CN106587965A - 适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料及其制备方法和应用，该涂料的原料包括低温熔融玻璃粉、氧化铁红、铜铬黑、二氧化铈、氮化硼、堇青石微粉、三氧化二铝微粉、三氧化二铬微粉、20～50％的硅铝溶胶和0.5～3％的助剂，余量为水。该应用方法首先对金属基体进行处理，然后将涂料均匀的涂敷在金属基体表面，阴干；再将涂覆完毕的金属基体在650～900℃温度下加热，形成低温烧结高导热陶瓷涂层。本发明的涂料原料易得、成本低廉，其与金属基体结合紧密，用于加热炉烟道换热器上可对金属换热器有效地起到防高温氧化、耐酸腐蚀和抗磨损的作用，同时陶瓷涂层表面比较光洁，可有效减少换热器积灰结垢，起到延长金属换热器使用寿命、提高换热效率的作用。

Description

适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及陶瓷涂层技术领域，具体地指一种适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料及其制备方法和应用。
背景技术
换热器是钢铁、化工、炼油、食品、轻工、能源、制药、机械及其他许多工业部门中常见的提高能源利用率的主要设备之一，在实际使用过程中，由于换热器所接触的环境较为复杂，如高温环境、酸性环境、含尘气体环境等，因此在使用过程中不可避免的产生高温氧化、酸蚀、磨损、穿孔、积灰等问题，严重影响了换热器的使用效率和寿命。
针对上述问题，解决方法主要有两种：一是采用耐高温、耐腐蚀金属材料，另外一种是对换热器管材表面进行保护处理。由于经济上的原因，一般企业难以接受价格昂贵的耐蚀材料，因此大多采用第二种方法，其中涂层防腐蚀是解决换热器腐蚀问题的一种重要途径，具有价格便宜、涂装施工简单、维修补涂方便、应用范围广等优点。目前换热器防腐蚀涂料研究主要集中在石油化工等领域的低温换热器上(使用温度低于350℃)使用的有机耐高温防腐蚀涂料，对于轧钢加热炉、火电厂等使用的金属换热器用陶瓷涂层研究相对较少。已有报道的金属基陶瓷涂层主要应用于各种工业锅炉的热面，主要起到提高红外辐射效率、减少沾污结渣、增强抗氧化和耐磨性能等作用，例如“一种抗沾污结渣陶瓷涂料及制备方法(专利申请号201510666902.3)”、“一种耐高温防氧化高辐射率涂料及其使用方(专利申请号201510668003.7)”、“一种适用于金属及非金属基材的高发射率高(专利申请号201310131435.5)”等，陶瓷涂层的形成温度多高于1000℃，对于使用温度650～900℃范围的金属换热器而言，无法形成致密的陶瓷涂层，且由于导热系数较小往往会对换热器的换热性能造成影响，因此需要开发一种适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料及其制备方法和应用，该涂料在650～900℃温度范围内能够烧结并在金属基材表面形成致密陶瓷涂层，具有良好的导热性能、抗热震稳定性能、耐高温和耐酸腐蚀性能。
为实现上述目的，本发明提供的一种适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料，所述低温烧结高导热陶瓷涂料的原料按质量百分比计包括20～40％的低温熔融玻璃粉、3～6％的氧化铁红、2～5％的铜铬黑、1～3％的二氧化铈、5～15％的氮化硼、5～15％的堇青石微粉、4～8％的三氧化二铝微粉、2～10％的三氧化二铬微粉、硅铝溶胶20～50％和0.5～3％的助剂，余量为水。
进一步地，所述低温烧结高导热陶瓷涂料的原料按质量百分比计包括20～25％的低温熔融玻璃粉、4～6％的氧化铁红、3～4％的铜铬黑、1～2％的二氧化铈、5～8％的氮化硼、12～15％的堇青石微粉、6～7％的三氧化二铝微粉、4～6％的三氧化二铬微粉、硅铝溶胶25～35％和1～2％的助剂，余量为水。
再进一步地，所述低温熔融玻璃粉为低温熔融玻璃粉D250，熔融温度400℃～850℃。
再进一步地，所述氮化硼为工业纯六方氮化硼，其纯度大于98.5％。
再进一步地，所述硅铝溶胶的固含量为25％，其pH值8～10。
再进一步地，所述助剂由分散剂、消泡剂和表面助剂组成，所述分散剂、消泡剂和表面助剂的重量比为1：0.1～0.5：0.3～1.2
再进一步地，所述低温烧结高导热陶瓷涂料的原料按质量百分比计包括24％的低温熔融玻璃粉、5％的氧化铁红、3％的铜铬黑、2％的二氧化铈、5％的氮化硼、12％的堇青石微粉、7％的三氧化二铝微粉、4％的三氧化二铬微粉、20～50％的硅铝溶胶和0.7％的分散剂、0.1消泡剂和0.5表面助剂，余量为水，其中，低温熔融玻璃粉的熔融温度为650℃、氮化硼的纯度大于98.5％、硅铝溶胶的固含量为25％，pH值8～10。
本发明还提供了一种上述适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)低温烧结高导热陶瓷涂料的原料按质量百分比称取低温熔融玻璃粉、氧化铁红、铜铬黑、二氧化铈、氮化硼、堇青石微粉、三氧化二铝微粉、三氧化二铬微粉、硅铝溶胶和助剂，备用；
2)将低温熔融玻璃粉、氧化铁红、铜铬黑、二氧化铈、氮化硼、堇青石微粉、三氧化二铝微粉、三氧化二铬微粉、硅铝溶胶和助剂混合均匀，得到混合原料；
3)将混合原料研磨至粒度小于5μm以下，加水得到料浆即为低温烧结高导热陶瓷涂料。
上述适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料的应用，包括以下步骤：
1)对金属基体进行打磨、清洗、去除基体表面的氧化物、油脂和灰尘；
2)将低温烧结高导热陶瓷涂料均匀的涂敷在金属基体表面，阴干；再将涂覆完毕的金属基体在650～900℃温度下加热20～90min，即在金属表面形成低温烧结高导热陶瓷涂层。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料，具有良好的导热性能、抗热震稳定性能、耐高温和耐酸腐蚀性能。加入的低温熔融玻璃粉D250(熔融温度400℃～850℃)，使得涂料在较低的温度下能够烧结，提高涂层的致密性和封闭性，增加涂层与基体的粘结力，提高材料的耐腐蚀性和抗高温氧化性能。加入的工业纯六方氮化硼微粉(纯度大于98.5％)，相对化学纯氮化硼而言价格低廉，可大幅提高涂层的导热性能，解决了常规陶瓷涂层导热系数较小引起金属换热器换热效率下降的问题，同时作为杂质存在的少量MgO可以调节涂层的膨胀系数，不会对涂层的性能产生负面的影响。加入的氧化铁、铜铬黑、二氧化铈等材料，可大幅提高材料的红外发射率，同时二氧化铈稀土氧化物的加入有利于陶瓷相的紧密和与基材的结合。加入的热膨胀系数低的堇青石微粉，可以缓解高发射率填料中过渡金属氧化物粉体膨胀系数远大于金属基体的问题，降低涂层的收缩率和热膨胀率，提高涂层的抗热震稳定性，使涂层与基体结合牢固，不易脱落和龟裂。加入的高熔点三氧化二铬微粉，不仅提高了涂层的耐高温性能，解决了常规涂层在高温下长期工作易流淌的问题，还利用自身膨胀系数较大的特点，调整了涂层在低温段的热膨胀性能。
本发明的涂料采用高能球磨机研磨至粒度小于5μm以下，利用超微粉技术，有效降低了涂料的表面能，使涂层与金属基体以机械、物理及化学的方式紧密结合。
本发明的涂料半球点温度高于1300℃，可在650～900℃烟气条件下长期使用，涂料在使用过程中性能稳定，不易衰减、老化，2.5～20μm红外波段发射率ε>0.90，能有效强化高温下的辐射传热，降低能源消耗。
本发明的涂料原料易得、成本低廉，在650～900℃下即可在金属表面低温烧结形成致密、结构稳定的高导热陶瓷涂层，与金属基体结合紧密，用于加热炉烟道换热器上可对金属换热器有效地起到防高温氧化、耐酸腐蚀和抗磨损的作用，同时陶瓷涂层表面比较光洁，可有效减少换热器积灰结垢，起到延长金属换热器使用寿命、提高换热效率的作用。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
实施例1
一种适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料及其制备方法：
按照重量百分比称取低温熔融玻璃粉、氧化铁红、铜铬黑、二氧化铈、氮化硼、堇青石微粉、三氧化二铝微粉、三氧化二铬微粉、硅铝溶胶和助剂，初步混合均匀后再采用高能球磨机研磨至粒度小于5μm以下，得到适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料，本实施例的陶瓷涂料各组分的含量如表1所示。
具体使用方法：
1)对0Cr25Ni4N耐热钢进行打磨、清洗、去除基体表面的氧化物、油脂和灰尘；
2)将上述制备的陶瓷涂料均匀的涂敷在金属基体表面，阴干；
3)将涂覆完毕的金属基体加热至850℃，保温20min后取出即可在金属表面形成低温烧结高导热陶瓷涂层。按照国家或行业内通用检测标准对涂层进行性能检测，检测结果如表2所示。
实施例2
陶瓷涂料的制备过程与实施例1相同，本实施例的陶瓷涂料各组分的含量如表1所示。
具体使用方法：
1)对1Cr18Ni9Ti耐热钢进行打磨、清洗、去除基体表面的氧化物、油脂和灰尘；
2)将上述制备的陶瓷涂料均匀的涂敷在金属基体表面，阴干；
3)将涂覆完毕的金属基体加热至700℃，保温20min后取出即可在金属表面形成低温烧结高导热陶瓷涂层。按照国家或行业内通用检测标准对涂层进行性能检测，检测结果如表2所示。
实施例3
陶瓷涂料的制备过程与实施例1相同，本实施例的陶瓷涂料各组分的含量如表1所示。
具体使用方法：
1)对0Cr25Ni20耐热钢进行打磨、清洗、去除基体表面的氧化物、油脂和灰尘；
2)将上述制备的陶瓷涂料均匀的涂敷在金属基体表面，阴干；
3)将涂覆完毕的金属基体加热至900℃，保温20min后取出即可在金属表面形成低温烧结高导热陶瓷涂层。按照国家或行业内通用检测标准对涂层进行性能检测，检测结果如表2所示。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以做出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。
表1实施例1～3陶瓷涂料各组分含量与规格数据表
表2实施例1～3陶瓷涂层性能参数数据表
上述低温熔融玻璃粉D250、分散剂BYK-180、消泡剂BYK-020和表面助剂BYK-300购于市面。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料，其特征在于：所述低温烧结高导热陶瓷涂料的原料按质量百分比计包括20～40％的低温熔融玻璃粉、3～6％的氧化铁红、2～5％的铜铬黑、1～3％的二氧化铈、5～15％的氮化硼、5～15％的堇青石微粉、4～8％的三氧化二铝微粉、2～10％的三氧化二铬微粉、硅铝溶胶20～50％和0.5～3％的助剂，余量为水。
2.根据权利要求1所述适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料，其特征在于：所述低温烧结高导热陶瓷涂料的原料按质量百分比计包括20～25％的低温熔融玻璃粉、4～6％的氧化铁红、3～4％的铜铬黑、1～2％的二氧化铈、5～8％的氮化硼、12～15％的堇青石微粉、6～7％的三氧化二铝微粉、4～6％的三氧化二铬微粉、硅铝溶胶25～35％和1～2％的助剂，余量为水。
3.根据权利要求1或2所述适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料，其特征在于：所述低温熔融玻璃粉为低温熔融玻璃粉，熔融温度400℃～850℃。
4.根据权利要求1或2所述适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料，其特征在于：所述氮化硼为工业纯六方氮化硼，其纯度大于98.5％。
5.根据权利要求1或2所述适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料，其特征在于：所述硅铝溶胶的固含量为25％，其pH值8～10。
6.根据权利要求1或2所述适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料，其特征在于：所述助剂由分散剂、消泡剂和表面助剂组成，所述分散剂、消泡剂和表面助剂的重量比为1：0.1～0.5：0.3～1.2。
7.根据权利要求2所述所述适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料，其特征在于：所述低温烧结高导热陶瓷涂料的原料按质量百分比计包括24％的低温熔融玻璃粉、5％的氧化铁红、3％的铜铬黑、2％的二氧化铈、5％的氮化硼、12％的堇青石微粉、7％的三氧化二铝微粉、4％的三氧化二铬微粉、20～50％的硅铝溶胶和0.7％的分散剂、0.1消泡剂和0.5表面助剂，余量为水，其中，低温熔融玻璃粉的熔融温度为650℃、氮化硼的纯度大于98.5％、硅铝溶胶的固含量为25％，pH值8～10。
8.一种权利要求1所述适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)低温烧结高导热陶瓷涂料的原料按质量百分比称取低温熔融玻璃粉、氧化铁红、铜铬黑、二氧化铈、氮化硼、堇青石微粉、三氧化二铝微粉、三氧化二铬微粉、硅铝溶胶和助剂，备用；
2)将低温熔融玻璃粉、氧化铁红、铜铬黑、二氧化铈、氮化硼、堇青石微粉、三氧化二铝微粉、三氧化二铬微粉、硅铝溶胶和助剂混合均匀，得到混合原料；
3)将混合原料研磨至粒度小于5μm以下，加水得到料浆即为低温烧结高导热陶瓷涂料。
9.一种权利要求1所述适用于金属基材的低温烧结高导热陶瓷涂料的应用，其特征在于：包括以下步骤：
1)对金属基体进行打磨、清洗、去除基体表面的氧化物、油脂和灰尘；
2)将低温烧结高导热陶瓷涂料均匀的涂敷在金属基体表面，阴干；再将涂覆完毕的金属基体在650～900℃温度下加热20～90min以上，即在金属表面形成低温烧结高导热陶瓷涂层。
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