CN108192390B - 钢-铜固液双金属复合铸造用高温防氧化涂料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢‑铜固液双金属复合铸造用高温防氧化涂料，由铜粉13～20%、无水四硼酸钠40～43%、乙二醇37～47%制备得到。本发明高温防氧化涂料具有更优良的润湿性，提高了涂料的附着性，可以显著提高高温下涂料的涂覆厚度，并明显增强涂料的传热效率，有利于双金属复合材料的结合。本发明高温防氧化涂料被预热至1000～1200℃高温时，无水四硼酸钠熔化与铜粉分离，铜粉熔融渗入到钢基体上形成保护层，四硼酸钠在铜层外侧结壳。采用本发明方法浇铸得到钢‑铜双金属复合材料的界面结合强度最高可以达到192MPa。

Description

钢-铜固液双金属复合铸造用高温防氧化涂料

技术领域

本发明涉及高温防氧化涂料，特别是涉及一种适合于固液双金属复合铸造用的高温防氧化涂料。

背景技术

双金属复合材料力学性能优异，并具有良好的导热性、导电性、耐磨性和耐蚀性，广泛应用于电力、机械、石油、化工、能源、环保等诸多领域。

双金属材料固液复合铸造技术是一种利用铸造技术获得两种或者两种以上金属材料在界面上实现冶金结合从而制备出新型材料的技术。该技术成本低、工艺简单、易在产业上推广应用。同时，该技术界面结合良好、材料性能稳定，能够制备出粉末冶金和焊接技术无法生产的具有复杂内腔、异型结构的双金属构件。

双金属材料固液复合铸造技术的关键是保证异种金属在清洁界面下的接触复合，避免待复合表面出现氧化、异物等缺陷。为提高复合材料的结合质量，必须克服金属基体在清洁后的预热过程以及浇铸过程中重新氧化的倾向。

高温防氧化涂料能够在材料表面和高温环境介质之间形成隔离层，阻止环境介质与材料表面直接接触。高温防氧化涂料的优点是不破坏材料内部结构，保持材料表面具有优异的高温抗氧化性能。

双金属复合材料多使用以四硼酸钠为主制备的高温防氧化涂料。四硼酸钠是一种较强的酸性熔剂，能与许多金属氧化物形成硼砂盐渣，达到消除氧化物的作用。

四硼酸钠高温防氧化涂料的使用方法主要有两种：熔融法和水溶法。熔融法是将无水四硼酸钠熔化后，将金属基体置于其中2～3h。该法加热温度高，且需要将金属基体浸入四硼酸钠浴中很长时间，以便将金属基体热透，由此造成加热周期长，界面组织粗大，界面结合强度较低。水溶法是将四硼酸钠与水或其它溶剂配成溶液，刷涂或浸涂在金属基体上。由于单一四硼酸钠在高温下的粘度很小，极易在金属基体上流动，挂壁效果差，该法无法保护金属基体在1000～1200℃高温下不被氧化。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢-铜固液双金属复合铸造用高温防氧化涂料，以能够较好地在钢基体表面铺展，防止表面氧化，并促进双金属的扩散结合。

本发明所述的钢-铜固液双金属复合铸造用高温防氧化涂料是由以下质量百分含量的组分为原料制备得到的：

铜粉　　　　　　　　13～20%

无水四硼酸钠　　　　40～43%

乙二醇　　　　　　　37～47%。

其中，本发明高温防氧化涂料所使用的原料中，所述四硼酸钠是经烘干去除结晶水并粉碎得到的颗粒度100～200µm的无水四硼酸钠。所述铜粉优选使用颗粒度50～100µm的铜粉。

将上述各种原料按照所述质量百分含量混合均匀，即可得到本发明所述钢-铜固液双金属复合铸造用高温防氧化涂料。进而，本发明是优选先将铜粉和无水四硼酸钠粉末球磨混合均匀后，再加入乙二醇溶液搅拌混合均匀，以使铜粉颗粒均匀地混合于无水四硼酸钠浆料中，得到所述高温防氧化涂料产品。

更具体地，本发明是将所述铜粉和无水四硼酸钠粉末以200～300r/min的转速球磨混合30～50min，加入乙二醇溶液后，以300～500r/min的转速搅拌5～10min。

进而，本发明还提供了所述高温防氧化涂料的使用方法，是将涂料在常温下均匀涂覆在钢基体的待复合表面上，待涂料干燥后再次进行涂覆，重复操作，直至干燥的涂料最终厚度不小于1.5mm，使涂料充分附着在钢基体上。

优选地，本发明是将所述涂覆的涂料加热至110～150℃进行干燥脱水。

一般地，将本发明所述高温防氧化涂料在钢基体表面重复涂覆10次左右，干燥后即可以达到所述厚度要求。

将上述涂覆有高温防氧化涂料的钢基体预热至1000～1200℃，浇铸铜合金液，即可以制备得到钢-铜双金属复合材料。

实验证明，将涂覆有本发明高温防氧化涂料的钢基体预热至1000～1200℃高温时，涂料中的四硼酸钠首先熔化，铜粉随着四硼酸钠的熔化发生流动，达到熔点时成为液态，与四硼酸钠分离，渗入到钢基体上，在钢基体表面形成一层铜保护层。而四硼酸钠则附着于所形成的铜层外侧结壳。

在钢基体表面形成的铜保护层一方面能更好的防止钢基体表面在高温下的进一步氧化，另一方面可以降低所浇铸的铜合金的熔点和表面张力，提高铜液的流动性并改善其对钢基体的润湿性，促进双金属的扩散结合。

本发明在高温防氧化涂料中添加铜粉后，由于铜粉的导热性好，可以加快钢基体的预热速率，保证钢基体预热均匀，提高其与铜合金的结合质量。

同时，铜粉在高温下熔化时具有黏附性，还可以防止四硼酸钠沉降过快，从而促进高温防氧化涂料涂层厚度的增加。

本发明的高温防氧化涂料可以保证将钢基体最高预热到1200℃时，30min内钢基体不发生氧化，其四硼酸钠不仅可以清除钢基体表面的氧化物，还可以与浇铸的铜合金液中的氧进行反应，生成复合盐浮于合金液表面，起到熔渣保护的作用。

本发明的高温防氧化涂料将四硼酸钠与铜粉混合后，喷涂或浸涂在钢基体表面，较单一四硼酸钠具有更优良的润湿性，提高了涂料的附着性，可以显著提高高温下涂料的涂覆厚度，挂壁效果好，明显增强了涂料的传热效率，有利于双金属复合材料的结合。

本发明的高温防氧化涂料将四硼酸钠与铜粉混合后，喷涂或浸涂在钢基体表面，较单一四硼酸钠具有更优良的润湿性，提高了涂料的附着性，可以显著提高高温下涂料的涂覆厚度，挂壁效果好，明显增强了涂料的传热效率，有利于双金属复合材料的结合。采用本发明方法浇铸得到钢-铜双金属复合材料的界面结合强度最高可以达到192MPa，相比于传统硼砂水溶法浇铸钢-铜双金属复合材料最高150MPa的界面结合强度提高了28%。

附图说明

图1是实施例1制备的钢-铜固液双金属复合材料的界面金相组织图。

图2是图1中界面处Fe、Cu原子分布曲线图。

图3是使用传统高温防氧化涂料制备钢-铜双金属复合材料的界面金相组织图。

图4是图3中界面处Fe、Cu原子分布曲线图。

图5是实施例2制备的钢-铜固液双金属复合材料的界面金相组织图。

图6是图5中界面处Fe、Cu原子分布曲线图。

具体实施方式

下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

在球磨机中加入10g粒径100µm的铜粉，20g粒径200µm的无水四硼酸钠，以210r/min的转速球磨混合30min，全部转至搅拌机中，加入20g乙二醇，以300r/min的转速搅拌10min，静置脱泡，配制成高温防氧化涂料。

常温下，将上述制备好的涂料均匀喷涂在钢基体的待复合表面上，送入加热炉中，于120℃下烘干15min，取出再次进行喷涂。反复喷涂10次后，最终烘干涂料的厚度达到1.5mm，充分附着在钢基体上。

将上述涂覆有高温防氧化涂料的钢基体预热至1100℃，向其表面浇铸在1200℃下熔融的ZCuPb20Sn5铜合金熔液，制备得到钢-铜双金属双金属复合材料。

图1和图2给出了本实施例制备钢-铜双金属复合材料的界面金相组织图和界面处Fe、Cu原子分布曲线图。图中界面左侧为铜合金层，组织为α(Cu)+δ+Pb，中间为铜层，右侧主要以珠光体+铁素体为主。界面结合处无缺陷，结合良好，界面两侧扩散层厚度为5.5µm。按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，达到了190MPa。

图3和图4给出了同样条件下以传统硼砂水溶法制备钢-铜双金属复合材料的界面金相组织图和界面处Fe、Cu原子分布曲线图，界面左侧为铜合金层，组织为α(Cu)+δ+Pb，右侧主要以珠光体为主。界面结合处无缺陷，结合良好，界面两侧扩散层厚度为3µm。按照GB12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，只达到146MPa。

实施例2

在球磨机中加入4g粒径100µm的铜粉，10g粒径100µm的无水四硼酸钠，以280r/min的转速球磨混合50min，全部转至搅拌机中，加入10g乙二醇，以350r/min的转速搅拌10min，静置脱泡，配制成高温防氧化涂料。

常温下，将上述制备好的涂料均匀喷涂在材质为45钢的钢基体的待复合表面上，送入加热炉中，于120℃下烘干后15min，取出再次进行喷涂。反复喷涂10次后，最终烘干涂料的厚度达到2.0mm，充分附着在钢基体上。

将上述涂覆有高温防氧化涂料的钢基体预热至1200℃，向其表面浇铸在1200℃下熔融的ZCuPb20Sn5铜合金熔液，制备得到钢-铜双金属双金属复合材料。

图5和图6给出了本实施例制备钢-铜双金属复合材料的界面金相组织图和界面处Fe、Cu原子分布曲线图。界面左侧为铜合金层，组织为α(Cu)+δ+Pb，中间为铜层，右侧主要以珠光体+铁素体为主。界面结合处无缺陷，结合良好，界面两侧扩散层厚度为5.5µm。按照GB12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度达到了192MPa。

Claims (9)

1.一种钢-铜固液双金属复合铸造用高温防氧化涂料，由以下质量百分含量的组分为原料制备得到：

铜粉　　　　　　　　13～20%

无水四硼酸钠　　　　40～43%

乙二醇　　　　　　　37～47%。

2.根据权利要求1所述的高温防氧化涂料，其特征是所述无水四硼酸钠是经烘干去除结晶水并粉碎得到的颗粒度100～200µm的无水四硼酸钠。

3.根据权利要求1所述的高温防氧化涂料，其特征是所述铜粉的颗粒度为50～100µm。

4.权利要求1所述高温防氧化涂料的制备方法，是将所述质量百分含量的铜粉和无水四硼酸钠粉末球磨混合均匀，再加入乙二醇搅拌混合均匀，得到所述高温防氧化涂料。

5.根据权利要求4所述的高温防氧化涂料的制备方法，其特征是将所述铜粉和无水四硼酸钠粉末以200～300r/min的转速球磨混合30～50min。

6.根据权利要求4所述的高温防氧化涂料的制备方法，其特征是加入乙二醇后，以300～500r/min的转速搅拌5～10min。

7.权利要求1所述高温防氧化涂料的使用方法，是将所述高温防氧化涂料在常温下均匀涂覆在钢基体的待复合表面，待涂料干燥后再次进行涂覆，重复操作，使涂料充分附着在钢基体上。

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征是所述涂料干燥后的最终涂覆厚度不小于1.5mm。

9.根据权利要求7所述的使用方法，其特征是将所述涂覆的涂料加热至110～150℃进行干燥。