金属热加工保护涂料的制备与表征

发布时间：2020-10-30 11:34

　　 金属及合金材料在空气中受到高温作用时都会和氧发生反应,并且加热时间越长,温度越高,氧化脱碳问题越严重。但金属或合金又必须加热到高温才能完成淬火、退火、正火、轧制和模锻等工序。因此目前普遍采用耐高温的无机非金属材料作为金属热加工保护涂料的基体。但无机非金属类的保护涂料在生产中表现出涂料与金属的粘接力低,在低的温度段对金属的保护能力有限等缺点。本文针对无机非金属类保护涂料的不足,结合金属热加工的实际应用需求,设计以有机高分子材料为基体,匹配膨胀型阻燃剂和无机阻燃填料,制备金属热加工的保护涂料。在较低温度段内,有机硅树脂形成连续涂层保护金属表面;在高温度段内,膨胀型阻燃剂分解,形成致密的炭层,继续发挥保护作用。首先,以环氧树脂为基体,再加入膨胀型阻燃剂、固化剂、氢氧化铝等助剂,制备了一种环氧树脂基金属热加工保护涂料。用扫描电子显微镜(SEM)和金相显微镜观察了金属表面氧化层的形貌及厚度,用万能拉伸试验机测试了涂料的拉伸剪切性能,用热失重(TG)分析研究了涂料各组分的热性能。结果表明,环氧树脂和固化剂比例为3:1,固化剂、膨胀型阻燃剂比例为2:1时,在600℃环境下对金属保温1 h,金属表面光滑,无明显凹槽,涂料对金属的保护作用效果最好,扫描电镜观察到表面氧化层的厚度最薄,只有20μm。随着温度继续升高,氧化层逐渐变厚。在超过800℃后,金属表面氧化层脱落,涂料失效。TG测试结果表明,环氧树脂在300℃左右开始分解,在500℃几乎完全分解。力学性能测试结果表明,涂料的最大拉伸剪切强度可达67 MPa,涂料在金属表面的粘结性能优异。其次,由于环氧树脂基涂料对金属表面的保护作用有限,在超过800℃以上的高温环境下对金属恒温加热1 h,金属表面氧化层的厚度超过了100μm,此时涂料失去保护作用,而且氧化层质地脆而硬。因此,选择耐热性能更好的有机硅树脂来代替环氧树脂作为涂料的基体。以有机硅树脂为基体,通过加入膨胀型阻燃剂、CaCO_3等其他助剂制备了有机硅树脂基金属保护涂料。用扫描电子显微镜(SEM)和金相显微镜观察了金属表面氧化层的形貌及厚度,用万能拉伸试验机测试了涂料的拉伸剪切性能,用热失重(TG)分析研究了涂料的热性能。结果表明,保持100 g 107硅橡胶、15 g 201硅油、1.5 g V-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、1 gγ-(2,3-环氧丙烷)丙基三甲氧基硅烷(KH560)、9 g季戊四醇(PER)、5 g甲基三丁酮肟基硅烷(MOS)、4 g乙烯基三丁酮肟基硅烷(VOS)的质量不变,加入100 gCaCO_3、100 gAl(OH)_3、30 g膨胀型阻燃剂时,在800℃高温环境下,有机硅涂料对金属表面的保护效果最好,金属表面光滑,无明显被氧化的现象。SEM测试结果表明,氧化层最薄仅为14μm。TG分析表明,有机硅树脂基涂料的热分解温度可达320℃。因此和环氧树脂基涂料相比,有机硅树脂相比拥有更好的耐高温性。拉伸剪切强度测试结果表明,有机硅树脂基涂料的最大弹性模量为142 MPa,涂料的力学性能优异。最后,由于有机硅树脂涂料在高温环境下,涂层容易开裂,影响了涂料对金属表面的保护效果。因此,加入玻璃纤维对有机硅树脂基涂料进行改性,制备了一种有机硅树脂改性涂料,玻璃纤维在热加工过程中不熔融,主要作用是抑制有机硅树脂开裂。用扫描电子显微镜(SEM)观察了金属表面氧化层的形貌及厚度,用万能拉伸试验机测试了涂料的拉伸剪切性能,用热失重(TG)分析研究了涂料的热性能。SEM测试结果表明,在1000℃高温条件下,玻璃纤维改性有机硅涂料的作用效果显著,氧化层的厚度仅为9μm,在提高了加工温度的条件下,氧化层的厚度比改性前要薄5μm。拉伸剪切强度从13 MPa增至47 M。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ637
【部分图文】：

图 2.4 经过 180 目、800 目砂纸水磨后的钢块样品2.4 Steel samples after 180 mesh and 800 mesh sandpape化剂、膨胀型阻燃剂和 Al(OH)3按照一定比例热加工保护涂料，所用药品名称及具体组份表 2.3 六种不同环氧涂料的配比Table 2.3 Ratio of six different epoxy coatings830环氧树脂/ g840S环氧树脂/ g5034固化剂/ gMPP-1/ gM- - 15 7.5 - - 15 - 32 - 8 5

图 2.5 Q235 型碳钢经 600 ℃、700 ℃、800 ℃热加工后的宏观形态Fig 2.5 The macroscopic morphology of Q235 samples after removing thermal protective coating at600 ℃,700 ℃ and800 ℃(a),(b),(c) formula 1 ; (d),(e),(f) formula 2 ; (g),(h),(i) formula 3(j),(k),(l) formula 4 ; (m),(n),(o) formula 5 ; (p),(q),(r) formula 6在 600 ℃温度环境下，1 号涂料和 2 号涂料对金属表面的保护效果最好，因此，对这两个样进行抛光处理并用金相显微镜观察表面的形貌。如下图 2.6（a）所示为涂覆 1 号涂料的金属样经 600 ℃热加工后的金相图。金属表面平整光滑，几乎没有被氧化的现象。如下图 2.6（b）所示涂敷 2 号涂料经 600 ℃热加工后的金相图，金属表面有轻微氧化的现象。在 600 ℃热加工条件下，1 号涂料具有更好的保护效果。

图 2.5 Q235 型碳钢经 600 ℃、700 ℃、800 ℃热加工后的宏观形态.5 The macroscopic morphology of Q235 samples after removing thermal protective coa600 ℃,700 ℃ and800 ℃(a),(b),(c) formula 1 ; (d),(e),(f) formula 2 ; (g),(h),(i) formula 3(j),(k),(l) formula 4 ; (m),(n),(o) formula 5 ; (p),(q),(r) formula 600 ℃温度环境下，1 号涂料和 2 号涂料对金属表面的保护效果最好，因样进行抛光处理并用金相显微镜观察表面的形貌。如下图 2.6（a）所示料的金属样经 600 ℃热加工后的金相图。金属表面平整光滑，几乎没有。如下图 2.6（b）所示涂敷 2 号涂料经 600 ℃热加工后的金相图，金属化的现象。在 600 ℃热加工条件下，1 号涂料具有更好的保护效果。
【参考文献】

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本文编号：2862412