高温金属抗氧化无机涂层的作用机理与设计原则_欧阳德刚
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无机高温抗氧化涂层的设计大致有以下几方 面的工作内容 :第一是了解金属基体所处工况条 件或热加工工艺 , 明确使用保护性涂层的目的及 要求 ;第二是细致了解金属基体的化学成分 , 以涂 层不造成金属化学腐蚀 , 不产生微量元素富集或 贫化为原则 , 选定合适的原材料 ;第三是根据保护 性涂层的使用目的及要求 , 参考金属基体的高温
联系人 :欧阳德刚 , 高级工程师 , 武汉市(430080)武钢技术中心工艺所
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粉料通过粘结剂的粘结作用在金属基体表面形成 一层粉料涂层[ 1] 。在涂层的原始状态下 , 涂层是 多孔性的不致密涂层 , 所以在常温大气条件下 , 大 气中的氧化性成分能通过这层多孔性的涂层扩散 到金属基体表面与金属反应 , 致使金属氧化 。由 此可见 , 在料浆涂覆的常温原始状态下 , 无机高温 抗氧化涂层起不到保护金属的作用 。当对涂覆无 机高温抗氧化涂层在金属进行加热时 , 随着加热 温度的升高 , 涂层渐渐脱水烘干 , 进而开始烧结 , 涂层厚度减薄 , 涂层中的气孔尺寸不断减小 , 孔隙 率逐渐降低 , 透气性下降 。在温度达到涂层软化 温度时 , 涂层开始软化熔融 , 涂层孔隙率急剧下 降 , 密度增大 ;随着温度的进一步升高 , 涂层熔融 为液态 , 形成不透气的致密的液态粘附层[ 1] 。 由 此可见 , 料浆涂覆法制备的无机高温抗氧化涂层 的金属基体的加热过程中经历了两种状态 , 即在 短的加热升温时间里 , 涂层粉料升温与烧结 , 涂层 处于逐渐致密化的状态 ;而在较长的加热升温和 保温时间里 , 涂层粉料熔化而呈熔融状态 , 在金属 基体表面形成致密的 、不透气的液态粘附层 , 达到 保护金属基体的目的 。
3 无机高温抗氧化涂层的设计
由于金属所经历的热加工工艺的不同以及金 属的种类不同 , 对涂层所具备的性能要求也不一 样 。例如钢坯轧制前的炉内加热 , 则要求涂层保 护钢坯在炉内加热时减少氧化以及因氧化导致的 脱碳等 , 并在出炉后能自动脱落 , 以免轧制时将涂 层压入引起表面缺陷[ 2 , 3 ,6] ;而对于长期在高温氧 化性气氛下工作的金属换热器 , 则要求涂层在长 时间的工作条件下保护金属基体 , 延长金属基体 的工作寿命[ 5 ,7] 。 涂层的设计就是根据具体的金 属基体保护要求 , 在合理选择原材料的基础上 , 通 过调整涂层组分 , 设计出满足具体性能要求的涂 层材料配比[ 5 、8] 。
金属氧化物的二氧化硅 、三氧化铝具有资源 丰富 、价格低廉的优点 , 同时熔渣的粘度随温度变 化缓慢 , 在钢坯表面上成膜性较好 , 并且不与钢坯 发生有害的化学反应 , 因而是无机高温抗氧化涂 层经常选用的主要涂层组分原料 ;为了调整涂层 的熔点 , 还需在涂层中加入一些熔剂 , 常用的熔剂 有 B2O3 、CaF2 、N a2O ……等 , 此外还需配入适量的 粘结剂 , 以提高常温原始状态下涂层与金属基体 表面的粘结强度 。
由上述确定的涂层性能指标 , 根据 SiO …CaO …A l2 O3 的三相图[ 9] , 应将涂层的主要组分设计在 熔点较低的硅灰石区域 。 由于该区域熔点仍比较
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高 , 故需加入降低熔点的熔剂 。 由 SiO2 …B2O 3 … Na2 O 相图[ 2] , 确定出熔剂 熔点温度不大于 900 ℃ 的区域 。 因而根据涂层的熔点便基本确定了各种 成分的选择范围 。再由涂层的热膨胀系数要求 , 根据热膨胀系数与各种化学成分之间具有可加和 性关系 , 即有 :
a = P1 a1 +P2 a2 +P3 a3 +… +Pn an 式中 a ———涂层的热膨胀系数
P1 , P 2 , P3 , …, Pn ———涂层中各氧化物的
重量百分比 a1 , a2 , a3 , …, an ———涂层中 的各氧化物
的热膨胀系数 在所确定的涂层成分选择范围内 , 计算出不 同成分配比下涂层的热膨胀系数值 , 并与钢坯的 热膨胀系数值相比较 ;再根据涂层熔体的粘度要 求 , 依照在上述涂层中添加碱金属氧化物 、三氧化 二硼 降 低 熔 体 粘 度 和 添 加 难 熔 氧 化 物 (SiO2 、 Al2O3 、Cr2O3 等)提高熔体粘 度的原则进行调整 , 在粘度指标合符要求的基础上 , 选择出热膨胀系 数相差最大的涂层材料配比 。 3 .2 高温金属换热器用抗氧化涂层的设计 高温金属换热器在长期使用过程中所经受的 损害方式有高温氧化和冲刷磨损 , 因而要求抗氧 化涂层具有防氧化与磨损的性能 , 同时还要求涂 层在金属换热器长期的工作中不脱落 , 达到延长 使用寿命的目的 。 根据上述要求 , 一般选用对金属腐蚀性较小 的铝硅酸盐为涂层原料 , 并适当添加熔剂和适量 的无机粘结剂 , 一般选用水玻璃为涂层粘结剂 。 根据涂层的抗冲刷磨损要求 , 涂层应是结合 强度较大的陶瓷涂层 , 并且与金属基体结合牢固 ; 按照防氧化的要求 , 涂层应是致密的 。 由此可见 , 涂层的熔点应高于换热的最高工作温度 ;应对涂 覆阴干后的涂层进行预处理 , 使涂层致密化 。由 第一热应力断裂抵抗因子 R 的定义式(即 :R =σf (1 -μ)aE)[ 10] 可知 , 当涂层具有较小的热膨胀系 数与弹性模量时 , 其抗热冲击断裂性能较好 ;根据 涂层在金属基体表面不脱落的要求 , 则涂层与金 属基体的接触面上不应有热应力集中 , 因而涂层 应具有与金属相近的热膨胀系数 。
根据上述关于无机高温抗氧化涂层的设计工 作内容 , 对于钢坯炉内加热用抗氧化涂层的设计 可按如下 4 个步骤进行 :即采用抗氧化涂层的目 的与要求的提出 ;抗氧化涂层的原料的确定 ;涂层 的性能指标确定及涂层原料配比的设计 。
钢坯炉内加热采用抗氧化涂层的目的是减少
钢坯在炉内的高温氧化性气氛条件下的氧化和因 氧化引起的钢坯表面脱碳 , 收到改善钢坯加热质 量和提高金属收得率的效果 ;同时 , 要求无机高温 抗氧化涂层在钢坯加热出炉后的大气自然冷却条 件下能自动脱落 , 避免涂层在钢坯轧制过程中压 入金属基体造成轧制材的表面确陷 。
1999 年 7 月
July 1999
钢 铁 研 究
Research on Iron &Steel
第 4 期(总第 109 期)
No .4 (Sum109)
高温金属抗氧化无机涂层的作用机理与设计原则
欧阳德刚 周明石 张奇光 (武汉钢铁集团公司)
摘 要 在分析高 温金属抗氧化无 机涂层 的作用机 理的基 础上 , 探讨 了涂层的 设 计原 理 , 为高温金属抗氧化涂层的研制提供了方向性的指 导 , 在高温氧化 性气氛条 件下 为金 属合理选用保护性涂层提供了参考 。
Synopsis Based upon analysis on the high temperature inorganic protective coating the present paper delved further into the principle of the coating design, thus providing a guide of orientation for the development in the high temperature inorganic protective coating and a reference to the proper selection of protective coating for metals under the high temperature and oxidizing atmosphere .
由于使金属表面氧化的氧化性气体成份是经 过扩散方式抵达金属表面的 , 由质量扩散的斐克 定律 :
m =Dd ·c dx 式中 m ———质扩散通量
D ———质扩散系数 dc dx ———摩尔浓度梯度 可见 , 要保护金属不被氧化 , 就必须使金属表 面的氧化性气体成份为零 , 即使质扩散系数为零 或摩尔浓度梯度为零 。 若 D =0 , 则意味着氧化性气体成份的扩散 通道被完全阻隔 。即涂层致密不透气 。 若 dc dx =0 , 则有 c =常数 。 在此条件下 , 要使金属表面 不被氧化 , 则金属表面处的氧化性气体成份浓度 为零 , 故有 :常数 =0 , 即金属处于非氧化性气氛条 件下 , 与上述讨论工况不符 。 由上述分析可见 , 对于高温氧化性气氛条件 下的金属要防止表面被氧化就必须使 D =0 。 对 于无机高温抗氧化涂层来说 , 由于烧结前孔隙率 较高 , 气孔尺寸较大 , 因而通过涂层的质扩散系数 也较大 , 涂层的防氧化作用较差 ;随着涂层烧结的
Keywords inorganic material high temperature coating material designing metal protection high temperature oxidization
1 前 言
一般金属在高温氧化性气氛下都会产生表面 氧化 , 氧化不仅造成金属损耗 , 还会产生金属中合 金元素的贫 化 , 影 响金属的 质量和机 械性能[ 1] 。 例如 :钢坯在炉内加热时 , 由于炉气中含有 H2O 、 CO2 、O2 等氧化性成分 , 致使钢坯表面氧化形成氧 化铁皮 , 随着钢坯在炉内加热时间的增长和加热 温度的升高 , 钢坯表面氧化加重 , 氧化损耗增高 。 在冶金行业 , 钢坯在炉内加热平均氧化损耗率约 为 4 %。 再如 :高碳钢在炉内加热氧化时 , 炉内的 氧化性气氛不仅造成金属的氧化损耗 , 同时氧化 性气氛还不断地与金属基体表层的碳相互作用 , 形成碳的氧化物而弥散在炉气中 , 引起高碳钢表 层的脱碳 , 从而影 响了高碳 钢的质量 与性能[ 2] 。 针对金属的高温氧化问题 , 采用无机高温抗氧化
关键词 无机材料 高温涂层 材料设计 金属保护 高温氧化
FUNCTIONAL MECHANISM OF HIGH TEMPERATURE INORGANIC PROTECTIVE COATING AND ITS DESIGN
Ouyang Degang Zhou Mingshi Zhang Qiguang (Wuhan Iron&steel Corp .)
对于一般碳钢而言 , 钢坯轧制的加热温度约 为 1200 ℃, 由碳钢的高温氧化特性 , 则要求涂层 的烧结开始温度不大于 650 ℃, 涂层 的较化开始 度不大 于 900 ℃, 同 时 , 在钢坯 的最高 加热 温度 下 , 涂层熔体具有一定的粘度 , 以避免涂层熔体在 钢坯加热的高温阶段流失和钢坯表面熔体层不连 续 。 为了满足钢坯出炉后在大气自然冷却条件下 能自动脱落的要求 , 则需使涂层的热膨胀系数与 钢坯的热膨胀系数之差尽可能大 , 使涂层在较大 的热应力作用下自动脱落 。
2 无机高温抗氧化涂层的作用机理
无机高温抗氧化涂层由于要求其耐高温性 , 其主要组成成分是一些耐高温性能较好的金属氧 化物 。 其常用的制备方法是料浆涂覆法 , 首先将 涂层的各组分原料配制成悬浮性较好的料浆 , 再 在金属基体表面上喷涂或刷涂 , 料浆附着在金属 基体表面上形成一层料浆薄Leabharlann Baidu , 阴干后 , 料浆中的
开始与发展 , 孔隙率逐渐减小 , 相应的质扩散系数 也逐渐减小 , 涂层则逐步表现出其防氧化作用 ;随 着涂层软化的开始与进行 , 涂层孔隙率急剧下降 , 相应的质扩散系数也急剧减小 , 涂层的防氧化作 用显著提高 ;在涂层熔融形成不透气层后 , 金属表 面就不被气氛所氧化了 。
由钢的 高温氧 化特性 研究结 果可知[ 5] , 高 、 中 、低碳钢在空气中加热时 , 随着温度的升高 , 氧 化量增大 ;当加热温度在 600 ℃以下时 , 钢的氧化 量甚微 , 可以忽 略不计 ;而 在 800 ℃以下 时 , 钢处 于少氧化范围 ;当加热温度高于 800 ℃时 , 氧化速 度随 温度的升高而急剧增加 , 出现氧化加速点 。 对于普通碳钢来说 , 650 ℃以下 , 氧化缓慢 , 温度在 650 ～ 900 ℃时 , 氧化速度加快 ;当温度超过 900 ℃ 时 , 氧化速度急剧增大 。 对于硅钢来说 , 其氧化开 始温度较低(500 ℃以下), 随着加热温度的增高 , 氧化速度几乎是直线上升 。 由此可见 , 无机高温 抗氧化涂层尽管低温时的多孔性不能阻隔氧化性 气体的扩散 , 但由于金属低温时氧化速度较慢 , 而 高温时涂层的致密性显著提高 , 因而应用无机高 温涂层能降低金属加热时的氧化损耗 。
涂层是降低金属氧化 损耗的一种行 之有效的方 法 , 尤其是料浆涂覆法制备的无机高温抗氧化涂 层 , 它以 制 作 方便 、成 本 低廉 正 在 得 到 广泛 应 用[ 1 ～ 4] 。由于所需保护的金属基体不同以及具体 的保护要求不同 , 相应地就需采用不同性能的涂 层 。 为了有针对性地选择或开发适用的无机高温 抗氧化涂层 , 本文首先介绍无机高温抗氧化涂层 的防氧化机理 , 然后探讨涂层的设计原理 。
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氧化特性 , 确定无机高温保护性涂层应具备的各 项性能指标 ;第四是以确定的涂层性能指标为目 标 , 运用不同的理论(无机材料物理化学理论 , 材 料力学理论 , … , 等)进行涂层的成分设计 , 确定出 合理的涂层材料配比 。以下便对钢坯炉内加热抗 氧化涂层和高温金属换热器保护性涂层的设计进 行分析 。 3 .1 钢坯炉内加热用抗氧化涂层的设计
联系人 :欧阳德刚 , 高级工程师 , 武汉市(430080)武钢技术中心工艺所
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粉料通过粘结剂的粘结作用在金属基体表面形成 一层粉料涂层[ 1] 。在涂层的原始状态下 , 涂层是 多孔性的不致密涂层 , 所以在常温大气条件下 , 大 气中的氧化性成分能通过这层多孔性的涂层扩散 到金属基体表面与金属反应 , 致使金属氧化 。由 此可见 , 在料浆涂覆的常温原始状态下 , 无机高温 抗氧化涂层起不到保护金属的作用 。当对涂覆无 机高温抗氧化涂层在金属进行加热时 , 随着加热 温度的升高 , 涂层渐渐脱水烘干 , 进而开始烧结 , 涂层厚度减薄 , 涂层中的气孔尺寸不断减小 , 孔隙 率逐渐降低 , 透气性下降 。在温度达到涂层软化 温度时 , 涂层开始软化熔融 , 涂层孔隙率急剧下 降 , 密度增大 ;随着温度的进一步升高 , 涂层熔融 为液态 , 形成不透气的致密的液态粘附层[ 1] 。 由 此可见 , 料浆涂覆法制备的无机高温抗氧化涂层 的金属基体的加热过程中经历了两种状态 , 即在 短的加热升温时间里 , 涂层粉料升温与烧结 , 涂层 处于逐渐致密化的状态 ;而在较长的加热升温和 保温时间里 , 涂层粉料熔化而呈熔融状态 , 在金属 基体表面形成致密的 、不透气的液态粘附层 , 达到 保护金属基体的目的 。
3 无机高温抗氧化涂层的设计
由于金属所经历的热加工工艺的不同以及金 属的种类不同 , 对涂层所具备的性能要求也不一 样 。例如钢坯轧制前的炉内加热 , 则要求涂层保 护钢坯在炉内加热时减少氧化以及因氧化导致的 脱碳等 , 并在出炉后能自动脱落 , 以免轧制时将涂 层压入引起表面缺陷[ 2 , 3 ,6] ;而对于长期在高温氧 化性气氛下工作的金属换热器 , 则要求涂层在长 时间的工作条件下保护金属基体 , 延长金属基体 的工作寿命[ 5 ,7] 。 涂层的设计就是根据具体的金 属基体保护要求 , 在合理选择原材料的基础上 , 通 过调整涂层组分 , 设计出满足具体性能要求的涂 层材料配比[ 5 、8] 。
金属氧化物的二氧化硅 、三氧化铝具有资源 丰富 、价格低廉的优点 , 同时熔渣的粘度随温度变 化缓慢 , 在钢坯表面上成膜性较好 , 并且不与钢坯 发生有害的化学反应 , 因而是无机高温抗氧化涂 层经常选用的主要涂层组分原料 ;为了调整涂层 的熔点 , 还需在涂层中加入一些熔剂 , 常用的熔剂 有 B2O3 、CaF2 、N a2O ……等 , 此外还需配入适量的 粘结剂 , 以提高常温原始状态下涂层与金属基体 表面的粘结强度 。
由上述确定的涂层性能指标 , 根据 SiO …CaO …A l2 O3 的三相图[ 9] , 应将涂层的主要组分设计在 熔点较低的硅灰石区域 。 由于该区域熔点仍比较
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高 , 故需加入降低熔点的熔剂 。 由 SiO2 …B2O 3 … Na2 O 相图[ 2] , 确定出熔剂 熔点温度不大于 900 ℃ 的区域 。 因而根据涂层的熔点便基本确定了各种 成分的选择范围 。再由涂层的热膨胀系数要求 , 根据热膨胀系数与各种化学成分之间具有可加和 性关系 , 即有 :
a = P1 a1 +P2 a2 +P3 a3 +… +Pn an 式中 a ———涂层的热膨胀系数
P1 , P 2 , P3 , …, Pn ———涂层中各氧化物的
重量百分比 a1 , a2 , a3 , …, an ———涂层中 的各氧化物
的热膨胀系数 在所确定的涂层成分选择范围内 , 计算出不 同成分配比下涂层的热膨胀系数值 , 并与钢坯的 热膨胀系数值相比较 ;再根据涂层熔体的粘度要 求 , 依照在上述涂层中添加碱金属氧化物 、三氧化 二硼 降 低 熔 体 粘 度 和 添 加 难 熔 氧 化 物 (SiO2 、 Al2O3 、Cr2O3 等)提高熔体粘 度的原则进行调整 , 在粘度指标合符要求的基础上 , 选择出热膨胀系 数相差最大的涂层材料配比 。 3 .2 高温金属换热器用抗氧化涂层的设计 高温金属换热器在长期使用过程中所经受的 损害方式有高温氧化和冲刷磨损 , 因而要求抗氧 化涂层具有防氧化与磨损的性能 , 同时还要求涂 层在金属换热器长期的工作中不脱落 , 达到延长 使用寿命的目的 。 根据上述要求 , 一般选用对金属腐蚀性较小 的铝硅酸盐为涂层原料 , 并适当添加熔剂和适量 的无机粘结剂 , 一般选用水玻璃为涂层粘结剂 。 根据涂层的抗冲刷磨损要求 , 涂层应是结合 强度较大的陶瓷涂层 , 并且与金属基体结合牢固 ; 按照防氧化的要求 , 涂层应是致密的 。 由此可见 , 涂层的熔点应高于换热的最高工作温度 ;应对涂 覆阴干后的涂层进行预处理 , 使涂层致密化 。由 第一热应力断裂抵抗因子 R 的定义式(即 :R =σf (1 -μ)aE)[ 10] 可知 , 当涂层具有较小的热膨胀系 数与弹性模量时 , 其抗热冲击断裂性能较好 ;根据 涂层在金属基体表面不脱落的要求 , 则涂层与金 属基体的接触面上不应有热应力集中 , 因而涂层 应具有与金属相近的热膨胀系数 。
根据上述关于无机高温抗氧化涂层的设计工 作内容 , 对于钢坯炉内加热用抗氧化涂层的设计 可按如下 4 个步骤进行 :即采用抗氧化涂层的目 的与要求的提出 ;抗氧化涂层的原料的确定 ;涂层 的性能指标确定及涂层原料配比的设计 。
钢坯炉内加热采用抗氧化涂层的目的是减少
钢坯在炉内的高温氧化性气氛条件下的氧化和因 氧化引起的钢坯表面脱碳 , 收到改善钢坯加热质 量和提高金属收得率的效果 ;同时 , 要求无机高温 抗氧化涂层在钢坯加热出炉后的大气自然冷却条 件下能自动脱落 , 避免涂层在钢坯轧制过程中压 入金属基体造成轧制材的表面确陷 。
1999 年 7 月
July 1999
钢 铁 研 究
Research on Iron &Steel
第 4 期(总第 109 期)
No .4 (Sum109)
高温金属抗氧化无机涂层的作用机理与设计原则
欧阳德刚 周明石 张奇光 (武汉钢铁集团公司)
摘 要 在分析高 温金属抗氧化无 机涂层 的作用机 理的基 础上 , 探讨 了涂层的 设 计原 理 , 为高温金属抗氧化涂层的研制提供了方向性的指 导 , 在高温氧化 性气氛条 件下 为金 属合理选用保护性涂层提供了参考 。
Synopsis Based upon analysis on the high temperature inorganic protective coating the present paper delved further into the principle of the coating design, thus providing a guide of orientation for the development in the high temperature inorganic protective coating and a reference to the proper selection of protective coating for metals under the high temperature and oxidizing atmosphere .
由于使金属表面氧化的氧化性气体成份是经 过扩散方式抵达金属表面的 , 由质量扩散的斐克 定律 :
m =Dd ·c dx 式中 m ———质扩散通量
D ———质扩散系数 dc dx ———摩尔浓度梯度 可见 , 要保护金属不被氧化 , 就必须使金属表 面的氧化性气体成份为零 , 即使质扩散系数为零 或摩尔浓度梯度为零 。 若 D =0 , 则意味着氧化性气体成份的扩散 通道被完全阻隔 。即涂层致密不透气 。 若 dc dx =0 , 则有 c =常数 。 在此条件下 , 要使金属表面 不被氧化 , 则金属表面处的氧化性气体成份浓度 为零 , 故有 :常数 =0 , 即金属处于非氧化性气氛条 件下 , 与上述讨论工况不符 。 由上述分析可见 , 对于高温氧化性气氛条件 下的金属要防止表面被氧化就必须使 D =0 。 对 于无机高温抗氧化涂层来说 , 由于烧结前孔隙率 较高 , 气孔尺寸较大 , 因而通过涂层的质扩散系数 也较大 , 涂层的防氧化作用较差 ;随着涂层烧结的
Keywords inorganic material high temperature coating material designing metal protection high temperature oxidization
1 前 言
一般金属在高温氧化性气氛下都会产生表面 氧化 , 氧化不仅造成金属损耗 , 还会产生金属中合 金元素的贫 化 , 影 响金属的 质量和机 械性能[ 1] 。 例如 :钢坯在炉内加热时 , 由于炉气中含有 H2O 、 CO2 、O2 等氧化性成分 , 致使钢坯表面氧化形成氧 化铁皮 , 随着钢坯在炉内加热时间的增长和加热 温度的升高 , 钢坯表面氧化加重 , 氧化损耗增高 。 在冶金行业 , 钢坯在炉内加热平均氧化损耗率约 为 4 %。 再如 :高碳钢在炉内加热氧化时 , 炉内的 氧化性气氛不仅造成金属的氧化损耗 , 同时氧化 性气氛还不断地与金属基体表层的碳相互作用 , 形成碳的氧化物而弥散在炉气中 , 引起高碳钢表 层的脱碳 , 从而影 响了高碳 钢的质量 与性能[ 2] 。 针对金属的高温氧化问题 , 采用无机高温抗氧化
关键词 无机材料 高温涂层 材料设计 金属保护 高温氧化
FUNCTIONAL MECHANISM OF HIGH TEMPERATURE INORGANIC PROTECTIVE COATING AND ITS DESIGN
Ouyang Degang Zhou Mingshi Zhang Qiguang (Wuhan Iron&steel Corp .)
对于一般碳钢而言 , 钢坯轧制的加热温度约 为 1200 ℃, 由碳钢的高温氧化特性 , 则要求涂层 的烧结开始温度不大于 650 ℃, 涂层 的较化开始 度不大 于 900 ℃, 同 时 , 在钢坯 的最高 加热 温度 下 , 涂层熔体具有一定的粘度 , 以避免涂层熔体在 钢坯加热的高温阶段流失和钢坯表面熔体层不连 续 。 为了满足钢坯出炉后在大气自然冷却条件下 能自动脱落的要求 , 则需使涂层的热膨胀系数与 钢坯的热膨胀系数之差尽可能大 , 使涂层在较大 的热应力作用下自动脱落 。
2 无机高温抗氧化涂层的作用机理
无机高温抗氧化涂层由于要求其耐高温性 , 其主要组成成分是一些耐高温性能较好的金属氧 化物 。 其常用的制备方法是料浆涂覆法 , 首先将 涂层的各组分原料配制成悬浮性较好的料浆 , 再 在金属基体表面上喷涂或刷涂 , 料浆附着在金属 基体表面上形成一层料浆薄Leabharlann Baidu , 阴干后 , 料浆中的
开始与发展 , 孔隙率逐渐减小 , 相应的质扩散系数 也逐渐减小 , 涂层则逐步表现出其防氧化作用 ;随 着涂层软化的开始与进行 , 涂层孔隙率急剧下降 , 相应的质扩散系数也急剧减小 , 涂层的防氧化作 用显著提高 ;在涂层熔融形成不透气层后 , 金属表 面就不被气氛所氧化了 。
由钢的 高温氧 化特性 研究结 果可知[ 5] , 高 、 中 、低碳钢在空气中加热时 , 随着温度的升高 , 氧 化量增大 ;当加热温度在 600 ℃以下时 , 钢的氧化 量甚微 , 可以忽 略不计 ;而 在 800 ℃以下 时 , 钢处 于少氧化范围 ;当加热温度高于 800 ℃时 , 氧化速 度随 温度的升高而急剧增加 , 出现氧化加速点 。 对于普通碳钢来说 , 650 ℃以下 , 氧化缓慢 , 温度在 650 ～ 900 ℃时 , 氧化速度加快 ;当温度超过 900 ℃ 时 , 氧化速度急剧增大 。 对于硅钢来说 , 其氧化开 始温度较低(500 ℃以下), 随着加热温度的增高 , 氧化速度几乎是直线上升 。 由此可见 , 无机高温 抗氧化涂层尽管低温时的多孔性不能阻隔氧化性 气体的扩散 , 但由于金属低温时氧化速度较慢 , 而 高温时涂层的致密性显著提高 , 因而应用无机高 温涂层能降低金属加热时的氧化损耗 。
涂层是降低金属氧化 损耗的一种行 之有效的方 法 , 尤其是料浆涂覆法制备的无机高温抗氧化涂 层 , 它以 制 作 方便 、成 本 低廉 正 在 得 到 广泛 应 用[ 1 ～ 4] 。由于所需保护的金属基体不同以及具体 的保护要求不同 , 相应地就需采用不同性能的涂 层 。 为了有针对性地选择或开发适用的无机高温 抗氧化涂层 , 本文首先介绍无机高温抗氧化涂层 的防氧化机理 , 然后探讨涂层的设计原理 。
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氧化特性 , 确定无机高温保护性涂层应具备的各 项性能指标 ;第四是以确定的涂层性能指标为目 标 , 运用不同的理论(无机材料物理化学理论 , 材 料力学理论 , … , 等)进行涂层的成分设计 , 确定出 合理的涂层材料配比 。以下便对钢坯炉内加热抗 氧化涂层和高温金属换热器保护性涂层的设计进 行分析 。 3 .1 钢坯炉内加热用抗氧化涂层的设计