一种高致密抗蠕变钢坯高温防氧化涂料及其制备方法与流程

本发明属于金属高温防护涂料，具体涉及一种高致密抗蠕变钢坯高温防氧化涂料及其制备方法。

背景技术：

1、钢坯在热轧、锻造、高温退火等800~1200℃热加工工况下，极易与空气中的氧气、水蒸气发生剧烈氧化反应，生成大量疏松氧化铁皮，不仅造成钢材原料烧损、降低成材率，还会导致钢坯表面粗糙度超标，增加后续精整加工成本，严重影响钢材成品质量。高温防氧化涂料是钢坯热加工过程中最经济高效的主动防护手段，通过在钢坯表面形成致密防护膜，隔绝高温氧化介质与金属基体接触，抑制氧化反应发生。

2、目前市面及公开文献中的钢坯高温防氧化涂料普遍存在体系单一、性能短板突出的问题，大多采用微米级粉体或常规三元、四元纳米氧化物复配体系，存在诸多固有技术缺陷：一是常规粉体体系烧结活化能高，800~1000℃中温区间无法充分陶瓷化，涂层孔隙率高，氧气易渗透，中温防护效果差；二是涂层高温力学性能不足，抗蠕变能力弱，在高温承压、钢坯热形变工况下易出现膜层松弛、开裂、脱落，防护寿命短；三是热震循环过程中涂层易产生微裂纹，传统体系无自修复功能，微裂纹持续扩展会直接导致防护体系失效；四是多组分纳米粉体表面能高，无专用分散体系极易发生交叉二次团聚，造成涂料批次性能波动；五是传统涂料储存稳定性、低温适配性、防霉防腐性能难以兼顾，无法满足全季节、规模化稳定施工需求。

3、例如，专利cn200710035208.7公开一种用于钢铁抗高温氧化的涂料，主要由sio2、al2o3、粘土、硼化物及无机粘结剂组成，适用温度900~1300℃。该方案采用常规微米级无机粉体，无烧结催化与抗蠕变功能，涂层中温致密度不足，热震产生微裂纹后无法自修复。

4、专利cn201911268467.3公开一种耐高温长时加热的高合金钢坯防氧化涂料，以sio2、al2o3、zro2为主要填料，配合无机粘结剂制备而成。该方案仅采用常规氧化物复配，体系为简单三元氧化物组合，高温抗蠕变性能差，无法实现中温快速致密化。

5、专利cn202410263417.0公开一种钢坯用高温抗氧化涂料，包括sio2、al2o3、zro2、sic、b4c等组分。该方案通过硼化物提升烧结性能，但仍为常规微米级粉体，无纳米复配协同，无自愈合功能，无抗蠕变强化机制，无法实现热震动态修复与高温结构稳定。

6、专利cn202410263404.3公开一种钢坯用高温抗氧化涂料，主要包括sio2、al2o3、zro2、sic、b4c及碳材料。该方案侧重涂层脱除性能，未采用纳米级粉体，无法兼顾中温致密、高温抗蠕变与微裂纹自愈合多重需求。

7、综上，现有技术公开方案均局限于常规氧化物粉体的简单配比改良，无法同时解决中温不致密、高温易蠕变、热震易开裂、纳米易团聚、储存不稳定等耦合技术难题。

技术实现思路

1、基于上述现有技术缺陷，本发明提供一种高致密抗蠕变钢坯高温防氧化涂料及其制备方法，该涂料通过多组分功能互补，实现低温烧结致密、高温抗蠕变、热震自愈合以及高储存稳定性的多级防护。

2、为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明一方面提供一种高致密抗蠕变钢坯高温防氧化涂料，按质量百分比计，所述涂料由以下组分组成：五元纳米复合粉体40%~50%、无机粘结剂8%~15%、成膜剂2%~5%、分散剂0.8%~1.5%、防沉淀流变剂1.5%~4%、防冻剂1%~2.2%、防腐防霉剂0.3%~1.2%、消泡剂0.2%~0.6%，余量为水；

4、所述五元纳米复合粉体由纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氧化锌、纳米硼化镧按质量比（5~8）：（2~4）：（0.8~1.5）：（1~2）：（0.6~1.2）复配而成。

5、进一步地，所述涂料按质量百分比计，由以下组分组成：五元纳米复合粉体43%、无机粘结剂12%、成膜剂3.5%、分散剂1.2%、防沉淀流变剂2.5%、防冻剂2%、防腐防霉剂0.6%、消泡剂0.4%、水34.8%。

6、进一步地，所述纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氧化锌、纳米硼化镧的粒径均控制在20~80nm。

7、进一步地，所述无机粘结剂为硅溶胶与磷酸二氢铝按质量比（1.5~2.5）:（0.5~1.5）复配而成，优选为硅溶胶与磷酸二氢铝按质量比2:1，本发明采用的无机粘结剂兼具常温粘结定型与高温烧结交联功能，可强化涂层与钢坯基体的化学键合与机械咬合作用。

8、进一步地，所述成膜剂为乙二醇单丁醚，用于改善粉体润湿铺展性能，提升涂层固化均匀性与低温成膜质量。

9、进一步地，所述分散剂为改性聚丙烯酸钠分散剂。

10、进一步地，所述防沉淀流变剂为膨润土、羧甲基纤维素钠中的一种或两种，用于构建可逆三维网状结构，束缚悬浮粉体，抑制沉降分层。

11、进一步地，所述防冻剂为丙三醇与乙二醇按质量比（0.5~1.5）：（0.5~1.5）复配而成，优选为丙三醇与乙二醇按质量比1:1，该防冻剂能够有效降低体系冰点，适配低温施工工况。

12、进一步地，所述防腐防霉剂为苯并咪唑类防霉剂，用于长效抑制微生物滋生，延长涂料储存保质期。

13、进一步地，所述消泡剂为聚醚改性有机硅消泡剂，该消泡剂相容性优异，可消除施工气泡，杜绝涂层针孔缺陷。

14、五元纳米复合粉体各组分作用机理如下：

15、1、纳米sio2（成膜骨架相）：该粉体具有高表面活性，常温下即可快速润湿铺展，形成连续、均匀的基础防护膜；在中高温区间优先发生熔融软化，填充于粉体颗粒间隙，进而构建完整的陶瓷化连续网络，赋予涂层提供基础致密性与氧气阻隔能力，充当涂层成型与基础防护的核心骨架。

16、2、纳米al2o3（高温结构增强相）：该粉体具有极高的熔点与优异的结构刚性，在1000℃以上高温工况下可保持尺寸稳定性，有效抑制涂层在高温服役过程中的热收缩、形变及蠕变松弛；同时与纳米sio2反应生成莫来石稳定相，提升涂层整体的高温力学强度与结构稳定性。

17、3、纳米sic（抗烧蚀界面强化相）：该粉体具有优异的高温化学稳定性与抗冲刷性能，可有效抵御高温炉气侵蚀及火焰冲刷；同时显著增强涂层与钢坯金属基体间的界面结合强度，防止高温服役过程中涂层出现翘边、剥离、脱落问题，从而强化防护体系的整体性。

18、4、纳米zno（热震自愈合相）：该粉体在中高温区间可生成低黏度玻璃相，能够实时填充冷热循环过程中产生的表层微裂纹与微小孔隙，实现动态自修复，阻断氧化介质渗透通道；同时具备辅助抑菌功能，协同提升涂料储存稳定性。

19、5、纳米lab6（烧结催化+抗蠕变核心相）：该粉体能够显著降低粉体整体烧结活化能，实现800~1000℃中温区间快速烧结致密化，解决传统涂料中温防护失效难题；高温工况下可填充晶界空隙、实现二次封孔，进一步提升膜层致密性；同时大幅提升涂层高温抗蠕变性能，保障钢坯高温形变过程中涂层结构完整、无开裂脱落。

20、本发明还提供上述高致密抗蠕变钢坯高温防氧化涂料的制备方法，包括如下步骤：

21、s1、五元纳米复合粉体的预处理：按照五元纳米复合粉体各组分配比，将纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氧化锌、纳米硼化镧混合均匀，随后常温下分散5~10min，破除多组分粉体交叉团聚结构；

22、s2、基液配制：按照涂料各组分配比，向反应釜中加入水，300~400r/min搅拌条件下，依次加入无机粘结剂、成膜剂与分散剂，持续搅拌15~20min，至各组分完全溶解，得到基液；

23、s3、粉体高速分散：将步骤s1得到的预处理后的五元纳米复合粉体加入步骤s2得到的基液中，提升搅拌转速至800~1000r/min，分散30~40min，借助分散剂的静电排斥与空间位阻效应，实现多品类纳米粉体单分散均匀分布；

24、s4、助剂复配改性：下调搅拌转速至400~500r/min，加入防沉淀流变剂、防冻剂、防腐防霉剂，搅拌15~25min均匀共混，随后加入消泡剂，搅拌5~8min，彻底消除体系微小气泡；

25、s5、过滤熟化：过滤料液，去除杂质与微量团聚颗粒，静置至少30min，使其消泡熟化，制得成品涂料。

26、本发明的有益效果为：

27、1、本发明利用五元纳米复合粉体中纳米lab6低温烧结催化特性，解决传统涂料中温烧结不致密的行业难题，800℃即可实现涂层充分陶瓷化，配合多元粉体二次封孔作用，氧气阻隔性能大幅提升，钢坯高温氧化烧损率降至8%以下；利用al2o3刚性支撑、lab6抗蠕变补强、zno微裂纹自修复三重机制耦合，涂层可耐受1200℃-室温冷热循环50次以上，无裂纹、无脱落、无蠕变形变，长效防护性能远超传统涂料；利用sic界面强化相与复合粘结剂协同作用，涂层与钢坯基体形成化学键合+机械咬合双重结构，常温附着力达0级，界面结合牢固，高温工况下无翘边、起皮、脱落现象。

28、2、本发明利用改性聚丙烯酸钠分散剂适配五元多品类粉体体系，抑制交叉团聚，搭配防沉淀流变剂的三维网状防沉结构，该涂料常温密封储存6个月以上无分层、无沉降、无团聚，无需二次搅拌可直接施工。

29、3、本发明防冻剂为丙三醇与乙二醇复配而成，采用的五元纳米复合粉体使涂料可在-15℃低温环境稳定施工，利用防腐防霉剂有效延长涂料保质期至12个月以上，配合消泡剂杜绝涂层针孔缺陷，适配全季节、多场景工业化施工。

30、4、本发明的涂料全水性配方无有毒挥发组分，安全无污染，适配喷涂、刷涂、辊涂多种施工方式，可广泛应用于各类碳钢、合金钢钢坯高温热加工防护，推广前景广阔。