅速發(fā)展，在冶金、礦山、電廠等領(lǐng)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(diǎn)，已經(jīng)不能滿足工業(yè)應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，誕生了自蔓延高溫合成技術(shù)（Self-propagating High-temperature Synthesis， SHS），科研工作者利用SHS技術(shù)的固有特點(diǎn)，將其與離心鑄造技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管[1-4]。近年來，為了提高復(fù)合鋼管的使用壽命，推動(dòng)復(fù)合鋼管的市場(chǎng)化進(jìn)程，研究者通過優(yōu)化制備工藝、施加添加劑等方法對(duì)此進(jìn)行了深入研究，并取得了較好的成果，其中有關(guān)添加劑的研究一直是熱點(diǎn)。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(fù)合鋼管壓潰強(qiáng)度；選取ZrO2為添加劑，可以增強(qiáng)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(duì)復(fù)合鋼管性能的影響，以期提高復(fù)合管的綜合性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用基材為市售型材20號(hào)無縫鋼管，尺寸規(guī)格為Φ70 mm×8 mm×160 mm，實(shí)驗(yàn)所用粉末均為市售分析純?cè)噭敿?xì)信息如表1所示。

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

1.2 步驟

（1）鋼管的準(zhǔn)備

將鋼管切割至實(shí)驗(yàn)所需規(guī)格，機(jī)械除銹待用。

（2）反應(yīng)物料的準(zhǔn)備

將反應(yīng)物料按表2進(jìn)行配比，編號(hào)后分別裝入行星球磨機(jī)中混料，將混合均勻的反應(yīng)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(yīng)物料分別裝入對(duì)應(yīng)編號(hào)的鋼管中壓實(shí)，鋼管兩端安置擋圈并旋上端蓋（反應(yīng)時(shí)高溫熔體容易流出，安置擋圈及端蓋可以提高實(shí)驗(yàn)安全性）。

（4）點(diǎn)火

依次將裝滿反應(yīng)物料的不同鋼管安置到自蔓延離心設(shè)備上，啟動(dòng)離心設(shè)備，待轉(zhuǎn)速上升到反應(yīng)所需速度時(shí)（1600 r/min），在鋼管一端采用氧炔焰點(diǎn)火，引發(fā)自蔓延反應(yīng)。

1.3 測(cè)試方法

待鋼管在室溫下自然冷卻后，陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管生成。利用阿基米德原理測(cè)試陶瓷層孔隙度。使用CCS-44300型電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試陶瓷復(fù)合鋼管陶瓷層的壓潰強(qiáng)度，測(cè)試速度為5 mm/min，詳細(xì)測(cè)試方法見文獻(xiàn)[1]。研磨壓潰實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)掃描方式，步長為0.02°（2θ），掃描速度為6°/min。將復(fù)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(fù)合鋼管微觀結(jié)構(gòu)。利用Horiba公司的EX-250型能譜分析儀對(duì)陶瓷層局部區(qū)域進(jìn)行能譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合鋼管的結(jié)構(gòu)

圖1為復(fù)合鋼管宏觀圖。圖1（a）中可以看出，陶瓷內(nèi)襯層與鋼管基體結(jié)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(fù)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(fù)合鋼管試樣的SEM微觀結(jié)構(gòu)。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(jié)合良好，兩者具有較好的潤濕性。

2.2 陶瓷層的物相構(gòu)成

圖3為配方No.2制備的陶瓷復(fù)合鋼管試樣的陶瓷層X射線衍射結(jié)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(qū)域的EDS分析結(jié)果。結(jié)合XRD分析可知，ZrO2的加入并未改變陶瓷層原有的物相結(jié)構(gòu)，Al2O3為主要的反應(yīng)產(chǎn)物。

2.3 復(fù)合鋼管力學(xué)性能

壓潰強(qiáng)度可綜合反應(yīng)陶瓷層的性能，包括陶瓷層的致密度、過渡層的狀態(tài)等。圖4為壓潰強(qiáng)度隨ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同變化的曲線。由圖4可以看出，當(dāng)ZrO2添加量大于2%時(shí)，復(fù)合鋼管的壓潰強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)；當(dāng)其添加量達(dá)到8%時(shí)，復(fù)合鋼管壓潰強(qiáng)度達(dá)到極大值353 MPa。這主要是因?yàn)閆rO2熔點(diǎn)（2680℃）高于Al2O3的熔點(diǎn)（2050℃），在反應(yīng)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(fù)合鋼管的壓潰強(qiáng)度。當(dāng)ZrO2添加量為2%時(shí)，由于添加量過少，對(duì)復(fù)合鋼管力學(xué)性能起到主要影響的是添加劑SiO2。另一方面，在反應(yīng)體系的冷卻過程中，ZrO2四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嘤捎谛孪嗑Ш诵纬衫щy，轉(zhuǎn)變溫度有滯后現(xiàn)象，且在此過程中晶型轉(zhuǎn)變是位移性轉(zhuǎn)變，并伴隨3%～5%的體積效應(yīng)，從而在一定程度上阻礙了裂紋的擴(kuò)展，有利于復(fù)合鋼管壓潰強(qiáng)度的提高。當(dāng)ZrO2添加量小于8%時(shí)，由于自蔓延反應(yīng)速度過快，添加劑的含量還不足以發(fā)生上述晶格切邊及體積效應(yīng)，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(fù)合鋼管的壓潰強(qiáng)度。

2.4 陶瓷層致密度

復(fù)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(qiáng)度及耐腐蝕性能。圖5為陶瓷層致密度隨ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shì)，這主要是因?yàn)殡S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(bǔ)了氣孔和間隙；當(dāng)為ZrO2添加量8%時(shí)，致密度達(dá)到極大值94.4%，這與復(fù)合鋼管壓潰強(qiáng)度達(dá)到極大值時(shí)ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)正好相符。由于自蔓延反應(yīng)速率較快，而且ZrO2單斜相←→四方相之間的轉(zhuǎn)變?cè)?170 ℃時(shí)快速進(jìn)行，并伴有顯著體積變化，加熱時(shí)收縮，冷卻時(shí)膨脹，兩種晶型可反復(fù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)變，利用多晶轉(zhuǎn)變現(xiàn)象容易產(chǎn)生裂紋，這可能是使陶瓷層致密度在ZrO2添加量為6%時(shí)下降的原因。

3 結(jié) 論

（1） 在鋁熱劑中添加SiO2，Ni，ZrO2制備出的陶瓷內(nèi)襯復(fù)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(fù)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(dāng)ZrO2添加量為8%時(shí)，陶瓷層致密度達(dá)到極大值94.4%。添加8%ZrO2+4%的SiO2+1%Ni的復(fù)合鋼管的壓潰強(qiáng)度達(dá)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(zé)任編輯：徐興華）