高温无机陶瓷耐磨涂料

摘　要: 采用配方均匀设计方法,对无机高温无机陶瓷耐磨涂料的配方进行了定量研究。结果表明,该方法是开发研究新涂料配方的有效方法。通过对涂层的成膜性能、悬浮性能和结合强度的研究,提出了该涂料配方中各组分优化组合的方案。

1 引　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,影响金属的质量和力学性能。针对金属的高温氧化腐蚀问题,采用无机耐高温抗氧化涂层是降低金属氧化损耗的一种行之有效的方法,尤其是以料浆涂覆法制备的无机耐高温抗氧化涂层,它以制作方便、成本低廉正在得到广泛应用。但是由于无机耐高温涂料中一般不含有成膜性能良好的高分子物质,其成膜性能和悬浮性能均较差,表现为保质期较短,容易产生沉淀等,因此有必要研究开发新的无机耐高温涂料。

      通常涂料配方涉及到的原料种类及影响因素很多,如果进行多因素全面试验,需要的试验工作量相当惊人。为了弄清配方中每种因素对涂料整体性能的作用和影响,有必要采用科学的试验设计方法,用尽量少的试验次数来有效地得到尽量多的有用信息,进而确定涂料的最佳配方及工艺条件。为此本文采用配方均匀设计方法,通过对无机耐高温陶瓷涂料的成膜性能和悬浮性能等进行定量研究,得到了涂料配方中各组分的优化组合,同时为定量开发新的涂料配方提供了一种有效方法。

     (1) 设给定配方数n 和原料种数s ,根据对应的

均匀设计表查出生成向量( h1,..., hs-1) ,并由这个向量产生均匀设计表U³_n ( n^s-1 ) 或U_n ( n^s-1 ) ,用{ qki }

记U³_n ( n^s-1 ) 或U_n ( n^s-1 ) 中的元素;

     (2) 对每个qki ,计算

           

　　(3) 计算

             

　            

      由{ Xki } 就给出了对应n 和s 的配方均匀设计,并用记号UMn ( n^s ) 表示。

3 　涂料配方的试验设计

    常用无机高温陶瓷涂料主要由陶瓷基料、高温粘结剂和改性剂组成。本试验中选用自制的表面改性碳化硅作为陶瓷基料,自制改性硅溶胶、铝溶胶和

磷酸二氢铝溶液作为高温粘结剂,无水乙醇作为调节剂。原料种数s=5 ,选用试验配方数n=8 ,故选择UM8 (8⁵) 表安排试验。根据上述配方均匀设计方法得出UM₈ (8⁵ ) 表。

    8 组试验方案中,各组分在试验范围内分布均匀,且配方均匀设计法对每个因素是一视同仁的,但是在许多试验设计中,要求有些组分含量较大,有些

较小。所以在实际中,可在试验方案的基础上,根据实际条件进行取舍,以减少试验方案。

    试验用金属基体材料为304 不锈钢,试样尺寸为120mm×50mm ×1.5mm ,根据涂层材料的试验方案,首先将耐热不锈钢表面经喷砂处理后除去表面沉积的杂物及锈蚀物,然后用无水乙醇清洗,吹干后待用。

    将各种原料按照表1 所示试验方案设计的涂料配方依次加入搅拌器搅拌均匀后,盛于带刻度玻璃容器中静置观察其悬浮性能,然后在一定的喷涂工艺条件下将涂料涂覆在金属试片上,室温下干燥3h表干后,放入马弗炉内加热至800～1000 ℃反应烧结,保温2h 后随炉冷至室温。

    根据涂层在试样表面成膜状况和冷却后涂层的脱落情况,打分评价并判断无机耐高温陶瓷涂料在金属基体表面应用的成膜性能优劣和结合强度。根据涂层的抗剥落性能和涂层的表面质量状况等综合情况进行比较打分,性能越优分值越高。试验方案及结果见表1 。

                                                                   表1 　试验方案及结果评价

                                   

      由表1 可以看出第8 组配方生产的无机高温陶瓷涂料的整体性能最好,涂料经长时间静置后无明显分层现象,涂覆后成膜性能良好,结合牢固,经高温冷却后涂层无明显剥落现象,可以在1000 ℃高温下有效保护不锈钢基体,基本可以达到保护金属基体抗高温氧化腐蚀的要求。

      为了进一步优化涂料配方,需对上述结果进行分析。为了简化模型,暂不考虑因素间的交互作用,因此对试验结果进行多元线性回归分析,回归方程为

    Y = a0 + a1 X₁ + a2 X₂ + a3 X₃ + a4 X₄ + a5 X₅                 (3)

    　将试验数据代入回归方程,从自变量X1 , X2 ,X3 , X4 , X5 和因变量Y 的8 组观测值出发, 用最小二乘法求出a0 , a1 , a2 , a3 , a4 , a5 的估计值,使得下列表达式中的Q 达到最小。

         

      经过最小二乘法估计,多元线性回归得出回归方程为

      Y = 0.465 + 7.031 X₁ + 0.409 X₂ + 5.389 X₃ +11.429 X₄ - 6.340 X₅              (5)

      其残差平方和、估计标准差及多重相关系数分别为7.906 ,1.988 ,0.901 。

   由回归公式可以看出铝溶胶的含量对于涂料的整体性能有较大的影响,其次是无水乙醇的含量和硅溶胶的含量,磷酸二氢铝溶液对于涂料的整体性能有负面的影响。因此作进一步试验验证,在配方8 的基础上将硅溶胶、铝溶胶和无水乙醇的含量各增加1 % ,同时将磷酸二氢铝溶液的含量降低3 %,得出新的配方见表2 。

                                                   

                                  

    试验结果表明,按照新的配方生产出的涂料,其悬浮性能、成膜性能、结合强度等指标均优于上述试验方案中的8 种配方。说明配方均匀设计的确可以从数学统计理论出发,根据回归模型对涂料的配方进行分析和预测。

4 　结　论

(1) 采用配方均匀设计法,针对无机耐高温陶瓷涂料的工况条件,对涂料的配方进行了试验设计,经试验验证,按优化设计配方生产的无机耐高温涂料,其成膜性能和悬浮性能等得到有效改善。

(2) 配方均匀设计方法的优点是试验次数少,试验点在试验范围内分布均匀,保证试验设计迅速得到正确的结论和结果。该方法为开发新的涂料提供了一种可靠的定量试验方法。