一种制备不锈钢内衬复合钢管的新工艺

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.04.008 Vol.18 No.4 北京科技大学学报 第18卷第4期 Aug.1996 Journal of University of Science and Technology Beijing 1996年8月 一7 种制备不锈钢内衬复合钢管的新工艺 段辉平殷声柳牧赖和怡 北京科技大学材料科学与工程系，北京100083 摘要介绍了一种制备不锈钢内衬复合钢管的新型工艺一SHS-离心技术；讨论了所制备的 复合管材的组织和不锈钢层的性能.这种不锈钢复合管的内外层可实现冶金结合.SHS不锈钢抗 腐蚀性能优于相应的常规不锈钢.该工艺具有节能、高效、设备简单等优点. 关键词不锈钢/复合管，SHS-离心法，冶金结合 中图分类号TG262,TG764.1 日前，制备复合管材的传统工艺主要有：套构法、焊合法和双金属离心铸造法.前两种 方法还不能保证两种材料之间的足够的结合强度，后一种方法则对工艺要求过于苛刻. 198!年，日本学者小田原修成功地利用离心一铝热法(Centrifugal-Thermit process,,简 称C-T法)制备了陶瓷内衬复合钢管.C-T法也称为SHS-离心法.SHS是 Self-Propagating High Temperature Synthesis的缩写.目前这一工艺在我国也受到了重 视2，]，我们采用SHS一离心法生产陶瓷内衬复合钢管已开始工业化) 本文采用SHS一离心法制备不锈钢内衬复合钢管，讨论了其工艺过程和不锈钢内衬层 的组织和性能 1实验原理及工艺过程分析 SHS-离心法实质是在离心力场作用下的SHS反应.这里的SHS反应为铝热反应，可 用下式表示： MO+R=M+RO+O (1) 式中R、M表示单质元素，MO,RO为其氧化物，Q为反应热.氧化物MO被还原剂R所 还原，生成金属M和氧化物RO,同时放出大量的热量，使产物RO和M处于高温液态，如 果M和RO在相对密度上存在着差异，则反应产物在离心力作用下发生相分离.这里选用 A1为还原剂.图I是SHS-离心法制备SHS不锈钢内衬复合管的原理示意图. 在反应(1)式中，如果在离心力场中同时引发几个铝热反应，即同时生成几种金属 M,(仁1,2，)，若生成金属之间的物理、化学性质相近，则可形成高温溶体，反之也可能分 层，形成多层复合材料或梯度材料.当反应热Q足够大时，可以使外管的内表面熔化，在外 管与内衬层之间实现冶金结合.本文以制备18-8型不锈钢内衬复合管为例，根据化学配比， 1995-05-23收稿第一作者男28岁博上 *国家“八六三”项目

V o l . 1 8 N 0 . 4 A u g · 1 9 9 6 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r si yt o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g 第 18 卷 第 4期 1 9 9 6年 8 月 一 种制备不 锈钢 内衬复合钢 管 的新工艺 ’ 段 辉平 殷 声 柳 牧 赖和 怡 北 京 科技 大 学材 料科学 与 工 程 系 . 北 京 ro 0 O83 摘要 介绍 了一种制备 不 锈钢内衬复合钢管的新型 工艺 — SH S 一 离心技 术 ; 讨论 了所制备 的 复合管材的组织和 不锈 钢层 的 性能 这种不 锈钢复合管 的内外层可 实现 冶金结合 . SH S 不锈钢抗 腐蚀性能优于相应 的常规不锈钢 . 该工艺具有 节能 、 高效 、 设备简单等优点 . 关键词 不锈钢 /复 合管 , S H S 一 离心 法 , 冶金结合 中图分类号 T G 2 6 2 . T G 7 6 4 . l 目前 , 制 备 复合 管 材 的传 统 工艺 主要有 : 套 构法 、 焊合 法 和双金 属离 心铸 造法 . 前 两种 方 法 还 不 能 保 证 两 种 材 料 之 间 的 足 够 的结 合 强 度 , 后 一 种 方 法 则 对 工 艺要 求 过 于 苛 刻 . 1 9 5 1 年 , 日本 学者 小 田 原修 成 功地利 用离 心— 铝 热 法 ( e e n 币fu g a l 一 T h e mr i t p r o e e s s , 简 称 c 一 T 法 ) 制 备 了 陶 瓷 内 衬 复 合 钢 管 l[] . c 一 T 法 也 称 为 s H s 一 离 心 法 . s H S 是 S e lf 一 p r o p a g a t i n g H i g h T e m p e r a ut r e s y n ht e s i s 的缩 写 . 目前 这 一 工艺 在 我 国 也 受到 了重 视 2[,3 ] , 我们 采用 s H s 一 离心 法生 产陶 瓷 内衬复 合钢 管 巳 开 始工 业化 3[] . 本文 采 用 s H s 一 离 心法 制备 不 锈钢 内衬 复合 钢 管 , 讨论 了 其 工 艺过 程 和不 锈钢 内衬层 的组织 和 性能 . 1 实 验原理及工 艺过程分析 S H S 一 离 心法 实 质是 在 离 心力 场作 用 下 的 S H S 反 应 . 这 里 的 S H S 反 应 为铝 热 反应 , 可 用下 式表 示 : M o + R = M + R o + Q ( l ) 式 中 R 、 M 表 示单 质 元素 , M O 、 R O 为其 氧化 物 , Q 为反 应 热 . 氧化 物 M o 被 还 原剂 R 所 还原 , 生成 金属 M 和 氧化物 R o , 同 时放 出大量 的 热量 , 使产 物 R o 和 M 处 于 高温 液态 , 如 果 M 和 R O 在 相 对 密度 上存 在 着差 异 , 则 反应 产物 在 离 心力 作 用下 发 生相分 离 . 这 里 选用 lA 为还 原 剂 . 图 l 是 S H S 一 离 心法 制备 S H S 不 锈钢 内衬复 合管 的 原理示 意 图 . 在 反 应 (l ) 式 中 , 如 果 在 离 心 力 场 中 同时 引 发 几 个 铝 热 反 应 , 即 同 时 生 成 几 种 金 属 M . i( =l , 2 , … ) , 若 生 成 金 属之 间的 物 理 、 化 学性 质 相 近 , 则 可 形 成 高 温溶 体 , 反 之 也 可 能分 层 , 形成 多层 复 合 材料 或 梯度 材 料 . 当反应 热 Q 足够 大 时 , 可 以使 外 管 的 内表 面熔 化 , 在外 管 与 内衬层 之 间实 现冶 金结 合 . 本文 以 制备 18 一 8 型不 锈钢 内衬复 合管 为例 , 根 据化 学 配 比 , 19 9 5 一 0 5 一 2 3 收稿 . 国 家 “ 八 六 三 ” 项 目 第一 作 者 男 2 8 岁 博士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 04. 008

Vol.18 No.4 段辉平等：一种制备不锈钢内衬复合钢管的新工艺 ·335· 选取FezO,CrO,NiO和Al粉等作为原材料，充分混匀后装填在中89mm×6mm×100mm 的碳钢钢管中，然后把充填铝热剂的钢管卡夹在离心机上，使其高速旋转，同时点燃物料， 发生下列化学反应： Fe,O,+2Al-2Fe+ALO,+836 kJ (2) CrO,+2Al=Cr+ALO,+1094 kJ (3) 3NiO+2Al=3Ni+ALO,+928 kJ (4) 图1SHS-离心法制备不锈钢内村复合钢管原理示意图 1-碳钢钢管；2-SHS不锈钢内村层；3-陶瓷渣层；4铝热剂 A-铝热反应及产物冷却过程；B-陶瓷渣层的去除过程 上述几个反应都是高放热反应，反应绝热温度可接近3000K,因此产物都处于液态， 了在离心力作用下，产物Fe,Cr、Ni集中在靠近碳钢钢管的内壁处，形成2~3mm厚的不 锈钢内衬层.为了与传统不绣钢相区别，姑且把这种不锈钢称为SHS不锈钢.Al,O,形成最 内层残渣，通过机械的方法除去，则可制备出内衬不锈钢复合钢管. 2结果及分析 表1不锈钢成分 表1列出了制备的不锈钢层的化 % 学成分并与CF-8铸造不锈钢的成 钢种 Cr Ni Al C P S 分)对照.SHS不锈钢可以不含碳， SHS不锈钢19.010.41.320.010.0090.01 如果这种工艺采用的原材料几乎不含 CF-818-21811-40.080.040.04 碳，则可制备出超低碳高纯不锈钢.SHS不锈钢中的P、S含量也比常规不锈钢的低.由于反 应不完全，钢中仍含有一定量的A1.SHS不锈钢的化学成分接近18-8不锈钢，但由于A1的 存在，不是纯奥氏体不锈钢，而是含有铁素体的双相不锈钢 图2是不锈钢层与外层碳钢界面附近的SEM形貌图.左边是碳钢，右边为不锈钢，中 间为过渡层.图中下部的曲线从上到下依次为Cr、Ni、A1的成分分布曲线.SHS治金过程中， 反应热不仅使产物处于液态，同时使外层钢管内表面的一薄层熔化，使之与不锈钢层实现 冶金结合.从图中可以看出在界面附近形成了一层成分渐变的过渡层，其厚度约为100μm. 不锈钢层主要由奥氏体和铁素体两相组成，呈典型的铸态组织.在轴向铁素体以弯曲的 条状分布在奥氏体基体中，其含量取决于不锈钢中铬组元的含量，但与Schoefer图存在较大

v lo . 18 N o . 4 段辉平等 : 一种制备不 锈钢 内衬复合 钢管的新工艺 . 3 3 5 . 选取 F e Z o 3 、 C心 3 、 N IO 和 A I 粉等 作 为原材 料 , 充分 混 匀后 装 填在 中8 9 m m x 6 ~ x 10 0 m m 的 碳 钢钢 管 中 , 然 后 把充 填 铝 热 剂 的钢 管 卡 夹在 离心 机 上 , 使 其 高速 旋 转 , 同时点 燃 物 料 , 发 生下 列 化学 反应 : 、产少了.. 2 气、ù 4 了.`. F e ZO 3 + ZA I一 ZF e + A 1 2 o 3+ 8 3 6 k J C心 3 + ZA I= C r + A 1 2O 3+ 1 0 9 4 k J 3 N IO + ZA I = 3 N i + A 1 2 O 3 + 9 2 8 k J 图 1 S H S 一离心法制备不锈钢 内衬复合钢管原理示意 图 1 一碳钢钢管 ; 2 一 S H S不锈钢 内衬层 ; 3 一 陶瓷渣层 ; 4 一铝热剂 A 一铝 热反应及产物冷却过程 ; B 一 陶瓷渣层的去除过程 上述 几 个 反应 都 是 高 放热 反 应 , 反 应 绝热 温 度 可接 近 3 0 0 K , 因 此 产 物都 处于液 态 , 了 在 离 心力 作 用下 , 产物 F e 、 c r 、 N i 集 中在 靠 近碳 钢 钢管 的 内壁 处 , 形 成 2 一 3 ~ 厚 的不 锈钢 内衬 层 . 为 了 与传 统 不锈 钢 相 区 别 , 姑 且 把这 种 不锈 钢 称 为 S H S 不锈钢 . A 1 2 0 , 形 成 最 内层 残渣 , 通 过机 械 的方 法除 去 , 则 可制备 出内衬 不锈 钢复 合钢 管 . 2 结果及 分析 表 l 列 出 了 制备 的不锈 钢 层 的化 学 成 分 并 与 C F 一 8 铸 造 不 锈 钢 的 成 分’l] 对 照 . S H S 不 锈 钢 可 以 不 含 碳 , 如果 这种 工艺 采 用 的原 材料 几 乎不 含 表 1 不锈钢 成分 钢 种 S H S不 锈钢 C F一 8 C r 19 . 0 1 s ot Z I N l 10 . 4 A I C P S 3 2 0 . 0 1 0 . 0 0 9 0 . 0 1 8一 1 1 一 刁刀 8 《 0 . 0 4 《 0 . 0 4 碳 , 则可 制 备 出超 低碳 高 纯不 锈 钢 . S H S 不 锈钢 中的 P 、 S 含 量 也 比常规不 锈钢 的低 . 由于反 应不 完全 , 钢 中仍 含 有 一定 量 的 A l . S H S 不锈 钢 的化学 成 分 接近 18 一 8 不锈 钢 , 但 由于 A I 的 存 在 , 不 是纯 奥 氏体不锈 钢 , 而是 含有 铁 素体 的 双相不 锈 钢 . 图 2 是 不锈 钢 层 与外 层碳 钢 界 面 附近 的 S E M 形 貌 图 . 左 边是 碳 钢 , 右 边 为不 锈钢 , 中 间为 过渡 层 . 图 中下 部 的曲线 从 上到 下依 次 为 C r 、 iN 、 lA 的成 分分 布 曲线 . S H S 冶 金 过程 中 , 反 应 热 不仅使 产 物处 于 液 态 , 同时使 外 层 钢 管 内表 面 的一 薄 层 熔化 , 使之 与不 锈钢 层 实 现 冶金 结 合 . 从 图 中可 以 看 出在界 面 附近 形成 了 一层成 分 渐 变 的过渡 层 , 其厚 度 约为 10 “ .m 不 锈钢 层 主要 由奥 氏体 和 铁 素体 两相 组 成 , 呈典 型 的 铸态 组 织 . 在 轴 向铁 素体 以 弯曲 的 条 状 分布 在 奥 氏体基 体中 , 其 含量 取 决于 不锈 钢 中铬 组 元 的含量 , 但 与 s c h o e fe : 图存在 较大

37 1 ,a

v ol . 18 N o . 4 段辉平等 : 一种制备不 锈钢 内衬复合 钢管的新工艺 . 3 3 5 . 选取 F e Z o 3 、 C心 3 、 N IO 和 A I 粉等 作 为原材 料 , 充分 混 匀后 装 填在 中8 9 m m x 6 ~ x 10 0 m m 的 碳 钢钢 管 中 , 然 后 把充 填 铝 热 剂 的钢 管 卡 夹在 离心 机 上 , 使 其 高速 旋 转 , 同时点 燃 物 料 , 发 生下 列 化学 反应 : 、产少了.. 2 气、ù 4 了.`. F e ZO 3 + ZA I一 ZF e + A 1 2 o 3+ 8 3 6 k J C心 3 + ZA I= C r + A 1 2O 3+ 1 0 9 4 k J 3 N IO + ZA I = 3 N i + A 1 2 O 3 + 9 2 8 k J 图 1 S H S 一离心法制备不锈钢 内衬复合钢管原理示意 图 1 一碳钢钢管 ; 2 一 S H S不锈钢 内衬层 ; 3 一 陶瓷渣层 ; 4 一铝热剂 A 一铝 热反应及产物冷却过程 ; B 一 陶瓷渣层的去除过程 上述 几 个 反应 都 是 高 放热 反 应 , 反 应 绝热 温 度 可接 近 3 0 0 K , 因 此 产 物都 处于液 态 , 了 在 离 心力 作 用下 , 产物 F e 、 c r 、 N i 集 中在 靠 近碳 钢 钢管 的 内壁 处 , 形 成 2 一 3 ~ 厚 的不 锈钢 内衬 层 . 为 了 与传 统 不锈 钢 相 区 别 , 姑 且 把这 种 不锈 钢 称 为 S H S 不锈钢 . A 1 2 0 , 形 成 最 内层 残渣 , 通 过机 械 的方 法除 去 , 则 可制备 出内衬 不锈 钢复 合钢 管 . 2 结果及 分析 表 l 列 出 了 制备 的不锈 钢 层 的化 学 成 分 并 与 C F 一 8 铸 造 不 锈 钢 的 成 分’l] 对 照 . S H S 不 锈 钢 可 以 不 含 碳 , 如果 这种 工艺 采 用 的原 材料 几 乎不 含 表 1 不锈钢 成分 钢 种 S H S不 锈钢 C F一 8 C r 19 . 0 1 s ot Z I N l 10 . 4 A I C P S 3 2 0 . 0 1 0 . 0 0 9 0 . 0 1 8一 1 1 一 刁刀 8 《 0 . 0 4 《 0 . 0 4 碳 , 则可 制 备 出超 低碳 高 纯不 锈 钢 . S H S 不 锈钢 中的 P 、 S 含 量 也 比常规不 锈钢 的低 . 由于反 应不 完全 , 钢 中仍 含 有 一定 量 的 A l . S H S 不锈 钢 的化学 成 分 接近 18 一 8 不锈 钢 , 但 由于 A I 的 存 在 , 不 是纯 奥 氏体不锈 钢 , 而是 含有 铁 素体 的 双相不 锈 钢 . 图 2 是 不锈 钢 层 与外 层碳 钢 界 面 附近 的 S E M 形 貌 图 . 左 边是 碳 钢 , 右 边 为不 锈钢 , 中 间为 过渡 层 . 图 中下 部 的曲线 从 上到 下依 次 为 C r 、 iN 、 lA 的成 分分 布 曲线 . S H S 冶 金 过程 中 , 反 应 热 不仅使 产 物处 于 液 态 , 同时使 外 层 钢 管 内表 面 的一 薄 层 熔化 , 使之 与不 锈钢 层 实 现 冶金 结 合 . 从 图 中可 以 看 出在界 面 附近 形成 了 一层成 分 渐 变 的过渡 层 , 其厚 度 约为 10 “ .m 不 锈钢 层 主要 由奥 氏体 和 铁 素体 两相 组 成 , 呈典 型 的 铸态 组 织 . 在 轴 向铁 素体 以 弯曲 的 条 状 分布 在 奥 氏体基 体中 , 其 含量 取 决于 不锈 钢 中铬 组 元 的含量 , 但 与 s c h o e fe : 图存在 较大

Vol.18 No.4 段辉平等：一种制备不锈钢内衬复合钢管的新工艺 ·337· 的存在，在硝酸中出现了轻微的晶间腐蚀，但主要以均匀腐蚀为主. 3结论 SHS一离心技术可制备内衬不锈钢复合钢管，在SHS不锈钢内衬复合管，母材和不锈 钢内衬层之间可实现冶金结合，SHS不锈钢具有优异的抗蚀性能. 参考文献 1 Odawara O,Ikeuchi J.Study on Composite Materials with a C-T Process.J Japan Inst Metals, 1981,45(3):316~321 2段辉平，殷声，柳牧，赖和怡.SHS一离心法制备不锈钢内村复合钢管.1994秋季中国材料研讨会论文 集(IV.北京：化学工业出版社，1995.319~323 3柳牧.离心一铝热法制备内村陶瓷复合钢管的研究：[博士学位论文].北京：北京科技大学，1995 4中国腐蚀与防护学会主编.金属腐蚀手册.上海：上海科学技术出版社，1987.496~555 New Process to Produce Stainless Steel Lined Composite Pipe Duan Huiping Yin Sheng Liu Mu Lai Hoyi Department of Material Science and Engineering,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT A new process SHS-Centrifugal technique to produce stainless steel lined composite pipe is introduced.The structure of the composite pipe and the properties of the SHS stainless steel are discussed.Metallurgical bonding between the outer pipe and the SHS stainless steel layer is achieved in the composite pipe.The corrosion resistance of this SHS stainless steel is better than that of the conventional stainless steel. KEY WORDS stainless steels/composite pipe,SHS-Centrifugal technique,metallurgical bonding

V o l . 1 8 N o . 4 段辉平等 : 一种制备不锈钢 内衬复合钢管 的新 工艺 33 7 的存在 , 在 硝 酸 中出现 了轻 微 的 晶间腐蚀 , 但 主要 以 均匀 腐蚀 为 主 . 3 结论 s H s 一 离 心技 术 可制 备 内衬不 锈钢 复 合钢 管 , 在 S H S 不 锈钢 内衬 复合 管 , 母 材和 不锈 钢 内衬层 之 间可 实现 冶金 结合 , S H S 不锈 钢具 有优 异 的抗 蚀性 能 . 参 考 文 献 1 o d a w ar a o , kI e u e h i J . S ut d y o n C o m P o s i t e M a t e r i a l s w i ht a C 一 T p r o c e s s . J Jap a n nI s t M e at l s , 1 9 8 1 , 4 5 ( 3 ) : 3 16 一 3 2 1 2 段辉平 , 殷声 , 柳牧 , 赖和 怡 . s H s 一离心 法制备不锈钢 内衬复合钢管 . 19 94 秋季 中国材料研讨 会论 文 集 ( Iv ) . 北京 : 化 学工业出版社 , 19 9 5 . 3 19 一 3 2 3 3 柳牧 . 离心 一铝 热法制 备内衬陶瓷复合 钢管的 研究:[ 博士 学位论文 ] . 北京 : 北京科技大学 , 19 95 4 中国 腐蚀与 防护学会主编 . 金属腐蚀手册 . 上 海: 上 海科学技术出 版社 . 19 87 . 4 % 一 5 5 N e w P r o e e s s t o P r o d u c e S t a i n l e s s S t e e l L i n e d C o m P o s i t e P IP e D u a n H 扭iP i n g iY n hS e n g L i u M 妞 L a i 月.or 厂i D e p art m e n t o f M 百t e r i a l S e i e n e e a n d E n g i n e e r in g , U S T B , B e ij in g 10 0 0 8 3 , P R C A B S T R A C T c o m P o s l t e ht e S H S ht C S H S P IP e S t a l fl A l S n e w P r o e e s s S H S 一 C e n tr ifu g a l t e e h n i q u e t o P r o d u e e s t a in l e s s s t e e l li n e d i n t r o d u e e d . T h e s tru e tu r e o f t h e e o m P o s it e PIP e an d t h e P r o P e rt i e s o f S t e e l S t e C I a r e d i s e u s s e d . M e t a ll u r g i e a l b o n d i n g b e tw e e n th e o u t e r s ta in l e s s l a y e r o f th i s K E Y S H S s at i n l e s s s t e e l l S l S a e h i e v e d I n t h e PIP e a n d r e s i s t a n C e b e t C r th a n ht a t e o m P o s i t e PIP e . T h e c o r o s i o n o f th e c o n v e n t i o n a l s t a i n l e s s s t e e l . W O R D S s ta i n l e s s s t e e l s / e o m P o s i t e PIP e , S H S 一 C e n tr ifu g a l t e e h n i q u e , m e t a ll u r g i c a l b o n d i n g