CN104497653A - 一种普碳钢钢坯用高温防氧化涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种普碳钢钢坯用高温防氧化涂料及其制备方法。其技术方案是：所述高温防氧化涂料使用时，将分装后的A组分与B组分按质量比为（0.8~2）︰1混合，机械搅拌即可。所述A组分的化学成分及其质量含量是：氧化铝粉为20~35%，二氧化硅粉为20~30%，氧化镁粉为15~25%，氧化钙粉为5~15%，二氧化锆粉为5~10%，碳酸钠粉为2~5%，碳酸钾粉为2~5%，氧化铁粉为2~5%，铝粉为1~5%。所述B组分的化学成分及其质量含量是，(CH₂O)_n为1~5%，(C₁₂H₂₂O₁₁)_n为4~10%，(C₆H₁₀O₅)_n为5~15%，聚乙烯醇为0.5~2%，羧甲基纤维素钠为0.1~1%，羟乙基纤维素为0.1~0.8%，余量为水。本发明具有防氧化效果好、适用温度高、自脱落、安全环保和成本低廉的特点。 <u/>

Description

一种普碳钢钢坯用高温防氧化涂料及其制备方法

技术领域

    本发明属于金属表面高温防氧化涂料技术领域。尤其涉及一种普碳钢钢坯用高温防氧化涂料及其制备方法。

背景技术

在轧钢过程中，首先利用推钢的方式将钢坯输送到加热炉内对其进行加热，当钢坯被加热到预定温度后，再将其输送到轧机中进行轧制。对于轧制普通钢坯，加热炉的温度通常设置为1100~1300℃。在此温度下，钢坯氧化非常严重，会产生诸多不利影响：

1)氧化烧损量约占总质量0.8~2%，降低了钢材生产的收得率；

2）钢坯经加热高温氧化烧损后，表面质量变差，不仅造成钢坯表面严重脱碳及合金元素的贫化，而且轧制会产生大量的表面缺陷，影响产品的最终质量；

3）加热炉加热钢坯时，生成的氧化铁皮脱落于炉内，如果长时间堆积在炉底，会影响加热炉的工况，严重时会被迫停炉来清除堆积的氧化铁皮，影响正常生产。

目前人们研究的最有效的方法是保护气氛法和高温涂层法。保护气氛法受到多重因素的制约，如保护气体的制备和储运、使用过程中的安全与环保、成本高等。

国内外学者采用高温涂层法对钢坯热处理过程中的氧化行为进行了大量的研究，提出了一些较为方便的使用涂料防止氧化的方法。但实际应用效果还不是很理想，且使用范围受到了限制：“一种应用于高温合金热处理的抗氧化涂料”（CN200910243717.08）专利技术，该技术只适用于硅钢的抗氧化，并不适用于普碳钢的抗氧化；“一种不锈钢高温抗氧化涂料及其应用”（CN200810054883.9）专利技术，该技术只适用于镍铬不锈钢的抗氧化，也不具有普适性；“一种钢铁的热处理抗氧化涂料及其制备方法”（CN201110434766.7）专利技术，该技术虽能应用于碳钢或合金钢的抗氧化且使用温度高，但Cr₂O₃含量为2~5wt%，不仅大大增加了涂料的成本，并不适用于低附加值的普碳钢的抗氧化，且高价态的铬离子对环境会造成污染，影响人体健康。

发明内容

    本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种防氧化效果好、适用温度高、产品表面质量高、自脱落、安全环保和成本低廉的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述高温防氧化涂料由A组分和B组分分装组成。

所述A组分的化学成分及其含量是：氧化铝粉为20~35wt%，二氧化硅粉为20~30wt%，氧化镁粉为15~25wt%，氧化钙粉为5~15wt%，二氧化锆粉为5~10wt%，碳酸钠粉为2~5wt%，碳酸钾粉为2~5wt%，氧化铁粉为2~5wt%，铝粉为1~5wt%。混合，包装备用。

所述B组分的化学成分及其含量是，(CH₂O)_n为1~5wt%，(C₁₂H₂₂O₁₁)_n为4~10wt%，(C₆H₁₀O₅)_n为5~15wt%，聚乙烯醇为0.5~2wt%，羧甲基纤维素钠为0.1~1wt%，羟乙基纤维素为0.1~0.8wt%，余量为水。混合，包装备用。

所述氧化铝粉中的Al₂O₃含量>98wt%，氧化铝粉的粒径≤48μm。

所述二氧化硅粉中的SiO₂含量>99wt%，二氧化硅粉的粒径≤48μm。

所述氧化镁粉中的MgO含量>90wt%，氧化镁粉的粒径≤75μm。

所述氧化钙粉中的CaO含量>95wt%，氧化钙粉的粒径≤75μm。

所述二氧化锆粉中的ZrO₂含量>90wt%，二氧化锆粉的粒径≤48μm。

所述碳酸钠粉中的Na₂CO₃含量≥99wt%，碳酸钠粉的粒径≤48μm。

所述碳酸钾粉中的K₂CO₃含量≥99wt%，碳酸钾粉的粒径≤48μm。

所述氧化铁粉中的Fe₂O₃含量>95wt%，氧化铁粉的粒径≤58μm。

所述铝粉中的Al含量>99wt%，铝粉的粒径≤38μm。

本发明制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的使用方法：先按A组分与B组分的质量比为（0.8~2）︰1混合，机械搅拌30~200min；再将搅拌后的高温防氧化涂料直接喷涂或刷涂在钢坯表面即可，涂层厚度为0.1~0.5mm。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

1、适用温度高。采用本发明制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料所得到的涂层（以下简称涂层）中同时存在Na₂CO₃、K₂CO₃等低熔点的物质和Al₂O₃、SiO₂、MgO等高熔点的物质，以及涂层各成分之间存在较复杂的多元关系，能够在1100~1400℃（大于3小时）温度范围内对基体起到保护作用。

2、防氧化效果好。主要是反应型保护机理、氧化还原型保护机理和无机层状阻隔机理三种机理共同作用的结果。在加热炉中随着温度升高，钢表面的微量氧化铁皮和涂层中的Fe₂O₃与涂层中的Al₂O₃、SiO₂和MgO等发生化学反应，形成薄的半熔融状态的粘稠熔膜，均匀且牢固地覆盖在基体表面上，隔绝了气氛和基体的接触，达到加热过程中的保护目的。其次，涂层中的铝粉首先和炉内氧化气氛发生反应，造成靠近涂层的活性介质贫乏，而不能和基体发生作用，起到保护作用。再次，反应形成的活性氧化铝附着在工件表面，增加了熔融涂膜的致密度，进一步提高了涂层的保护作用。本发明所采用的固体粉末颗粒尺寸较小且具有明显的颗粒级配，在高温下均存在层状机理，无机熔体对片层的作用会引起层间距变宽，可通过层间插入实现层间空隙的封闭填充作用，对加热过程中的物质扩散进行有效阻隔，从而起到保护作用。本发明制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的防氧化效果在70%以上。

3、自脱落。碳钢基体的线膨胀系数11~15/℃，Al₂O₃线膨胀系数<4×10^-6/℃，SiO₂线膨胀系数<1.5×10^-6/℃，ZrO₂线膨胀系数<10×10^-6/℃，涂层线膨胀系数与碳钢基体的线膨胀系数相差很大，急冷时涂层易脱落。

4、产品表面质量高。首先，由于涂层具有优异的防氧化效果及自脱落效果，在钢坯轧制前，一次氧化形成的氧化层随防氧化涂层一起脱落，钢坯表面比较干净，氧化铁皮被扎进钢坯的现象明显减少，直接提高了钢坯的表面质量；其次，由于在高温下涂层致密化，隔绝了气氛和基体的接触，脱碳深度降低80%以上，合金元素贫化减少70%以上，间接提高了钢坯的表面质量。

5、安全环保，制备简单，使用方便。本发明制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料为水基涂料，固体物质主要为无毒副作用的无机非金属氧化物（如氧化铝、二氧化硅和氧化镁等），液体为碳水化合物溶液；使用时，将采用简单的机械搅拌方法即可直接喷涂或刷涂在钢坯上。

6、成本低廉。本发明制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料原材料廉价易得；制备和使用过程简单方便，对设备要求低，设备投资少；单位面积涂料用量少。

因此，本发明具有防氧化效果好、适用温度高、产品表面质量高、自脱落、安全环保和成本低廉的特点。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的原料统一描述如下，实施例中不再赘述：

所述氧化铝粉中的Al₂O₃含量>98wt%，氧化铝粉的粒径≤48μm。

所述二氧化硅粉中的SiO₂含量>99wt%，二氧化硅粉的粒径≤48μm。

所述氧化镁粉中的MgO含量>90wt%，氧化镁粉的粒径≤75μm。

所述氧化钙粉中的CaO含量>95wt%，氧化钙粉的粒径≤75μm。

所述二氧化锆粉中的ZrO₂含量>90wt%，二氧化锆粉的粒径≤48μm。

所述碳酸钠粉中的Na₂CO₃含量≥99wt%，碳酸钠粉的粒径≤48μm。

所述碳酸钾粉中的K₂CO₃含量≥99wt%，碳酸钾粉的粒径≤48μm。

所述氧化铁粉中的Fe₂O₃含量>95wt%，氧化铁粉的粒径≤58μm。

所述铝粉中的Al含量>99wt%，铝粉的粒径≤38μm。

实施例1

一种普碳钢钢坯用高温防氧化涂料及其制备方法。所述高温防氧化涂料由A组分和B组分分装组成。

所述A组分的化学成分及其含量是：氧化铝粉为20~25wt%，二氧化硅粉为26~30 wt%，氧化镁粉为15~20wt%，氧化钙粉为5~9wt%，二氧化锆粉为7~10wt%，碳酸钠粉为4~5wt%，碳酸钾粉为2~3wt%，氧化铁粉为4~5wt%，铝粉为1~3wt%。混合，包装备用。

所述B组分的化学成分及其含量是，(CH₂O)_n为1~3wt%，(C₁₂H₂₂O₁₁)_n为4~6wt%，(C₆H₁₀O₅)_n为11~15wt%，聚乙烯醇为0.5~1wt%，羧甲基纤维素钠为0.7~1wt%，羟乙基纤维素为0.1~0.4wt%，余量为水。混合，包装备用。

本实施例制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的使用方法：先按A组分与B组分的质量比为（0.8~1.2）︰1混合，机械搅拌30~90min；再将搅拌后的高温防氧化涂料直接喷涂或刷涂在钢坯表面即可，涂层厚度为0.1~0.3mm。

实施例2

一种普碳钢钢坯用高温防氧化涂料及其制备方法。所述高温防氧化涂料由A组分和B组分分装组成。

所述A组分的化学成分及其含量是：氧化铝粉为25~30wt%，二氧化硅粉为23~27wt%，氧化镁粉为17~22wt%，氧化钙粉为8~12wt%，二氧化锆粉为6~9wt%，碳酸钠粉为3~4wt%，碳酸钾粉为3~4wt%，氧化铁粉为3~4wt%，铝粉为2~4wt%。混合，包装备用。

所述B组分的化学成分及其含量是，(CH₂O)_n为2~4wt%，(C₁₂H₂₂O₁₁)_n为6~8wt%，(C₆H₁₀O₅)_n为8~12wt%，聚乙烯醇为1~1.5wt%，羧甲基纤维素钠为0.4~0.7wt%，羟乙基纤维素为0.3~0.6wt%，余量为水。混合，包装备用。

本实施例制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的使用方法：先按A组分与B组分的质量比为（1.2~1.6）︰1混合，机械搅拌90~140min；再将搅拌后的高温防氧化涂料直接喷涂或刷涂在钢坯表面即可，涂层厚度为0.2~0.4mm。

实施例3

一种普碳钢钢坯用高温防氧化涂料及其制备方法。所述高温防氧化涂料由A组分和B组分分装组成。

所述A组分的化学成分及其含量是：氧化铝粉为30~35wt%，二氧化硅粉为20~24 wt%，氧化镁粉为18~25wt%，氧化钙粉为9~15wt%，二氧化锆粉为5~8wt%，碳酸钠粉为2~3wt%，碳酸钾粉为3~5wt%，氧化铁粉为2~3wt%，铝粉为2~5wt%。混合，包装备用。

所述B组分的化学成分及其含量是，(CH₂O)_n为3~5wt%，(C₁₂H₂₂O₁₁)_n为8~10wt%，(C₆H₁₀O₅)_n为5~9wt%，聚乙烯醇为1.5~2wt%，羧甲基纤维素钠为0.1~0.4wt%，羟乙基纤维素为0.5~0.8wt%，余量为水。混合，包装备用。

本实施例制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的使用方法：先按A组分与B组分的质量比为（1.6~2）︰1混合，机械搅拌140~200min；再将搅拌后的高温防氧化涂料直接喷涂或刷涂在钢坯表面即可，涂层厚度为0.3~0.5mm。

本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

1、适用温度高。采用本发明制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料所得到的涂层（以下简称涂层）中同时存在Na₂CO₃、K₂CO₃等低熔点的物质和Al₂O₃、SiO₂、MgO等高熔点的物质，以及涂层各成分之间存在较复杂的多元关系，能够在1100~1400℃（大于3小时）温度范围内对基体起到保护作用。

2、防氧化效果好。主要是反应型保护机理、氧化还原型保护机理和无机层状阻隔机理三种机理共同作用的结果。在加热炉中随着温度升高，钢表面的微量氧化铁皮和涂层中的Fe₂O₃与涂层中的Al₂O₃、SiO₂和MgO等发生化学反应，形成薄的半熔融状态的粘稠熔膜，均匀且牢固地覆盖在基体表面上，隔绝了气氛和基体的接触，达到加热过程中的保护目的。其次，涂层中的铝粉首先和炉内氧化气氛发生反应，造成靠近涂层的活性介质贫乏，而不能和基体发生作用，起到保护作用。再次，反应形成的活性氧化铝附着在工件表面，增加了熔融涂膜的致密度，进一步提高了涂层的保护作用。本发明所采用的固体粉末颗粒尺寸较小且具有明显的颗粒级配，在高温下均存在层状机理，无机熔体对片层的作用会引起层间距变宽，可通过层间插入实现层间空隙的封闭填充作用，对加热过程中的物质扩散进行有效阻隔，从而起到保护作用。本发明制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的防氧化效果在70%以上。

3、自脱落。碳钢基体的线膨胀系数11~15/℃，Al₂O₃线膨胀系数<4×10^-6/℃，SiO₂线膨胀系数<1.5×10^-6/℃，ZrO₂线膨胀系数<10×10^-6/℃，涂层线膨胀系数与碳钢基体的线膨胀系数相差很大，急冷时涂层易脱落。

4、产品表面质量高。首先，由于涂层具有优异的防氧化效果及自脱落效果，在钢坯轧制前，一次氧化形成的氧化层随防氧化涂层一起脱落，钢坯表面比较干净，氧化铁皮被扎进钢坯的现象明显减少，直接提高了钢坯的表面质量；其次，由于在高温下涂层致密化，隔绝了气氛和基体的接触，脱碳深度降低80%以上，合金元素贫化减少70%以上，间接提高了钢坯的表面质量。

5、安全环保，制备简单，使用方便。本发明制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料为水基涂料，固体物质主要为无毒副作用的无机非金属氧化物（如氧化铝、二氧化硅和氧化镁等），液体为碳水化合物溶液；使用时，将采用简单的机械搅拌方法即可直接喷涂或刷涂在钢坯上。

6、成本低廉。本发明制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料原材料廉价易得；制备和使用过程简单方便，对设备要求低，设备投资少；单位面积涂料用量少。

因此，本发明具有防氧化效果好、适用温度高、产品表面质量高、自脱落、安全环保和成本低廉的特点。

Claims (11)

1.一种普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的制备方法，其特征在于所述高温防氧化涂料由A组分和B组分分装组成；使用时，按A组分与B组分的质量比为（0.8~2）︰1混合，机械搅拌30~200min即可；

所述A组分的化学成分及其含量是：氧化铝粉为20~35wt%，二氧化硅粉为20~30wt%，氧化镁粉为15~25wt%，氧化钙粉为5~15wt%，二氧化锆粉为5~10wt%，碳酸钠粉为2~5wt%，碳酸钾粉为2~5wt%，氧化铁粉为2~5wt%，铝粉为1~5wt%；混合，包装备用；

所述B组分的化学成分及其含量是，(CH₂O)_n为1~5wt%，(C₁₂H₂₂O₁₁)_n为4~10wt%，(C₆H₁₀O₅)_n为5~15wt%，聚乙烯醇为0.5~2wt%，羧甲基纤维素钠为0.1~1wt%，羟乙基纤维素为0.1~0.8wt%，余量为水；混合，包装备用。

2.根据权利要求1所述的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的制备方法，其特征在于所述氧化铝粉中的Al₂O₃含量>98wt%，氧化铝粉的粒径≤48μm。

3.根据权利要求1所述的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的制备方法，其特征在于所述二氧化硅粉中的SiO₂含量>99wt%，二氧化硅粉的粒径≤48μm。

4.根据权利要求1所述的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的制备方法，其特征在于所述氧化镁粉中的MgO含量>90wt%，氧化镁粉的粒径≤75μm。

5.根据权利要求1所述的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的制备方法，其特征在于所述氧化钙粉中的CaO含量>95wt%，氧化钙粉的粒径≤75μm。

6.根据权利要求1所述的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的制备方法，其特征在于所述二氧化锆粉中的ZrO₂含量>90wt%，二氧化锆粉的粒径≤48μm。

7.根据权利要求1所述的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的制备方法，其特征在于所述碳酸钠粉中的Na₂CO₃含量≥99wt%，碳酸钠粉的粒径≤48μm。

8.根据权利要求1所述的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的制备方法，其特征在于所述碳酸钾粉中的K₂CO₃含量≥99wt%，碳酸钾粉的粒径≤48μm。

9.根据权利要求1所述的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的制备方法，其特征在于所述氧化铁粉中的Fe₂O₃含量>95wt%，氧化铁粉的粒径≤58μm。

10.根据权利要求1所述的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的制备方法，其特征在于所述铝粉中的Al含量>99wt%，铝粉的粒径≤38μm。

11.  一种普碳钢钢坯用高温防氧化涂料，其特征在于所述普碳钢钢坯用高温防氧化涂料是根据权利要求1~10项中任一项所述普碳钢钢坯用高温防氧化涂料的制备方法所制备的普碳钢钢坯用高温防氧化涂料。