專利名稱：一種鋼鐵高溫防氧化涂料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于鋼鐵的防脫碳涂料，具體涉及一種采用改性凹凸棒石粘土的防氧化脫碳涂料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鋼鐵是用途最廣泛的金屬材料，其產(chǎn)量往往是衡量一個(gè)國家工業(yè)化水平和生產(chǎn)能力的重要標(biāo)志。鋼材的后續(xù)處理工序，不論是軋制、鍛造，還是淬火、退火、正火等，都需要經(jīng)過二次高溫處理.加熱過程中，金屬基體與氣氛之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致氧化、脫碳和元素貧化等問題。金屬與氧發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氧化皮，加熱時(shí)間越長，溫度越高，氧化燒損越嚴(yán) 重。伴隨著氧化，脫碳現(xiàn)象也很嚴(yán)重，爐內(nèi)氧化性氣氛與金屬基體表層中的碳相互作用，形成碳的氣態(tài)氧化物而逃逸，造成脫碳.脫碳層比基體軟，易變形，易形成裂縫，從而導(dǎo)致鋼材抗拉強(qiáng)度和屈服極限下降，降低工件質(zhì)量，影響鋼材性能和使用壽命。目前，在現(xiàn)有防鋼鐵脫碳的方法中，最方便且成本低的就是使用防脫碳涂料，對(duì)此國內(nèi)外科研工作者都進(jìn)行了大量的研究，日本新日鐵公司研制的鋁系防脫碳涂料，氧化燒損減少了近90%;國內(nèi)研制的防脫碳涂料主要以玻璃基為主要成分，且制備工藝中主要以有機(jī)溶劑為主要溶劑種類，如CN03134232. 9采用納米氧化鋁、納米氧化硅并以磷酸鈉和水玻璃為粘結(jié)劑和二甲苯為溶劑制備防脫碳涂料；CN200310110687. 6采用Ti02、A1203、SiO2,玻璃粉以及碳粉為主要粉末，以聚丙烯酸鈉為主要粘結(jié)劑，采用乙酸三甘醇為增塑劑，以無水乙醇為溶劑制備放脫碳涂料，上述玻璃基防脫碳涂料雖然在熱加工過程中能夠在鋼鐵表面形成連續(xù)致密薄層，阻斷外部介質(zhì)與基體接觸，減緩或中止基體的氧化，但熔融玻璃在阻斷外部介質(zhì)的同時(shí)，還將與基體表面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，使其粘附在基體上，由于存在鍵合作用，熱加工后的涂層不易去除，必須附加工藝才可去除，從而增加了成本，并且上述涂料粉料種類較多并多采用納米級(jí)顆粒，涂料制備成本較高，且制備工藝大多使用甲苯或三氯乙烯等有機(jī)溶劑，不但成本高，且毒性較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種能在冷卻過程中自然脫落的高溫防氧化涂料及其制備方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種鋼鐵高溫防氧化涂料，包括混合粉末、水、粘結(jié)劑和分散劑；混合粉末與水的重量比為50 55 45 50 ;粘結(jié)劑和分散劑的重量均為混合粉末重量的2% 5% ;混合粉末包括以下重量配比的組分改性凹凸棒石粘土粉末60% 70%、鋁礬土 5% 10%、氧化鋯2% 5%、氧化硅10% 15%、無定形碳粉2% 5%和片狀碳粉2% 5%。其中，改性凹凸棒石粘土粉末通過以下步驟制備
(I)在細(xì)度為200目 400目的凹凸棒石粘土粉末中加入有機(jī)疏水化合物，并加入有機(jī)溶劑，攪拌I 4小時(shí)，然后靜置2 3小時(shí)，制成漿料；有機(jī)疏水化合物的重量占凹凸棒石粘土粉末重量的10 15% ;有機(jī)溶劑的加入量以凹凸棒石粘土粉末的重量為基準(zhǔn)，每克凹凸棒石粘土粉末加入有機(jī)溶劑I 3ml ;
(2)向步驟(I)中制備的漿料中加入非離子型表面活性劑，在60 80°C下加熱3 7小時(shí)后，過濾；非離子型表面活性劑的加入量為凹凸棒石粘土粉末重量的3 5% ； (3)將步驟(2)中過濾得到的粉末烘干，即得改性凹凸棒石粘土粉末。步驟(I)中，有機(jī)疏水化合物為有機(jī)聚硅氧烷或有機(jī)羧酸如硬脂酸，已二酸等，優(yōu)選環(huán)氧基聚硅氧烷或硬脂酸。有機(jī)溶劑為低溫易蒸發(fā)性表面張力大的溶劑，如乙醚，甲苯，二甲苯，甲醇，異丙醇，優(yōu)選二甲苯和異丙醇的混合溶液，二甲苯和異丙醇溶液配比為78. 5vol% 21. 5vol%。攪拌采用行星磨高速攪拌，轉(zhuǎn)速為188r/min，時(shí)間為2 4小時(shí)。步驟(2)中非離子型表面活性劑為聚氧乙烯油醇醚型，乙氧基化甲基葡萄糖苷硬脂酸脂型，吐溫80型(聚氧乙烯山梨醇酐單油酸脂)，優(yōu)選聚氧乙烯油醇醚型。加熱采用超級(jí)恒溫器，恒溫6(T80°C，利用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌3 7小時(shí)。步驟(3)在在對(duì)粉末進(jìn)行烘干前，先采用有機(jī)溶劑對(duì)粉末進(jìn)行多次清洗，優(yōu)選乙醇溶液(無水乙醇)清洗2 4次。清洗后采用真空烘干箱進(jìn)行烘干，烘烤溫度為8(noo°c，時(shí)間為2飛小時(shí)。粘結(jié)劑為甲基纖維素(MC)、聚乙烯醇(PVA)、硅酸鈉(水玻璃)、磷酸鈉等，優(yōu)選甲基纖維素(MC)。分散劑優(yōu)選SD-OO。本發(fā)明還提供了上述高溫防氧化涂料的制備方法，具體包括以下步驟
a.將改性凹凸棒石粘土粉末、鋁礬土、氧化鋯、氧化硅、無定形碳粉、片狀碳粉按照上述質(zhì)量比混合，用行星磨機(jī)以188轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨I 3h,經(jīng)過200目細(xì)篩過篩待用；
b.加入水，使得混合粉末的固含量為50 55%;然后加入分散劑，放入球磨機(jī)以400轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨I 3h,再添加粘結(jié)劑,放入球磨機(jī)中再次以400轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨I 3h，即得水溶性高溫防氧化脫碳涂料。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明利用凹凸棒石粘土優(yōu)良的流變性、較高的膨脹性、較好的熱穩(wěn)定性、良好的可塑性以及較高的比表面積等特性，以凹凸棒石粘土為主要成分以水為溶劑制備防氧化涂料；同時(shí)利用有機(jī)疏水化合物吸附在凹土粉末表面，從而阻止凹土粉末之間的聚合反應(yīng)，利用包裹在外層的非離子表面活性劑，進(jìn)一步抑制凹土粉末間的聚合反應(yīng)并使粉末與水很好的浸潤，提高凹凸棒石粘土粉末在水中的分散性。同時(shí)采用鋁礬土、氧化鋯、氧化硅、無定形碳粉和片狀碳粉等為耐火基料，這些組分的復(fù)配使得該涂料具有很好的高溫強(qiáng)度及穩(wěn)定性。本發(fā)明制備的高溫防氧化脫碳涂料，是一種水溶性涂料，不含有有機(jī)溶劑，對(duì)環(huán)境無污染，可廣泛適用于各種鋼在80(Ti20(rc加熱時(shí)防氧化脫碳，并且能夠在冷卻過程中自然剝落，對(duì)后續(xù)的機(jī)械加工無任何影響。


圖1為涂覆本發(fā)明涂料保護(hù)的鋼材與未涂覆本發(fā)明涂料的鋼材在1100°C下高溫回火處理，保溫時(shí)間對(duì)脫碳層深度的影響曲線 圖2為涂覆本發(fā)明涂料的鋼材與未涂覆本發(fā)明涂料的鋼材在不同溫度下回火處理，保溫30min，溫度對(duì)脫碳層深度的影響曲線圖。
圖中，1-涂覆本發(fā)明涂料保護(hù)的鋼材，2-未涂覆本發(fā)明涂料的鋼材。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明鋼鐵高溫防氧化涂料進(jìn)行詳細(xì)說明。改性凹凸棒石粘土粉末制備
1)把50g凹土粉末(細(xì)度為300目 400目)和5g環(huán)氧基聚硅氧烷浸泡在120ml二甲苯和異丙醇的混合溶液(二甲苯和異丙醇溶液配比為78. 5vol% 21. 5vol%)中，并不停地?cái)嚢?小時(shí)，然后靜置3小時(shí)；
2)在上述混合物中添加2ml吐溫80型非離子型表面活性劑，于60°C水浴攪拌加熱7小時(shí)；
3)將混合物過濾，過濾出地凹土粉末用無水乙醇溶液4次清洗；
4)將清洗后的凹土粉末80°C烘干鍛燒4小時(shí)，即獲得水溶性較好的改性凹土粉末。實(shí)施例一
1、按照粉末的重量比，將60%改性凹土粉末、8%鋁礬土、5%氧化鋯、10%氧化硅、3%無定形碳粉、5%片狀碳粉混合，用行星磨機(jī)以188轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨lh，經(jīng)過200目細(xì)篩過篩得混合粉末，待用；
2、按混合粉末與水的固含量比為50%加入一定的水，添加按混合粉末質(zhì)量比為2%的分散劑SD-00，放入球磨機(jī)以400轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨lh，再添加按混合粉末質(zhì)量比為5%的粘結(jié)劑PVA，放入球磨機(jī)中再次以400轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨lh，得到水溶性高溫防氧化脫碳涂料。將經(jīng)過淬火處理的Q345B碳素結(jié)構(gòu)鋼，用粗砂紙大伯需涂覆涂層的試樣表面，取出試樣表面的微突物，放入有機(jī)溶液中超聲清洗30分鐘，然后用去離子水進(jìn)行漂洗去除無機(jī)和有機(jī)污染物，取出試樣放入70°C烘箱中快速烘干表面水，使得金屬徹底除銹，表面達(dá)到干凈光滑，用刷子將上述涂料均勻的刷在試樣表面，待自然干燥后重復(fù)刷3遍，自然干燥后放入熱處理爐中進(jìn)行600°C中溫回火3h，并隨爐冷卻至室溫，防氧化涂料自動(dòng)脫落。實(shí)施例二
1、按照粉末的重量比，將70%改性凹土粉末、5%鋁礬土、3%氧化鋯、15%氧化硅、3%無定形碳粉、2%片狀碳粉混合，用行星磨機(jī)以188轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨3h，經(jīng)過200目細(xì)篩過篩得混合粉末，待用；
2、按混合粉末與水的固含量比為55%加入一定的水,添加按混合粉末質(zhì)量比為5%的分散劑SD-00，放入球磨機(jī)以400轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨3h，再添加按混合粉末質(zhì)量比為5%的粘結(jié)劑MC,放入球磨機(jī)中再次以400轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨3h,得到水溶性高溫防氧化脫碳涂料。將經(jīng)過淬火處理的45Cr調(diào)質(zhì)鋼，放入有機(jī)溶液中超聲清洗30分鐘，然后用去離子水進(jìn)行漂洗去除無機(jī)和有機(jī)污染物，取出試樣放入Ioo°c烘箱中快速烘干表面水，使得金屬徹底除銹，表面達(dá)到干凈光滑，用噴槍將上述涂料均勻的噴在試樣表面，待自然干燥后重復(fù)噴3遍，自然干燥后放入熱處理爐中進(jìn)行1100°C高溫溫回火3h，并隨爐冷卻至室溫，防氧化涂料自動(dòng)脫落。取45Cr調(diào)質(zhì)鋼，采用實(shí)施例2制備的防氧化脫碳涂料進(jìn)行涂覆保護(hù)，對(duì)照未經(jīng)過涂料保護(hù)的45Cr調(diào)質(zhì)鋼，在1100°C進(jìn)行高溫回火處理，采用光學(xué)顯微鏡觀察不同保溫時(shí)間下試樣脫碳層深度，研究結(jié)果如圖1所示。未涂覆本發(fā)明涂料的鋼材2隨著保溫時(shí)間的延長，脫碳層深度呈現(xiàn)明顯的增加；而涂覆本發(fā)明涂料保護(hù)的鋼材I隨著保溫時(shí)間的延長，脫碳層深度增加的幅度較小。同時(shí)將經(jīng)實(shí)施例2制備的防氧化脫碳涂料涂覆保護(hù)的45Cr調(diào)質(zhì)鋼，對(duì)照未經(jīng)過涂料保護(hù)的45Cr調(diào)質(zhì)鋼，回火保溫30min，采用光學(xué)顯微鏡觀察不同熱處理溫度下試樣脫碳層深度，研究結(jié)果如圖2所示。未涂覆本發(fā)明涂料的鋼材2隨著熱處理溫度的增加，脫碳層深度呈現(xiàn)明顯的增加，850°C時(shí)試樣的脫碳層深度達(dá)0. 06mm，在1100°C時(shí)達(dá)到0. 25mm ;而涂覆本發(fā)明涂料保護(hù)的鋼材I隨著熱處理溫度的增加，脫碳層深度增加的幅度較小，850°C試樣的脫碳層深度達(dá)0. 02mm，在1100°C時(shí)達(dá)到0. 09mm。
從圖1和圖2可以看出，本發(fā)明防氧化脫碳涂料能夠較好的抑制試樣在高溫時(shí)的脫碳現(xiàn)象，且在冷卻過程中能自動(dòng)脫落，不影響后續(xù)的機(jī)械加工。
權(quán)利要求
1.一種鋼鐵高溫防氧化涂料，其特征在于包括混合粉末、水、粘結(jié)劑和分散劑；所述混合粉末與水的重量比為50 55 45 50 ;所述粘結(jié)劑和分散劑的重量均為所述混合粉末重量的2% 5% ;所述混合粉末包括以下重量配比的組分改性凹凸棒石粘土粉末60% 70%、鋁礬土 5% 10%、氧化鋯2% 5%、氧化硅10% 15%、無定形碳粉2% 5%和片狀碳粉2% 5% ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼鐵高溫防氧化涂料，其特征在于，所述改性凹凸棒石粘土粉末通過以下步驟制備 (1)在細(xì)度為200目 400目的凹凸棒石粘土粉末中加入有機(jī)疏水化合物，并加入有機(jī)溶劑，攪拌I 4小時(shí)，然后靜置2 3小時(shí)，制成漿料；所述有機(jī)疏水化合物的重量占凹凸棒石粘土粉末重量的10 15% ;所述有機(jī)溶劑的加入量以凹凸棒石粘土粉末的重量為基準(zhǔn)，每克凹凸棒石粘土粉末加入有機(jī)溶劑I 3ml ; (2)向步驟(I)中制備的漿料中加入非離子型表面活性劑，在60 80°C下加熱3 7小時(shí)后，過濾；所述非離子型表面活性劑的加入量為凹凸棒石粘土粉末重量的3 5% ； (3)將步驟(2)中過濾得到的粉末烘干，即得改性凹凸棒石粘土粉末。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼鐵高溫防氧化涂料，其特征在于，所述步驟(I)中有機(jī)疏水化合物為有機(jī)聚硅氧烷或有機(jī)羧酸，有機(jī)溶劑選自乙醚、甲苯、二甲苯、甲醇、異丙醇或其混合物；所述步驟(2)中非離子型表面活性劑為聚氧乙烯油醇醚型、乙氧基化甲基葡萄糖苷硬脂酸脂型或吐溫80型活性劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼鐵高溫防氧化涂料，其特征在于，所述粘結(jié)劑選自甲基纖維素、聚乙烯醇、硅酸鈉、磷酸鈉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼鐵高溫防氧化涂料，其特征在于，所述分散劑采用SD-OO。
6.一種權(quán)利要求1或2所述鋼鐵高溫防氧化涂料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 將改性凹凸棒石粘土粉末、鋁礬土、氧化鋯、氧化硅、無定形碳粉、片狀碳粉混合，用行星磨機(jī)以188轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨I 3h，經(jīng)過200目細(xì)篩過篩制備混合粉末待用； 加入水，使得混合粉末的固含量為50 55% ;然后加入分散劑，放入球磨機(jī)以400轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨I 3h,再添加粘結(jié)劑,放入球磨機(jī)中再次以400轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨I 3h，即得所述鋼鐵高溫防氧化涂料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼鐵高溫防氧化涂料及其制備方法。該涂料包括混合粉末、水、粘結(jié)劑和分散劑；混合粉末與水的重量比為50～5545～50；粘結(jié)劑和分散劑的重量均為混合粉末重量的2%～5%；混合粉末包括以下重量配比的組分改性凹凸棒石粘土粉末60%～70%、鋁礬土5%～10%、氧化鋯2%～5%、氧化硅10%～15%、無定形碳粉2%～5%和片狀碳粉2%～5%。本發(fā)明制備的高溫防氧化脫碳涂料，是一種水溶性涂料，不含有有機(jī)溶劑，對(duì)環(huán)境無污染，可廣泛適用于各種鋼在800~1200℃加熱時(shí)防氧化脫碳，并且能夠在冷卻過程中自然剝落，對(duì)后續(xù)的機(jī)械加工無任何影響。
文檔編號(hào)C21D1/68GK103014270SQ201210546558
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者姚義俊, 劉斌, 蘇靜, 李純成 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)