CN104889036A - 精铝提纯用铁基坩埚防护复合涂层 - Google Patents
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Abstract
一种冶金领域的铁基坩埚防护复合涂层，为隔离层和减磨层，其中：隔离层包括作为耐火骨料的氧化铝和作为粘结剂的磷酸二氢铝；减磨层包括作为耐火骨料的氮化硼、作为热膨胀缓冲剂的聚乙烯醇和作为粘结剂的磷酸二氢铝。本发明解决了现有技术中单一物质及调配剂组成的涂料与铁坩埚的热膨胀系数存在较大差异导致涂料层发生裂纹的问题，具有高强度、高致密度及易脱模性能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种冶金领域的技术，具体是一种精铝提纯用铁基坩埚防护复合涂层。
背景技术
铝及铝合金熔炼过程中需要采用坩埚盛装高温铝液。坩埚材质对生产成本、生产效率和产品品质的影响较大。常用的坩埚材质有石墨粘土坩埚、陶瓷坩埚以及铁质坩埚。石墨粘土坩埚和陶瓷坩埚的优势在于可以从根本上消除了铝液增铁现象，但由于非金属材料热导率低，高温强度差，表面强度、硬度低，制造困难，价格昂贵等原因，其应用受到限制。铁质坩埚的成本相对低廉，同时这类坩埚具有导热性好、制造方便、材料可回收利用以及成本低廉的优点，目前在生产上被广泛使用。
在精铝提纯过程中，在坩埚的选择上需要着重考虑坩埚材质对铝液成分的影响。采用偏析法提纯过程中，铁质坩埚因不断受高温热冲击和化学反应的影响，产生侵蚀、脱落而损坏。一方面，会降低其使用寿命；另一方面，侵蚀发生时坩埚壁的腐蚀产物及有害元素铁在高温下与铝液反应进入合金液，引起二次污染，给精铝的提纯效率和产品品质带来不利影响。上述问题极大地限制了铁质坩埚在精铝提纯过程中的应用。因此，针对铁质坩埚在精铝提纯过程的应用，如何最大限度地减少坩埚的高温腐蚀，有效防止坩埚对合金液的污染，延长坩埚使用寿命，成为高品质铝及铝合金生产中的现实问题。
中国专利CN1375678提出采用铸造方法生产一种用于铝合金熔化的碳化物颗粒强化铁基铸造坩埚，虽然该坩埚耐铝熔液侵蚀性比普通球铁高7倍，比铬13不锈钢高5倍，比灰口铸铁高5倍，但该坩埚仍不能与铝液直接接触，不能满足精铝提纯要求。中国专利CN102432178A提出用搪瓷粉在铸铁表面制备耐热抗氧化涂层，该技术的缺点是使用的搪瓷粉中含有钠、钙、镍、钴、钡、钼等成分，这些元素将不可避免的进入铝液中，造成二次污染。
在铁质坩埚内表面涂刷涂料，可以有效提高坩埚的使用寿命以及避免铝液增铁。目前各生产企业自行配制的涂料多采用氧化锌或氧化钛，其缺点是种类单一，且这种类型的涂料与铁的热膨胀系数存在较大差异，由此产生的热膨胀力致使涂料层发生裂纹，导致涂层的寿命较低，生产过程中需要反复清理涂刷，严重影响生产效率。目前尚缺乏高强度且长寿命的防护涂层材料。
发明内容
本发明针对现有单一物质及调配剂组成的涂料与铁坩埚的热膨胀系数存在较大差异导致涂料层发生裂纹的问题，提出一种精铝提纯用铁基坩埚防护复合涂层，具有高强度、高致密度及易脱模性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种铁基坩埚防护复合涂层，为隔离层和减磨层，其中：隔离层包括作为耐火骨料的氧化铝和作为粘结剂的磷酸二氢铝；减磨层包括作为耐火骨料的氮化硼、作为热膨胀缓冲剂的聚乙烯醇和作为粘结剂的磷酸二氢铝。
所述的隔离层经固化热处理后隔离层与坩埚内壁结合强度高，高温冲击不开裂。
所述的减磨层对铝不侵润性好、不粘铝，可保证精铝提纯过程中铝液品质。
所述的磷酸二氢铝为高温粘结剂，在常温下与耐火骨料、硬化剂等混合后形成高粘接强度，烘干后就具有高抗折、抗压、抗水化性能，即使在水中浸泡或煮沸也不发软。
所述的磷酸二氢铝为高温粘结剂，不仅保证润滑涂层中的陶瓷颗粒之间具有一定的结合强度，也增强了涂层与基底的高温结合强度。
所述的聚乙烯醇具有优良的增稠、常温粘结性能，可保证润滑剂具有优良的流变性能、常温下的成膜性能，是润滑涂层表面平整、光滑且具有较高的结合常温结合强度。
本发明涉及上述铁基坩埚防护复合涂层的制备方法，通过在坩埚表面依次制备隔离层和减磨层，即通过将球磨后的氧化铝粉、磷酸二氢铝粉涂于待处理铁基坩埚表面后烧结固化制成隔离层，再将球磨后的氮化硼、聚乙烯醇、磷酸二氢铝涂于隔离层外部后烧结固化制成减磨层。
所述的氧化铝粉和磷酸二氢铝粉的用量比例为(15～30)重量份:(10～25)重量份。
所述的氮化硼、聚乙烯醇、磷酸二氢铝的用量比例为(20～40)重量份:(1～5)重量份:(1～5)重量份。
所述方法的具体步骤包括：
1)制备隔离层，具体步骤如下：
a.向水中加入磷酸二氢铝和氧化铝粉，球磨半小时混合均匀得到隔离层浆料，所述氧化铝、磷酸二氢铝和水的重量百分比为15‐30％、10‐25％和55‐70％。
所述的氧化铝粒径优选为100‐500目，氧化铝含量≥99％，作为耐火骨料。
b.将一待涂铸铁坩埚用稀酸彻底清除表面铁锈及污物，然后加热至200‐300℃，保温1小时。
c.把步骤a制备的浆料均匀喷涂于坩埚内壁，厚度0.1‐0.5mm。
d.先后于80‐120℃下保温4‐24小时和350‐500℃保温1小时进行固化热处理，得到隔离层。
2)制备减磨层，具体步骤如下：
a.按重量百分比氮化硼20‐40％、粘结剂1‐5％、热膨胀缓冲剂1‐5％和水55‐75％称量各组分，球磨半小时混合均匀制成浆料。
所述的氮化硼，优选为六方氮化硼，粒度为1.0‐3.0μm，氮化硼含量≥97％，是作为主要成分，具有优良的抗高温氧化性、自润滑特性及对铝液和熔渣的不润湿性。
b.将步骤1)完成隔离层制备的坩埚加热至200‐300℃，保温1小时。
c.将步骤a制备的浆料喷涂于坩埚隔离层表面，厚度0.1‐0.2mm。
技术效果
与现有技术相比，本发明涂层涂刷性好，隔离层与坩埚表面能形成化学结合，结合强度高，高温冲击不开裂，有效防止了铝液侵蚀坩埚，提高了坩埚使用寿命，同时也有效防止了有害元素铁进入铝液中，避免了铝液污染，能够满足精铝提纯要求。
附图说明
图1为本发明涂层示意图；
图中：1为减磨层，2为隔离层，3为坩埚。
图2为实施例效果示意图；
图中：a为采用本发明制备的复合涂层形貌图；b为采用本发明制备坩埚涂层后熔铝、凝固、脱模后的铝锭形貌图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例包括如下步骤：
1)制备隔离层，具体步骤如下：
a.按重量百分比称量氧化铝15％、磷酸二氢铝15％和水70％，向水中加入磷酸二氢铝和氧化铝粉，球磨半小时混合均匀得到隔离层浆料。
b.将一待涂铸铁坩埚用稀酸彻底清除表面铁锈及污物，然后加热至200‐300℃，保温1小时。
c.把步骤a制备的浆料均匀喷涂于坩埚内壁，厚度0.2mm。
d.先后于80‐120℃下保温24小时和350‐500℃保温1小时进行固化热处理，得到隔离层。
2)制备减磨层，具体步骤如下：
a.按重量比称量氮化硼20％、磷酸二氢铝5％、聚乙烯醇5％和水70％，混合球磨半小时混合均匀制成浆料。
b.将步骤1)完成隔离层制备的坩埚加热至200‐300℃，保温1小时。
c.将步骤a制备的浆料喷涂于坩埚内壁，厚度0.1mm。
实施例2
本实施例包括如下步骤：
1)制备隔离层，具体步骤如下：
a.按重量百分比称量氧化铝18％、磷酸二氢铝12％和水70％，向水中加入磷酸二氢铝和氧化铝粉，球磨半小时混合均匀得到隔离层浆料。
b.将一待涂铸铁坩埚用稀酸彻底清除表面铁锈及污物，然后加热至200‐300℃，保温1小时。
c.把步骤a制备的浆料均匀喷涂于坩埚内壁，厚度0.2mm。
d.先后于80‐120℃下保温24小时和350‐500℃保温1小时进行固化热处理，得到隔离层。
2)制备减磨层，具体步骤如下：
a.按重量比称量氮化硼25％、磷酸二氢铝5％、聚乙烯醇5％和水65％，混合球磨半小时混合均匀制成浆料。
b.将步骤1)完成隔离层制备的坩埚加热至200‐300℃，保温1小时。
c.将步骤a制备的浆料喷涂于坩埚内壁，厚度0.1mm。
实施例3
本实施例包括如下步骤：
1)制备隔离层，具体步骤如下：
a.按重量百分比称量氧化铝20％、磷酸二氢铝10％和水70％，向水中加入磷酸二氢铝和氧化铝粉，球磨半小时混合均匀得到隔离层浆料。
b.将一待涂铸铁坩埚用稀酸彻底清除表面铁锈及污物，然后加热至200‐300℃，保温1小时。
c.把步骤a制备的浆料均匀喷涂于坩埚内壁，厚度0.2mm。
d.先后于80‐120℃下保温24小时和350‐500℃保温1小时进行固化热处理，得到隔离层。
2)制备减磨层，具体步骤如下：
a.按重量比称量氮化硼30％、磷酸二氢铝5％、聚乙烯醇5％和水60％，混合球磨半小时混合均匀制成浆料。
b.将步骤1)完成隔离层制备的坩埚加热至200‐300℃，保温1小时。
c.将步骤a制备的浆料喷涂于坩埚内壁，厚度0.1mm。
如图2a所示，本发明制备获得坩埚涂层，涂层致密，经熔铝后，涂料完好，表面依然光滑，无起泡脱落。铝锭容易取出，表面洁净，如图2b所示。
Claims (7)
1.一种铁基坩埚防护复合涂层，其特征在于，为隔离层和减磨层，其中：隔离层包括作为耐火骨料的氧化铝和作为粘结剂的磷酸二氢铝；减磨层包括作为耐火骨料的氮化硼、作为热膨胀缓冲剂的聚乙烯醇和作为粘结剂的磷酸二氢铝。
2.一种根据权利要求1所述铁基坩埚防护复合涂层的制备方法，其特征在于，通过在坩埚表面依次制备隔离层和减磨层，即通过将球磨后的氧化铝粉、磷酸二氢铝粉涂于待处理铁基坩埚表面后烧结固化制成隔离层，再将球磨后的氮化硼、聚乙烯醇、磷酸二氢铝涂于隔离层外部后烧结固化制成减磨层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的氧化铝粉和磷酸二氢铝粉的用量比例为(15～30)重量份:(10～25)重量份。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的氮化硼、聚乙烯醇、磷酸二氢铝的用量比例为(20～40)重量份:(1～5)重量份:(1～5)重量份。
5.根据权利要求2或3或4所述的方法，其特征是，所述制备方法，具体步骤包括：
1)制备隔离层，具体步骤如下：
a.向去离子水中加入磷酸二氢铝和氧化铝粉，球磨半小时混合均匀得到隔离层浆料，所述氧化铝、磷酸二氢铝和水的重量百分比为15‐30％、10‐25％和55‐70％；
b.将一待涂铸铁坩埚用稀酸彻底清除表面铁锈及污物，然后加热至200‐300℃，保温1小时；
c.把步骤a制备的浆料均匀喷涂于坩埚内壁，厚度0.1‐0.5mm；
d.先后于80‐120℃下保温4‐24小时和350‐500℃保温1小时进行固化热处理，得到隔离层；
2)制备减磨层，具体步骤如下：
i.按重量百分比氮化硼20‐40％、粘结剂1‐5％、热膨胀缓冲剂1‐5％和水55‐75％称量各组分，球磨半小时混合均匀制成浆料；
ii.将步骤1)完成隔离层制备的坩埚加热至200‐300℃，保温1小时；
iii.将步骤i制备的浆料喷涂于坩埚隔离层表面，厚度0.1‐0.2mm。
6.根据权利要求2或3或5所述的方法，其特征是，所述的氧化铝粉的粒径为100‐500目，氧化铝含量≥99％，作为耐火骨料。
7.根据权利要求2或4或5所述的方法，其特征是，所述的氮化硼为六方氮化硼粉，粒度为1.0‐3.0μm，氮化硼含量≥97％。
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