摘　要: 采用配方均勻設計方法,對無機高溫無機陶瓷耐磨涂料的配方進行了定量研究。結果表明,該方法是開發研究新涂料配方的有效方法。通過對涂層的成膜性能、懸浮性能和結合強度的研究,提出了該涂料配方中各組分優化組合的方案。

1 引　言

    一般金屬在高溫氧化性氣氛下都會產生表面氧化,氧化不僅造成金屬損耗,還會產生金屬中合金元素的貧化,影響金屬的質量和力學性能。針對金屬的高溫氧化腐蝕問題,采用無機耐高溫抗氧化涂層是降低金屬氧化損耗的一種行之有效的方法,尤其是以料漿涂覆法制備的無機耐高溫抗氧化涂層,它以制作方便、成本低廉正在得到廣泛應用。但是由于無機耐高溫涂料中一般不含有成膜性能良好的高分子物質,其成膜性能和懸浮性能均較差,表現為保質期較短,容易產生沉淀等,因此有必要研究開發新的無機耐高溫涂料。

      通常涂料配方涉及到的原料種類及影響因素很多,如果進行多因素全面試驗,需要的試驗工作量相當驚人。為了弄清配方中每種因素對涂料整體性能的作用和影響,有必要采用科學的試驗設計方法,用盡量少的試驗次數來有效地得到盡量多的有用信息,進而確定涂料的最佳配方及工藝條件。為此本文采用配方均勻設計方法,通過對無機耐高溫陶瓷涂料的成膜性能和懸浮性能等進行定量研究,得到了涂料配方中各組分的優化組合,同時為定量開發新的涂料配方提供了一種有效方法。

     (1) 設給定配方數n 和原料種數s ,根據對應的

均勻設計表查出生成向量( h1,..., hs-1) ,并由這個向量產生均勻設計表U³_n ( n^s-1 ) 或U_n ( n^s-1 ) ,用{ qki }

記U³_n ( n^s-1 ) 或U_n ( n^s-1 ) 中的元素;

     (2) 對每個qki ,計算

           

　　(3) 計算

             

　            

      由{ Xki } 就給出了對應n 和s 的配方均勻設計,并用記號UMn ( n^s ) 表示。

3 　涂料配方的試驗設計

    常用無機高溫陶瓷涂料主要由陶瓷基料、高溫粘結劑和改性劑組成。本試驗中選用自制的表面改性碳化硅作為陶瓷基料,自制改性硅溶膠、鋁溶膠和

磷酸二氫鋁溶液作為高溫粘結劑,無水乙醇作為調節劑。原料種數s=5 ,選用試驗配方數n=8 ,故選擇UM8 (8⁵) 表安排試驗。根據上述配方均勻設計方法得出UM₈ (8⁵ ) 表。

    8 組試驗方案中,各組分在試驗范圍內分布均勻,且配方均勻設計法對每個因素是一視同仁的,但是在許多試驗設計中,要求有些組分含量較大,有些

較小。所以在實際中,可在試驗方案的基礎上,根據實際條件進行取舍,以減少試驗方案。

    試驗用金屬基體材料為304 不銹鋼,試樣尺寸為120mm×50mm ×1.5mm ,根據涂層材料的試驗方案,首先將耐熱不銹鋼表面經噴砂處理后除去表面沉積的雜物及銹蝕物,然后用無水乙醇清洗,吹干后待用。

    將各種原料按照表1 所示試驗方案設計的涂料配方依次加入攪拌器攪拌均勻后,盛于帶刻度玻璃容器中靜置觀察其懸浮性能,然后在一定的噴涂工藝條件下將涂料涂覆在金屬試片上,室溫下干燥3h表干后,放入馬弗爐內加熱至800～1000 ℃反應燒結,保溫2h 后隨爐冷至室溫。

    根據涂層在試樣表面成膜狀況和冷卻后涂層的脫落情況,打分評價并判斷無機耐高溫陶瓷涂料在金屬基體表面應用的成膜性能優劣和結合強度。根據涂層的抗剝落性能和涂層的表面質量狀況等綜合情況進行比較打分,性能越優分值越高。試驗方案及結果見表1 。

                                                                   表1 　試驗方案及結果評價

                                   

      由表1 可以看出第8 組配方生產的無機高溫陶瓷涂料的整體性能最好,涂料經長時間靜置后無明顯分層現象,涂覆后成膜性能良好,結合牢固,經高溫冷卻后涂層無明顯剝落現象,可以在1000 ℃高溫下有效保護不銹鋼基體,基本可以達到保護金屬基體抗高溫氧化腐蝕的要求。

      為了進一步優化涂料配方,需對上述結果進行分析。為了簡化模型,暫不考慮因素間的交互作用,因此對試驗結果進行多元線性回歸分析,回歸方程為

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

    　將試驗數據代入回歸方程,從自變量X1 , X2 ,X3 , X4 , X5 和因變量Y 的8 組觀測值出發, 用最小二乘法求出a0 , a1 , a2 , a3 , a4 , a5 的估計值,使得下列表達式中的Q 達到最小。

         

      經過最小二乘法估計,多元線性回歸得出回歸方程為

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

      其殘差平方和、估計標準差及多重相關系數分別為7.906 ,1.988 ,0.901 。

   由回歸公式可以看出鋁溶膠的含量對于涂料的整體性能有較大的影響,其次是無水乙醇的含量和硅溶膠的含量,磷酸二氫鋁溶液對于涂料的整體性能有負面的影響。因此作進一步試驗驗證,在配方8 的基礎上將硅溶膠、鋁溶膠和無水乙醇的含量各增加1 % ,同時將磷酸二氫鋁溶液的含量降低3 %,得出新的配方見表2 。

                                                   

                                  

    試驗結果表明,按照新的配方生產出的涂料,其懸浮性能、成膜性能、結合強度等指標均優于上述試驗方案中的8 種配方。說明配方均勻設計的確可以從數學統計理論出發,根據回歸模型對涂料的配方進行分析和預測。

4 　結　論

(1) 采用配方均勻設計法,針對無機耐高溫陶瓷涂料的工況條件,對涂料的配方進行了試驗設計,經試驗驗證,按優化設計配方生產的無機耐高溫涂料,其成膜性能和懸浮性能等得到有效改善。

(2) 配方均勻設計方法的優點是試驗次數少,試驗點在試驗范圍內分布均勻,保證試驗設計迅速得到正確的結論和結果。該方法為開發新的涂料提供了一種可靠的定量試驗方法。