硅酸系耐高温防氧化涂料的研究

赵景涛 张贵杰 邢旭腾

摘 要：针对金属在热处理加工中表面生成的大量氧化铁皮，研制一种硅酸系的高温防氧化涂料。这种涂料包含硅酸钠，二氧化硅，氧化锆，氧化铝，碳化硼及一些特殊物质。这种涂料能够使金属在热加工中的抗高温氧化达到1100℃。通过氧化失重对比试验表明这种涂料在1100℃能降低氧化烧损。有效解决了钢铁加热过程中氧化烧损问题，避免了钢材的浪费。

关键词：硅酸钠；耐高温；防氧化；涂料

引言

钢铁是用途最广泛的材料，其产量往往是衡量一个国家工业化水平和生产能力的重要标志[1]。钢坯和连铸坯在进行初扎前要在加热炉中加热一定温度，这一过程会很长时间，而且炉中存在一些氧化性气体，在加热过程中由于气体和金属基体发生化学反应，导致脱碳、氧化和元素贫化问题。使钢铁表面会生成大量的氧化铁皮，随着加热温度升高，钢材的氧化烧损越严重，加热时间越长，氧化铁皮越厚。且金属的氧化与加热温度和加热时间密切相关[2]，它随温度的升高、加热时间的延长而变得更加严重。高温氧化还会造成原料、能源和劳动力的浪费[3]。为了提高钢材的成材率，减少消耗，节约能源，很多国家研制生产一些保护涂料来降低钢材在热处理中的高温氧化问题。

1 实验设备及材料

加热炉，分析天平，线切割机，普碳钢Q235，硅酸钠，二氧化硅，二氧化锆，氧化铝，碳化硼，二氧化钛，氧化钙等化学用品。

2 实验方法

将Q235普碳钢用线切割机制作为60×40×5mm的试样，去除表面油污，用砂纸将试样表面打磨干净至没有氧化铁皮，再用酒精清洗试样表面干净。将涂料涂覆在试样表面放入加热炉中进行加热实验。

2.1 对比试验

本实验采用硅酸钠为粘接剂，主要粉体为二氧化硅，氧化铝。首先验证二氧化锆和二氧化钛的选取问题。选取60g二氧化硅，9g氧化铝，20g硅酸钠，向其中分别加入10g二氧化锆记为第一组，加入10g二氧化钛记为第二组，涂覆在试样上。每组选取四块试样进行热处理，记为A，B，C，D，其中A，B为有涂料试样，C，D无涂料。进行试验前，将试样用分析天平秤重，实验前质量记为m1，热处理后质量记为m2。试样在加热炉中加热90min，加热温度分别为800℃，850℃，900℃，950℃，1000℃，1050℃，1100℃，1150℃。首先通过试样加热前后的质量损失验证涂料是否有效。

由表1，2可得涂覆涂料的试样氧化损失比无涂料的试样减少的要少。

试样加热前后质量差：

氧化烧损：

减少氧化烧损：

试样在经过800-1150℃加热处理后实验条件是加热温度为800-1150℃之间，每隔50℃，加热时间为90min。

由图1可知，在1000℃之前，氧化锆和氧化钛防氧化效果一样，但是在1000℃在1100℃之间，氧化锆的作用明显比氧化钛的要好。同时氧化锆加热到1000℃时发生晶型转变，由低温下的单斜晶变成正方晶，这种转变导致涂层体积膨胀，使金属在冷却过程中产生巨大内应力，使涂层容易剥落。由此可知氧化锆比氧化钛更为适合。在1150℃时，有涂料的试样比无涂料的试样没有良好的防氧化效果，说明以硅酸钠为粘接剂的涂料最高使用温度为1100℃。

同样的选取60g二氧化硅，9g氧化铝，20g硅酸钠，向其中分别加入2g氧化钙记为第一组，加入2g碳化硼记为第二组，涂覆在试样上。每组选取四块试样进行热处理，记为A，B，C，D，其中A，B为有涂料试样，C，D无涂料。

图2中的三条曲线分别是含氧化钙和碳化硼的涂料及无涂料试样的氧化失重曲线。由图看出，含碳化硼的涂料比氧化钙涂料效果好，且裸露试样的氧化烧损更严重。选择碳化硼为涂料的组分。

2.2 正交实验

涂料由单一的耐高温物质组成不能满足涂料各向性能指标要求。由涂料的防护机理和金属在加热中的氧化规律和不同耐高温物质的基本作用及选材标准的原则和大致用量范围，选取SiO2、ZrO2、B4C、Al2O3、和Na2SiO3作为涂料的主要粉料来完成45正交实验，各组分的含量及实验结果见表3。

由正交试验，首先对于SiO2，有Kj1>Kj2>Kj3=Kj4，取第一水平SiO2的加入量，即60g。依次类推：ZrO2的加入量为12g；B4C的加入量为3g；Al2O3的加入量应为9g；由于加入过多的Na2SiO3会使试样集体表面腐蚀，且有表看出Kj3=Kj4>Kj2>kj1。所以Na2SiO3的量选为19.55g。又正交实验得到的各组分质量进行称重，重新制备涂料，使试样的氧化失重达到2.436%。

再经过多次实验进行调整涂料配方成分，使涂料的性能改善。

3 实验分析

对确定的涂料进行性能分析，由于钢坯在进行热处理工程中，加热温度和加热时间对其的氧化程度有很大影响，现对这两种因素验证此涂料的性能。

3.1 不同加热温度对涂料性能的影响

实验的加热温度为800℃，850℃，900℃，950℃，1000℃，1050℃，1100℃，1150℃，加热时间选取90min，实验结果见图3。

从图3可知，涂料能够减少钢材的氧化烧损，涂料对钢坯有明显的保护作用。从无涂料曲线来看，钢坯在900℃时，钢材的氧化快速增加。在1000-1100℃之间，由于钢表面有氧化铁皮生产，减缓了它的氧化速率。从有涂料的曲线来看，涂料在800-900℃间，由于涂料处于烧结过程，而且此时温度不高，氧化烧损不严重。而当超过1100℃时，涂料已经不具备防氧化效果。

3.2 不同加热时间对涂料性能的影响

实验加热温度是1000℃，加热时间为30min，60min，90min，120min，150min，180min，每隔30min，实验结果如图4。

对于有涂料的试样，在60-150min之间，涂料对钢坯的氧化失重率在2%-3%之间，对钢坯的防氧化有着良好效果，超过150min后，氧化失重率急剧增加，该涂料保温时间可到150min。对于无涂料的试样，随着时间的增长，钢坯的氧化失重率随之增加。

4 实验结论

（1）涂料由Na2SiO3，SiO2，Al2O3，ZrO2，B4C，SiC，C等组成。（2）由硅酸钠体系制成的涂料最高防氧化温度可达1100℃，超过1100℃其氧化效果不明显。（3）此涂料的对钢坯的保温时间可以达到150min。（4）在1100℃时，保温150min可以使钢坯试样的氧化失重率为2.38

4%。

参考文献

[1]冯聚和.炼钢设计原理[M].北京：化学工业出版业，2005.

[2]周继良.碳素钢高温抗氧化涂料的研究[D].西安：西安建筑科技大学，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.

作者简介：赵景涛，男，华北理工大学在读硕士研究生，工作单位：华北理工大学。

张贵杰（1973-），男，汉族，河北省唐海县人，博士，教授，硕士生导师，研究方向：金属材料成型理论与工艺、非线性相变和智能金属材料。