一種SiAlON‑ZrO２基不鏽鋼用耐高溫抗氧化塗料的製作方法
2023-10-22 06:01:42 2
本發明涉及塗料技術領域，具體涉及一種SiAlON-ZrO2基不鏽鋼用耐高溫抗氧化塗料。
背景技術：
在現行的軋鋼工藝中，無論是普通鋼還是特鋼，在軋制、鍛造、淬火、退火、正火等熱處理加工過程時，在高溫作用下容易產生表面氧化現象，而且還會伴隨著合金元素貧化和脫碳。這種現象直接制約著軋鋼成材率的提高，影響了成品鋼材的表面質量。目前防止鋼鐵製品氧化燒損的方法有高溫塗層法、真空法和保護氣氛法。真空法和保護氣氛法是將鋼鐵製品置於真空環境或惰性氣體保護環境下進行加熱處理，減少高溫爐氣與鋼鐵製品表面接觸，從而減少鋼鐵製品的氧化損傷。但這兩種方法工藝複雜，操作技術要求高，不適合鋼鐵製品大批量熱處理加工。高溫塗層法是近幾十年發展起來的一種熱處理保護技術，相對真空法和保護氣氛法加工技術，這種保護方法具有投資少、成本低、操作簡單、適應性強等特點。塗層技術的基本原理是將塗料塗覆於鋼坯表面，在逐步加熱過程中，形成一層緊附於鋼坯表面且強度較高的緻密燒結層，該燒結層對鋼坯表面氧化物呈惰性，從而防止鋼坯因直接接觸而產生的粘鋼問題，同時緻密燒結層隔絕了氧化性氣氛，有效降低了鋼坯氧化燒損。
中國專利公開號1036396A公開了一種矽鋼板坯加熱防氧化塗料，該種塗料以普通鎂砂或廢鎂磚粉和電容鎂砂為主料，輕粘土矽酸鹽熔塊和工業三氧化二鉻為輔料，以三聚磷酸鈉和聚丙烯酸鈉為添加劑製成。該塗料採用的是鎂鉻質塗料，雖然具有一定的抗液態矽鋼侵蝕的能力，但其粘結性能較差，致使該塗料被加熱後極易開裂和脫落，另外三聚磷酸鈉和聚丙烯酸鈉在高溫下的化學穩定性能也相對較差，致使該塗料防氧化效果不是很理想。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有不鏽鋼耐高溫防氧化塗料化學穩定性差、易開裂脫落的問題，提供一種具有良好耐高溫性和粘結性的SiAlON-ZrO2基不鏽鋼用耐高溫抗氧化塗料。
本發明的具體技術方案為：一種SiAlON-ZrO2基不鏽鋼用耐高溫抗氧化塗料，由以下重量份的原料組成：SiAlON-ZrO2粉體30～50份，三氧化鉬2～4份，複合粘結劑20～30份，氟硼酸鉀0.5～1.5份，碳化硼0.5～1.5份，以上各組分粒度為300～500目。
SiAlON-ZrO2材料具有熔點高、導熱係數高、熱膨脹率低、化學穩定性好等優良性能，本發明採用SiAlON-ZrO2材料作為填料，大大提高了塗料的耐高溫性和化學穩定性。氟硼酸鉀是低熔點化合物，在塗層中起助熔的作用，增加塗層熔體的潤溼能力。碳化硼在高溫下提供活性C原子，可以增強基體的抗脫碳能力。
其中，SiAlON-ZrO2粉體由以下方法製備而得：
(1)將重量份分別為30～40份鋯英石，20～30份氧化鋯，15～20份Si3N4和5～10份Al2O3混合均勻的基料，置於球磨罐中，以水為介質球磨1～2h；
(2)將步驟(1)中球磨後的混合料在80～100℃下乾燥，然後再幹混20～30min；
(3)將幹混後的混合料以70～80MPa的壓力壓製成型，保壓2～3h，然後置於微波高溫氣氛爐中，在埋炭條件下於1500～1600℃保溫4～8h後，自然冷卻即得SiAlON-ZrO2粉體。
本發明採用微波加熱合成、燒結製備SiAlON-ZrO2粉體，具有降低燒結溫度、縮短燒結保溫時間的優點。
作為優選，步驟(1)中基料與水的質量比為1.5～2：1。混合料的濃度在適宜範圍內，混合物更易於粉碎，其流動性和分散性更好，粉碎的更均勻。
作為優選，複合粘結劑的製備方法如下：
將重量份分別為60～80份酞菁樹脂預聚物，20～30份填料，1～3份二甲苯，1～3份三乙氧基矽烷混合均勻，加熱至150～250℃，保溫2～5h，再升溫至250～350℃，保溫4～10h，再升溫至350～450℃，保溫4～10h，自然冷卻後即得複合粘結劑。
粘結劑在高溫下會優先形成液相粘態膜，成為塗層耐火材料的粘結橋，使塗層形成緻密的復相薄膜。酞菁樹脂是一種新型結構的樹脂，具有優異的熱氧化穩定性和化學穩定性，本發明採用酞菁樹脂預聚物製備複合粘結劑，提高了粘結劑在高溫下的穩定性和粘性，使塗層不易開裂脫落，增強了塗層抗高溫氧化能力。二甲苯可以改善樹脂的滲透性，3-氨基丙基三乙氧基矽烷可以改善填料在樹脂中的潤溼性和分散性。
作為優選，所述填料選自矽微粉、碳化硼、蒙脫土中的一種或幾種。
作為優選，酞菁樹脂預聚物通過以下步驟製備而得：
(1)在500mL的三口燒瓶中加入0.4mol 4-硝基鄰苯二腈，0.2mol 4,4-二羥基聯苯，0.44mol無水碳酸鉀以及200mL N,N-二甲基甲醯胺，將反應體系加熱，控制溫度在80～90℃，反應5h；
(2)反應完畢後，將反應液緩慢倒入pH為4的鹽酸溶液中沉澱，將沉澱物反覆過濾、洗滌，直至呈中性，然後置於真空乾燥箱中於75℃烘乾，得到雙鄰苯二甲腈衍生物；
(3)在雙鄰苯二甲腈衍生物中，加入其重量3％的2,6-二(4-氨基苯氧基)苯甲腈，在250℃下快速攪拌15min，使其反應均勻，然後迅速冷卻至室溫，將樣品磨粉即得酞菁樹脂預聚物。
雙鄰苯二甲腈單體的腈基可在一定的加熱條件下發生加聚合成反應，形成芳雜環為交聯點的網狀結構，採用此單體製備的酞菁樹脂具有優良的耐熱性能。
一種SiAlON-ZrO2基不鏽鋼用耐高溫抗氧化塗料的使用方法包括以下步驟：
(1)將塗料用水混合，攪拌均勻，調節漿料密度為1.2～1.8kg/m3；
(2)將配好的漿料噴塗或刷塗在室溫至500℃的鋼坯表面。
本發明提供的塗料可以塗刷在常溫鋼坯表面乾燥成膜，也可以直接噴塗在500℃以下的鋼坯表面，並在高溫作用下形成連續保護塗層，有效降低鋼坯在加熱過程中的氧化燒損。
作為優選，漿料在鋼坯表面的塗層厚度為0.3～0.5mm，漿料用量為0.3～0.5kg/m2.漿料用量少，形成的塗層太薄，抗氧化效果差；漿料用量過多，形成的塗層太厚，會影響鋼坯熱處理過程中的熱傳遞。
本發明的有益效果是：(1)本發明採用SiAlON-ZrO2材料作為填料，大大提高了塗料的耐高溫性和化學穩定性，本發明提供的塗料適用於800～1400℃/1～30h熱處理的抗氧化；(2)本發明採用酞菁樹脂預聚物製備複合粘結劑，提高了粘結劑在高溫下的穩定性和粘性，使塗層不易開裂脫落，增強了塗層抗高溫氧化能力；(3)SiAlON-ZrO2材料具有低的熱膨脹率，熱加工完成後，塗層在冷卻過程中可以自動從鋼坯表面剝落，降低了除鱗難度。
具體實施方式
下面通過具體實施例，對本發明的技術方案做進一步說明。
本發明中，若非特指，所採用的原料和設備等均可從市場購得或是本領域常用的，實施例中的方法，如無特別說明，均為本領域的常規方法。
實施例1
一種SiAlON-ZrO2基不鏽鋼用耐高溫抗氧化塗料，由以下重量份的原料組成：SiAlON-ZrO2粉體30份，三氧化鉬2份，複合粘結劑20份，氟硼酸鉀0.5份，碳化硼0.5份，以上各組分粒度為300-500目。
其中SiAlON-ZrO2粉體由以下方法製備而得：
(1)將重量份分別為30份鋯英石，20份氧化鋯，15份Si3N4和5份Al2O3混合均勻的基料，置於球磨罐中，以水為介質球磨1h，其中基料與水質量比為1.5：1；
(2)將步驟(1)中球磨後的混合料在80℃下乾燥，然後再幹混20min；
(3)將幹混後的混合料以70MPa的壓力壓製成型，保壓2h，然後置於微波高溫氣氛爐中，在埋炭條件下於1500℃保溫4h後，自然冷卻即得SiAlON-ZrO2粉體。
複合粘結劑由以下方法製備：
將重量份分別為60份酞菁樹脂預聚物，20份矽微粉，1份二甲苯，1份3-氨基丙基三乙氧基矽烷混合均勻，熱至150℃，保溫2h，再升溫至250℃，保溫4h，再升溫至350℃保溫4h，自然冷卻後即得複合粘結劑。
酞菁樹脂預聚物通過以下步驟製備而得：
(1)在500mL的三口燒瓶中加入0.4mol 4-硝基鄰苯二腈，0.2mol 4,4-二羥基聯苯，0.44mol無水碳酸鉀以及200mL N,N-二甲基甲醯胺，將反應體系加熱，控制溫度在80～90℃，反應5h；
(2)反應完畢後，將反應液緩慢倒入pH為4的鹽酸溶液中沉澱，將沉澱物反覆過濾、洗滌，直至呈中性，然後置於真空乾燥箱中於75℃烘乾，得到雙鄰苯二甲腈衍生物；
(3)在雙鄰苯二甲腈衍生物中，加入其重量3％的2,6-二(4-氨基苯氧基)苯甲腈，在250℃下快速攪拌15min，使其反應均勻，然後迅速冷卻至室溫，將樣品磨粉即得酞菁樹脂預聚物。
將上述製備好的塗料用水混合，攪拌均勻，調節漿料密度為1.2kg/m3，噴塗在室溫304不鏽鋼鋼坯表面，形成一層0.3mm厚的保護塗層，漿料用量為0.3kg/m2，塗覆後的鋼坯經800℃熱處理8h後，基體表面氧化燒損降低95％，且塗層在冷卻過程中能夠自然剝落。
實施例2
一種SiAlON-ZrO2基不鏽鋼用耐高溫抗氧化塗料，由以下重量份的原料組成：SiAlON-ZrO2粉體40份，三氧化鉬3份，複合粘結劑25份，氟硼酸鉀1份，碳化硼1份，以上各組分粒度為300-500目。
其中SiAlON-ZrO2粉體由以下方法製備而得：
(1)將重量份分別為35份鋯英石，25份氧化鋯，18份Si3N4和8份Al2O3混合均勻的基料，置於球磨罐中，以水為介質球磨1.5h，其中基料與水的質量比為1.7：1；
(2)將步驟(1)中球磨後的混合料在90℃下乾燥，然後再幹混25min；
(3)將幹混後的混合料以75MPa的壓力壓製成型，保壓2.5h，然後置於微波高溫氣氛爐中，在埋炭條件下於1550℃保溫6h後，自然冷卻即得SiAlON-ZrO2粉體。
複合粘結劑由以下方法製備：
將重量份分別為70份酞菁樹脂預聚物，20份矽微粉，5份碳化硼，2份二甲苯，2份3-氨基丙基三乙氧基矽烷混合均勻，加熱至200℃，保溫4h，再升溫至300℃，保溫6h，再升溫至400℃，保溫8h，自然冷卻後即得複合粘結劑。
酞菁樹脂預聚物通過以下步驟製備而得：
(1)在500mL的三口燒瓶中加入0.4mol 4-硝基鄰苯二腈，0.2mol 4,4-二羥基聯苯，0.44mol無水碳酸鉀以及200mL N,N-二甲基甲醯胺，將反應體系加熱，控制溫度在80～90℃，反應5h；
(2)反應完畢後，將反應液緩慢倒入pH為4的鹽酸溶液中沉澱，將沉澱物反覆過濾、洗滌，直至呈中性，然後置於真空乾燥箱中於75℃烘乾，得到雙鄰苯二甲腈衍生物；
(3)在雙鄰苯二甲腈衍生物中，加入其重量3％的2,6-二(4-氨基苯氧基)苯甲腈，在250℃下快速攪拌15min，使其反應均勻，然後迅速冷卻至室溫，將樣品磨粉即得酞菁樹脂預聚物。
將上述製備好的塗料用水混合，攪拌均勻，調節漿料密度為1.5kg/m3，噴塗在500℃的430不鏽鋼鋼坯表面，形成一層0.4mm厚的保護塗層，漿料用量為0.4kg/m2，塗覆後的鋼坯經1100℃熱處理30h後，基體表面氧化燒損降低93％，且塗層在冷卻過程中能夠自然剝落。
實施例3
一種SiAlON-ZrO2基不鏽鋼用耐高溫抗氧化塗料，由以下重量份的原料組成：SiAlON-ZrO2粉體50份，三氧化鉬4份，複合粘結劑30份，氟硼酸鉀1.5份，碳化硼1.5份，以上各組分粒度為300-500目。
其中SiAlON-ZrO2粉體由以下方法製備而得：
(1)將重量份分別為40份鋯英石，30份氧化鋯，20份Si3N4和10份Al2O3混合均勻的基料，置於球磨罐中，以水為介質球磨2h，其中基料與水的質量比為2：1；
(2)將步驟(1)中球磨後的混合料在100℃下乾燥，然後再幹混30min；
(3)將幹混後的混合料以80MPa的壓力壓製成型，保壓3h，然後置於微波高溫氣氛爐中，在埋炭條件下於1600℃保溫8h後，自然冷卻即得SiAlON-ZrO2粉體。
複合粘結劑由以下方法製備：
將重量份分別為80份酞菁樹脂預聚物，20份矽微粉，10份蒙脫土，3份二甲苯，3份3-氨基丙基三乙氧基矽烷混合均勻，加熱至250℃，保溫5h，再升溫至350℃，保溫10h，再升溫至450℃，保溫10h，自然冷卻後即得複合粘結劑。。
酞菁樹脂預聚物通過以下步驟製備而得：
(1)在500mL的三口燒瓶中加入0.4mol 4-硝基鄰苯二腈，0.2mol 4,4-二羥基聯苯，0.44mol無水碳酸鉀以及200mL N,N-二甲基甲醯胺，將反應體系加熱，控制溫度在80～90℃，反應5h；
(2)反應完畢後，將反應液緩慢倒入pH為4的鹽酸溶液中沉澱，將沉澱物反覆過濾、洗滌，直至呈中性，然後置於真空乾燥箱中於75℃烘乾，得到雙鄰苯二甲腈衍生物；
(3)在雙鄰苯二甲腈衍生物中，加入其重量3％的2,6-二(4-氨基苯氧基)苯甲腈，在250℃下快速攪拌15min，使其反應均勻，然後迅速冷卻至室溫，將樣品磨粉即得酞菁樹脂預聚物。
將上述製備好的塗料用水混合，攪拌均勻，調節漿料密度為1.8kg/m3，噴塗500℃的316不鏽鋼鋼坯表面，形成一層0.5mm厚的保護塗層，漿料用量為0.5kg/m2，塗覆後的鋼坯經1400℃熱處理20h後，基體表面氧化燒損降低91％，且塗層在冷卻過程中能夠自然剝落。