毕业设计（论文）添加剂对自蔓延陶瓷复合管性能的影响.doc

添加剂对自蔓延陶瓷复合管性能的影响摘 要自蔓延高温合成法(SHS)，它是利用化学反应的剧烈发热来制取高熔点化合物，尤其是难熔材料、复合材料、功能材料和耐磨材料的新技术。SHS技术具有能耗低、工艺设备简单、产品质量好等优点，是目前一种很有希望的制造材料的技术。本文系统研究了静态SHS法制备陶瓷内衬复合管，在铝热反应基础上，通过反应物料的不同配比、以及加入不同的添加剂，目的增加陶瓷的韧性，提高陶瓷内衬管陶瓷的致密性。以获得优质的陶瓷内衬复合管。试验中探讨了装料密度对陶瓷内衬管质量的影响，结果表明，装料密度为1.51.7g/cm3时，陶瓷内衬管的陶瓷层气孔较少，燃烧稳定。通过实验，在装料密度一定的情况下，加入4%的稀土，可以使陶瓷层的致密性提高；加入4%的石英砂，可以提高陶瓷复合管的致密性、抗热震性。加入4%的SiO2，可以提高陶瓷复合管的致密性和韧性。关键词：自蔓延，高温合成，添加剂，内衬复合管STATIC SELF-PROPAGAING CERAMIC COMPOSITECONTROL STUDY PREPAREDABSTRACTSelf-propagating high temperature synthesis (SHS), it is the use of a chemical reaction to the intense heat from high melting point compound system, in particular, refractory materials, composite materials, functional materials and wear-resistant materials, new technologies. SHS technology and low consumption, simple process equipment, product quality, etc., is a promising technology to create materials. In this paper, the static system prepared by SHS ceramic-lined pipes in the thermal reaction of aluminum on the basis of different materials through the reaction ratio, and the addition of different additives, the purpose of increasing the toughness of ceramics, ceramic-lined pipe to increase the density of ceramic . To obtain high-quality ceramic-lined pipes. Loading tests of the density of the ceramic-lined pipe quality, results show that the loading density of 1.5 1.7g/cm3, the ceramic-lined tube of the ceramic layer porosity less stable combustion. Through the experiment, the loading density in certain circumstances, adding 4% of rare earth, can make a dense ceramic layer increased; adding 4% of quartz sand, ceramic composite pipe can increase the density, thermal shock resistance. Adding 4% of SiO2, can improve the densification of ceramic composite pipe and toughness.KEY WORDS: self-propagating, high-temperature synthesis, additives, lined composite pipe目 录摘 要1ABSTRACT2目 录3前 言5第1章 自蔓延高温合成技术7§1.1 自蔓延高温合成（SHS）技术简介7§1.1.1 自蔓延高温合成(SHS)技术条件7§1.1.2 自蔓延高温合成(SHS)的点燃方法7§1.2 自蔓延高温合成热力学8§1.3 SHS技术在陶瓷内衬复合管中的应用8§1.3.1 自蔓延高温合成(SHS)应用及优缺点8§1.3.2 耐磨管使用现状9§1.3.3 重力分离制备陶瓷复合钢管11§1.4 课题意义和研究内容11第2章 试验过程13§2.1 试验材料13§2.2 试验流程14§2.2.1 试验依据14§2.2.2 试验工艺流程图14§2.3 热震性试验15第3章 试验结果16§3.1 添加剂试验16§3.2 装填密度试验16§3.3 添加剂稀土试验17§3.4 金相相图18第4章 试验分析21§4.1 添加剂的影响21§4.1.1 添加剂对铝热反应速度的影响21§4.1.2 添加剂对组织的影响21§4.2 装料密度对陶瓷层的影响22§4.3 钢管直径大小对陶瓷层的影响22结 论23致 谢24参考文献25中文资料翻译26前 言自蔓延高温合成(Self propagating High-temperature Synthesis,缩写SHS)技术,是利用化学反应自身放热依靠燃烧波自我维持,并通过控制自维持反应速度、燃烧温度、反应转化率等条件,进而获得具有指定成分和结构产物的一种新型材料制备技术。SHS技术主要沿两个方向发展，以是以SHS过程为基础借助于传统技术的辅助，如SHS制粉技术；另一方向是以传统技术为基础借助SHS的辅助，如SHS烧结技术、SHS加压致密化技术、SHS冶金技术、SHS气相传输涂层技术及SHS焊接技术等。SHS以其工艺简单、能耗小、成本低，在新型材料制备领域得到了广泛的应用，利用静态自蔓延高温合成技术法制备陶瓷内衬复合钢管的技术，在我国受到了广泛的应用。新型陶瓷具有强度高、硬度高、弹性模量大、热胀系数小、密度低、耐高温、抗腐蚀及耐磨等优异的力学性能和物理化学性能，是一种很有发展前途的结构材料，可用于航空、航天、竣工、核能、汽车及道具制造等领域获得广泛应用。但陶瓷的加工性能差、延性和冲击韧度低、耐热冲击能力弱，不易制成大型或形状复杂的构件，因此如何使产品的连接性更好，使其韧性及耐热冲击增强是我们必须解决的难题。这一新技术首先是前苏联科学院化学物理研究所的Merzhanov教授等人在上个世纪60年代后期提出的一种材料合成新工艺。前苏联人自1967年开始研究燃烧合成以来，很快取得了重大成果2，从SHS技术被发现到上世纪80年代初，只有前苏联在不对外公开的状态下进行研究。前苏联科学院对SHS技术研究极为重视，专门从其科学院物理化学研究所分离出一个单位来研究，即后来著名的结构宏观动力研究所.该单位对SHS技术进行全面的研究.取得了奠基性的成果.进入90年代，尽管俄罗斯总体科研环境欠佳，但其SHS领域研究总体水平仍然居于世界前列.前苏联对SHS理论的建立和SHS技术的应用发展做了大量的工作，他们建立了SHS燃烧理论，又将其和材料科学结合起来，提出了结构宏观动力学理论，建立了SHS过程中的燃烧过程和材料结构形成间的关系;在应用方面发展了一系列无机材料粉末合成与成型、致密化技术相结合的技术。70年代末80年代初，该技术传到美国、日本、中国等国家，引起了世界上其他国家的重视。SHS技术的研究涉及热力学、反应动力学、高温物理学、材料与工艺。研究主要集中在SHS基础理论研究，SHS工艺品流程探索和SHS材料的结构、性能及应用等，能制备的材料及十分广泛的领域，是一种极有发展前景的技术手段，因此在世界范围内掀起了研究高潮，特别是许多发达国家投入了大量的人力、物力，如日本、美国、西欧等国。我国在80年代中后期，西北有色金属研究院、北京科技大学、南京电光源研究所、武汉工业大学、北京钢铁研究总院等单位相继展开SHS研究。自1989年以来，先后有三批来自美国加洲大学和前苏联宏观动力学研究所的教授和学者来华讲学和交流，引起了我国材料科学工作者的浓厚兴趣，启动和促进了SHS在我国的研究和开发。Munir教授和Borovinskaya教授等曾分别应邀在北京科技大学和北京有色金属研究总院介绍SHS技术。八五期间，国家863计划新材料领域设立SHS技术项目，支持SHS研究开发。1994年，在武汉召开了第一届全国燃烧合成学术会议。我国SHS的产业化成果也得到国外同行的高度评价。我国研制的陶瓷内衬复合钢管陶瓷年产近万吨。近年，我国在SHS领域加强了与国外的合作与交流，发表的SHS方面的文章数目仅次于俄、美，与日本相近。我国台湾学者在SHS粉末和不规则燃烧方面也取得引人注目的研究成果。 第1章 自蔓延高温合成技术§1.1 自蔓延高温合成（SHS）技术简介§1.1.1 自蔓延高温合成(SHS)技术条件发生燃烧合成的基本要素是:(l)利用化学反应自身放热，完全(或部分)不需要外热源;(2)通过快速自动波燃烧的自维持反应得到所需成分和结构的产物;(3)通过改变热量的释放和传输速度来控制过程的速度、温度、转化率和产物的成分及结构。§1.1.2 自蔓延高温合成(SHS)的点燃方法SHS是需要外部提供热量来引燃SHS反应，提供能量的方式有两种，一是对SHS材料整体加热，达到一定的温度，则燃烧反应在整个材料内同时进行，称热爆反应;另一种是利用外部热源加热SHS材料局部，使其受到强烈的加热而首先燃烧，随后，燃烧火焰传播到整个反应体系中，这种方法叫做点火，是常用的方法。点火是一个非常重要的过程在无气相燃烧系中有着很重要的作用.从理论上说，只要给自蔓延材料一定的能量，使其温度升高，达到点燃温度的能源都能来点燃SHS反应。目前，常用的点火源有:1盘状钨丝:当钨丝通电时发热，利用辐射能点燃反应。这种方法应用最多，但热源的能量密度低，点燃时间长，难控制。2接触电阻:当自蔓延亚坯材料通一电流，利用金属粉粒之间的接触电阻加热并引燃自蔓延高温合成反应。这种方法是整体点火，升温速度快，而且可以控制。但由于接触电阻处电流很大，电阻热大，接触处微小区域的温度很高，粉体的平均温度低，并且粉粒形状、大小和粉体的密度都影响接触电阻，所以，难以得到准确的点火温度。3电弧点火:用电弧的高温来点燃自蔓延高温合成反应。电弧的温度高，易点燃，但难以进行控制和测量。4微波点火:用微波点燃自蔓延高温合成反应，这是在整个微波作用的体积内都产生热量的体积热源，加热速度快，温度梯度小，但微波对材料的选择性很强.5冲击荷载点火:用具有一定位能的冲头冲击材料，使其点燃自蔓延高温合成反应。这种方法简单，但对冲击能量和试验条件有一定的要求，应用受到限制。6电火花点火:利用高压放电产生的电火花点燃SHS体系.这种方法可以用来点燃气体悬浮金属粉末或弥散固体粉末。很明显，这种方法的应用很窄。7化学点火:将易燃的活性材料与SHS体系接触，点燃活性材料，就可以引燃SI侣体系，但是，活性材料及其适用性有限.8激光点火:用激光脉冲照射自蔓延材料表面，点燃自蔓延高温合成反应，也有用连续激光点火。§1.2 自蔓延高温合成热力学燃烧体系进行热力学分析是研究过程的基础。热力学的主要任务是研究化学反应的可能性，计算燃烧温度与产物的平衡成分。绝热燃烧温度是描述反应特征的最重要的热力学参量。它不仅可以作为判断反应能否自我维持的定性判据，还可以对燃烧反应产物的状态进行预测，并且可为反应体系的成分设计提供依据。1 Merzhanov等人提出以下经验判据：当Tad>1800K时，反应才能自我持续完成。当上述条件不满足时，则需要外界对体系补充能量，如预热、化学炉、热爆等方法，才能维持自发反应;2 作为工艺设计的依据:某体系的Tad与熔点Tm物比较，当Tad<Tm，产物为固相；Tad>Tm时，产物为液相，Tad=Tm时，产物部分为液相。§1.3 SHS技术在陶瓷内衬复合管中的应用§1.3.1 自蔓延高温合成(SHS)应用及优缺点目前，SHs合成的化合物己在工业中和高技术中的应用如下:(1)研磨料、光粉和砌削工具，如TIC、其它碳化合物，以及碳氮化合物;(2)高温加热元件，如MoSi2；(3)高温润滑剂。如钥的硫化物；(4)形状记忆合金，如Ti一Ni合金；（5)高温结构合金，如Ni一A1合金；(6)冶炼高氮钢用的中间合金，如氮化钒铁，氮化铬铁等；(7)腐蚀性介质中的电解电极，如铝电解惰性阴极材料TiB2；(8)高硬度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀的碳化物、硼化物可作为磨料或复合材料的第二相增强质点，TIC基硬质合金轧辊、拉丝模、刀具已广泛应用于金属加工。(9)硅化物可用于耐热元件，如MoSi2，MoSi2一Al2O3加热元件。金属间化合物TINI已制成形状记忆合金在医学、机械学方面使用;TIAI基、NIAI基材料被认为是在高温航空应用方面很具潜力的材料。(10)氮化物中，TIN可用于腐蚀性介质中的电极，六方BN已用于半导体Si3N4-SiC-TiN高温陶瓷可用作高级耐火材料 Si3N4可作为陶瓷深加工的粉末。(11)硫化物制成的半导体和照明器件在微电子、无线电工程及非线形光学方面具有独特性能，硫化铝还可用作高温润滑剂。(12)难熔金属氢化物用作中子衰减剂。(13)功能梯度材料(FGM)，如TIC一Ni。(14)薄膜或者涂层，如MoSi2、TiB2等陶瓷，金属间化合物，硬质合金等。(15)颗粒强化金属基或金属间化合物基、陶瓷基复合材料也可由SHS直接制备，如TiB2一Cu，TIC一Al2O3。利用A1和氧化铁之间的铝热反应制备的陶瓷内衬复合钢管已用于金属液输运管和腐蚀性气体输运管。(16)用SHS可以合成一些材料具有特殊的磁、电及物理性能，如复杂氧化物LiNbO3可用作高温超导材料。此外，SHS技术合成的材料还可用作催化剂、颜料、储氢材料等。一些粉末制品(如TIC、MoSi2、AIN)、耐火材料、高氮铁合金、TIC基硬质合金、TINi形状记忆合金、陶瓷内衬钢管等已工业生产应用，SHS在许多领域的应用还处于实验或起步阶段，其广阔的应用前景有待进一步地研究。与传统的工艺相比，SHS的主要优点在于:1反应时低沸点的杂质挥发逸出，产品纯度高；2除启动反应外，不需外热，简化设备，节省能源；3产品中极有可能出现非平衡或亚稳相，产品活性高；4不仅扩大了材料合成所用原料来源，降低成本，还具有很广的应用性；5能够简便地直接获得复合材料，这种复合材料是“内在的复合”，质量好。燃烧过程的快速升温和降温，易获得介稳定相。(如硼化铬是有一种非常硬的金属化合物，耐磨性好，具有优良的抗温氧化性能，在1300以下具有良好的热抗震能力，)耐强酸、亦具有高的中子吸收截面；6相界面结合紧密、无污染等优点，所以SHS是一种发展前途很大的方法。反应时低沸点的杂质挥发逸出，产品纯度高；7过程迅速、省时;8产品中极有可能出现非平衡或亚稳相，产品活性高；9可以使材料的合成致密化同时完成；10周期短，生产效率高，燃烧合成过程一般只需几秒钟；11相界面结合紧密、无污染等优点，所以SHS是一种发展前途很大的方法。SHS技术也存在一些缺点，如SHS成行固结技术难以制备准确形状尺寸无需切削加工的制品。§1.3.2 耐磨管使用现状管状输送物料是当今世界上广泛采用的运输手段之一，这种方式不仅可以实现长距离、大批量输送，而且与其它运输方式相比，具有更低的运输成本。当输送粉状、颗粒状散料如煤炭等易飞扬的物料时，可以克服物料敞开输送过程中产生的物料洒落、飞扬，以至对环境造成严重污染。也可避免物料受日晒、风吹、雨淋影响造成的损失和浪费。国内现有的耐磨管材品种较多。以往在不同阶段、不同系统使用过的材料主要有低合金钢管、铸石复合管、高铬铸钢管、高铬铸铁管、稀土合金管、管、不锈钢管、橡胶衬里复合管、塑料衬里复合管、陶瓷贴片管、超高分子量聚乙烯管以及陶瓷复合钢管等。这些耐磨管从使用条件、所需配件、安装要求到产品质量、使用性能等各方面来看，差异较大，实际应用过程中各有特色，优缺点也较明显。普通碳钢管、锰钢管等一些低合金钢管，重量轻、安装方便，初次投资费用较低，但耐磨性一般、使用寿命短，检修工作量大，更换相当频繁，使用过程中发生的二次检修和维护费用相当高铸石复合管耐磨性尚可，但管壁厚，管径非标，且管线占据空间大，重量重，安装时支架耗用钢材多高铬铸钢管、高铬铸铁管等直管可焊性差，管配件少，弯管和分支管均需与钢管配套使用，价格较高不锈钢管具有一定的抗腐蚀性能，但材料价格贵，耐磨性一般塑料衬里复合管、橡胶衬里复合管和陶瓷贴片管受材料性能影响，使用受到限制超高分子量聚乙烯管是用挤压方法成型的，其耐磨性较好并有一定的阻结垢性能，但价格昂贵，而且材料的抗磨性能及其它机械性能会随时间出现一定程度的老化和劣化现象，难于大面积推广。SHS陶瓷复合钢管，具有：（1）寿命长。陶瓷复合管的耐磨性很高，其使用寿命为普通钢管10倍以上，为高铬铸钢管、铸石复合管2-4倍。（2）重量轻。陶瓷复合管单位长度重量轻，只是高铬铸钢管重量。除了减少安装、检修时的劳动强度和费用外，还降低了管道架空支撑材料费。（3）价格低。在相同内径下，陶瓷复合管单位长度的价格只是高铬铸钢管的70%左右。（4）可焊接。陶瓷复合管的外层是钢管，可用普通焊条直接进行焊接，陶瓷层不会脱落，而高铬铸钢管可焊性差。（5）标准化。陶瓷复合管直径为国家标准常规系列，连接的管配件能配套，而高铬铸钢管和铸石复合管均为非标。（6）施工方便。陶瓷复合钢管可采用焊接、法兰、柔性快装接头等连接方式。此外，具有抗适度的力与热的冲击，运输、安装也相当方便。（7）耐高温。使用温度可达800，而高铬铸钢管仅有450，铸石复合管只有250。因此，SHS陶瓷复合钢管己成为一种新型物料输送工具，发展前景广阔。§1.3.3 重力分离制备陶瓷复合钢管大直径钢管采用一离心法制备陶瓷复合管是成功的，受离心法工艺的限制，小直径和其它不规则形状的钢管仍采用离心法显然是不可行的。经过工程技术研究人员的努力，利用重力原理使得在过程中熔体涂覆到钢管的内壁，制备陶瓷复合钢管已取得成功。在直立放置的钢管中，铝热反应产生的高温使反应物处于熔融状态，钢管中在反应物料上形成了由金属及陶瓷两相熔体组成的熔池，由于的密度大于涂层相的密度，在重力作用下，两熔体分离，沉积于熔池的底部，熔融的涂层相浮于熔池的上部。随着自蔓延反应的进行，液面逐渐下降，导致的液相和陶瓷液相依次附与钢管内壁并结晶凝固，从而在钢管内壁形成连续均匀的涂层。该技术的特点是将待制备的管材或零件在制备过程中置于垂直静止状态，无需高速旋转，借助铝热自蔓延过程和-Fe液相重力分离特征，在燃烧过程中同时实现陶瓷涂覆。离心法技术由于受到制备原理的限制，对作为物料输送系统关键部件的弯头难以实现陶瓷涂覆，生产仅局限于将SHS离心复合直管按角度切割、拼合焊接的工艺，这样不仅使陶瓷内衬复合弯管的生产工艺复杂、成本高，而且也将使复合弯管的性能和使用范围受到限制。1996年初，军械工程学院王建江、叶明惠、赵忠民、杜心康等圈基于离心技术的研究，开发出了重力分离技术，并利用该技术结合旋转工艺成功地制备出陶瓷内衬复合弯管，所生产出的陶瓷内衬复合弯管已在炼铁高炉输煤系统中得到应用。§1.4 课题意义和研究内容随着科技和生产的发展，人们对钢管使用性能的要求越来越高。例如，随着以石油工业和化学工业的迅速发展，钢管的工作条件正在向高温、高压、及耐蚀方面发展，过去使用普通碳素钢管，现在不得不使用不锈钢管。煤炭工业的发展对输煤管的耐磨性提出了更高的要求。随着石油资源向深海洋及北极寒冷地区发展，油井管的使用条件恶化，它不仅要求一定的抗压溃强度，而且一定的耐蚀性、隔热性及耐磨性能，普通碳素钢管乃至不锈钢管很难满足上述要求。总之，普通碳素钢管的耐蚀性、耐磨性、隔热性能等不能很好满足很多场合的使用要求，而不锈钢管尽管耐蚀性较好，但是耐磨性和隔热性差，而且价格昂贵。因此，必须对普通碳素钢管进行加工改造。陶瓷涂层具有优良的耐热性能、隔热性能、耐磨性能，而且无论是在室温还是高温都具有优异的耐腐蚀性能。因此，陶瓷作为涂层材料逐渐被人们所采用。传统生产陶瓷衬管的工艺包括烧结法、等离子喷涂法、堆焊法、机械镶嵌法等因技术工艺本身的不足，限制了产品的使用，无法满足实际生产需要。近年来，自蔓延高温合成技术作为一种崭新工艺引起人们极大兴趣。其特点是工艺简单，节约能源，产品纯度高。离心自蔓延高温合成制造内衬陶瓷复合钢管技术，国内外学者已进行大量研究，有关资料已对反应机理、化学反应成分配比及添加剂影响等相关问题论述了许多。合成技术己实现产业化，但不适于小直径管、异型管的复合合成。在离心自蔓延高温合成技术的基础上出现的重力静态分离自蔓延高温合成法，与离心自蔓延相比较，不仅可处理各种直径的钢管，而且在处理一些非回转体内表面显示出巨大的优越性，如各种耐蚀弯管、异形管及具有复杂的内表面而又要耐蚀的工件，因此该技术应用前景广阔。由于重力分离反应自发进行，不易控制，反应过程中温度的剧烈变化，气体的强烈释放及物料反应前后摩尔体积的变化等往往造成陶瓷涂层疏松、裂纹、表面质量差及厚度不均匀等缺陷，进而影响复合管的使用性能。与离心法相比，自蔓延铝热-重力分离法由于没有离心力的作用，有两个关键问题必须引起注意：一是形成陶瓷-母管双层结构时，由于没有过渡层，容易引起结合强度不足；二是体系中气体和低熔点杂质完全靠自然逸出，容易引起陶瓷层致密度下降。针对重力分离陶瓷复合钢管目前工艺存在的问题，本课题对影响复合层质量的添加剂的行为和合成工艺进行研究，希望为重力分离技术制备高性能陶瓷内衬复合管提供理论和技术支持。第2章 试验过程 §2.1 试验材料 试验以Al+Fe203和Cr03+2Al系铝热反应为基础，试验材料有铝粉、氧化铁、三氧化铬，采用稀土、石英砂及Si02做添加剂进行对比，试验用具有天平（带砝码）、玻璃棒、烧杯、漏斗、电阻丝及夹具（图2-1）等。 图2-1 反应装置示意图化学药剂：三氧化铬为500g瓶装粉，化工商店购买，经研磨后使用。试验采用Ø外20X150 mmC20无缝钢管和Ø外45X220mmC20无缝钢管，经丙酮、酒精洗后烘干使用§2.2 试验流程§2.2.1 试验依据2Al+Fe203=2Fe+Al203+863KJ (2-1)Cr03+2Al=Al203+Cr+1094KJ (2-2) （2-1）式中取 Al：Fe203 =1：2.96； （2-2）式中取Al： Cr03 =1：1.85由于浪费的严重，为了提高反应速率且保证Fe203完全反应 故取值：1式中取 Al：Fe2031：2.70 2式中取Al： Cr031：1.80计算公式: h m= v为钢管的体积，h为钢管的长度。§2.2.2 试验工艺流程计算点火混料研磨装料称量烘干预热记录切割腐蚀抛光显微观察图本实验的工艺流程图：本实验按照如下步骤进行:1将三氧化铬研磨烘干，并按比例成分配料，混合1h至均匀，将混合配料烘干2h。2将配料以一定密度添加到钢管中。3将钢管预热，然后固定在夹具上。4用导线接焊机上，并用电阻丝进行点燃，并记录燃烧时间。5截取环状复合管试样。6对环状截取物进行抛光，腐蚀。7用显微镜观察并截取陶瓷层及其和金属层间隙的平面图。8分析不同添装密度、不同钢管、不同添加剂比例，进行讨论。9对本实验作出实验报告和结论。§2.3 热震性试验评价得到的陶瓷复合钢管结合能力常用方法有:轴向压剪强度、径向压溃强度、抗冲击能力和抗热震能力等。轴向压剪强度测试:用下模具支撑复合管钢管基体，上压头从上往下压内衬陶瓷，以陶瓷层能承受的最大压力作为评定值。径向压溃强度测试:将复合管放在压力机上下压头之间，然后缓慢施压，以陶瓷层出现破裂时的压力作为评定值。抗冲击能力测试:一般用石英砂以一定的速度、流量和在一定距离，冲击陶瓷层。以陶瓷层碎裂的时间作为评定值。压力测试，方法简单，数据直观。但轴向压剪强度测定时，因陶瓷层厚度仅2mm左右，测试操作难度大;径向压溃强度测定的压力主要取决于钢管的强度，而同牌号钢管因成分差异强度有波动，测试值可比性差。石英砂冲击实验只作用局部区域，不能反映陶瓷内衬沿圆周分布的特点。上述三种实验均在室温状态下测试，而冶金行业使用的钢管大多数是在高于室温状态下使用，因此前述方法在反映陶瓷性能上就存在不足。热震性能实验是在一定的温度条件下反映陶瓷层的结合能力，其结果更接近钢管的实际使用状况，因此，实验选用热震性能实验作为陶瓷层结合能力的评定值。设计的实验方法如下:第一步，将复合钢管横向切割成长30mm试样，送入已预热到860箱式电炉加热。当温度回升到860时，保温30min，出炉空冷至室温。第二步，取出后用TXD一I实体显微镜观察断面及内表面裂纹情况。第三步，经观察的试样再次送入预热到900电炉内加热保温、空冷，如此反复。实验，直到裂纹出现。用出现裂纹时的实验次数来评价陶瓷复合钢管的抗热震性能。第3章 试验结果§3.1 添加剂试验取Cr0325%，设计了不同添加剂的实验，见表3-1。表3-1不同添加剂试样Fe203(g)Cr03(25%/g)Al(g)密度(g/cm3)Si02 (4%/g)稀土(4%/g)石英砂(2%/g)燃烧时间 (s)陶瓷层壁厚(mm)3-w178.052.295.01.634.842.903-g168.452.291.31.613.020.712.803-x168.452.291.31.613.040.212.773-s168.452.291.31.613.049.322.82采用电热丝点火，燃烧情况如下： 1#第一次点火失败，原因是电阻丝没接好，导致熄火。反应时燃烧均匀，有大量飞溅物，火焰较高，有声音。陶瓷层光滑。2#燃烧剧烈，有大量飞溅，燃烧均匀稳定，由于底部药粉露出，使落下的铁水引燃药粉，导致底部同时燃烧。陶瓷层光滑，底部陶瓷层脱落。 3#开始燃烧有大量飞溅，火焰较高，中间燃烧平稳。陶瓷层光滑，但底部陶瓷层比较薄。4#开始燃烧有大量飞溅，燃烧声音较大，中间燃烧稳定。陶瓷层底部较薄，陶瓷层十分粗糙。§3.2 装填密度试验选择20钢无缝管，规格Ø外20X3X150 mm，不加任何添加剂。见表3-2表3-2不同密度试样Fe203(g)Cr03(30%/g)Al(g)密度(g/cm3)陶瓷层壁厚(mm)1-1317.96.810.51.31.811-1520.47.711.81.51.451-1722.58.513.01.71.751-2025.69.715.02.01.50试验现象：1#有大量飞溅物，燃烧不均匀，中间燃烧较均匀，无飞溅。陶瓷层表面不光滑。2#飞溅较大，燃烧较平稳，有铁水流出，陶瓷层不光滑。3#燃烧不均匀，飞溅物较少，燃烧过程平稳，陶瓷层较粗糙，铁水基本流出。4#有大量飞溅物，火焰较高，中间燃烧稳定，铁水基本流出。陶瓷层不很光滑。§3.3 添加剂稀土试验选择20号无缝管，规格Ø外20X3X150 mm，装填料密度为1.3，加入不同比例的稀土，见表3-3。表 3-3不同比列稀土样号Fe203(g)Cr03(35%/g)Al(g)密度(g/cm3)稀土(g)燃烧时间 (s)陶瓷层壁厚(mm)4-216.07.910.41.30.724.681.404-415.67.910.21.31.428.481.414-615.07.910.01.32.126.811.88实验现象：1#第一次点火没成功，由于电阻丝与铁管接触，导致过载，点火失败。燃烧较均匀，基本没飞溅物。陶瓷层粗糙底端陶瓷层较薄。2#燃烧有大量飞溅，到中间燃烧较均匀。陶瓷内表面很粗糙，导致堵塞。3#燃烧较均匀，飞溅不多。陶瓷层粗糙，底端陶瓷较薄，钢管有烧穿痕迹。§3.4 金相相图陶瓷层组织将复合管横切试样观察，金相见图3-1到3-12 图3-1 无添加剂 母材 （400X） 图3-2 无添加剂陶瓷区 （100X） 图3-3 无添加剂陶瓷层 （400X） 图 3-4 无添加剂过渡区 （100X） 图3-5 Si02母材 （400X） 图3-6 Si02陶瓷区 （100X） 图3-7 Si02陶瓷层 （400X） 图3-8 Si02过渡区 （100X） 图3-9 石英砂过渡区（100X） 图3-10 石英砂陶瓷区（100X） 图3-11 稀土过渡区（100X） 图3-12 稀土陶瓷区（400X）第4章 试验分析§4.1 添加剂的影响 铝热反应燃烧合成的陶瓷层，组织不致密，有微裂纹存在，与钢管本体的结合不够牢;添加添加剂，就是要提高组织的致密度，消除裂纹，增强陶瓷层与基体的结合强度。§4.1.1 添加剂对铝热反应速度的影响实验结果看到，在铝热反应的基础上加入添加剂后，对于大多数添加剂，反应速度都不同程度变慢;随着加入的添加剂的数量增加，反应速度下降，直至不反应。这是因为，加入的稀土、石英砂等，与A1不能发生自蔓延反应。所以，随着添加剂的加入，其在A1粉末的周围逐渐增多，Al粒与Fe2O3。粉末接触的表面积逐渐减少，反应相应减弱。当加入的添加剂量增加到足以完全包裹住A1粒时，A1与Fe2O3的表面被完全分割开，自蔓延燃烧反应就完全停止。而GrO3与A1能发生自蔓延反应，因此，反应随加入量增加而加剧。§4.1.2 添加剂对组织的影响加入添加剂后，复合层中的Al2O3相对量减少，SiO2、稀土、石英砂在陶瓷中的相对量上升。1.SiO2对组织的影响图3-1至3-4和图3-5至3-8比较，在加入SiO2后，陶瓷层组织较致密，过渡区结合较紧密，界面层空隙明显减少，树枝晶有少量的减少，Al203晶体分枝较发达。这是由于SiO2能使体系融融产物高温停留时间延长，一方面提高了液相的流动性，补缩能力增强；另一方面使气体、杂质有充足时间排除，从而使陶瓷层致密化提高。2.稀土对组织的影响图3-1至3-4和图3-9至3-10比较，在加入稀土后，陶瓷层组织变的较细腻，裂纹有所减少，但在过渡区的结合部是很紧密，有明显的裂痕，陶瓷层界面空隙减少，Al203柱晶变细，这是由于稀土形成高熔点稀土氧化物（RO）成为Al203晶体的形核剂，从而使晶体细化；此外，部分稀土溶于液相，引起Al203晶体发生明显变化，这部分稀土最后在晶间凝固，形成较低熔点的稀土相（RX）。3.石英砂对组织的影响 图3-1至3-4和图3-11至3-12比较，在加入石英砂后，过渡区有很明显的一条细微裂痕，陶瓷层致密度较高。这是由于在加入石英砂后，其燃烧温度降低，燃烧波传播速度减慢，但其致密度有所提高，通过热震性，其热震性有所提高，但其硬度有所下降。§4.2 装料密度对陶瓷层的影响 实验条件下，密度从1.1g/cm3增加，陶瓷涂敷层随之增厚;到1.5-1.7g/cm3时，涂层达到1.5mm左右;再增加密度，涂层虽然也在增厚，但增速变慢，内表面变得凹凸，不光滑，密度越大，凹凸起伏就越突出，表面越显粗糙。这是因为陶瓷结晶、凝固的速度与陶瓷熔体受到的重力作用是一对矛盾。密度低时，前者的作用大于后者，陶瓷凝固增厚的速度快;随着密度增加，凝固速度变慢，重力的作用逐渐增大;当凝固速度下降到小于重力作用时，涂层增厚出现明显变慢。低密度时，物料比较松散，单位体积的料相对较少，燃烧波传播阻力小，燃烧的物料层下降速度很快，但单位体积燃烧放出的热量有限，不能使钢管体温度在短时间内上升到较高温度，熔融的陶瓷与之接触被激冷凝固，呈现出光滑的表面。由于密度小，单位体积混合料生成的陶瓷量有限，涂覆层薄。由于在做试验时是人工装料，使得反应燃烧不均匀，致使陶瓷层厚度不均匀，使得数据有些偏差。参考其他实验，陶瓷层厚度跟密度大小是成正比的。§4.3 钢管直径大小对陶瓷层的影响根据做出的大管与小管进行对比，大管陶瓷层与基体的结合不如小管，这是由于大管物料较多，反应较剧烈，使得反应时铁水随热冲力不断的喷出，在基体与陶瓷之间附着的金属颗粒较少，而小管在基体与陶瓷间附着的金属颗粒较多，使得后者连接性更好，但陶瓷层不是很光滑。结 论本课题是采用SHS法制备陶瓷复合管，通过添加不同的添加剂，不同密度进行了金相分析，总结所作的工作，得出以下结论：1.在铝热反应基础上加入添加剂：随添加剂加入量的增加，燃烧温度下降燃烧波传播速度减慢，直至不能发生反应；加入石英砂，可以提高陶瓷层的致密度；加入SiO2，降低了陶瓷层裂纹倾向，但硬度有所下降；加入稀土，使得陶瓷组织较细腻，但抗冲击力较弱；陶瓷复合层结构以机械结合为主.