CN113061813A - 一种采暖散热器用防腐合金钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采暖散热器用防腐合金钢，其成分及质量百分含量为C：0.02％～0.05％，Si：0.02％～0.04％，Ni：0.005％～0.007％，Al：0.02％～0.04％，Mn：0.1％～0.2％，S：≤0.02％，Ti：0.002％～0.004％，Cu：0.004％～0.006％，P：≤0.025％，N：0.003％～0.005％，V：0.001％～0.003％，Nb：0.005～0.02％，Mg：0.003～0.02％，Zr：0.005～0.03％，其余为Fe和不可避免杂质；所述的C中石墨烯含量为20％‑50％。防腐合金钢制造的散热器比低碳钢制散热器传热系数大2‑3倍左右。散热器接触液体的内表面可以不需要防腐涂层，相比普通碳钢，本发明的合金钢腐蚀速率、点蚀坑数量、平均点蚀坑深度降低都显著降低，综合耐腐蚀性能增加了2‑4倍左右。

Description

一种采暖散热器用防腐合金钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及防腐合金钢领域，具体涉及一种采暖散热器用防腐合金钢及其制备方法。

背景技术

采暖散热器是将热媒的热量传导到室内的一种末端设备，已成为生活中不可缺少的组成部分。其质量的优劣，性能的好坏，外观的华陋，直接关系到使用的安全性、经济性和装饰性等问题。采暖散热器俗称暖气片，是供热系统的末端装置。我们常见的采暖散热器是装在室内的，其承担着将热媒携带的热量传递给房间内的空气，以补偿房间的热耗，达到维持房间一定空气温度的目的。要完成上述使命，采暖散热器必须具备能够承受热媒输送系统的压力、有良好的传热和散热能力、安装方便和使用寿命长等条件。

目前，采暖散热器采用低碳钢(Q195，Q195L，Q345，Q235)制作的钢制散热器，是现在主流散热器之一，外观靓丽，可选择性多，散热性能稳定，低碳节能，绿色环保，受到广大用户的信赖，但是低碳钢的散热器容易腐蚀，防腐主要通过在钢管的内表面涂防腐涂料实现，防腐涂料经过高温加热会出现有毒物质，并且随着使用时间涂料剥离，低碳钢表面会被腐蚀，容易导致漏水，导致产品使用寿命短，引发安全问题而且不环保。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化连接形成六角型的平面2D材料，由于碳原子之间化学键的特性，石墨烯极为坚韧，可塑性良好，可以弯曲到很大角度而不断裂，其杨氏模量约为1100GPa，断裂强度为130GPa，比最好的钢还要高100倍。并且，石墨烯在可见光下透明但不透气，具有很好的阻隔性能，化学性质稳定。使得石墨烯很有希望应用于金属防腐涂料产品中。现有技术中，研究人员目前已开发出石墨烯涂层来提高钢材的防腐性。

CN109943111A公开了一种石墨烯基防腐钢筋的制备方法，它涉及一种防腐钢筋的制备方法。本发明的目的是要解决现有钢筋混凝土结构中钢筋表面氯离子量累计到一定量时致使钢筋表面钝化膜破坏，钢筋发生腐蚀的问题。方法：一、钢筋的预处理；二、制备硅烷偶联剂溶液；三、硅烷偶联剂改性钢筋；四、超声分散；五、水性石墨烯溶液改性钢筋，得到石墨烯基防腐钢筋。本发明制备的石墨烯基防腐钢筋与空白试样未处理的钢筋相比，腐蚀电流密度可降低至1×10-9～0A/cm2，自腐蚀电位可提高至-0.40V(vs.SCE)以上，极限粘结强度下降3％～5％。

CN109909131A公开了1.一种石墨烯基钢材防腐涂层的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：步骤一：将钢材表面先进行除油除锈处理，然后用抛光机打磨至光亮；步骤二：在打磨好的钢材表面涂覆一层厚度为10μm～30μm的水下固化环氧树脂涂层，然后待其凝固成型；步骤三：将硅烷偶联剂用蒸馏水进行稀释，稀释后体积浓度为10～20％，稀释时间为10-20min，然后放入25～50℃恒温水浴锅中备用；步骤四：将水性石墨烯溶液用超声分散15min～30min备用；步骤五：将步骤三中稀释后的硅烷偶联剂和步骤四中分散好的水性石墨烯按体积比1:1的比例混合，搅拌后得到黑色均匀混合溶液备用；步骤六：将步骤二所得钢材放入步骤五的混合溶液中，浸泡15～30min后取出，放入80～100℃的干燥箱中烘干2h～4h备用；步骤七：在步骤六所得涂层上再涂刷一层厚度为10μm～20μm均匀油性石墨烯，然后放入80～100℃干燥箱中烘干2h～4h后，即完成石墨烯基钢材防腐涂层的涂覆。

目前虽然现有技术中存在利用石墨烯涂层来提高合金钢的防腐等性能的研究，但是目前依然存在一系列的问题和不足，例如石墨烯涂层与钢材结合力不足造成脱落、裂纹；涂层应用于钢材表面时施工工艺复杂且施工质量也没法保证；最严重的，由于表面涂层的石墨烯由于与钢材的导电性差异，会形成异质电极加速腐蚀。

因此，亟需提供一种能够应用于采暖散热器用的合金钢，提高其防腐性能以及散热性能的合金钢。

发明内容

本发明旨在提供一种应用于采暖散热器的合金钢，其具有优异的防腐性能，同时也提高了采暖散热器的散热性能。

本发明针对现有技术中存在的现有技术中石墨烯涂层对钢材料的防腐及热传导改性不足的问题，采用在合金钢中的碳组成包括石墨烯的手段。

石墨烯为一个碳原子组成的六边形的平面二维材料，在沿六边形平面的方向，其热导效率高。因此可以用作改善材料的热导效率。本发明中的合金钢中的碳的组成形式为20％-50％的石墨烯。

同时为避免类似石墨烯涂层形成异质结构出现，本发明在制备合金钢时，尽可能的保证合金钢中的石墨烯分布均匀，即碳元素分布均匀。在钢冶炼过程中，在晶界等缺陷处，由于其畸变能高，在钢水冷却结构过程中会形成碳化物偏析。这些集中在晶界集中析出的碳化物。也会在外界环境的刺激下，如高温低温、应力等，形成腐蚀区域，缩短合金钢使用寿命，影响散热器的热导及防腐性能。因此本发明在合金钢的制备过程中，避免晶界偏析，保证合金钢中石墨烯的含量以及其均匀分布，从而保证其热导和防腐的性能。

具体的，本发明提供一种采暖散热器用防腐合金钢，其成分及质量百分含量为C：0.02％～0.05％，Si：0.02％～0.04％，Ni：0.005％～0.007％，Al：0.02％～0.04％，Mn：0.1％～0.2％，S：≤0.02％，Ti：0.002％～0.004％，Cu：0.004％～0.006％，P：≤0.025％，N：0.003％～0.005％，V：0.001％～0.003％，Nb：0.005～0.02％，Mg：0.003～0.02％，Zr：0.005～0.03％，其余为Fe和不可避免杂质；所述的C中石墨烯含量为20％-50％。

本发明的合金钢，不存在晶界偏析或金属间夹杂物。

另外，具体地，本发明还提供一种采暖散热器用防腐合金钢的制备方法：包括以下步骤：提供成分优化后的钢液原料，投入入Fe-石墨烯包芯线材，所述芯材为石墨烯粉末，吹氩搅拌，浇注，连铸得到铸坯，轧制，静置，再经浇水冷却，得到防腐合金钢；

其特征在于，在近真空环境下向钢液罐投入Fe-石墨烯包芯线时，控制钢液中的自由氧量低于5ppm，保持吹氩搅拌，吹氩时通过罐底氩气孔向钢液中吹氩气搅拌，控制吹氩流量使钢液表面弱翻滚，钢液表面裸露面直径≤50mm，搅拌时间3～10min。

在一些优化的实施例中，搅拌完毕后在上机浇注，连铸需控制中间包钢液过热度在10～15℃。

本发明的过热度区间，能保证铸造时，最大程度地降低金属间夹杂物及晶界偏析的形成。

在一些优化的实施例中，轧制温度在820-900℃。

在一些优化的实施例中，轧制后进行浇水冷却，开始浇水冷时的温度为720-750℃。

在一此优化的实施例中，浇水冷却的冷却速度15-25℃/s。

本发明基于现有技术中石墨烯涂层的防腐效果不理想，同时为了提高钢材散热器的导热性能，在合金钢的成分中，均匀地掺入石墨烯。掺入时，巧妙地采用包芯线材喂料的方式进行掺入，保证石墨烯成分不被损失；吹氩工艺也能抑制高温时氧成分的过多进入。

轧制后冷却工艺的考虑基于，轧制后先保持钢材在相对高温的区间静置一段时间，在该缓慢冷却的这段时间里，保持合金成分均匀扩散或相对平衡。待温度降到700℃时，会产生大量氮化物以及硫化物析出以及晶界碳化物富集。因此本发明选择在720-750℃这一区间，进行浇水冷却，以便能够保留之前的钢材内合金成分组织均匀的状态。该措施有效保障了钢材防腐以及热导性能。

本发明获得的技术效果包括：

本发明提供的防腐合金钢制造的散热器比低碳钢制散热器传热系数大2-3倍左右。散热器接触液体的内表面可以不需要防腐涂层，相比普通碳钢，本发明的合金钢腐蚀速率、点蚀坑数量、平均点蚀坑深度降低都显著降低，综合耐腐蚀性能增加了2-4倍左右。

具体实施方式

在下文中更详细地描述了本发明以有助于对本发明的理解。

所属领域的技术人员将认识到：本发明所描述的化学反应可以用来合适地制备许多本发明的其他化合物，且用于制备本发明的化合物的其它方法都被认为是在本发明的范围之内。例如，根据本发明那些非例证的化合物的合成可以成功地被所属领域的技术人员通过修饰方法完成，如适当的保护干扰基团，通过利用其他已知的试剂除了本发明所描述的，或将反应条件做一些常规的修改。另外，本发明所公开的反应或已知的反应条件也公认地适用于本发明其他化合物的制备。

以下所有的实施例中的所用或涉及到的合金钢的成分如表1，所示。

表1

其中,C中石墨烯含量为20％-50％。

实施例1

一种采暖散热器用防腐合金钢的制备方法：包括以下步骤：

投料：提供成分优化后的钢液原料，在近真空环境下向钢液罐投入Fe-石墨烯包芯线时，控制石墨烯占合金钢中最终C质量的35％，同时控制钢液中的自由氧量低于5ppm，保持吹氩搅拌，吹氩时通过罐底氩气孔向钢液中吹氩气搅拌，控制吹氩流量使钢液表面弱翻滚，钢液表面裸露面直径30mm，搅拌时间3～10min；

浇注：搅拌完毕后在上机浇注，连铸需控制中间包钢液过热度在10℃，连铸得到铸坯；

轧制：铸所生产的铸坯，在轧制线上进行作业，轧制温度在880℃。

冷却：轧制后，钢材静置，待温度为750℃时，浇水冷却，浇水冷却速度控制为15℃/s，得到防腐合金钢。

实施例2

一种采暖散热器用防腐合金钢的制备方法：包括以下步骤：

投料：提供成分优化后的钢液原料，在近真空环境下向钢液罐投入Fe-石墨烯包芯线时，控制石墨烯占合金钢中最终C质量的45％，控制钢液中的自由氧量低于5ppm，保持吹氩搅拌，吹氩时通过罐底氩气孔向钢液中吹氩气搅拌，控制吹氩流量使钢液表面弱翻滚，钢液表面裸露面直径35mm，搅拌时间3～10min；

浇注：搅拌完毕后在上机浇注，连铸需控制中间包钢液过热度在10℃，连铸得到铸坯；

轧制：铸所生产的铸坯，在轧制线上进行作业，轧制温度在850℃。

冷却：轧制后，钢材静置，待温度为730℃时，浇水冷却，浇水冷却速度控制为20℃/s，得到防腐合金钢。

实施例3

一种采暖散热器用防腐合金钢的制备方法：包括以下步骤：

投料：提供成分优化后的钢液原料，在近真空环境下向钢液罐投入Fe-石墨烯包芯线时，控制石墨烯占合金钢中最终C质量的40％，控制钢液中的自由氧量低于5ppm，保持吹氩搅拌，吹氩时通过罐底氩气孔向钢液中吹氩气搅拌，控制吹氩流量使钢液表面弱翻滚，钢液表面裸露面直径20mm，搅拌时间3～10min；

浇注：搅拌完毕后在上机浇注，连铸需控制中间包钢液过热度在15℃，连铸得到铸坯；

轧制：铸所生产的铸坯，在轧制线上进行作业，轧制温度在830℃。

冷却：轧制后，钢材静置，待温度为720℃时，浇水冷却，浇水冷却速度控制为25℃/s，得到防腐合金钢。

实施例4

一种采暖散热器用防腐合金钢的制备方法：包括以下步骤：

投料：提供成分优化后的钢液原料，在近真空环境下向钢液罐投入Fe-石墨烯包芯线时，控制石墨烯占合金钢中最终C质量的30％，控制钢液中的自由氧量低于5ppm，保持吹氩搅拌，吹氩时通过罐底氩气孔向钢液中吹氩气搅拌，控制吹氩流量使钢液表面弱翻滚，钢液表面裸露面直径20mm，搅拌时间3～10min；

浇注：搅拌完毕后在上机浇注，连铸需控制中间包钢液过热度在10℃，连铸得到铸坯；

轧制：铸所生产的铸坯，在轧制线上进行作业，轧制温度在900℃。

冷却：轧制后，钢材静置，待温度为750℃时，浇水冷却，浇水冷却速度控制为25℃/s，得到防腐合金钢。

性能测试

对本发明实施例1-4得到样品进行防腐性能的测试；对比例1使用市面的普通碳钢Q235样品；对比例2使用的样品为市售的Q235碳钢表面覆盖石墨烯涂层。

本发明与对比例的防腐性能的测试结果如表2。

表2

本发明提供的防腐合金钢制造的散热器比低碳钢制散热器传热系数大2-3倍左右。由散热器接触液体的内表面不需要防腐涂层，材质腐蚀速率比普通碳钢(Q195)降低了约50％，平均点蚀坑深度降低10-50％，钢表面上的点蚀坑数量也显著减少，综合耐腐蚀性能增加了2-4倍左右。同时，由于合金钢中含有石墨烯形态的碳，其强度和韧性进一步得到提升，制作的散热器的抗疲劳强度也得到加强。

以上描述了本发明优选实施方式，然其并非用以限定本发明。本领域技术人员对在此公开的实施方案可进行并不偏离本发明范畴和精神的改进和变化。

Claims (6)

1.一种采暖散热器用防腐合金钢，其成分及质量百分含量为C：0.02％～0.05％，Si：0.02％～0.04％，Ni：0.005％～0.007％，Al：0.02％～0.04％，Mn：0.1％～0.2％，S：≤0.02％，Ti：0.002％～0.004％，Cu：0.004％～0.006％，P：≤0.025％，N：0.003％～0.005％，V：0.001％～0.003％，Nb：0.005～0.02％，Mg：0.003～0.02％，Zr：0.005～0.03％，其余为Fe和不可避免杂质；所述的C中石墨烯含量为20％-50％。

2.一种采暖散热器用防腐合金钢的制备方法：包括以下步骤：提供成分优化后的钢液原料，投入Fe-石墨烯包芯线材，所述包芯线材的芯材为石墨烯粉末，吹氩搅拌，浇注，连铸得到铸坯，轧制，静置，再经浇水冷却，得到防腐合金钢；

其特征在于，在近真空环境下向钢液罐投入Fe-石墨烯包芯线时，控制钢液中的自由氧量低于5ppm，保持吹氩搅拌，吹氩时通过罐底氩气孔向钢液中吹氩气搅拌，控制吹氩流量使钢液表面弱翻滚，钢液表面裸露面直径≤50mm，搅拌时间3～10min。

3.如权利要求2所述的采暖散热器用防腐合金钢的制备方法，搅拌完毕后在上机浇注，连铸需控制中间包钢液过热度在10～15℃。

4.如权利要求2所述的散热器用防腐合金钢的制备方法，轧制温度在820-900℃。

5.如权利要求2所述的采暖散热器用防腐合金钢的制备方法，轧制后进行浇水冷却，开始浇水冷时的温度为720-750℃。

6.如权利要求2所述的采暖散热器用防腐合金钢的制备方法，浇水冷却的冷却速度15-25℃/s。