一种陶瓷内衬铝管的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种陶瓷内衬铝管的制备方法。本发明利用铝和二氧化锡的反应，通过重力自蔓延法制备陶瓷内衬铝管，所生成的陶瓷内衬层组织致密，与铝基体结合紧密。由于基体铝密度小，故能显著降低运输成本，加上其优良的耐蚀性能，所制备的陶瓷内衬铝管能在更恶劣的环境下服役。整个制造过程能耗低，操作简单。
【专利说明】一种陶瓷内衬铝管的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明提供了一种制造陶瓷内衬铝管的方法，属于自蔓延成型【技术领域】。
【背景技术】
[0002]陶瓷内衬管凭借其优良的耐磨及耐蚀性能，被大量应用于石油及矿石的传输。目前高温自蔓延法制备陶瓷内衬管的技术比较成熟。
[0003]高温自蔓延(SHS)制备陶瓷管技术的特点是依靠铝热反应生成熔融还原金属液与Al2O3,并在离心力或重力的条件下，使反应物分离，比重轻的Al2O3涂覆于管材内壁，而还原金属过渡于基体与陶瓷之间。反应启动需要大量热量，而反应自身也释放大量热量，并足以使反应自持。
[0004]然而目前生产和应用的陶瓷管的基体主要都是钢管(见专利201110280814.1)。而钢与铝等一些有色金属相比，比重较大，故运输成本也明显高于铝，此外由于铝的表面会产生致密的氧化膜，拥有优良的耐蚀性能，故能在更恶劣的环境下服役，综上所述，铝是更理想的陶瓷管基体。
[0005]陶瓷内衬钢管一般用氧化铁作为氧化剂，并依靠反应2A1+Fe203— Al 203+2Fe+836kJ/mol生成恪融还原铁液以及氧化销陶瓷。而陶瓷内衬销管的成型有相对于前者的特殊性。首先陶瓷内衬铝管无法利用之前的反应体系进行成型，因为铁与铝结合会生成脆性相，用铁作过渡层会严重影响陶瓷内衬层的结合强度；其次，铝的熔点只有660°C，为避免基体熔毁，反应温度不宜过高；最后铝的表面存在一层致密的氧化铝薄膜，所以反应温度也不宜过低，否则无法熔透氧化膜，阻碍过渡金属与铝基体的结合。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题在于提供一种自蔓延制备陶瓷内衬铝管的方法，以解决现有陶瓷内衬钢管运输成本高，外表面不耐腐蚀的问题。
[0007]本发明通过如下步骤实现:
1)对铝管一端管口进行倒角，在坩祸底部钻孔，并且坩祸底部孔洞的孔径等于倒角后销官内径大小；
2)对铝管内壁进行除氧化膜和除油，并对坩祸和铝管进行300°C预热；
3)将防漏槽、引流槽、铝垫片、铝管和坩祸从下至上依次叠放，按比例配制反应物，并倒入铝管及坩祸内；
4)向坩祸内的反应物中插上导火索，点火引燃，使其发生自蔓延反应，随着反应的进行，液面逐渐下移，Al2O3逐步附着于铝管内壁，并结晶凝固，形成连续均匀的陶瓷内衬层。
[0008]铝管内塞满反应物，坩祸内有过量反应物。无论是铝管内还是坩祸内的反应物均压实。
[0009]所采用的反应物由质量分数为73%-83%的Al和SnO2粉、Al和Sn摩尔比4:3，13%-23%A1粉、4%CaF2粉组成，粉体粒径均为20nm_500 μπι。
[0010]反应物发生自蔓延反应，产生的高温使产物处于熔融状态，在未反应的反应物上部形成由Al，Sn及Al2O3组成的反应熔池。在重力的作用下，熔融的生成物分离，较重的金属液沉积于熔池底部，陶瓷Al2O3浮于上部，随着反应的进行，液面逐渐下移，Al 203逐步附着于铝管内壁，并结晶凝固，形成连续均匀的陶瓷内衬层。当反应前沿到达铝管底部，铝垫片熔化，多余的生成物通过引流槽流入防漏槽。即完成自蔓延陶瓷内衬复合铝管的制备。
[0011]上述过程中，为提高陶瓷层的结合强度，选用反应4Al+3Sn02—2Al 203+3Sn。锡和铝不会生成脆性相，适当加入铝粉控制反应温度，加入0&&提高金属液与熔融陶瓷的分离程度。实施例中采用销管牌号为6061，尺寸为内径20mm、外径41mm、长80mm，并在一端管口进行3_X3mm倒角。铝管预处理包括除油、除氧化膜、预热等操作。
[0012]铝管的除油过程为:用丙酮冲洗铝管内壁3次，并风干。
[0013]铝管的除氧化膜过程为:用质量浓度为10%的NaOH溶液冲洗铝管内壁3次，再用无水酒精冲洗一次，并风干。
[0014]本发明与现有技术相比具有以下优点:
(I)使用重力法一SHS进行成型，设备简单，成形容易，造价低廉。
[0015](2)通过使用4Al+3Sn02— 2A1 203+3Sn反应，避免了生成铁进而与铝基体形成脆性相，有利于提高陶瓷层的结合强度。
[0016](3)通过使用铝作为基体，显著降低陶瓷内衬复合管的重量，进而降低运输成本，此外由于基体铝的耐腐蚀能力明显优于钢，故产品能在更恶劣的环境下服役。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是重力法一SHS制备陶瓷内衬铝管的装置布置图。
[0018]图2是陶瓷内衬铝管成品工程图。
[0019]图3为陶瓷层与基体结合处的金相图。
【具体实施方式】
[0020]本发明所阐述的陶瓷内衬复合铝管成型步骤如下所示:
步骤一对铝管内壁进行除油，除氧化膜，在一端管口进行3mmX3mm倒角，坩祸底部钻孔，直径与倒角后的铝管口内径相等。
[0021]步骤二对铝管及坩祸进行300°C预热。
[0022]步骤三将坩祸铝管、铝管、垫片、引流槽、防漏槽按图1所示布置。
[0023]步骤四将反应物按比例混合，倒入坩祸与铝管内，并插上导火索。
[0024]步骤五点火引燃反应物，使其放生自蔓延反应，在重力的作用下，使反应物分离，并熔敷铝管内表面，即可完成自蔓延陶瓷内衬复合铝管的制备。
[0025]下面结合附图和实施案例对本发明作详细说明。
[0026]实施例1
待成型铝管为6061，长80mm，内径20mm，外径41mm，按照步骤一对铝管和坩祸进行加工。预热以后，按照图1进行装置布置。将质量分数分别为73%的Al+Sn02(严格按照反应配比即摩尔比4:3)、23%过量么1粉、49^&粉、倒入铝管及坩祸内，插上导火索，点火引燃，使其发生自蔓延反应，在重力的作用下，熔融的生成物分离，并熔敷铝管内表面，即完成自蔓延陶瓷内衬复合铝管的制备。所得的陶瓷内衬层厚度在Imm左右。
[0027]将制备好的陶瓷内衬铝管试样至于光镜下观察，显示陶瓷层与铝基体结合紧密，但并未见明显的金属过渡层，陶瓷层组织较为致密，并在陶瓷层内发现具有钉扎作用的金属颗粒，根据反应方程式，推测金属颗粒应为铝锡合金。
[0028]实施例2
待成型铝管为6061，长80mm，内径20mm，外径41mm，按照步骤一对铝管和坩祸进行加工。预热以后，按照图1进行装置布置。将质量分数分别为78%的Al+Sn02(严格按照反应配比即摩尔比4:3)、18%过量么1粉、49^&粉、倒入铝管及坩祸内，插上导火索，点火引燃，使其发生自蔓延反应，在重力的作用下，熔融的生成物分离，并熔敷铝管内表面，即完成自蔓延陶瓷内衬复合铝管的制备。所得的陶瓷内衬层厚度在Imm左右。
[0029]将制备好的陶瓷内衬铝管试样至于光镜下观察，显示陶瓷层与铝基体结合紧密，但并未见明显的金属过渡层，陶瓷层组织较为致密，并在陶瓷层内发现具有钉扎作用的金属颗粒，根据反应方程式，推测金属颗粒应为铝锡合金。
[0030]实施例3
待成型铝管为6061，长80mm，内径20mm，外径41mm，按照步骤一对铝管和坩祸进行加工。预热以后，按照图1进行装置布置。将质量分数分别为83%的Al+Sn02(严格按照反应配比即摩尔比4:3)、23%过量么1粉、49^&粉、倒入铝管及坩祸内，插上导火索，点火引燃，使其发生自蔓延反应，在重力的作用下，熔融的生成物分离，并熔敷铝管内表面，即完成自蔓延陶瓷内衬复合铝管的制备。所得的陶瓷内衬层厚度在Imm左右。
[0031]将制备好的陶瓷内衬铝管试样至于光镜下观察，显示陶瓷层与铝基体结合紧密，但并未见明显的金属过渡层，陶瓷层组织较为致密，并在陶瓷层内发现具有钉扎作用的金属颗粒，根据反应方程式，推测金属颗粒应为铝锡合金。
【权利要求】
1.一种制造陶瓷内衬铝管的方法，其特征在于包括如下步骤: 1)对铝管一端管口进行倒角，在坩祸底部钻孔，并且坩祸底部孔洞的孔径等于倒角后销官内径大小； 2)对铝管内壁进行除氧化膜和除油，并对坩祸和铝管进行300°C预热； 3)将防漏槽、引流槽、铝垫片、铝管和坩祸从下至上依次叠放，将反应物倒入铝管及坩祸内，所采用的反应物由质量分数为73%-83%的Al和SnO2粉、Al和Sn摩尔比4:3，13%-23%A1粉、4%CaF2粉组成，粉体粒径均为20nm_500 μπι; 4)向坩祸内的反应物中插上导火索，点火引燃，使其发生自蔓延反应，随着反应的进行，液面逐渐下移，Al2O3逐步附着于铝管内壁，并结晶凝固，形成连续均匀的陶瓷内衬层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，铝管的除油过程为:用丙酮冲洗铝管内壁3次，并风干。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，铝管的除氧化膜过程为:用质量浓度为10%的NaOH溶液冲洗铝管内壁3次，再用无水酒精冲洗一次，并风干。
【文档编号】B22F5/12GK104475734SQ201510033496
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2015年1月23日 优先权日:2015年1月23日
【发明者】张国栋, 张晖, 王帅, 邱智华 申请人:武汉大学