稀土La2O3對(duì)重力條件下復(fù)合陶瓷鋼管陶瓷內(nèi)襯組織的影響

稀土La2O3對(duì)重力條件下復(fù)合陶瓷鋼管陶瓷內(nèi)襯組織的影響*

劉宇雁徐國(guó)芳陳林

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院內(nèi)蒙古 包頭014010)

摘要根據(jù)鋁熱反應(yīng)，研究了復(fù)合陶瓷鋼管重力條件下制備含SiO2系列陶瓷內(nèi)襯，以及含稀土La2O3加SiO2系列陶瓷內(nèi)襯等添加物對(duì)金屬陶瓷內(nèi)襯顯微硬度和耐蝕性的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)加入稀土La2O3和SiO2時(shí)均可使陶瓷層內(nèi)襯的孔隙率降低，當(dāng)La2O3和SiO2的加入量分別為0.5%和2.0%時(shí)，對(duì)陶瓷層性能的提高效果最好，使孔隙率降低至3%,耐蝕性達(dá)到0.06g/m2·h,在一定程度上使陶瓷內(nèi)襯的耐蝕性增加，La2O3對(duì)提高陶瓷層性能的效果較好。

關(guān)鍵詞稀土陶瓷內(nèi)襯硬度耐蝕性

作者簡(jiǎn)介：*劉宇雁(1963-)，教授、碩士生導(dǎo)師；主要從事材料新工藝、新技術(shù)的研究。

中圖分類號(hào):TG335

The Effect of Rare-earth La2O3on the Ceramic-lined Tissue of Composite Ceramic Tube under the Condition of Gravity

Liu Yuyan, Xu Guofang, Chen Lin(School of Material and Metallurgy,Inner Mongolia University of Science & Technology,Inner Mongolia,Baotou,014010)

Abstract:In this article the preparation containing SiO2 series ceramic-lined has been studied under the condition of composite ceramic tube gravity. And the effect of additives on the microhardness and corrosion resistant of metal ceramic-lined has been researched. These additives are rare-earth La2O3 and SiO2 series ceramic-lined. The experiment result showed that adding rare-earth La2O3 and SiO2 can make the porosity of ceramic layer lining to reduce. When the quantity of La2O3 and SiO2 were 0.5% and 2.0% respectively, the effect on the improvement of the performance of the ceramic layer was best, it made the porosity fall to 3% and the corrosion resistance reach 0.06g/m2·h. To some extent the corrosion resistance has been increased. La2O3 had a good effect to improve the performance of the ceramic layer.

Key words:Rare earth; Ceramic-lined; Hardness; Corrosion resistance

前言

復(fù)合陶瓷鋼管是指采用自蔓延高溫合成方法，將鋼管內(nèi)壁涂覆一層陶瓷材料。這種陶瓷內(nèi)襯鋼管具有耐磨、耐蝕、耐高溫性能，是一種理想的管道輸送材料，被廣泛應(yīng)用于石油、冶金、化工、礦山等領(lǐng)域。隨著陶瓷襯管的大量使用人們對(duì)其表面質(zhì)量和力學(xué)性能的要求也越來越高。筆者主要研究了Fe2O3+Al體系重力條件下陶瓷襯管組織演變規(guī)律，以及稀土鑭對(duì)復(fù)合陶瓷鋼管陶瓷內(nèi)襯組織的影響。

1實(shí)驗(yàn)原理及方法

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1Fe2O3+Al+SiO2系列陶瓷襯組織結(jié)果及分析

表1為添加SiO2的陶瓷層性能。

表1　添加SiO 2的陶瓷層性能

圖1　含量為5%SiO 2的陶瓷層顯微組織圖

從制備的陶瓷復(fù)合管上切割出樣品,經(jīng)磨平、拋光制成試樣,用10mol 3%的硝酸酒精加入1g的苦味酸進(jìn)行腐蝕，然后在蔡司CA25型金相顯微鏡下進(jìn)行金相組織觀察結(jié)果見圖1；利用X射線衍射進(jìn)行物相分析，其衍射圖譜見圖2。

X射線衍射分析顯示涂層由 -Al2O3、鐵鋁尖晶石FeO·Al2O3、Fe及SiO2相組成。Al2O3為反應(yīng)產(chǎn)物,鐵鋁尖晶石為Al2O3與反應(yīng)不完全的FeO繼續(xù)反應(yīng)的產(chǎn)物,Fe為未完全分離的鐵產(chǎn)物。由金相顯微照片可以看出,Al2O3晶體呈不同程度分枝的柱狀,Fe以微細(xì)粒狀殘存于涂層,鐵鋁尖晶石、低熔點(diǎn)二氧化硅相均位于Al2O3晶間分布(見圖3)。這是由于未添加SiO2的涂層Al2O3晶體在正溫度梯度下凝固,液/固界面穩(wěn)定,以平界面方式生長(zhǎng),從而形成平直柱晶。當(dāng)添加SiO2時(shí),由于SiO2溶于Al2O3液相,引起Al2O3晶體凝固中的成分過冷,而導(dǎo)致界面的不穩(wěn)定胞狀或樹枝狀方式生長(zhǎng),從而形成Al2O3的分枝狀柱晶。各組成相的形成過程為：首先，高熔點(diǎn)的 -Al2O3凝固，以柱晶或樹枝狀柱晶發(fā)展成陶瓷層骨架；其次，熔點(diǎn)較高的鐵鋁尖晶石相FeO·Al2O3從液相中結(jié)晶；最后，在含有SiO2的涂層中，熔點(diǎn)最低的SiO2相凝固，因而，鐵鋁尖晶石和SiO2相均存在于主晶相 -Al2O3晶體的間隙。

圖2　陶瓷層的X射線衍射圖譜 Fig.2　X-ray diffraction pattern of ceramic coating

圖3　加入0.5%La 2O 3和2.0%SiO 2的陶瓷層顯微組織

Fig.3Microstructure of the ceramic coating with 0.5% La2O3and 2.0% SiO2

2.2Fe2O3+Al+La2O3+SiO2系列陶瓷襯組織結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)之所以選擇La2O3是因?yàn)樵谔沾捎粤虾凸δ芴沾芍薪?jīng)常要添加La2O3；選擇陶瓷釉料是為了使陶瓷層具有光滑的表面和一定的光澤度。在功能陶瓷中添加La2O3是為了使其具有更好的功能。由此想到在鋁熱劑中加入La2O3，能否會(huì)起到提高表面質(zhì)量和陶瓷層性能的作用。為了證實(shí)這個(gè)假設(shè)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表3所示，Z18樣品陶瓷層顯微組織如圖3所示。

表3　不同添加劑對(duì)陶瓷層表面質(zhì)量和性能的影響

注：A-陶瓷層表面細(xì)膩光滑，質(zhì)地好;B-陶瓷層表面光滑，晶粒粗大，質(zhì)地較好;C-陶瓷層表面粗糙，有氣孔，質(zhì)量一般;D-陶瓷層很薄，有氣孔，質(zhì)量較差。

對(duì)于樣品Z16和Z17，當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始點(diǎn)燃時(shí)，反應(yīng)迅速進(jìn)行，火花四射，物料被大量噴出，鋼管迅速變紅。待冷卻后我們觀察到管口有淡黃色的物質(zhì)殘留，物料大部分被噴出，所以下部鋼管的表面只附著較薄的一層陶瓷層，而上部有些地方?jīng)]附著陶瓷層，仍可見到鋼管。由于反應(yīng)十分迅速，反應(yīng)溫度急劇升高，物料中的氣體很難快速?gòu)匿摴苤幸绯觯虼颂沾蓪颖砻嬗行饪状嬖?。從?shí)驗(yàn)可以看出，La2O3作為稀土添加劑與Y2O3相比反應(yīng)劇烈得多。因此要保證陶瓷層的質(zhì)量必須在其中加入SiO2。對(duì)于整個(gè)反應(yīng)來說，SiO2對(duì)燃燒過程具有抑制作用，屬于化學(xué)反應(yīng)的稀釋劑。它能強(qiáng)烈地抑制燃燒過程，降低燃燒溫度和蔓延速率，并使反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低，使熔體中FeO亞穩(wěn)組元含量增多，從而導(dǎo)致在熔體冷卻中Al2O3初晶相溫度下降，逐漸偏向共晶點(diǎn)，有助于增加液相存在時(shí)間，促進(jìn)氣相逸出過程，從而增加陶瓷層的致密度。但是實(shí)驗(yàn)還應(yīng)該嚴(yán)格控制SiO2的加入量，當(dāng)加入SiO2的含量達(dá)到5%時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，陶瓷層又變得粗糙而且表面有氣孔存在。

分析其原因是由于加入的量過多反而會(huì)使燃燒過程受到稀釋， 陶瓷熔體所處最高溫度顯著下降,而且多余的SiO2還可能與鋁熱反應(yīng)的生成物Al2O3形成復(fù)雜絡(luò)合離子,從而使熔體的動(dòng)力粘度急劇下降,強(qiáng)烈抑制液相分離與氣相逸出過程,這樣阻礙了陶瓷的致密過程。通過對(duì)陶瓷層表面質(zhì)量和孔隙度、顯微硬度、耐蝕性的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)La2O3和Y2O3對(duì)陶瓷層的影響具有相似的作用[1～2]。加入適量的La2O3后，由于La3+和Al3+的半徑相差較大，難以在Al2O3中固熔，因此它們與SiO2第二相一起共同抑制晶粒長(zhǎng)大形成細(xì)致均勻的顯微組織[20]，進(jìn)而來提高陶瓷層的性能。但如果加入的量過多則會(huì)與SiO2結(jié)合,組成新的稀土相(N),改變了結(jié)晶過程,抑制了分枝化,使Al2O3晶體不分枝，且晶粒粗大。因此我們?cè)诩尤敫鞣N添加劑時(shí)要考慮它本身對(duì)反應(yīng)的影響(是促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行還是阻礙反應(yīng)的進(jìn)行)。不論屬于哪一種添加劑，加入時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制其加入量。當(dāng)兩種類型的添加劑同時(shí)加入時(shí)，它們共同作用的效果才能達(dá)到最佳，若控制不當(dāng)反而會(huì)對(duì)陶瓷層的性能產(chǎn)生不良影響[10]。

3結(jié)論

筆者主要研究了稀土添加劑對(duì)陶瓷內(nèi)襯鋼管顯微組織、孔隙度、顯微硬度耐蝕性和力學(xué)性能的影響。得出以下結(jié)論：

1)以SiO2添加劑作為比較的對(duì)象，SiO2可使陶瓷層的顯微硬度達(dá)到1150kg/mm2，耐蝕性達(dá)到0.25g/m2·h(10%HCl溶液)，孔隙率為4.6%，抗壓潰強(qiáng)度p為228.5MPa，抗壓剪強(qiáng)度s為19.1MPa。

2)La2O3和SiO2同時(shí)加入與只加入SiO2添加劑相比較,其反應(yīng)劇烈。由于La3+和Al3+的半徑相差較大，難以在Al2O3中固熔，因此它們與SiO2第二相一起共同抑制晶粒長(zhǎng)大形成細(xì)致均勻的顯微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而來提高陶瓷層的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，La2O3的添加量不能大于1%，且當(dāng)La2O3和SiO2的添加量分別為0.5%和2.0%時(shí)，對(duì)陶瓷層性能的提高效果最好，使孔隙率降到3%,耐蝕性達(dá)到0.06g/m2·h。可見添加La2O3對(duì)提高陶瓷層性能有較好的效果。當(dāng)La2O3的加入量過量時(shí)，反而使孔隙度增加，耐蝕性和顯微硬度下降。

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