李 剛

(杰泊機(jī)械貿(mào)易(上海)有限公司，上海200050)

0 引言

泵是控制和輔助液態(tài)介質(zhì)的傳送裝置,在世界范圍內(nèi)具有非常廣泛的應(yīng)用。 例如,日常生活中的自來(lái)水輸送、污水的處理,到石油、天然氣的采掘和輸送,再到核工業(yè)的污水處理。 目前,國(guó)家規(guī)劃的2035 年碳中和目標(biāo)提出了節(jié)能減排的要求。 提高泵的性能和循環(huán)使用能減少碳排放。

泵是由倒流殼和葉輪共同裝配完成,提高倒流殼的表面光潔度可以減少工作面的摩檫力。 潛水泵的主要性能是揚(yáng)程,內(nèi)部的表面光潔度提高可以使得深井泵的揚(yáng)程提高20%以上。 此外,涂瓷釉可以防腐蝕,從而提高產(chǎn)品的使用壽命[1-3],更重要的是,瓷釉的可修復(fù)性強(qiáng),可節(jié)約制造成本。

目前,內(nèi)流道涂瓷釉的工藝已經(jīng)正式進(jìn)入量產(chǎn),但是瓷釉和倒流殼的材料屬性不同,而且倒流殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,形狀不均勻,金屬和非金屬具體的熱膨脹系數(shù)、冷收縮系數(shù),釉面的熔點(diǎn)和灰鐵的熔點(diǎn)也不一致。 液態(tài)的瓷釉漿具有流動(dòng)性,怎樣讓瓷釉漿均勻涂在內(nèi)流道,用怎樣的冷卻方式,在燒結(jié)的過(guò)程中產(chǎn)品的擺放,燒結(jié)的溫度控制以及溫度的保持等問(wèn)題需要深入研究。 本文將通過(guò)瓷釉原材料配比、涂刷方式、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì)涂瓷釉工藝進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 瓷釉配方調(diào)制和瓷釉涂刷方式

玻璃料占比45%左右、石英占比6%、黏土占比3.6%、水占比49%,其他則為添加劑。 使用虹吸爐使得漿液均勻地分布在內(nèi)流道上,用標(biāo)準(zhǔn)尺檢測(cè)配料是否合格。

1.2 不同溫度下瓷釉涂層的附著力和瓷釉燒結(jié)溫度的控制

試驗(yàn)中所用瓷釉涂層成分如表1 所示,倒流殼葉片采用長(zhǎng)度10 mm 的Class 30 灰鐵材質(zhì)。 試驗(yàn)前將倒流殼進(jìn)行噴砂拋丸處理,達(dá)到表面光潔度Ra3.2,待表面干燥后將涂層倒流殼移入高溫爐,升溫至500 ～800 ℃,保溫30 min 后,自然冷卻至室溫,獲得高溫?zé)Y(jié)后的瓷釉涂層倒流殼。 將燒結(jié)后的活性瓷釉涂層倒流殼切割成兩段,在一端的倒流殼葉片表面連接通電導(dǎo)線。 7 種不同溫度各制作試塊進(jìn)行拉力試驗(yàn)后做比較實(shí)驗(yàn)。

表1 瓷釉配方

1.3 倒流殼涂瓷釉

溫度分別設(shè)定在500 ℃,550 ℃,600 ℃,650 ℃,700 ℃和750 ℃時(shí),分別燒結(jié)30 min,然后根據(jù)肉眼觀察其結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 配料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

因?yàn)槿~片的薄壁面,在燒結(jié)的過(guò)程中薄壁的地方與瓷釉的熱膨脹系數(shù)相差較大,根據(jù)不同的產(chǎn)品調(diào)整漿液中的膨潤(rùn)土成分,最終以表1 所示的配比為最合適的配方,配方在容器中攪拌2.5 h。 瓷釉配料按照以上方法配成漿液以后需要用標(biāo)準(zhǔn)尺蘸上后檢測(cè)釉料的質(zhì)量,控制在55～58 g。 配料的研制同樣要和燒結(jié)的溫度同時(shí)匹配才能得到想要的釉面。 涂刷在倒流殼表面后通過(guò)750 ℃左右的高溫將其燒結(jié)在倒流殼表面,能有效提高耐腐蝕能力。

2.2 涂刷均勻釉面的結(jié)果及分析

使用虹吸的容器,把倒流殼放入液態(tài)瓷釉中,虹吸容器制造負(fù)壓后,倒流殼會(huì)緩緩地吸入殼體中,在穩(wěn)定的壓力下,瓷釉吸附的效果更好、更均勻,不會(huì)造成局部地區(qū)堆積重疊,可以減少產(chǎn)品的缺陷。 虹吸涂好瓷釉后,自然冷卻20 min,用肉眼檢測(cè)內(nèi)部瓷釉涂層是否均勻,如果有不均勻的地方,需要用刷子涂刷保證瓷釉涂層的均勻性。 涂刷均勻以后,要等到釉面完全干燥（淺灰色表示完全干燥,深灰色或者深灰色的斑點(diǎn)沒(méi)有完全消失則表示沒(méi)有完全干燥）,干燥之后用氣槍把倒流殼表面的殘?jiān)蹈蓛?然后整齊有序地?cái)[放到焙燒爐中,馬上進(jìn)行燒結(jié),即可以得到滿意的效果。

在不同溫度下瓷釉涂層的附著力隨著溫度的變化基本沒(méi)有什么影響（見(jiàn)表2）,分別在500 ℃,550 ℃,600℃,650 ℃,700 ℃,750 ℃,800 ℃對(duì)聯(lián)結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,隨著溫度的升高,所有試塊的強(qiáng)度均超過(guò)了14 MPa。

表2 壓力檢測(cè)

2.3 最佳燒結(jié)溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

把燒結(jié)溫度分別設(shè)定為500 ℃,550 ℃,600 ℃,650 ℃,700 ℃,750 ℃,800 ℃,觀察其顏色和光澤度（見(jiàn)表3）。 發(fā)現(xiàn)500 ℃時(shí),瓷釉為藍(lán)白色,無(wú)光澤,釉面大面積脫落,有裂紋。 發(fā)現(xiàn)550 ℃時(shí),瓷釉為淡藍(lán)白色,無(wú)光澤,釉面小面積脫落,有少量裂紋。 發(fā)現(xiàn)600 ℃時(shí),瓷釉為藍(lán)白色,無(wú)光澤,釉面無(wú)脫落,有大量魚(yú)鱗爆裂紋。 發(fā)現(xiàn)650 ℃時(shí),瓷釉為藍(lán)白色,光澤一般,釉面無(wú)脫落,有少量魚(yú)鱗爆裂紋。 發(fā)現(xiàn)700 ℃時(shí),瓷釉為亮藍(lán)色,光澤較好,釉面小面積脫落,無(wú)魚(yú)鱗爆裂紋。 發(fā)現(xiàn)750 ℃時(shí),瓷釉為亮白色,光澤較好,釉面無(wú)脫落,無(wú)裂紋。 由此得出結(jié)論：700 ～800 ℃為金屬和非金屬的最佳結(jié)合溫度。

表3 涂層性能比較

2.4 灰鐵倒流殼瓷內(nèi)流道釉面修復(fù)

倒流殼涂瓷釉后由于倒流殼是灰鐵材料（金屬材質(zhì)）,而瓷釉是非金屬,這樣金屬和非金屬存在不同的膨脹系數(shù)和不同的熱性能。 即使在嚴(yán)格控制制造工藝和制造設(shè)備穩(wěn)定性的情況下,還是有15%左右的不合格率（見(jiàn)圖1—2）,需要有完整的改進(jìn)措施。 如果這些問(wèn)題得不到修復(fù),會(huì)影響泵的性能。

圖1 葉片根部出現(xiàn)瓷釉裂開(kāi)

灰鐵倒流殼內(nèi)流道涂瓷釉研發(fā)修復(fù)方案：（1）涂硬的金屬漆在葉片的根部部位,使得修復(fù)部位和本體具有相似的表面光潔度,沒(méi)有色差；（2）拋丸去掉原來(lái)的瓷釉,重新涂瓷釉。

圖2 葉片定部出現(xiàn)瓷釉脫落

如圖3 所示,葉片上出現(xiàn)了斑點(diǎn)和密密麻麻的小突起。 原因分析：內(nèi)流道沒(méi)有清理干凈。 解決方案：重新拋丸噴砂去掉內(nèi)流道原有釉面,重新拋丸使得內(nèi)流道表面光潔度達(dá)到Ra3.2 ～6.3 后重新涂瓷釉。

圖3 葉片上出現(xiàn)斑點(diǎn)和小突起

3 討論

抗腐蝕性能是研究瓷釉的重要方向。 對(duì)于腐蝕性倒流殼的耐久性設(shè)計(jì),氯的入侵是必須考慮的問(wèn)題。 腐蝕性的液體中一般含有氯離子,侵入倒流殼本體后由于倒流殼非常容易生銹,導(dǎo)致灰鐵銹蝕,縮短倒流殼使用壽命。 在倒流殼表面添加保護(hù)層,隔斷腐蝕性離子入侵,是阻止生銹最直接、最有效的方法之一。 瓷釉涂層是一種新型無(wú)機(jī)鹽陶瓷涂層,涂刷在倒流殼表面后通過(guò)750 ℃左右的高溫將其燒結(jié)在倒流殼表面,能有效提高耐腐蝕能力；同時(shí)瓷釉涂層原料容易得到,成本低,可以用在腐蝕性的環(huán)境中,非常具有應(yīng)用前景。

通過(guò)對(duì)非金屬瓷釉和倒流粘接性的研究,400 ℃燒結(jié)后活性瓷釉涂層以顆粒的形式聚集在葉片表面,涂層成分之間沒(méi)有相互反應(yīng)生成致密的保護(hù)層。 由于涂層顆粒只是以堆積的形式存在,燒結(jié)后的涂層沒(méi)有與倒流殼葉片緊密粘接,二者之間存在間隙[4]。 經(jīng)800 ℃燒結(jié)后,顆粒已相互反應(yīng)融合形成整體,涂層各成分在此溫度下反應(yīng)產(chǎn)生大量結(jié)晶體。 800 ℃涂層從倒流殼葉片向環(huán)氧方向依次可分為以下幾個(gè)特征區(qū)域：氧化膜延伸區(qū)、環(huán)向孔洞、針狀晶體、斑狀晶體。 涂層環(huán)向孔洞主要分布在距葉片200 μm 范圍內(nèi)[4],孔洞內(nèi)無(wú)碳元素分布,因此推斷均為封閉孔。分別對(duì)涂層各層物質(zhì)進(jìn)行元素分析,統(tǒng)計(jì)各層物質(zhì)含量最高的3 種元素分別為：葉片氧化膜延伸區(qū)（鐵、硅、氧）、環(huán)向孔洞周圍黑色物質(zhì)（鐵、硅、氧）、針狀晶體1（鐵、硅、氧）、斑狀晶體（鐵、氧、鎳）、針狀晶體（鐵、氧、猛）。 在葉片氧化膜區(qū)域發(fā)現(xiàn)了本屬于涂層的硅、鈣等元素,在涂層內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了本屬于倒流殼葉片的鐵、錳等元素,葉片-涂層界面變得模糊、破碎,這說(shuō)明在800 ℃燒結(jié)條件下,葉片、涂層相互滲透、融合,二者緊密結(jié)合形成不可分割的整體[4-5]。

按照本文提到的瓷釉配方進(jìn)行配比,所有的毛坯在涂瓷釉之前都必須經(jīng)過(guò)內(nèi)流道的清理,通常會(huì)選擇噴砂處理使得內(nèi)流道的表面光潔度達(dá)到Ra3.2,粗糙度達(dá)不到要求會(huì)造成瓷釉的粘接性能差。 瓷釉配料按照以上方法配好成漿液以后需要用標(biāo)準(zhǔn)尺蘸上后檢測(cè)釉料的質(zhì)量,需要控制在55 ～58 g。 進(jìn)行內(nèi)流道的瓷釉噴涂,噴涂以后100%檢測(cè)內(nèi)流道中的釉是否完全涂好、瓷釉是否均勻。 不均勻的地方用刷子蘸上釉以后刷在不均勻的表面上,放到爐中燒結(jié),溫度達(dá)到700～800 ℃后保溫2 h。