CN1211438C - 一种纳米级耐蚀性氧化物涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米级耐蚀性氧化物涂层的制备方法，以Si盐、Ti盐以及Zn\Al等中性盐为源物质，以无水乙醇为溶剂，并加入添加剂、表面活性剂、少量蒸馏水，利用溶胶—凝胶技术合成以Si-Ti为主要成分的纳米级非晶态-晶态氧化物耐蚀性涂层，其中Si氧化物以非晶态，Ti氧化物以及其它少量氧化物以结晶度较差的纳米级晶态结构存在于涂层中。本发明制备的涂层具有优越的耐酸性，抗高温氧化性、致密且与基体金属具有良好粘附性能。

Description

一种纳米级耐蚀性氧化物涂层的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种纳米级耐蚀性氧化物涂层的制备方法，确切地说，它是一种碳素结构钢上纳米级耐蚀性氧化物涂层的制备方法。

背景技术：

碳素结构钢是工程中最常用的结构钢，然而，它的耐酸性、耐高温氧化性能较差，影响了使用。以往增强碳素结构钢耐蚀性的方法一般采用全体耐蚀(微合金化方法)和表面改性(主要为发蓝、磷化和镀锌)等方法，这些方法都赢得了广泛的应用。但这些方法制备过程复杂，涂层厚度较厚，增加整体重量，特别是不耐酸和高温腐蚀。

溶胶-凝胶(Sol-gel)技术是将表面改性和涂层技术合二为一的新兴的表面工程技术之一，是当今世界十分关注，并将取得突破性进展的制备技术。它具有工艺性好、化学计量比易控、制品纯净、晶相转化温度低等优点，可在金属材料表面上涂覆晶态与非晶态涂层。在80年代就有人采用该技术在不锈钢上制备得陶瓷涂层，并探索了其在850℃且具有氧化性环境中的使用性能。于90年代，相继研究了用溶胶-凝胶技术制备TiO₂、ZrO₂、SiO₂等陶瓷涂层涂在合金钢和超合金钢上，研究了不同腐蚀环境及在1100℃高温下的保护作用。

检索大量的文献资料后，还未看到碳素结构钢上利用溶胶-凝胶(Sol-gel)技术制备非晶态-晶态掺杂的纳米级耐蚀性涂层的报导。涂层的结构、成份和聚集状态与涂层的性能密切相关。纳米材料是当前国内外的热点研究课题。在其表面上涂覆纳米级涂层，通过改善涂层的聚集状态和结构提高耐蚀性无疑有重要的应用前景。

此外，在制备涂层时，多采用多次涂覆、循环热处理的方法，这样势必造成由于循环热处理所带来的涂层从表面到界面的差异，影响涂层的性能。同时，涂层与金属这两类材料的膨胀系数差异较大，在温度、压力等环境影响下，也将影响涂层的性能。温度、压力还会影响涂层的相变，相变会引起组织应力的变化。这些因素将最终决定基体的耐蚀性、耐候性。非晶态与晶态掺杂有效地解决了基体与涂层的膨胀收缩相适性。

鉴于上述涂层的缺陷，本发明的任务是结合目前纳米材料的制备技术，发明一种纳米级非晶态——晶态氧化物涂层，充分利用非晶态氧化物的良好膨胀性能以及具有晶体结构的氧化物的强度，保证获得的涂层既耐酸腐蚀又耐高温腐蚀。

发明内容：

本发明目的是设计一种在碳素结构钢上的纳米级耐蚀性氧化物涂层的制备方法。

本发明是由下述技术方案来实现的，该涂层制备方法包括下列步骤：

(1)基体处理：将碳素结构钢进行常规去油脱脂处理后，稀盐酸酸洗，去掉表面的锈迹，然后进行化学抛光，得到平整的表面，经水冲洗，放在蒸馏水或酒精溶液中；

(2)混合稳定溶胶的配制：在无水乙醇中加入少量Zn或Al盐、添加剂、表面活性剂以及蒸馏水充分混合，一分为二，取正硅酸乙酯和钛酸丁酯分别搅拌溶解到上述无水乙醇中，让含正硅酸乙酯的无水乙醇静置24h后，上述溶液全部混合，不停地搅拌直至溶液完全澄清透明，静置3h左右即可涂覆，溶液中Si∶Ti原子比为0.95～0.6∶0.05～0.4，Zn或Al盐含量不低于0.5％；

(3)将上述配好的处在溶胶状态的涂液刷涂或采用浸渍提拉法涂覆在处理后的碳素结构钢上，在室温干燥，然后重复涂覆工艺3-5次，继而在温度为200℃±10℃干燥箱中干燥，干燥时间为半小时，再重复上述涂覆工艺一次。

涂层中的SiO₂非晶态为网络结构，主要起着涂层载体的作用，并且这种载体与基体的结合力较强，它的另一个作用是与基体的热胀冷缩性能基本一致，可以避免因热胀冷缩而导致开裂，但纯SiO₂非晶态涂层抗氧化能力弱，耐酸蚀性也差。涂层中的晶态结构强化了非晶态网络，它们分散在非晶态中，进一步提高了涂层与基体的结合力。因此，所得到的涂层与基体的粘结强度好，可通过透明胶的撕拉实验证实。涂层中添加部分纳米晶TiO₂(B)与锐钛矿时，结合力、抗氧化能力以及耐蚀性都提高，但当TiO₂(B)与锐钛矿含量进一步增加后，这些性能又下降。因此，为了使非晶态与晶态的配比合适，涂层中的Si∶Ti比(原子比，下同)为0.95～0.6∶0.05～0.4。当Si∶Ti为0.8∶0.2时，其耐蚀性最好。此外，添加少量的锌、铝等元素代替部分的钛，这样可以提高结晶程度。

表面活性剂在制备过程中提高了晶体在非晶态中的分散性，并且使粒子粒径分布均匀，改善了涂覆时涂层的均匀性。表面活性剂还改善了涂层与基体的结合力。

由于每种物质的水解能力不同，溶胶的水解能力决定了涂层的最终性能。本发明选择了几种中性盐，中性盐为Zn或Al盐，且含量不低于0.5％，用来提高溶胶的稳定性，有效抑制了水解与缩聚过程。稳定剂还起着强化非晶态网络的作用。

由本发明制备的涂层具有耐蚀、耐候、致密且与基体金属具有良好粘附性能。其耐酸性、抗高温氧化能力均比镀锌层好。

本制备方法的优点是：该涂层为非晶态-晶态纳米级氧化物，保证涂层与基体以及涂层间有良好的结合强度，对任何形状的构件表面均可涂覆，涂覆方式多样，涂层厚度可控，干燥箱的温度为200℃±10℃，干燥时间为半小时，在200℃下干燥就可获得耐蚀、耐候的、致密的且与基体金属具有良好粘附性的纳米级涂层。涂层重量轻，保证面体几何形状精度，耐高温。该涂层还可应用于不锈钢以及其它合金钢与超合金钢。

实施例：

以下通过具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例一：

碳素结构钢基体的处理采用常规的去油、酸洗，用含铬酐的化学抛光液抛光，水洗，放入酒精中。然后在无水乙醇中加入少量Zn/Al盐、添加剂、表面活性剂以及少量蒸馏水，一分为二，取正硅酸乙酯19ml和钛酸丁酯2.1ml，分别搅拌溶解到上述无水乙醇中，让含正硅酸乙酯的无水乙醇静置24h后，上述溶液全部混合，搅拌，静置3h后进行涂覆，室温干燥，然后重复涂覆工艺3-5次，继而在200℃±10℃的干燥箱中干燥30min，再重复上述涂覆工艺一次。静态抗氧化实验是在750℃的马弗炉中加热不同时间，称量实验前后试样的增重情况，并与镀锌板(市售)、空白样(碳素结构钢经去油、酸洗，用含铬酐的化学抛光液抛光，水洗)进行对比，结果如表1，从中可见本发明比镀锌层、空白样的抗氧化能力强。

表1  涂层的制备条件和抗高温氧化性能

序        涂                  氧化增重率(g/m ² )         

号        层          2h           4h             6h

1         本案        8.9          36.69          157.53

2         空白样      209.05       1373.65        7991.14

3         镀锌板      188.68       483.01         569.86

实施例二：

涂层制备方法与上述相同，然后进行耐酸性实验。耐酸性实验是在6％FeCl₃的0.05N盐酸中于35℃浸泡24h后称量实验前后试样的增重情况，并与镀锌板(市售)、空白样(碳素结构钢经去油、酸洗，用含铬酐的化学抛光液抛光，水洗)、不锈钢(进口)进行对比，结果如表2，从中可见耐酸性比镀锌层、不锈钢好。

表2  涂层的制备条件和耐酸性能

序号       涂层                            失重率(g·m^-2·h^-1)

1          本案                            46.59

2          空白样                          84.978

3          镀锌板                          73.704

4          不锈钢                          52.608

Claims (1)

1.一种纳米级耐蚀性氧化物涂层的制备方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

(1)基体处理：将碳素结构钢进行常规去油脱脂处理后，稀盐酸酸洗，去掉表面的锈迹，然后进行化学抛光，得到平整的表面，经水冲洗，放在蒸馏水或酒精溶液中；

(2)混合稳定溶胶的配制：在无水乙醇中加入少量Zn或Al盐、添加剂、表面活性剂以及蒸馏水充分混合，一分为二，取正硅酸乙酯和钛酸丁酯分别搅拌溶解到上述无水乙醇中，让含正硅酸乙酯的无水乙醇静置24h后，上述溶液全部混合，不停地搅拌直至溶液完全澄清透明，静置3h左右即可涂覆，溶液中Si∶Ti原子比为0.95～0.6∶0.05～0.4，Zn或Al盐含量不低于0.5％；

(3)将上述配好的处在溶胶状态的涂液刷涂或采用浸渍提拉法涂覆在处理后的碳素结构钢上，在室温干燥，然后重复涂覆工艺3-5次，继而在温度为200℃±10℃干燥箱中干燥，干燥时间为半小时，再重复上述涂覆工艺一次。