硅酸系耐高溫防氧化涂料的研究

趙景濤 張貴杰 邢旭騰

摘 要：針對(duì)金屬在熱處理加工中表面生成的大量氧化鐵皮，研制一種硅酸系的高溫防氧化涂料。這種涂料包含硅酸鈉，二氧化硅，氧化鋯，氧化鋁，碳化硼及一些特殊物質(zhì)。這種涂料能夠使金屬在熱加工中的抗高溫氧化達(dá)到1100℃。通過(guò)氧化失重對(duì)比試驗(yàn)表明這種涂料在1100℃能降低氧化燒損。有效解決了鋼鐵加熱過(guò)程中氧化燒損問(wèn)題，避免了鋼材的浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：硅酸鈉；耐高溫；防氧化；涂料

引言

鋼鐵是用途最廣泛的材料，其產(chǎn)量往往是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平和生產(chǎn)能力的重要標(biāo)志[1]。鋼坯和連鑄坯在進(jìn)行初扎前要在加熱爐中加熱一定溫度，這一過(guò)程會(huì)很長(zhǎng)時(shí)間，而且爐中存在一些氧化性氣體，在加熱過(guò)程中由于氣體和金屬基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致脫碳、氧化和元素貧化問(wèn)題。使鋼鐵表面會(huì)生成大量的氧化鐵皮，隨著加熱溫度升高，鋼材的氧化燒損越嚴(yán)重，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，氧化鐵皮越厚。且金屬的氧化與加熱溫度和加熱時(shí)間密切相關(guān)[2]，它隨溫度的升高、加熱時(shí)間的延長(zhǎng)而變得更加嚴(yán)重。高溫氧化還會(huì)造成原料、能源和勞動(dòng)力的浪費(fèi)[3]。為了提高鋼材的成材率，減少消耗，節(jié)約能源，很多國(guó)家研制生產(chǎn)一些保護(hù)涂料來(lái)降低鋼材在熱處理中的高溫氧化問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

加熱爐，分析天平，線(xiàn)切割機(jī)，普碳鋼Q235，硅酸鈉，二氧化硅，二氧化鋯，氧化鋁，碳化硼，二氧化鈦，氧化鈣等化學(xué)用品。

2 實(shí)驗(yàn)方法

將Q235普碳鋼用線(xiàn)切割機(jī)制作為60×40×5mm的試樣，去除表面油污，用砂紙將試樣表面打磨干凈至沒(méi)有氧化鐵皮，再用酒精清洗試樣表面干凈。將涂料涂覆在試樣表面放入加熱爐中進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)。

2.1 對(duì)比試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用硅酸鈉為粘接劑，主要粉體為二氧化硅，氧化鋁。首先驗(yàn)證二氧化鋯和二氧化鈦的選取問(wèn)題。選取60g二氧化硅，9g氧化鋁，20g硅酸鈉，向其中分別加入10g二氧化鋯記為第一組，加入10g二氧化鈦記為第二組，涂覆在試樣上。每組選取四塊試樣進(jìn)行熱處理，記為A，B，C，D，其中A，B為有涂料試樣，C，D無(wú)涂料。進(jìn)行試驗(yàn)前，將試樣用分析天平秤重，實(shí)驗(yàn)前質(zhì)量記為m1，熱處理后質(zhì)量記為m2。試樣在加熱爐中加熱90min，加熱溫度分別為800℃，850℃，900℃，950℃，1000℃，1050℃，1100℃，1150℃。首先通過(guò)試樣加熱前后的質(zhì)量損失驗(yàn)證涂料是否有效。

由表1，2可得涂覆涂料的試樣氧化損失比無(wú)涂料的試樣減少的要少。

試樣加熱前后質(zhì)量差：

氧化燒損：

減少氧化燒損：

試樣在經(jīng)過(guò)800-1150℃加熱處理后實(shí)驗(yàn)條件是加熱溫度為800-1150℃之間，每隔50℃，加熱時(shí)間為90min。

由圖1可知，在1000℃之前，氧化鋯和氧化鈦防氧化效果一樣，但是在1000℃在1100℃之間，氧化鋯的作用明顯比氧化鈦的要好。同時(shí)氧化鋯加熱到1000℃時(shí)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，由低溫下的單斜晶變成正方晶，這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致涂層體積膨脹，使金屬在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生巨大內(nèi)應(yīng)力，使涂層容易剝落。由此可知氧化鋯比氧化鈦更為適合。在1150℃時(shí)，有涂料的試樣比無(wú)涂料的試樣沒(méi)有良好的防氧化效果，說(shuō)明以硅酸鈉為粘接劑的涂料最高使用溫度為1100℃。

同樣的選取60g二氧化硅，9g氧化鋁，20g硅酸鈉，向其中分別加入2g氧化鈣記為第一組，加入2g碳化硼記為第二組，涂覆在試樣上。每組選取四塊試樣進(jìn)行熱處理，記為A，B，C，D，其中A，B為有涂料試樣，C，D無(wú)涂料。

圖2中的三條曲線(xiàn)分別是含氧化鈣和碳化硼的涂料及無(wú)涂料試樣的氧化失重曲線(xiàn)。由圖看出，含碳化硼的涂料比氧化鈣涂料效果好，且裸露試樣的氧化燒損更嚴(yán)重。選擇碳化硼為涂料的組分。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

涂料由單一的耐高溫物質(zhì)組成不能滿(mǎn)足涂料各向性能指標(biāo)要求。由涂料的防護(hù)機(jī)理和金屬在加熱中的氧化規(guī)律和不同耐高溫物質(zhì)的基本作用及選材標(biāo)準(zhǔn)的原則和大致用量范圍，選取SiO2、ZrO2、B4C、Al2O3、和Na2SiO3作為涂料的主要粉料來(lái)完成45正交實(shí)驗(yàn)，各組分的含量及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由正交試驗(yàn)，首先對(duì)于SiO2，有Kj1>Kj2>Kj3=Kj4，取第一水平SiO2的加入量，即60g。依次類(lèi)推：ZrO2的加入量為12g；B4C的加入量為3g；Al2O3的加入量應(yīng)為9g；由于加入過(guò)多的Na2SiO3會(huì)使試樣集體表面腐蝕，且有表看出Kj3=Kj4>Kj2>kj1。所以Na2SiO3的量選為19.55g。又正交實(shí)驗(yàn)得到的各組分質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)重，重新制備涂料，使試樣的氧化失重達(dá)到2.436%。

再經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整涂料配方成分，使涂料的性能改善。

3 實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)確定的涂料進(jìn)行性能分析，由于鋼坯在進(jìn)行熱處理工程中，加熱溫度和加熱時(shí)間對(duì)其的氧化程度有很大影響，現(xiàn)對(duì)這兩種因素驗(yàn)證此涂料的性能。

3.1 不同加熱溫度對(duì)涂料性能的影響

實(shí)驗(yàn)的加熱溫度為800℃，850℃，900℃，950℃，1000℃，1050℃，1100℃，1150℃，加熱時(shí)間選取90min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3可知，涂料能夠減少鋼材的氧化燒損，涂料對(duì)鋼坯有明顯的保護(hù)作用。從無(wú)涂料曲線(xiàn)來(lái)看，鋼坯在900℃時(shí)，鋼材的氧化快速增加。在1000-1100℃之間，由于鋼表面有氧化鐵皮生產(chǎn)，減緩了它的氧化速率。從有涂料的曲線(xiàn)來(lái)看，涂料在800-900℃間，由于涂料處于燒結(jié)過(guò)程，而且此時(shí)溫度不高，氧化燒損不嚴(yán)重。而當(dāng)超過(guò)1100℃時(shí)，涂料已經(jīng)不具備防氧化效果。

3.2 不同加熱時(shí)間對(duì)涂料性能的影響

實(shí)驗(yàn)加熱溫度是1000℃，加熱時(shí)間為30min，60min，90min，120min，150min，180min，每隔30min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。

對(duì)于有涂料的試樣，在60-150min之間，涂料對(duì)鋼坯的氧化失重率在2%-3%之間，對(duì)鋼坯的防氧化有著良好效果，超過(guò)150min后，氧化失重率急劇增加，該涂料保溫時(shí)間可到150min。對(duì)于無(wú)涂料的試樣，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼坯的氧化失重率隨之增加。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）涂料由Na2SiO3，SiO2，Al2O3，ZrO2，B4C，SiC，C等組成。（2）由硅酸鈉體系制成的涂料最高防氧化溫度可達(dá)1100℃，超過(guò)1100℃其氧化效果不明顯。（3）此涂料的對(duì)鋼坯的保溫時(shí)間可以達(dá)到150min。（4）在1100℃時(shí)，保溫150min可以使鋼坯試樣的氧化失重率為2.38

4%。

參考文獻(xiàn)

[1]馮聚和.煉鋼設(shè)計(jì)原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版業(yè)，2005.

[2]周繼良.碳素鋼高溫抗氧化涂料的研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2005.

[3]Chen R Y，Yuen W Y D. Review of the High-temperature Oxidation of Iron and Carbon Steel in Air or Oxygen [J]. Oxid.Met，2003，59（5/6）：433-468.

作者簡(jiǎn)介：趙景濤，男，華北理工大學(xué)在讀碩士研究生，工作單位：華北理工大學(xué)。

張貴杰（1973-），男，漢族，河北省唐海縣人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：金屬材料成型理論與工藝、非線(xiàn)性相變和智能金屬材料。