一种防脱碳纳米涂料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属表面处理材料领域，尤其涉及一种防止金属工件在氧化性气氛中 高温氧化脱碳的纳米涂料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 金属材料高温加热是一种常见的加工方法。例如材料热处理是通过对金属进行加 热、保温和冷却产生固态相变，达到改变其内部组织结构，消除材质缺陷，细化晶粒的目的。 最终实现延长金属零部件的使用寿命，环保节能的目的。高温加热时，金属表面的碳元素若 与氧化性气氛接触会引起氧化、脱碳现象的产生。并且随着金属表层与内部碳元素浓度差 的增加进一步加剧脱碳现象。从而引起工件的强度、硬度和耐磨性等机械性能的下降。热处 理时甚至会导致淬火裂纹的出现。目前解决此问题的常用方法有两种：一是采用真空加热 炉对试样进行加热处理；二是在试样表面喷涂防脱碳涂料。真空炉设备复杂，成本高，并且 受工件形状形状制约应用范围较窄。而防氧化涂料具有使用方便、成本低、效果好的特点， 得到了广泛的应用。
[0003] 优质涂料应具有热稳定性好、涂层致密、触变性和流变性良好等特点。由于纳米材 料具有独特的表面效应和小尺寸效应，致使其熔点降低，熔融性好。并且纳米颗粒的平铺性 较普通颗粒好，孔隙率低，结合强度大，硬度高。因此添加少许纳米颗粒组分，可以增加涂料 反应活性，从而在技术上无需花费太大成本，使传统涂料的功能得到质的提高。
[0004][0005]
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种具有防脱碳效果良好、成本低，操作简单的纳米级的高 温防氧化/脱碳涂料及其制备方法。利用溶胶-凝胶法原位合成纳米A1203颗粒，并将其均 匀负载于硅藻土表面，保证了涂料的纳米级尺度组成。
[0007] 为此，本发明所采取的解决方案是：
[0008] -种防脱碳纳米涂料，其组成成分及wt %为：纳米Al2035~20%、娃藻土 50~ 80%、石墨粉2~10%、粘结剂5~20%、悬浮分散剂1~3%，余量为溶剂和杂质。
[0009] 所述粘结剂为水溶性化合物聚丙烯酸盐或聚乙二醇中的一种或两种。所述聚丙 烯酸盐为分子量为15000~30000的聚丙烯酸钠和聚丙烯酸钾；所述聚乙二醇分子量为 2000 ~8000。
[0010] 所述悬浮分散剂为钠基膨润土和羧甲基纤维素；
[0011] 所述溶剂为水和酒精。
[0012] 所述纳米A1203粒度为20~100nm。
[0013] -种防脱碳纳米涂料的制备方法，其具体制备步骤为：
[0014] 1、按质量配比称取：A1 (N03)321~84份、NH4HC0324~93份、硅藻土 50~80份、 石墨粉2~10份、粘结剂5~20份、悬浮分散剂1~3份，备用；
[0015] 2、将A1 (N03)3和NH4HC〇dv别溶于去离子水中，配制成A1 (N03)3饱和溶液和NH4HC03饱和溶液；
[0016] 3、将硅藻土加入NH4HC03溶液中搅拌成悬浊液，搅拌的同时缓慢地向其中加入 A1 (N03) 3溶液进行反应，生成被硅藻土高度分散的A1 (0H) 3沉淀物；
[0017] 4、将生成的沉淀物过滤洗涤，得到由纳米A1 (0H) 3和硅藻土组成的混合物；
[0018] 5、将该混合物在200~300°C下加热30min，使纳米A1 (0H)3脱水形成纳米A1203 ;
[0019] 6、将反应后得到的纳米A1203和硅藻土混合物中加入溶剂、石墨粉、粘结剂和悬浮 分散剂，搅拌均匀后形成纳米防脱碳浆料。
[0020] 本发明涂料的使用方法及有益效果为：
[0021] 使用时，首先清理干净钢铁工件表面的浮砂、灰尘、油锈等杂质，然后使用喷枪、 辊刷等工具，以人工或机械涂刷方式将涂料涂覆在待处理工件表面，涂层厚度为〇. 1~ 1. Omm。加热冷却后，由于钢制工件与涂层材料的热膨胀系数的差异，导致涂层自然剥落。
[0022] 硅藻土中的Si02是玻璃的主要形成物，可以提高涂层的机械强度，A120 3可以起到 加强玻璃网络结构的作用，提高涂层的玻璃化能力。纳米材料所具有的小尺寸效应可以提 高A1203反应活性，降低熔点，从而在热处理加热时促进涂层烧结，使涂层致密地包裹钢坯， 起到良好的保护作用。
[0023] 本发明通过溶胶-凝胶法原位制备纳米级颗粒的防脱碳涂料，通过化学反应形成 纳米颗粒的胶体，同时让它在反应过程中被其他载体高度分散，形成颗粒度均匀，尺寸结构 小，分散性好的纳米涂料。采用溶胶-凝胶法制备的纳米涂料能有效预防钢板高温氧化和 脱碳，为环保水性涂料，纳米级别，适合各种复杂形状，精密加工的金属工件。此涂层材料使 用方便，成本低廉，配制和涂覆工艺简单易行，自然剥落能力强，适用性广。
【附图说明】
[0024] 图1是无涂层保护钢板热处理后显微组织；
[0025] 图2是纳米涂料保护钢板热处理后显微组织。
【具体实施方式】
[0026] 下面通过实施例对本发明作进一步的描述。
[0027] 实施例1
[0028] 防脱碳纳米涂料各化学成分质量如表1所示：
[0029] 表1实施例1制备涂料的原料及配比
[0030]
[0031] 按照表1称取A1 (N03)3和NH4HC03分别溶于去离子水中形成溶液。将精制硅藻土 加入NH4HC03溶液中搅拌成悬浊液，搅拌的同时缓慢地向其中加入A1 (N03) 3溶液，进行沉淀 反应。将生成的沉淀物过滤并充分洗涤后于200~300°C下加热30min，得到纳米A1203和 硅藻土组成的混合物。首先用酒精将聚丙烯酸钠进行预溶解，随后加入水形成液体粘结剂。 在此混合物中加入溶剂、石墨粉、粘结剂和悬浮分散剂，搅拌均匀后即可形成纳米防脱碳浆 料。
[0032] 室温下将制得的涂料均匀喷涂在待热处理42CrMo试样表面。将工件在860°C时 保温60min后进行油淬热处理，被保护表面呈金属光泽，金相检验分析发现，被保护面无氧 化、脱碳现象发生。淬火后，涂层自然剥落。
[0033] 实施例2
[0034] 防脱碳纳米涂料各化学成分质量如表2所示：
[0035] 表2实施例2涂料成分配比
[0037] 按照表2称取A1 (N03) 3和NH4HC03分别溶于去离子水中形成饱和溶液。将硅藻土 加入NH4HC03溶液中搅拌成悬浊液，搅拌的同时缓慢地向其中加入A1 (N03) 3溶液，进行沉淀 反应。将生成的沉淀物过滤并充分洗涤后于200~300°C下加热30min，得到纳米A1203和 硅藻土组成的混合物。首先用酒精将聚丙烯酸钠进行预溶解，随后加入水形成液体粘结剂。 在此混合物中加入溶剂、石墨粉、粘结剂和悬浮分散剂，搅拌均匀后即可形成纳米防脱碳浆 料。
[0038] 室温下将制得的涂料均匀喷涂在待热处理30CrMoA试样表面。将工件在860°C时 保温60min后进行油淬热处理，被保护表面呈金属光泽，金相检验分析发现，被保护面无氧 化、脱碳现象发生。淬火后，涂层自然剥落。
【主权项】
1. 一种防脱碳纳米涂料，其特征在于，其组成成分及wt%为：纳米A1203 5~20%、娃藻 土 50~80%、石墨粉2~10%、粘结剂5~20%、悬浮分散剂1~3%，余量为溶剂和杂质； 所述粘结剂为聚丙烯酸盐或聚乙二醇中的一种或两种；所述聚丙烯酸盐为分子量为 15000~30000的聚丙烯酸钠和聚丙烯酸钾；所述聚乙二醇分子量为2000~8000 ; 所述悬浮分散剂为钠基膨润土和羧甲基纤维素； 所述溶剂为水和酒精。2. 根据权利要求1所述的防脱碳纳米涂料，其特征在于，所述纳米A1203粒度为20~ 100nm〇3. -种如权利要求1所述防脱碳纳米涂料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为： (1) 按质量配比称取：A1 (N03)3 21~84份、NH4HC03 24~93份、硅藻土 50~80份、石 墨粉2~10份、粘结剂5~20份、悬浮分散剂1~3份，备用； (2) 将A1 (N03)3和NH4HC03分别溶于去离子水中，配制成A1 (N03)3饱和溶液和NH4HC03 饱和溶液； (3 )将硅藻土加入NH4HC03溶液中搅拌成悬浊液，搅拌的同时缓慢地向其中加入A1 (N03) 3溶液进行反应，生成被硅藻土高度分散的A1 (OH) 3沉淀物； (4) 将生成的沉淀物过滤洗涤，得到由纳米A1 (OH) 3和硅藻土组成的混合物； (5) 将该混合物在200~300°C下加热30min，使纳米A1 (0H)3脱水形成纳米A1203 ; (6) 将反应后得到的纳米A1203和硅藻土混合物中加入溶剂、石墨粉、粘结剂和悬浮分 散剂，搅拌均匀后形成纳米防脱碳浆料。
【专利摘要】一种防脱碳纳米涂料及其制备方法，涂料组成wt%为：5～20%纳米Al2O3、50～80%硅藻土、2～10%石墨粉、5～20%粘结剂、1～3%悬浮分散剂，余量为溶剂和杂质。将Al(NO3)3和NH4HCO3分别配制成Al(NO3)3和NH4HCO3水溶液；向硅藻土与NH4HCO3的悬浊液中加入Al(NO3)3溶液，将反应生成的Al(OH)3沉淀物过滤洗涤，得到纳米Al(OH)3和硅藻土混合物；混合物加热脱水形成纳米Al2O3；将纳米Al2O3和硅藻土混合物中加入溶剂、石墨粉、粘结剂和悬浮分散剂，搅匀后形成纳米级防脱碳浆料。本发明纳米涂料颗粒度均匀，尺寸结构小，分散性好，成本低廉，配制和涂覆工艺简单易行，自然剥落能力强，能有效预防钢板高温氧化和脱碳，适合各种复杂形状，精密加工的金属工件。
【IPC分类】C09D171/00, C09D7/12, C09D133/02
【公开号】CN105315821
【申请号】CN201410337179
【发明人】张宇, 徐承明, 刘仁东, 王永明, 王旭, 王科强, 吕东
【申请人】鞍钢股份有限公司
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2014年7月16日