搪玻璃生產質量控制與增韌技術研究進展

李 響*

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院）

0 引言

搪玻璃（又稱“工業搪瓷”）是指在搪玻璃金屬基體表面涂覆搪玻璃釉漿，經過高溫燒制后復合形成的一層耐強酸強堿腐蝕、耐高溫、表面光滑致密的玻璃質襯里材料[1-2]。搪玻璃設備最早由法德爾公司制造，隨后在全世界得到了發展。搪玻璃產品包括搪玻璃設備和搪玻璃零件，例如搪玻璃反應釜和搪玻璃攪拌器等，搪玻璃產品在農化、化工、食品醫藥等領域被廣泛應用。當前我國搪玻璃技術處于領先水平。

1 搪玻璃特點

與搪瓷材料相比，搪玻璃化學成分中的二氧化碳質量含量超過60%，瓷層表面沒有未熔化的石英顆粒和氣泡，搪玻璃的硅酸鹽結構較為完整。搪玻璃的金屬基體厚度一般在6 mm 以上。搪玻璃磨加物中的懸浮液較少，不含乳濁劑和色素。搪玻璃是金屬基體和瓷釉結合的復合材料，這種材料具有一定的局限性，搪玻璃面不能經受硬質金屬直接撞擊，具不能經受任何濃度和工作溫度下的氫氟酸和含有氟離子溶液的腐蝕[3]。當搪玻璃工作溫度超過一定溫度時，耐腐蝕性會急劇下降，搪玻璃的耐溫差急變性能較差，不能經受極度驟冷驟熱環境，因此搪玻璃設備的設計溫度一般為-20 ～200 ℃。

搪玻璃瓷層結構由金屬基體、第一互滲層、底釉層、第二互滲層、面釉層及面釉表面層組成，如圖1所示。

圖1 搪玻璃瓷層結構

2 搪玻璃生產質量控制

2.1 搪玻璃金屬基體

加工搪玻璃設備時，首先需要對搪玻璃金屬基體表面進行預處理，包括修磨、預燒、噴丸處理等工序，然后調制好搪玻璃釉漿，再將釉漿均勻噴涂在搪玻璃金屬基體表面，噴涂后的釉層需要進行干燥，最后進行高溫燒制，將制件放入燒成爐內，燒成一次后需要檢查設備是否有裂紋、 魚鱗爆、發沸等缺陷并及時處理，缺陷無法處理時需要進行復搪。

搪玻璃金屬基體的鋼材與壓力容器用鋼不同，搪玻璃用鋼對C、S、P 含量的要求更高，例如搪玻璃設備采用Q235 鋼時，在燒結過程中金屬中的C、S汽化，容易產生氣泡，降低搪玻璃層和金屬基體的密著度，在投用過程中，急冷急熱容易引起爆瓷，造成巨大安全隱患。因此，GB 25025—2010《搪玻璃設備技術條件》標準對搪玻璃用鋼的化學成分和力學性能作出了規定，搪玻璃用鋼的化學成分（質量分數）要求如表1 所示。

表1 搪玻璃用鋼的化學成分要求

加工搪玻璃金屬基體需要用到下料機、四輥卷板機、卷圈機、拋丸機、空壓機以及自動焊機等設備。在噴涂搪玻璃釉前需要進行“修胎”，如去毛刺、焊縫打磨、凹坑處理等，并清除金屬基體表面的油污鐵銹，生產中常用燒油法和噴丸法處理。此外，還需要對金屬基體采用熱處理或時效處理等方法來消除金屬基體加工時產生的內應力，如果金屬加工時產生的內應力消除不徹底，搪玻璃設備在投用后幾個月后就會發生爆瓷等危險情況。

2.2 搪玻璃釉料制備及增韌方法

搪玻璃釉料是搪瓷釉中的一類，搪玻璃原子按照近程有序排列，物理性質表現為各向同性，沒有固定的熔點，搪玻璃的熔融狀態到玻璃態的過程是可逆的。搪玻璃層和酸堿物料接觸時生成了浸蝕保護層，從而具備了耐酸性和耐腐蝕性。搪玻璃釉的主要技術指標包括耐溫差急變性、耐機械沖擊性、耐沸騰水336 h 腐蝕性能、平均線熱膨脹系數、耐20%（質量分數）沸騰鹽酸168 h 腐蝕性等。

搪玻璃釉的化學成分決定了搪玻璃層的物理化學性質。許金沙等[4]研究了普通型、耐酸型、耐酸堿型3 種搪玻璃釉料對搪玻璃層耐腐蝕性能的影響，通過光譜儀檢測了3 種釉料的主要化學組成，利用掃描電鏡觀察了經過堿液腐蝕后的樣品的表面形貌，發現搪玻璃釉中的SiO2含量和四氧化硅骨架的連續性影響搪玻璃耐酸堿腐蝕性能，添加TiO2等氧化物可增強四氧化硅網絡的結構強度。因此，在選擇搪玻璃釉時，廠家需考慮容器投用后所承受物料的酸堿性。

搪玻璃脆性較大，可以利用氧化鋯相變、碳化硅晶須、碳納米管等方法增強其韌性。李志恒等[5-6]發現，在釉粉中加入氧化鋯（t-ZrO2）可以改善搪玻璃表面光滑形貌、提高搪玻璃的力學性能、減少氣孔生成。Chen 等[7]研究了碳納米管增強鋁基材料的強化機制，通過拉伸試驗觀察了鋁基復合材料中碳納米管的斷裂過程，發現碳納米管可以增強搪玻璃金屬基體的力學性能。陳澤恒等[8]研究了不同粒徑的氧化釔穩定氧化鋯對搪玻璃組分搪玻璃的斷裂韌性的影響，在搪玻璃中摻入100 nm 粒徑的氧化釔穩定氧化鋯，當其質量分數達到2%時，搪玻璃的斷裂力值差可以達到366%，搪玻璃的斷裂韌性顯著提高。

搪玻璃釉層燒成時若產生結晶會對搪玻璃層的宏觀和微觀殘余應力產生影響。Yan 等[9]采用幾何相位分析法 （GPA），研究了不同熱處理時間后的搪玻璃層的微觀結構和機械性能變化，觀察到母釉中析出了BaAl2Si2O8、CaAl2Si2O8和MgCr2O4晶體，熱處理32 h 后瓷釉結晶達到飽和。搪玻璃層的宏觀和微觀殘余壓應力隨著結晶體積分數的增加而增加，同時，連續的宏觀殘余壓應力和小尺度微觀結構的不均勻性會導致搪玻璃層表面附近的剪切應力集中，從而導致魚鱗爆缺陷。

2.3 搪玻璃燒成工藝質量控制

搪玻璃燒成工藝是指將噴涂在金屬基體上釉漿或釉粉干燥后，在燒成爐中高溫搪燒，從而獲得連續的玻璃相的過程。搪玻璃瓷層燒成工藝包含搪玻璃低釉和面釉的燒成。

搪玻璃底釉的燒成溫度一般控制在920 ℃左右，面釉的最高燒成溫度一般控制在850 ℃左右。搪玻璃常采用間隙式燒成爐進行燒成。間隙式燒成爐是指間歇進行搪玻璃燒成的燒成爐，適合小批量、大件搪玻璃設備的燒成。

搪玻璃燒成后，如果搪玻璃層仍存在相變應力，容易造成“爆瓷”缺陷，即搪玻璃瓷層從金屬基體脫落[10]。為了避免搪玻璃生產中爆瓷缺陷，有些廠家采用多次燒成工藝或者不同姿態燒成措施，但是這些措施效率低下，甚至部分需要返工，目前搪玻璃燒成工序中常采用先進的“受控搪燒”（又稱溫控燒成）技術，該技術根據搪瓷釉高溫下發生的物理化學變化規律，通過智能系統控制燒成溫度變化，達到緩燒保溫的效果，從而確保工件受熱均勻，降低搪玻璃層的殘余應力[11]。

3 結論

搪玻璃釉粉增韌技術、金屬基底物理化學性質、燒成工藝會對搪玻璃設備的使用質量產生重要影響。因此，需要正確選擇搪玻璃金屬基體材料，根據產品工作特性采用合適的搪玻璃釉粉，可在釉粉中加入氧化鋯（t-ZrO2）來改善搪玻璃表面光滑形貌和力學性能。添加100 nm 粒徑的氧化釔穩定氧化鋯也可以顯著提高搪玻璃的斷裂韌性。采用“受控搪燒”技術可以降低搪玻璃設備在投用過程中發生“爆瓷”的可能性。