CN100564458C - 一种利用凹凸棒石粘土制备高温防氧化保护涂料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用凹凸棒石粘土制备高温防氧化保护涂料的方法，该方法首先将凹凸棒石粘土矿物经选矿、粉碎、过100目筛得到凹凸棒石粘土粉体；然后将凹凸棒石粘土粉体、玻璃粉、碳粉按比例进行均匀混合；最后以去离子水为溶剂，Na2SiO3为粘结剂，六偏磷酸钠为分散剂，经超声搅拌制得高温防氧化保护涂料。本发明方法生产的保护涂料可广泛应用于调质钢、弹簧钢、模具钢、高速钢及滚动轴承钢的高温防氧化保护。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用凹凸棒石粘土制备高温防氧化保护涂料的方法，属于材料加工领域中保护涂料的制造技术。
背景技术
近年来，我国钢铁产量已连续六年超过了一亿吨，已成为世界钢铁大国。钢铁工业一直是我国的重要产业，它对交通运输、采矿、耐火材料、建筑、汽车、造船、金属制品、机械电子等行业都有巨大的影响。虽然现在以传统原料为基础的状况已经发生了改变，但钢铁仍是我国基本建设的结构材料和产量最大的材料。由于钢在热轧、锻造、调质等热处理过程中产生氧化，形成大量氧化皮。资料表明，这些氧化皮的份量约占钢产量的7～10％。钢铁材料经机械加工可制成各种部件和成套装置，增加了附加值，如果因高温氧化而过早失效，造成的经济损失与原材料的价值相比尤为巨大。因此各国政府均对此非常重视，分别给以投资，以期寻找减少或尽可能多地挽回损失的有效途径。目前，研究高温防氧化保护涂料就是其主要方向之一。
钢铁材料的氧化主要是因为氧气在高温下与金属发生氧化性反应。涂覆的涂层一般是多孔性的非致密层，在常温大气条件下，大气中的氧化性成分能通过这层多孔性的涂层进行扩散，抗氧化涂层起不到隔离氧化性气氛的作用。当对涂层进行加热时，随着加热温度的升高，涂层渐渐脱水烘干，进而开始烧结，涂层中的气孔尺寸不断减小，孔隙率逐渐降低，透气性下降，涂层厚度减薄，在温度达到涂层软化温度时，涂层开始软化熔融，涂层孔隙急剧减少，密度增大，随着温度进一步升高，涂层熔融为液态，形成不透气的、致密的、液态玻璃相粘附层，这时，涂层形成有效的氧扩散屏障，阻止了氧的进一步扩散，同时，由于涂层与基体的热膨胀系数相差较大，这将使涂层在高温保护后回落到室温时，很容易从基体表面脱落。
高温防氧化保护涂料属于特种耐火涂料的一种，最早是由德国人克罗宁〔Corning〕提出类似的概念。涂层保护因其工艺简单、成本低、使用方便、适用范围广、工件不用装箱、节省电能等优点而提高了生产率，改善了劳动条件，因而在金属热加工生产中得到了日益广泛的应用。近几年来，国内外对高温抗氧化涂料开展了大量的研究工作。目前国际上采用较多的是Berkatekt涂层(英国专利)及国内研制的T1～T7玻璃涂层，上述涂层虽然对钢铁在热加工过程中有较好的保护作用，但其中大多含有甲苯或三氯乙烯等有机溶剂，不但成本高，毒性大，而且大多数涂层在热加工后不易去除，必须附加工艺才可去除，从而增加了成本。
目前国内的保护涂料大多采用硅酸盐材料，主要由玻璃、陶瓷或者玻璃加陶瓷、粘结剂、添加剂、着色剂、悬浮剂、溶剂等组成。在加热过程中，随着温度的升高，涂层将逐渐软化并熔融，它们在钢材表面形成连续致密薄层，阻断外部介质与基体接触，减缓或中止基体的氧化。熔融玻璃在阻断外部介质的同时，还将与基体表面发生物理(或)化学反应，使其粘附在基体上，其键合往往是一种物理化学和机械结合的综合过程。由于存在键合作用，热加工后，涂层仍与基体紧密粘附，对于无后续机加工的材料需经其它加工工艺方可去除，从而增加了成本，制约了保护涂料的推广与使用。
凹凸棒石粘土具有优良的流变性、较高的热膨胀性、较好的热稳定性、良好的可塑性和较高的比表面积等性能，其主要化学成分为SiO2、Al2O3、MgO等，与典型保护涂层的成分接近，可用于开发新型的高温防氧化保护涂料。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种利用凹凸棒石粘土制备高温防氧化保护涂料的方法，采用该方法获得高温防氧化保护涂料，一方面能有效提升凹凸棒石粘土的经济附加值，另一方面将一种涂覆性能好、环境友好的水溶性高温防氧化保护涂料用于工业生产可有效地节约资源、能源，保护环境。
本发明的技术解决方案是：首先，将凹凸棒石粘土矿物经选矿、粉碎、过筛100目得到凹凸棒石粘土粉体，以下简称为凹土粉体；然后，将凹土粉体、玻璃粉体、碳粉按比例进行均匀混合；最后，以去离子水为溶剂，Na2SiO3为粘结剂，六偏磷酸钠为分散剂，经超声搅拌制得高温防氧化保护涂料。
本发明的一种利用凹凸棒石粘土制备高温防氧化保护涂料的方法中，该方法包括以下具体步骤：
(1)凹凸棒石粘土矿物经选矿、粉碎、过100目筛得到凹凸棒石粘土粉体；
(2)将凹土粉体、玻璃粉体、碳粉采用球磨方式进行均匀混合，按质量比10份计，其中凹土粉体占8-9份，玻璃粉体占1-1.5份，碳粉占0-1.0份；
(3)按混合料重比10～20∶1的比例加入粘结剂Na2SiO3，按混合料重比100～90∶1的比例加入分散剂六偏磷酸钠，按混合料体积比1∶5～15的比例加入溶剂去离子水，在超声搅拌的方式下形成水溶性高温防氧化保护涂料。
本发明的一种利用凹凸棒石粘土制备高温防氧化保护涂料的方法中，该高温防氧化保护涂料中的凹土粉体、玻璃粉体、碳粉的平均粒径为2～5μm。
本发明取得的技术进步是：
(1)该高温防氧化保护涂料是一种水溶性涂料，不含有机溶剂，对环境无污染，对人体无毒害作用；
(2)该高温防氧化保护涂料适用于500～1050℃温度范围内的高温防氧化保护处理，可广泛应用于调质钢、弹簧钢、模具钢、高速钢以及滚动轴承钢等的高温防氧化保护，节约大量的钢铁材料和能源，具有巨大的经济价值和广泛的市场应用前景；
(3)该高温防氧化保护涂料的流动性好，不易沉淀，可采用刷涂、喷涂或浸涂等各种涂覆工艺应用在钢材上；
(4)该高温防氧化保护涂料涂覆并高温处理后，涂层具有良好的防氧化保护性能和从工件表面自剥离性能，对后续的机械加工无任何影响。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1、高温防氧化保护涂料在Cr12冷作模具钢球化处理工艺中的应用
首先，将凹凸棒石粘土矿物经选矿、粉碎、过100目筛得到凹凸棒石粘土粉体；然后，将凹土粉体、玻璃粉体、碳粉按质量比8∶1∶1的比例采用球磨方式进行均匀混合；最后，按混合料重比10∶1的比例加入粘结剂Na2SiO3和100∶1的比例加入分散剂六偏磷酸钠，按混合料体积比1∶5加入溶剂去离子水，在超声搅拌的方式下得到水溶性涂料。
将需要保护处理的Cr12模具钢坯料，用粗砂纸或锉刀打磨需涂覆涂层的试样表层，以去掉表层疏松的生锈层或表面微突体，保证涂料的均匀涂覆；用毛刷即普通油漆用的那种将上述涂料均匀地刷涂在工件的表面，待自然干燥后重复刷涂2遍，自然干燥或在50℃下烘干后备用；按照常规的球化退火工艺，将刷涂有保护涂层的Cr12模具钢坯料放入热处理炉中进行860℃等温球化退火6～8h，随炉冷却到550℃后快速空冷至室温，并用钢刷清理工件表面的残留的少量保护涂料。
实施例2、高温防氧化保护涂料在60Si2Mn弹簧钢中温回火工艺中的应用
首先，将凹凸棒石粘土矿物经选矿、粉碎、过100目筛得到凹凸棒石粘土粉体；然后，将凹土粉体、玻璃粉体、碳粉按质量比8.5∶1.2∶0.3的比例采用球磨方式进行均匀混合；最后，按混合料重比15∶1的比例加入粘结剂Na2SiO3和95∶1的比例加入分散剂六偏磷酸钠，按混合料体积比1∶10加入溶剂去离子水，在超声搅拌的方式下得到水溶性涂料。
将经过淬火处理的60Si2Mn弹簧钢工件，用粗砂纸或锉刀打磨需涂覆涂层的试样表层，去除工件表面的微突体，以保证涂料的均匀涂覆；用喷枪将上述涂料均匀地喷涂在工件的表面，待自然干燥后重复喷涂3遍，自然干燥或在50℃下烘干后备用；将喷涂有保护涂层的60Si2Mn弹簧钢工件放入热处理炉中进行500℃中温回火2～4h，并随炉冷却至室温，用钢刷清理工件表面残留的少量保护涂料。
实施例3、高温防氧化保护涂料在40Cr调质钢高温回火工艺中的应用
首先，将凹凸棒石粘土矿物经选矿、粉碎、过100目筛，得到凹凸棒石粘土粉体；然后，将凹土粉体、玻璃粉体、碳粉按质量比为9∶1.0∶0的比例、采用球磨方式进行均匀混合；最后，按混合料重比20∶1的比例加入粘结剂Na2SiO3和90∶1的比例加入分散剂六偏磷酸钠，按混合料体积比1∶15加入溶剂去离子水，在超声搅拌的方式下得到水溶性涂料。
将经过淬火处理的40Cr调质钢工件，用粗砂纸或锉刀打磨需涂覆涂层的试样表层，去除工件表面的微突体，以保证涂料的均匀涂覆；用喷枪将上述涂料均匀地喷涂在工件的表面，待自然干燥后重复喷涂3遍，自然干燥或在50℃下烘干后备用；将喷涂有保护涂层的40Cr调质钢工件放入热处理炉中进行1050℃高温回火2h，并随炉冷却到室温，用钢刷清理工件表面残留的少量保护涂料。
实施例4、高温防氧化保护涂料在W18Cr4V高速钢常规退火工艺中的应用
首先，将凹凸棒石粘土矿物经选矿、粉碎、过100目筛得到凹凸棒石粘土粉体；然后，将凹土粉体、玻璃粉体、碳粉按质量比为8.0∶1.5∶0.5的比例采用球磨方式进行均匀混合；最后，按混合料重比15∶1的比例加入粘结剂Na2SiO3和100∶1的比例加入分散剂六偏磷酸钠，按混合料体积比1∶5加入溶剂去离子水，在超声搅拌的方式下得到水溶性涂料。
将经过淬火处理的W18Cr4V高速钢工件，用粗砂纸或锉刀打磨需涂覆涂层的试样表层，去除工件表面的微突体，以保证涂料的均匀涂覆；将工件直接浸渍在涂料中，1分钟后取出，待自然干燥后，重复浸涂2遍，自然干燥或在50℃下烘干后备用；将涂有保护涂层的W18Cr4V高速钢工件放入热处理炉中进行880℃常规退火6～8h，随炉冷却到500℃后快速水冷至室温，并用钢刷清理工件表面残留的少量保护涂料。
Claims (3)
1、一种利用凹凸棒石粘土制备高温防氧化保护涂料的方法，其特征在于：首先，将凹凸棒石粘土矿物经选矿、粉碎、过100目筛得到凹凸棒石粘土粉体，以下简称为凹土粉体；然后，按质量比10份计，将凹土粉体8-9份、玻璃粉体1-1.5份、碳粉0-1.0份进行均匀混合；最后，以去离子水为溶剂，Na2SiO3为粘结剂，六偏磷酸钠为分散剂，经超声搅拌制得高温防氧化保护涂料。
2、如权利要求1所述的一种利用凹凸棒石粘土制备高温防氧化保护涂料的方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：
(1)凹凸棒石粘土矿物经选矿、粉碎、过100目筛得到凹凸棒石粘土粉体；
(2)将凹土粉体、玻璃粉体、碳粉采用球磨方式进行均匀混合，按质量比10份计，其中凹土粉体占8-9份，玻璃粉体占1-1.5份，碳粉占0-1.0份；
(3)按混合料重比10～20∶1的比例加入粘结剂Na2SiO3，按混合料重比100～90∶1的比例加入分散剂六偏磷酸钠，按混合料体积比1∶5～15的比例加入溶剂去离子水，在超声搅拌的方式下形成水溶性高温防氧化保护涂料。
3、如权利要求1所述的一种利用凹凸棒石粘土制备高温防氧化保护涂料的方法，其特征在于：该高温防氧化保护涂料中的凹土粉体、玻璃粉体、碳粉的平均粒径为2～5μm。
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