金属基陶瓷复合耐磨耐腐蚀水泵过流部件的研究

曹翔宇， 成龙胜

（1.太原学院，山西 太原 030013；2.山西省玻璃陶瓷科学研究所，山西 太原 030013）

陶瓷材料所特有的化学稳定性和高硬度，决定了其良好的耐腐蚀性、耐酸性和耐磨性。金属铸件作为水泵过流部件的基体材料，充分发挥了其机械强度高、可加工性强的特性。将陶瓷材料与金属铸件表层复合用于水泵过流部件，可以大幅度地提高水泵过流部件的耐磨、耐腐蚀性能，有效延长使用寿命［1－3］。

1 原料选择与制备

1.1 原料选择

根据课题要求，水泵过流部件有较好的耐酸性和耐磨蚀性的特点。陶瓷基体选择了酸性系数较高的B2O3、SiO2、Pb2O3为玻璃相原料，Al2O3为主晶相原料，辅以碱土金属化合物以及具有助熔作用和抑制硼玻璃发生水解的添加剂。使用的原料有：硼砂、硼酸、石英、长石、萤石、铅丹、氧化铝、氧化钴、氧化镍、纯碱、高岭土、添加剂。

1.2 原料制备

长石、石英、萤石等矿物原料购进后要经过手工拣选、清洗，除掉泥土等夹杂物。将清洗后的原料进行干燥，以保证按照配方称量时的准确性。再将干燥后的块状矿物原料粉碎，粉碎细度达到过80μm（180目）标准筛。对粉碎好的矿物原料除铁，除去粉碎过程中带入的少量铁质。

使用工业级纯度的硼砂、纯碱等化工原料，细度达到过80μm（180目）标准筛。

购入的高岭土要清除杂物并漂洗、干燥、除铁，以保证纯度。

2 工艺过程

2.1 基础熔块配方的设计实验和确定

基础配方设计的考虑因素有：烧结温度，高温黏度，烧结后的耐腐蚀性、耐磨蚀性，浆料在上浆时的可操作性，浆料与金属铸件的低温黏合性和高温结合性，浆料与金属铸件相互间的膨胀系数匹配等。

综合分析各种因素的影响，设计了分别以长石、硼砂、氧化铅为主熔剂的3个系列共100余个配方，通过对比实验，从中筛选出较为合理的基础配方，组成范围如表1。

表1 配方组成范围 %

2.2 熔块熔制

能否制得物理化学性质稳定的熔块，除了配方以外，还取决于熔制过程。熔块的熔制是复杂的物理化学变化过程，在熔制过程中粉料的组分不仅发生了物理变化，而且发生了固态和液态的化学反应。

熔制过程中，在100℃～250℃时，粉料中水分和结晶水强烈汽化；700℃～1 050℃时，无水硼砂发生熔融，伴随着碳酸盐的分解，二氧化碳气体溢出。这2个过程都有可能带走一部分原料，导致改变配方，因而要特别注意。熔制阶段的特点是，在熔融物的表面和熔融物的深处存有大量的气泡。随着熔融物的澄清，气泡数量减少，熔块逐步均化。

当完全熔融并均匀后，把装有熔融物的坩埚从电炉中夹出，倒入事先准备好的水中，进行水淬。水淬后的玻璃相粉末易于粉碎。本实验中，熔块熔融温度范围为1 250℃～1 300℃。

对水淬后的熔块要进行充分干燥。

2.3 浆料的制备

浆料的组分包括玻璃相（熔块）部分、氧化铝晶相部分、上浆黏结剂等。

玻璃相（熔块）部分是为了保证在合适的温度下熔融，与金属基体牢固地结合。氧化铝晶相部分是为了提高陶瓷体的耐磨性。上浆黏结剂是为了在低温下使浆料均匀地黏附在铸铁叶轮表面，并保证在干燥过程中和烧结初期不脱落。

将熔块、氧化铝和上浆黏结剂按配方秤量好后，装入球磨机中研磨到一定细度，出磨后调配到合适的比重。细度为万孔筛余0.03%～0.08%，比重为1.65～1.80（波美度）。出磨后的料浆要有好的流动性、悬浮性和结合性。

2.4 上浆工艺

上浆前要对金属铸件进行预处理，以改善其对料浆的黏附性能。

金属铸件外观多呈不规则形状，表面粗糙，内部结构更为复杂。金属铸件与陶瓷坯体对浆料的吸附、黏合能力相去甚远，沿用传统陶瓷坯体挂浆法是很难行得通的。实验中，在调整浆料性能的同时，针对不同金属铸件的结构特点，甚至同一铸件的不同部位，分别采用了浸渍法、喷雾法等不同上浆操作方法，保证铸件各部位浆料均匀饱满。上浆环境温度保持在20℃～30℃，上浆厚度控制在1.5mm左右。

2.5 干燥

金属铸件上浆后，应保证适当的空气流动，以使叶轮在清洁的环境下迅速干燥。空气湿度大的环境会使叶轮干燥缓慢，导致复合过程中形成锈斑，过多的水分易使复合层在干燥过程中开裂。干燥温度不当，同样会造成上述情况。因此，应保持合适的干燥温度和干燥湿度。干燥温度应为70℃～80℃，干燥湿度为30%左右。

2.6 烧结

上好料浆并干燥好的制品应在650℃～750℃烧成，烧成时间控制在1.5h～2.0h。在烧成过程中应注意以下几点：

1）在450℃以下可以快速升温，升温速度保持在10℃／min～15℃／min。

2）在450℃～550℃应慢速升温。此阶段陶瓷复合层的熔块颗粒表面开始熔融，具有黏结力，复合层中的颗粒开始互相黏结，接近复合层开始收缩。升温速度太快将使复合层开裂、翘曲，造成烧结缺陷。此阶段的升温速度应保持在4℃／min。

3）550℃至烧成温度，可以适当地加快烧成速度。此时，复合层中颗粒已熔融，具有了一定的流动性，完全能够适应铸件膨胀产生的应力。

4）在达到烧成温度以后应保温10min～15min。在此温度下陶瓷复合层中晶相均匀分布，表面平整光亮，与金属基体结合牢固。

2.7 加工、静平衡、组装

陶瓷材料所特有的化学稳定性和高硬度决定了其良好的耐腐蚀性和耐磨性。相应地，高硬度对机械加工也带来诸多不便，难以用金属切削机床加工。

在水泵行业中，叶轮静平衡是检测项中的关键项，直接影响到潜水泵的使用寿命。一般情况下，所采取的静平衡工艺多数为去重法。由于用陶瓷复合制作的水泵叶轮难以进行切削，故对其采用加重法。在叶轮不平衡处，用特定的无机化学组分原料进行配制组合，能定量有效地与陶瓷复合材料融洽地结合在一起，并在短时间内固化，满足平衡要求。

在装配过程中，对金属基陶瓷复合过流部件遵循轻拿轻放的原则，装配时采用静压法，同时在该部件的承压表面加垫橡胶块，避免承受直接的冲击力，以保证陶瓷复合过流部件在装配过程中不受任何损伤。

3 结论

1）通过实验确定了陶瓷体的配方及工艺过程。

2）烧结温度降低到650℃～750℃。

3）使陶瓷复合层在烧成温度下具有较高的黏度，并有30%～40%的晶相。

4）在低的烧结温度下，使陶瓷复合层膨胀系数接近并略低于铸铁叶轮的膨胀系数，使铸铁叶轮与陶瓷复合层结合良好。

5）成功地将陶瓷材料与复杂金属铸件复合，并用于水泵过流部件，提高了过流部件的抗磨蚀、耐腐蚀性能，使水泵的使用寿命延长了3倍～6倍。

［1］（日）素木洋一.釉及色料［M］.刘可栋，刘光跃译.北京：中国建筑出版社，1979.

［2］祝桂洪，周健儿，曹春娥，等.陶瓷釉配制基础［M］.北京：轻工业出版社，1989.

［3］崔正刚.胶体与界面化学［M］.北京：化学工业出版社，2012.