CN107417138B - 一种金属玻璃复合管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属玻璃复合管的制备方法，属于复合管材制备技术领域。本发明以铝与氧化铁发生自蔓延铝热反应为加工工艺，首先通过添加冰晶石，一方面利用冰晶石的稀释作用，保证反应安全进行，另一方面利用其改善体系的流动性，便于熔融产物在离心力作用下均匀分布于热轧无缝钢管内壁，再通过添加少量硼砂，有利于体系中的气体有充分的时间排出，降低缩孔形成的可能性，从而保证产品内壁致密度提高，形成平整光洁玻璃层，最终热轧无缝钢管内壁与铝热自蔓延反应的熔融产物焊接，实现过渡金属层与钢管的良好冶金结合，从而制备得到金属玻璃复合管。

Description

一种金属玻璃复合管的制备方法
技术领域
本发明公开了一种金属玻璃复合管的制备方法，属于复合管材制备技术领域。
背景技术
玻璃具有摩擦系数低、抗咬合性优良及硬度高等特点，以玻璃作为添加物，采用粉末冶金方法制取金属基复合材料，这方面的研究和实际效果80年代已有报道。例如：用铁粉加入玻璃粉制取耐腐蚀的纺织机零件；用青铜-玻璃复合材料制造自润滑轴承；Kainer研制的铝-玻璃复合材料比通常时效硬化铝合金的强度高1倍，耐磨性高近100倍，并可进行各种冷、热加工，焊接及各种表面处理。因此，金属-玻璃复合管材有希望成为性能优良、价格低廉的导热、减摩、传导等特殊用途材料之一。
但目前传统方法所制备的金属玻璃复合管在玻璃内衬与金属管在界面上一般为机械结合或范德华力结合，难以达到冶金结合。冶金结合是指两件金属的界面间原子相互扩散而形成的结合，这种结合是连接状态，或者是在温度或压力的作用下形成的。若复合材料的界面仅仅形成机械结合或范德华力结合，工艺加工性能差，在进行各种冷、热压力加工成型时，难以进行焊接和机械加工，通过冷、热加工制造弯头、三通等配件时，配件性能不良，界面易出现分层，弯管内部起皱严重，且容易产生晶界腐蚀现象。
冶金结合复合金属玻璃管可以克服上述机械结合或范德华力结合复合管材存在的问题，目前所用的冶金结合复合钢管内衬为不锈钢，外管为碳钢，较成熟的复合工艺为热挤压法，但它必须依附于复杂的加工设备，产品价格昂贵，难以实现工业化；北京石油化工学院经实验探索，并联合企业开发成功的冶金结合复合钢管，各项性能指标达到了美国API5LD规范的技术要求，该制造工艺采用不锈钢薄钢带连续自动成型焊接成不锈钢焊管作为覆层管，通过在覆层管和碳钢基管间放置钎料，并在惰性气体保护下经连续感应加热复合而成，这种加工工艺可使不锈钢覆层很薄，从而大大降低了材料成本。但以上工艺仅限于金属/金属复合管材，无法适用于金属/玻璃复合管材。
因此，急需开发一种可使金属/玻璃达到冶金结合的复合管材制备工艺，克服机械结合或范德华力结合存在的不足。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：针对传统金属玻璃复合管采用传统工艺，金属和玻璃成分仅能达到机械结合或范德华力结合，无法有效进行管材冷、热加工成型的问题，提供了一种金属玻璃复合管的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
（1）按重量份数计，依次取160～180份氧化铁，20～50份冰晶石，40～60份二氧化硅，8～15份氯酸钾，10～12份羧甲基纤维素，8～10份甘油，球磨后过筛，并干燥至恒重，再加入氧化铁质量25～30%的铝粉，混合均匀后得混合粉末；
（2）将所得混合粉末填装于热轧无缝钢管内，于离心力为2900～3200N条件下，引燃反应，待反应结束并自然冷却固化后，用醋酸溶液冲洗热轧无缝钢管内壁，再用水冲洗后，自然晾干，即得金属玻璃复合管。
步骤（1）所述的过筛为过120～180目筛。
步骤（1）所述的铝粉为120～180目铝粉。
步骤（1）所述的混合粉末中还可以添加氧化铁质量8～10%粒径为120～180目的硼砂。
步骤（1）所述的混合粉末中还可以添加二氧化硅质量3～5%的碳酸钠。
步骤（1）所述的混合粉末中还可以添加二氧化硅质量0.6～0.8%粒径为120～180目的氧化铅。
步骤（2）所述的混合粉末在热轧无缝钢管内填装量为3～5g/cm3。
步骤（2）所述的引燃反应为镁条引燃或氧乙炔火焰引燃中的一种。
步骤（2）所述的醋酸溶液质量分数为3～5%。
步骤（2）所述的引燃反应过程中，还能以4～8mL/min速率从热轧无缝钢管两端向管内通入氮气。
本发明的有益效果是：
（1）本发明以铝与氧化铁发生自蔓延铝热反应为焊接工艺，首先通过添加冰晶石，一方面利用冰晶石在反应过程中阻碍铝粉和氧化铁粉的接触机率与接触面积，降低反应速率，从而使反应过程平稳，延长燃烧时间，控制反应过程中的烟气喷射现象，保证反应安全性，另一方面，冰晶石的加入，可使体系中氧化铝等结晶温度范围大大降低，改善体系的流动性，便于熔融产物在离心力作用下均匀分布于热轧无缝钢管内壁；
（2）本发明中少量硼砂的加入，由于硼砂中的氧化钠和氧化硼在反应过程中需要吸热，可使熔融产物凝固温度范围明显降低，在离心力作用下，体系中的气体可充分排出，降低缩孔形成的可能性，从而进一步保证产品内壁致密度提高，有利于形成平整光洁玻璃层；
（3）本发明中碳酸钠的加入，由于本身分解吸热使形成的玻璃熔点温度降低至1000℃左右，在此基础上加入氧化铅，可提高产品的耐腐蚀性能和热加工性能，最终热轧无缝钢管内壁与铝热自蔓延反应的熔融产物焊接，实现过渡金属层与钢管的良好冶金结合。
具体实施方式
首先按重量份数计，依次取160～180份氧化铁，20～50份冰晶石，40～60份二氧化硅，8～15份氯酸钾，10～12份羧甲基纤维素，8～10份甘油，倒入球磨罐中，按球料质量比为15：1～20：1加入氧化锆球磨珠，球磨混合2～4h后，过120～180目筛，得球磨料，并将所得球磨料转入烘箱中，于温度为105～110℃条件下干燥至恒重，得干燥球磨料，再将干燥球磨料转入混料机，并向混料机中依次加入氧化铁质量25～30%粒径为120～180目的铝粉，氧化铁质量8～10%粒径为120～180目的硼砂，二氧化硅质量3～5%的碳酸钠和二氧化硅质量0.6～0.8%粒径为120～180目的氧化铅，以600～800r/min转速搅拌混合45～60min，得混合粉末；接着截取一段长度为2～3m，内径为76mm，壁厚为6mm的45#热轧无缝钢管，用质量分数为3～5%稀盐酸冲洗热轧无缝钢管内壁2～4次后，用清水冲洗3～5次，沥干水分后将热轧无缝钢管水平放置，并将所得混合粉末填装于热轧无缝钢管内，控制混合粉末填装量为3～5g/cm3，待填装结束，以4～8mL/min速率从热轧无缝钢管两端向管内通入氮气，在氮气保护状态下，将热轧无缝钢管于离心力为2900～3200N条件下，引燃反应，待反应结束，在氮气保护状态下自然冷却至室温，再将冷却后的热轧无缝钢管内壁用质量分数为3～5%醋酸溶液冲洗3～5次，随后用水洗涤热轧无缝钢管内壁，直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的热轧无缝钢管于室温条件下自然风干，即得金属玻璃复合管。其中所述的引燃反应为镁条引燃或氧乙炔火焰引燃中的一种。
实例1
首先按重量份数计，依次取160份氧化铁，20份冰晶石，40份二氧化硅，8份氯酸钾，10份羧甲基纤维素，8份甘油，倒入球磨罐中，按球料质量比为15：1加入氧化锆球磨珠，球磨混合2h后，过120目筛，得球磨料，并将所得球磨料转入烘箱中，于温度为105℃条件下干燥至恒重，得干燥球磨料，再将干燥球磨料转入混料机，并向混料机中加入氧化铁质量25%粒径为120目的铝粉，以600r/min转速搅拌混合45min，得混合粉末；接着截取一段长度为2m，内径为76mm，壁厚为6mm的45#热轧无缝钢管，用质量分数为3%稀盐酸冲洗热轧无缝钢管内壁2次后，用清水冲洗3次，沥干水分后将热轧无缝钢管水平放置，并将所得混合粉末填装于热轧无缝钢管内，控制混合粉末填装量为3g/cm3，待填装结束，将热轧无缝钢管于离心力为2900N条件下，引燃反应，待反应结束，自然冷却至室温，再将冷却后的热轧无缝钢管内壁用质量分数为3%醋酸溶液冲洗3次，随后用水洗涤热轧无缝钢管内壁，直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的热轧无缝钢管于室温条件下自然风干，即得金属玻璃复合管。其中所述的引燃反应为镁条引燃。
实例2
首先按重量份数计，依次取160份氧化铁，20份冰晶石，40份二氧化硅，8份氯酸钾，10份羧甲基纤维素，8份甘油，倒入球磨罐中，按球料质量比为15：1加入氧化锆球磨珠，球磨混合2h后，过120目筛，得球磨料，并将所得球磨料转入烘箱中，于温度为105℃条件下干燥至恒重，得干燥球磨料，再将干燥球磨料转入混料机，并向混料机中依次加入氧化铁质量25%粒径为120目的铝粉，二氧化硅质量3%的碳酸钠和二氧化硅质量0.6%粒径为120目的氧化铅，以600r/min转速搅拌混合45min，得混合粉末；接着截取一段长度为2m，内径为76mm，壁厚为6mm的45#热轧无缝钢管，用质量分数为3%稀盐酸冲洗热轧无缝钢管内壁2次后，用清水冲洗3次，沥干水分后将热轧无缝钢管水平放置，并将所得混合粉末填装于热轧无缝钢管内，控制混合粉末填装量为3g/cm3，待填装结束，以4mL/min速率从热轧无缝钢管两端向管内通入氮气，在氮气保护状态下，将热轧无缝钢管于离心力为2900N条件下，引燃反应，待反应结束，在氮气保护状态下自然冷却至室温，再将冷却后的热轧无缝钢管内壁用质量分数为3%醋酸溶液冲洗3次，随后用水洗涤热轧无缝钢管内壁，直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的热轧无缝钢管于室温条件下自然风干，即得金属玻璃复合管。其中所述的引燃反应为镁条引燃。
实例3
首先按重量份数计，依次取160份氧化铁，20份冰晶石，40份二氧化硅，8份氯酸钾，10份羧甲基纤维素，8份甘油，倒入球磨罐中，按球料质量比为15：1加入氧化锆球磨珠，球磨混合2h后，过120目筛，得球磨料，并将所得球磨料转入烘箱中，于温度为105℃条件下干燥至恒重，得干燥球磨料，再将干燥球磨料转入混料机，并向混料机中依次加入氧化铁质量25%粒径为120目的铝粉，氧化铁质量8%粒径为120目的硼砂，二氧化硅质量3%的碳酸钠和二氧化硅质量0.6%粒径为120目的氧化铅，以600r/min转速搅拌混合45min，得混合粉末；接着截取一段长度为2m，内径为76mm，壁厚为6mm的45#热轧无缝钢管，用质量分数为3%稀盐酸冲洗热轧无缝钢管内壁2次后，用清水冲洗3次，沥干水分后将热轧无缝钢管水平放置，并将所得混合粉末填装于热轧无缝钢管内，控制混合粉末填装量为3g/cm3，待填装结束，以4mL/min速率从热轧无缝钢管两端向管内通入氮气，在氮气保护状态下，将热轧无缝钢管于离心力为2900N条件下，引燃反应，待反应结束，在氮气保护状态下自然冷却至室温，再将冷却后的热轧无缝钢管内壁用质量分数为3%醋酸溶液冲洗3次，随后用水洗涤热轧无缝钢管内壁，直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的热轧无缝钢管于室温条件下自然风干，即得金属玻璃复合管。其中所述的引燃反应为镁条引燃。
取材质和型号相同的传统金属玻璃复合管（对比例）与本发明实例1至3所制备得到的金属玻璃复合管进行性能检测，再分别加工成弯管，并对弯管加工性能进行检测，检测方法如下所述：
内衬厚度：以GB/T 12334标准，采用MINITEST1100测厚仪（德国进口）对内衬厚度进行检测；
界面剪切强度：采用万能拉力试验机检测；
界面结合强度：于弯曲试验机上，采用弯曲试验法检测；
弯管性能：金相观察；
耐腐蚀测试：按GB/T4334.5-2000试验方法，在硫酸-硫酸铜体系中进行16h沸腾试验；
加温试验：将管件从室温加热到600℃，保温1h，然后冷却到室温，经6次循环加热冷却，检查内衬情况；
检测结果如表1所示：
表1
对比例 实例1 实例2 实例3
内衬厚度/mm 1 0.9 0.8 0.7
界面剪切强度/（MPa/mm<sup>2</sup>） 190 210 216 230
界面结合强度/MPa 40 80 100 155
弯管性能 弯管内壁严重起皱，界面80%以上出现分层 弯管内壁轻微起皱，界面20%以下出现分层 弯管内壁轻微起皱，界面15%以下出现分层 弯管内壁均匀，无起皱和界面分层现象
耐腐蚀测试 无晶间腐蚀倾向 无晶间腐蚀倾向 无晶间腐蚀倾向 无晶间腐蚀倾向
加温试验 内衬有15%脱落 内衬无变化 内衬无变化 内衬无变化
由以上表1数据可知，本发明所得金属玻璃复合管较传统复合管材，界面结合强度明显提高，加工性能和使用性能也明显提升，完全满足管材冷、热加工成型要求。

Claims (10)

1.一种金属玻璃复合管的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按重量份数计，依次取160～180份氧化铁，20～50份冰晶石，40～60份二氧化硅，8～15份氯酸钾，10～12份羧甲基纤维素，8～10份甘油，球磨后过筛，并干燥至恒重，再加入氧化铁质量25～30%的铝粉，混合均匀后得混合粉末；
（2）将所得混合粉末填装于热轧无缝钢管内，于离心力为2900～3200N条件下，引燃反应，待反应结束并自然冷却固化后，用醋酸溶液冲洗热轧无缝钢管内壁，再用水冲洗后，自然晾干，即得金属玻璃复合管。
2.根据权利要求1所述的一种金属玻璃复合管的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的过筛为过120～180目筛。
3.根据权利要求1所述的一种金属玻璃复合管的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的铝粉为120～180目铝粉。
4.根据权利要求1所述的一种金属玻璃复合管的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的混合粉末中还可以添加氧化铁质量8～10%粒径为120～180目的硼砂。
5.根据权利要求1所述的一种金属玻璃复合管的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的混合粉末中还可以添加二氧化硅质量3～5%的碳酸钠。
6.根据权利要求1所述的一种金属玻璃复合管的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的混合粉末中还可以添加二氧化硅质量0.6～0.8%粒径为120～180目的氧化铅。
7.根据权利要求1所述的一种金属玻璃复合管的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的混合粉末在热轧无缝钢管内填装量为3～5g/cm3。
8.根据权利要求1所述的一种金属玻璃复合管的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的引燃反应为镁条引燃或氧乙炔火焰引燃中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种金属玻璃复合管的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的醋酸溶液质量分数为3～5%。
10.根据权利要求1所述的一种金属玻璃复合管的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的引燃反应过程中，还能以4～8mL/min速率从热轧无缝钢管两端向管内通入氮气。
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