核电大锻件热处理涂料及其配制方法

摘要

本发明涉及核电大锻件热处理涂料及其配制方法，属于核电大锻件热处理涂料领域。核电大锻件热处理涂料由固体粉料和液体组成；所述固体粉料由以下重量份组分组成：石墨烯20～50份、硅酸钠10～50份、铝粉10～20份、高岭土5～18份、磷酸二氢钙5～30份和三氧化二硼18～35份；所述液体由以下重量份组分组成：水溶性酚醛树脂1～10份、有机硅偶联剂0.1～1.5份和水50～100份。本发明的涂料，抗氧化效果优良，可以对核电锻件在1200℃及以上温度下多次锻造加热时提供方便的抗氧化保护，涂料在锻件表面涂施速度快，使用方便，容易成膜，无温度限制，长时间的加热过程造成的氧化增重减少95％以上。

说明书

技术领域

本发明涉及核电大锻件热处理涂料及其配制方法，属于核电大锻件热处理涂料领域。

背景技术

为核电站承制的核电压力容器筒体、封头等大型锻件，其材质为SA508、18MND5一类的中低合金钢，它们在热处理及锻造加热过程中高温氧化十分严重。如何保护它们在高温加热处理过程中，特别是1200℃及以上温度下不被氧化或尽可能少被氧化是装备制造行业一直都在追求的目标。钢铁在1200℃及以上温度下由于氧化反应过程的自由能减少，且减少幅度随温度增高而增大；高温腐蚀非常严重，不仅带来很大的浪费，而且给产品制造带来很大困难。为避免钢铁加热过程中的氧化腐蚀，除了选用耐高温热氧化的材料外，目前人们研究出的最有效的方法是控制热处理炉内气氛和在被加热的钢铁表面使用保护性涂料。由于控制热处理炉内气氛受到多种因素制约，比如加热炉的尺寸、密封、炉体材质等；因此使用保护性涂料是实际生产过程中最现实、方便的选择。

如前所述，国内外虽然长久以来对避免钢铁及机械产品加热过程中的氧化进行了大量研究，也提出了较为方便的使用涂料防止氧化的方法。然而，目前防氧化涂料的实际效果与人们的要求还存在很大差距。使用涂料抗氧化效果较为明显的材料是不锈钢及其高温合金，效果较为明显的热处理温度通常在1100℃以下。而在重型装备特别是核电装备制造过程中，中低合金钢高温数十小时以上时间的热处理是必不可少的，因此解决这种情况下的抗氧化有着十分重要的意义。

然而目前公开的钢铁件热处理抗氧化涂料信息资料却存在若干缺陷，如中国专利申请号为99114492.9“一种无机耐高温涂料及其配制方法”中公开的耐高温涂料的适用温度为650℃。针对上述缺陷，人们又研发并公开了多种适用温度更高的金属高温抗氧化涂料，如中国专利申请号为201610385703.X“一种金属件热处理保护涂料”，申请号为201611119022.5“一种普通抗氧化涂料及基使用方法”申请号为201810678051.8“一种碳钢热处理用高温抗氧化涂层及其制备方法”等均存在施工周期长，抗氧化实际效果不佳等缺陷，或者这些抗氧化涂料的热处理氧化保护时间都较短，而在重型装备特别是核电装备制造过程中，中低合金钢高温数十小时以上时间的热处理是必不可少的，因此解决这种情况下的抗氧化有着十分重要的意义。

另外，现有耐高温抗氧化涂料也存在种种缺陷，如抗氧化涂料中的固体成分极易沉淀结块，使用时难以混合均匀，抗氧化效果体现不明显；而且有的抗氧化涂料使用前还需对钢材表面进行处理，使用后也很难将其去除。

CN102585568A公开了一种钢铁的热处理抗氧化涂料及其制备方法，该涂料由固体粉料和液体组成：所述固体粉料按重量份计为：玻璃粉30～50份，氮化硼10～50份、三氧化二铬2～5份、金属铝粉3～10份；所述液体按重量份计为：改性硅酸镁铝0.1～5份、有机硅树脂20～35份，二甲苯100份。该涂料以玻璃粉作为热处理抗氧化的主要成分，玻璃粉的主要作用是以高温下熔融物的隔离为主。

CN110330819A公开了一种抗氧化涂料，该涂料为固体粉末涂料，由以下重量份的物料组成：胶体石墨粉30～50份，硅酸钠30～50份、铁粉10～20份、铝粉5～15份、高岭土5～18份、云母粉10～30份、三氧化二硼18～35份。该涂料为固体涂料，主要适用于已经在加热炉中处理过的锻件，由于工艺需要还要再次进行若干次回炉加热，这时锻件的温度很高，如900℃以上，而且这种温度又不宜等它降到常温再涂保护涂料。

发明内容

本发明解决的第一个技术问题是提供一种核电大锻件热处理涂料。该涂料以水溶性酚醛树脂作粘结剂及分散剂，固体粉料中含有多种高温下抗氧化效果十分优良的无机物。

核电大锻件热处理涂料，由固体粉料和液体组成；

所述固体粉料由以下重量份组分组成：石墨烯20～50份、硅酸钠10～50份、铝粉10～ 20份、高岭土5～18份、磷酸二氢钙5～30份和三氧化二硼18～35份；

所述液体由以下重量份组分组成：水溶性酚醛树脂1～10份、有机硅偶联剂0.1～1.5份和水50～100份。

其中，高岭土可以为普通高岭土或采用市面上销售的改性高岭土。

其中，所述水溶性酚醛树脂为水溶性的酚醛树脂即可，该原料可在市面上直接购买得到。水溶性酚醛树脂的作用是作为粘结剂及分散剂。

所述有机硅偶联剂为甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、苯基三氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基苯基二氯硅烷中的至少一种。

在一种实施方式中，石墨烯的细度大于1200目，硅酸钠的细度大于80目，铝粉的细度大于200目，高岭土的细度大于320目，磷酸二氢钙细度大于320目，三氧化二硼细度大于70目。

在一种实施方式中，铝粉中的铝含量≥99.5％。

在一种实施方式中，所述涂料由固体粉料和液体组成；

所述固体粉料由以下重量份组分组成：石墨烯28～40份、硅酸钠17～35份、铝粉10～ 15份、高岭土5～10份、磷酸二氢钙12～20份和三氧化二硼20～25份；所述液体由以下重量份组分组成：水溶性酚醛树脂1.5～2.5份、有机硅偶联剂0.1～0.2份和水60～65份。

在一种实施方式中，所述固体粉料由以下重量份组分组成：石墨烯30～40份、硅酸钠 20～35份、铝粉12～15份、高岭土5～10份、磷酸二氢钙12～20份和三氧化二硼20～21份；所述液体由以下重量份组分组成：水溶性酚醛树脂2～2.2份、有机硅偶联剂0.1～0.2份和水60～65份。

在一种实施方式中，所述固体粉料由以下重量份组分组成：石墨烯30～40份、硅酸钠 20～35份、铝粉15份、高岭土10份、磷酸二氢钙12～20份和三氧化二硼20～21份。

在一种实施方式中，所述固体粉料由以下重量份组分组成：石墨烯40份、硅酸钠35份、铝粉15份、高岭土10份、磷酸二氢钙20份和三氧化二硼21份；所述液体由以下重量份组分组成：水溶性酚醛树脂2份、有机硅偶联剂0.1份和水60份。

本发明解决的第二个技术问题是提供一种核电大锻件热处理涂料的配制方法。

核电大锻件热处理涂料的配制方法，包括以下步骤：将所述的固体粉料及液体分散均匀，分散结束后，再砂磨至少60min，即得。

在一种实施方式中，涂料的粘度在室温下为130～140Be°。

本发明还提供核电大锻件热处理涂料的使用方法。

核电大锻件热处理涂料的使用方法，将所述的核电大锻件热处理涂料直接喷涂在锻件的表面，涂覆厚度≥0.5mm。

本发明的有益效果：

1、本发明提供了一种核电大锻件热处理和锻造加热过程抗氧化涂料，使用方法简单，可以直接通过喷涂或刷涂的方法涂施到锻件表面，解决了因为锻件表面积巨大带来的施工速度慢、锻件表面高温带来的施工困难等问题。

2、本发明的涂料，抗氧化效果优良，对核电锻件在1200℃及以上温度下多次锻造加热时提供方便的抗氧化保护，涂料在锻件表面涂施速度快，使用方便，容易成膜，无温度限制，长时间(大于30小时)的加热过程造成的氧化增重减少95％以上。

具体实施方式

核电大锻件热处理涂料，由固体粉料和液体组成；所述固体粉料由以下重量份组分组成：石墨烯20～50份、硅酸钠10～50份、铝粉10～20份、高岭土5～18份、磷酸二氢钙5～30 份和三氧化二硼18～35份；所述液体由以下重量份组分组成：水溶性酚醛树脂1～10份、有机硅偶联剂0.1～1.5份和水50～100份。

其中，高岭土可以为普通高岭土或采用市面上销售的改性高岭土。

其中，所述水溶性酚醛树脂为水溶性的酚醛树脂即可；该原料可在市面上直接购买得到。水溶性酚醛树脂是作为粘结剂及分散剂。

所述有机硅偶联剂为甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、苯基三氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基苯基二氯硅烷中的至少一种。

在一种实施方式中，石墨烯的细度大于1200目，硅酸钠的细度大于80目，铝粉的细度大于200目，高岭土的细度大于320目，磷酸二氢钙细度大于320目，三氧化二硼细度大于70目。

在一种实施方式中，铝粉中的铝含量≥99.5％。

在一种实施方式中，所述涂料由固体粉料和液体组成；

所述固体粉料由以下重量份组分组成：石墨烯28～40份、硅酸钠17～35份、铝粉10～ 15份、高岭土5～10份、磷酸二氢钙12～20份和三氧化二硼20～25份；所述液体由以下重量份组分组成：水溶性酚醛树脂1.5～2.5份、有机硅偶联剂0.1～0.2份和水60～65份。

在一种实施方式中，所述固体粉料由以下重量份组分组成：石墨烯30～40份、硅酸钠 20～35份、铝粉12～15份、高岭土5～10份、磷酸二氢钙12～20份和三氧化二硼20～21份；所述液体由以下重量份组分组成：水溶性酚醛树脂2～2.2份、有机硅偶联剂0.1～0.2份和水60～65份。

在一种实施方式中，所述固体粉料由以下重量份组分组成：石墨烯30～40份、硅酸钠 20～35份、铝粉15份、高岭土10份、磷酸二氢钙12～20份和三氧化二硼20～21份。

在一种实施方式中，所述固体粉料由以下重量份组分组成：石墨烯40份、硅酸钠35份、铝粉15份、高岭土10份、磷酸二氢钙20份和三氧化二硼21份；所述液体由以下重量份组分组成：水溶性酚醛树脂2份、有机硅偶联剂0.1份和水60份。

核电大锻件热处理涂料的配制方法，包括以下步骤：将所述的固体粉料及液体分散均匀，分散结束后，再砂磨至少60min，即得。

一种具体制备方法为：将上述固体粉料及液体按照前述规定比例分批加到高速分散机中，先以100-200r/分钟的速度搅拌均匀，此时要调节分散盘与装料桶底之间的距离，使旋涡成浅盆状，所有原料加完后提高转速以700-1500r/分钟速度搅拌60分钟，为防止分散时温度上升过高，要采用夹套通水冷却。分散结束后，再转移到砂磨机中砂磨60分钟，以余下的蒸馏水调节涂料的粘度室温下至Be°130-140，即得本发明所述的核电大锻件锻造加热过程涂料。

在一种实施方式中，涂料的粘度在室温下为130～140Be°。

本发明还提供核电大锻件热处理涂料的使用方法。

核电大锻件热处理涂料的使用方法，将所述的核电大锻件热处理涂料直接喷涂在锻件的表面，涂覆厚度≥0.5mm。

在一种实施方式中，喷涂的装置可以为压缩空气喷涂装置或高压无气喷涂装置。

在一种实施方式中，如果为锻造加热过程中的锻件，可以直接把涂料喷涂到锻件的高温表面。

将锻件置于热处理炉中或锻造加热炉中进行加热，在此过程中涂料将自行熔融成膜，使炉内空气中的氧气无法与锻件发生通常的氧化反应，从而达到加热过程抗氧化的目的。而喷涂前勿需对锻件表面作任何处理，所以使用十分方便高效。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

下述实施例和对比例中所使用的有机硅偶联剂为甲基三氯硅烷。

实施例1

称取石墨烯35份，硅酸钠35份、金属铝粉12份、高岭土5份、磷酸二氢钙15份、三氧化二硼20份、水溶性酚醛树脂2份、有机硅偶联剂0.1份，蒸馏水60份；以上均为重量份；其中，石墨烯的细度＞1200目、硅酸钠粉的细度＞80目、金属铝粉的细度＞200目、高岭土的细度＞320目、磷酸二氢钙细度＞320目、三氧化二硼细度＞70目；上述金属铝粉中的铝含量≥99.5％。

配制工艺：将上述固体粉料及液体按照前述规定比例分批加到高速分散机中，先以 200r/min的速度搅拌均匀，此时要调节分散盘与装料桶底之间的距离，使旋涡成浅盆状，所有原料加完后提高转速以1000r/分钟速度搅拌60分钟，为防止分散时温度上升过高，要采用夹套通水冷却。分散结束后，再转移到砂磨机中砂磨60分钟，以余下的蒸馏水调节涂料的粘度室温下至Be°130-140，即得本发明所述的核电大锻件锻造加热过程涂料。

涂覆工艺：将涂料涂覆于碳钢工件20NiMnMo上，厚度不低于0.50mm。

加热条件：加热温度、保温时间、使用效果见表1。

实施例2

称取石墨烯40份，硅酸钠35份、金属铝粉15份、高岭土10份、磷酸二氢钙20份、三氧化二硼21份、水溶性酚醛树脂2份、有机硅偶联剂0.1份，蒸馏水60份；以上均为重量份；其中，石墨烯的细度＞1200目、硅酸钠粉的细度＞80目、金属铝粉的细度＞200目、高岭土的细度＞320目、磷酸二氢钙细度＞320目、三氧化二硼细度＞70目；上述金属铝粉中的铝含量≥99.5％。

配制工艺同实施例1；待涂覆工件为碳钢工件20NiMnMo；涂覆工艺等同实施例1；加热条件：加热温度、保温时间、使用效果见表1。

实施例3

称取石墨烯28份，硅酸钠17份、金属铝粉10份、高岭土10份、磷酸二氢钙12份、三氧化二硼25份、水溶性酚醛树脂1.5份、有机硅偶联剂0.2份，蒸馏水60份；以上均为重量份；其中，石墨烯的细度＞1200目、硅酸钠粉的细度＞80目、金属铝粉的细度＞200目、高岭土的细度＞320目、磷酸二氢钙细度＞320目、三氧化二硼细度＞70目；上述金属铝粉中的铝含量≥99.5％。

配制工艺同实施例1；待涂覆工件为碳钢工件20NiMnMo；涂覆工艺等同实施例1；加热条件：加热温度、保温时间、使用效果见表1。

实施例4

称取石墨烯30份，硅酸钠20份、金属铝粉15份、高岭土10份、磷酸二氢钙12份、三氧化二硼20份、水溶性酚醛树脂2.2份、有机硅偶联剂0.2份，蒸馏水65份；以上均为重量份；其中，石墨烯的细度＞1200目、硅酸钠粉的细度＞80目、金属铝粉的细度＞200目、高岭土的细度＞320目、磷酸二氢钙细度＞320目、三氧化二硼细度＞70目；上述金属铝粉中的铝含量≥99.5％。

配制工艺同实施例1；待涂覆工件为碳钢工件20NiMnMo；涂覆工艺等同实施例1；加热条件：加热温度、保温时间、使用效果见表1。

对比例1

称取石墨烯30份，硅酸钠20份、金属铝粉0份、高岭土10份、磷酸二氢钙12份、三氧化二硼20份、水溶性酚醛树脂2.2份、有机硅偶联剂0.2份，蒸馏水65份；以上均为重量份；其中，石墨烯的细度＞1200目、硅酸钠粉的细度＞80目、高岭土的细度＞320目、磷酸二氢钙细度＞320目、三氧化二硼细度＞70目。

配制工艺同实施例4；涂覆工艺与待涂覆碳钢工件与实施例4完全一致；加热条件：加热温度、保温时间、使用效果见表2。

对比例2

称取石墨烯30份，硅酸钠20份、铁粉15份、高岭土10份、磷酸二氢钙12份、三氧化二硼20份、水溶性酚醛树脂2.2份、有机硅偶联剂0.2份，蒸馏水65份；以上均为重量份；其中，石墨烯的细度＞1200目、硅酸钠的细度＞80目、铁粉的细度＞200目、高岭土的细度＞320目、磷酸二氢钙细度＞320目、三氧化二硼细度＞70目；上述铁粉中的铁含量≥99.5％。

配制工艺同实施例4；涂覆工艺与待涂覆碳钢工件与实施例4完全一致；加热条件：加热温度、保温时间、使用效果见表2。

对比例3

称取石墨烯30份，硅酸钠20份、金属铝粉15份、高岭土10份、云母粉12份、三氧化二硼20份、水溶性酚醛树脂2.2份、有机硅偶联剂0.2份，蒸馏水65份；以上均为重量份；其中，石墨烯的细度＞1200目、硅酸钠的细度＞80目、金属铝粉的细度＞200目、高岭土的细度＞320目、云母粉的细度＞320目、三氧化二硼细度＞70目、上述金属铝粉中的铝含量≥99.5％。

配制工艺同实施例4；涂覆工艺与待涂覆碳钢工件与实施例4完全一致；加热条件：加热温度、保温时间、使用效果见表2。

对比例4

称取胶体石墨粉45份，硅酸钠35份、金属铝粉10份、铁粉12份，高岭土5份、云母粉15份、三氧化二硼22份、水溶性酚醛树脂2.2份、有机硅偶联剂0.2份，蒸馏水65份；以上均为重量份；其中，石墨烯的细度＞1200目、硅酸钠的细度＞80目、金属铝粉的细度＞ 200目、铁粉的细度＞200目、高岭土的细度＞320目、云母粉的细度＞320目、三氧化二硼细度＞70目、上述金属铝粉中的铝含量≥99.5％，铁粉中的铁含量≥99.5％。

配制工艺同实施例4；涂覆工艺与待涂覆碳钢工件与实施例4完全一致；加热条件：加热温度、保温时间、使用效果见表2。

表1：各实施例粉料组成及使用效果

表2：各对比例粉料组成及使用效果

氧化增重减少率＝(未使用保护涂料时的氧化增重率—使用保护涂料后的氧化增重率)/未使用保护涂料时的氧化增重率

氧化增重率＝(加热前重量—加热后重量)/加热前重量。