一种高硬度强化钢管及其制备工艺的制作方法

本发明涉及钢管，具体是一种高硬度强化钢管及其制备工艺。

背景技术：

1、随着科技的进步，塑料管、钢管、铝管等管材在建筑生活中大力发展，因为不锈钢钢管具有强度高、抗老化、使用寿命长等特点，因此不锈钢钢管在建筑、燃气、制药、水系统等工程中的应用越来越广泛。

2、目前市场上的不锈钢钢管一般以奥氏体不锈钢为原料，虽然具有较好的抗氧化性与力学强度，但与其他不锈钢相比，硬度偏低且耐磨性不佳，限制了其使用范围。通常使用渗氮或渗碳来改善其硬度，但是同时存在渗氮层或渗碳层偏薄的问题；且有些不锈钢钢管的服役条件较为严苛，磨损和腐蚀也降低了钢管的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高硬度强化钢管及其制备工艺，以解决现有技术中的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种高硬度强化钢管及其制备工艺，包括以下步骤：

4、s1：将不锈钢原料投入真空炉中熔炼，热轧后进行固溶处理，形成不锈钢板；

5、s2：采用溶胶凝胶法制备二氧化钛与复合碳纳米管的混合前驱体粉体；

6、s3：用水玻璃将混合前驱体粉体涂覆在不锈钢板表面，激光熔覆处理，得到预处理不锈钢板；

7、s4：将预处理不锈钢板依次进行磨砂、抛光、清洗、干燥，然后进行离子渗氮处理，清洗洁净后，依次进行卷压、焊接、磨砂，得到预处理不锈钢管；

8、s5：用自修复聚氨酯乳液、复合碳纳米管制备防护涂料；

9、s6：将防护涂料涂覆在预处理不锈钢管表面，形成防护层，得到一种高硬度强化钢管。

10、进一步的，固溶处理的工作条件为：升温至940-945℃保温70-80min，然后水冷冷却。

11、进一步的，激光熔覆处理的工作条件为：激光功率为1.4kw，扫描速度为4mm/s，圆形光斑直径为4mm，氩气流量为18l/min。

12、进一步的，离子渗氮处理的工作条件为：渗氮温度为450-465℃，保温时间为5h，工作气体为氮气与氢气混杂，氮气与氢气体积比为1：3，随炉冷却。

13、进一步的，防护涂料中复合碳纳米管与自修复聚氨酯乳液的质量比为2.2-2.8%。

14、进一步的，混合前驱体粉体的制备包括以下步骤：将复合碳纳米管、无水乙醇、去离子水混合，超声处理20-30min，加入钛酸四丁酯，升温至30-35℃，加入无水乙醇、冰醋酸、去离子水、盐酸的混合液，超声处理1-2h，干燥，研磨，得到混合前驱体粉体。

15、进一步的，复合碳纳米管的制备包括以下步骤：

16、（1）将三氧化钼、咪唑、去离子水混合，在98-102℃保温11-12h，过滤、洗涤、干燥，得到钼基框架；将碳纳米管、无水乙醇混合，加入尿素、钼基框架，在18-25℃下搅拌11-12h，干燥，在氩气氛围下，置于648-652℃煅烧2h，用稀硫酸溶液洗涤5-6h，离心，用去离子水洗涤至中性，干燥，得到中间制剂；

17、（2）将六水合硝酸锌、均苯三甲酸、六水氯化钇、聚乙烯吡咯烷酮、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺、去离子水混合，搅拌50-60min，转移至高压釜中，在148-152℃保温2-3h，加入中间制剂与n,n-二甲基甲酰胺的混合液，继续保温6-7h，洗涤、干燥，得到复合碳纳米管。

18、进一步的，自修复聚氨酯乳液的制备包括以下步骤：在氮气气氛下，将聚己内酯二醇、聚醚多元醇、羟基封端的聚甲基三氟丙基硅氧烷混合，升温至60℃保温10-15min，加入异佛尔酮二异氰酸酯、二月桂酸二丁锡，升温至78-82℃保温1-2h，得到预聚体；在氮气气氛下，向预聚体中加入2,2-双羟甲基丙酸，降温至58-62°c保温1-2h，加入对薄荷烷-1,8-二醇、2,2'-二氨基二苯基二硫醚，继续保温2-3h，降温降至38-42°c，加入三乙胺保温20-30min，用去离子水乳化1h，得到自修复聚氨酯乳液。

19、进一步的，聚己内酯二醇、聚醚多元醇、羟基封端的聚甲基三氟丙基硅氧烷、异佛尔酮二异氰酸酯的质量比为6：21：3.2：8；2,2-双羟甲基丙酸、对薄荷烷-1,8-二醇、2,2'-二氨基二苯基二硫醚的质量比为0.7：0.35：1.5。

20、本发明的有益效果：

21、本发明提供一种高硬度强化钢管及其制备工艺，通过调整成分及工艺，制备得到的强化钢管硬度高、耐腐蚀性好，且具有自修复的耐磨超疏水表面。

22、本发明中用溶胶凝胶法复合激光熔覆制备熔覆层，使碳化钛和碳化钼增强相在熔池中原位生成，增强与不锈钢板的润湿性并能避免熔覆层开裂，提高不锈钢的硬度、耐磨性和耐蚀性；用溶胶凝胶法制备激光熔覆所用的二氧化钛与复合碳纳米管的均匀混合前驱体粉体，达到降低激光熔覆中反应活化能的效果，与普通的粗晶材料相比，用溶胶凝胶方法制备的二氧化钛具有纳米级锐钛矿组织形式，制备的熔覆层致密性更好；采用复合碳纳米管作为碳源，使熔覆层中原位反应生成更多的陶瓷强化相，起到细晶强化的效果；先制备钼基框架，然后在碳纳米管表面附着钼基框架，通过高温热解，得到含钼掺杂的碳纳米管作为中间制剂，利用水热法在中间制剂表面原位生长钇锌双金属骨架，得到复合碳纳米管，其中稀土钇及金属钼的引入有利于协同细化熔覆层的晶粒尺寸，从而改善熔覆层的硬度与耐腐蚀性。

23、本发明在激光熔覆后引入离子渗氮处理，使组织更均匀细小，且激光熔覆层的成分设计加快了氮的扩散速度，与合金形成更加致密的铬氮化合物层，进一步提高了不锈钢钢管表面的硬度。

24、本发明在不锈钢钢管表面涂覆具有自修复性的防护涂料，为了提高钢管的抗机械损伤性，延长其使用寿命，在防护层中，用聚己内酯二醇部分替代聚醚多元醇，在分子链中引入羟基封端的聚甲基三氟丙基硅氧烷与异佛尔酮二异氰酸酯在催化剂的作用下制备预聚体，然后以2,2-双羟甲基丙酸为扩链剂，以对薄荷烷-1,8-二醇、2,2'-二氨基二苯基二硫醚为封端剂，合成了自修复聚氨酯乳液，同时引入复合碳纳米管为填料，涂覆在钢管表面形成具有耐磨、超疏水的自修复防护层，其中复合碳纳米管中含有的金属离子与自修复聚氨酯乳液存在金属络合，从而提高防护涂料交联网络的复杂度，且复合碳纳米管中的mof的独特结构也大幅提高防护层的耐腐蚀性。

技术特征：

1.一种高硬度强化钢管及其制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高硬度强化钢管及其制备工艺，其特征在于，固溶处理的工作条件为：升温至940-945℃保温70-80min，然后水冷冷却。

3.根据权利要求1所述的一种高硬度强化钢管及其制备工艺，其特征在于，激光熔覆处理的工作条件为：激光功率为1.4kw，扫描速度为4mm/s，圆形光斑直径为4mm，氩气流量为18l/min。

4.根据权利要求1所述的一种高硬度强化钢管及其制备工艺，其特征在于，离子渗氮处理的工作条件为：渗氮温度为450-465℃，保温时间为5h，工作气体为氮气与氢气混杂，氮气与氢气体积比为1：3，随炉冷却。

5.根据权利要求1所述的一种高硬度强化钢管及其制备工艺，其特征在于，所述防护涂料中复合碳纳米管与自修复聚氨酯乳液的质量比为2.2-2.8%。

6.根据权利要求1所述的一种高硬度强化钢管及其制备工艺，其特征在于，所述混合前驱体粉体的制备包括以下步骤：将复合碳纳米管、无水乙醇、去离子水混合，超声处理20-30min，加入钛酸四丁酯，升温至30-35℃，加入无水乙醇、冰醋酸、去离子水、盐酸的混合液，超声处理1-2h，干燥，研磨，得到混合前驱体粉体。

7.根据权利要求1所述的一种高硬度强化钢管及其制备工艺，其特征在于，所述复合碳纳米管的制备包括以下步骤：

8.根据权利要求1所述的一种高硬度强化钢管及其制备工艺，其特征在于，所述自修复聚氨酯乳液的制备包括以下步骤：在氮气气氛下，将聚己内酯二醇、聚醚多元醇、羟基封端的聚甲基三氟丙基硅氧烷混合，升温至60℃保温10-15min，加入异佛尔酮二异氰酸酯、二月桂酸二丁锡，升温至78-82℃保温1-2h，得到预聚体；在氮气气氛下，向预聚体中加入2,2-双羟甲基丙酸，降温至58-62°c保温1-2h，加入对薄荷烷-1,8-二醇、2,2'-二氨基二苯基二硫醚，继续保温2-3h，降温降至38-42°c，加入三乙胺保温20-30min，用去离子水乳化1h，得到自修复聚氨酯乳液。

9.根据权利要求8所述的一种高硬度强化钢管及其制备工艺，其特征在于，所述聚己内酯二醇、聚醚多元醇、羟基封端的聚甲基三氟丙基硅氧烷、异佛尔酮二异氰酸酯的质量比为6：21：3.2：8；所述2,2-双羟甲基丙酸、对薄荷烷-1,8-二醇、2,2'-二氨基二苯基二硫醚的质量比为0.7：0.35：1.5。

10.一种高硬度强化钢管，其特征在于，由权利要求1-9中任一项制备工艺制备得到。

技术总结
本发明涉及钢管技术领域，具体是一种高硬度强化钢管及其制备工艺，用溶胶凝胶法制备激光熔覆所用的二氧化钛与复合碳纳米管的混合前驱体粉体；采用复合碳纳米管作为碳源，在激光熔覆后引入离子渗氮处理；在防护层中，用聚己内酯二醇部分替代聚醚多元醇，在分子链中引入羟基封端的聚甲基三氟丙基硅氧烷与异佛尔酮二异氰酸酯在催化剂的作用下制备预聚体，然后以2,2‑双羟甲基丙酸为扩链剂，以对薄荷烷‑1,8‑二醇、2,2'‑二氨基二苯基二硫醚为封端剂，合成了自修复聚氨酯乳液，同时引入复合碳纳米管为填料，涂覆在钢管表面形成具有耐磨、超疏水的自修复防护层。

技术研发人员：李清,须才平
受保护的技术使用者：无锡市斯蒂欧管业有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31