文/呂步云，段素杰·北京天力創(chuàng)玻璃科技開發(fā)有限公司段述蒼·西安航天動力機械廠

合金鋼熱處理防氧化保護涂料

文/呂步云，段素杰·北京天力創(chuàng)玻璃科技開發(fā)有限公司段述蒼·西安航天動力機械廠

在合金鋼熱處理中防氧化保護涂料起著重要作用，如合金鋼淬火、回火、正火、退火及表面加熱熱處理大多數(shù)都是在空氣介質(zhì)爐加熱。由于在高溫下合金鋼極易和空氣中的氧發(fā)生氧化反應，使金屬被氧化，形成氧化皮，合金鋼材料同時還發(fā)生脫碳。氧化不僅造成合金鋼材料大量損耗和機械性能降低，而且為去除氧化脫碳層還要耗去大量人力、物力和財力。為改變這種狀況，人們研究了可控氣氛熱處理和真空熱處理。這類熱處理雖然可靠，但其工序復雜、成本昂貴，而且往往還受工件尺寸和形狀限制，如特大型工件就很難采用此方法。為此北京天力創(chuàng)玻璃科技開發(fā)有限公司（以下簡稱“北京天力創(chuàng)”）多年來一直開展適用性廣、可靠性強、使用方便的合金鋼防氧化保護涂料的研究。

北京天力創(chuàng)研制的PT、YT系列合金鋼防氧化保護涂料，可在不同的溫度下涂覆，并且在不同的熱處理工藝條件下防氧化效果明顯，氧化燒損率減少90%以上，熱處理后涂層自動剝落或用水沖刷、油淬冷、刷子和布清理掉。在重型鋼鐵機械企業(yè)、航空、航天廠家中使用效果好，解決了長期困擾合金鋼熱處理防氧化保護的問題。

合金鋼熱處理中使用防氧化涂料的優(yōu)點

合金鋼熱處理防氧化保護涂料一般由玻璃、陶瓷、金屬氧化物、化工和礦物原料、粘結(jié)劑、表面活性劑和溶劑等多種組分組成，大多是一次性使用的，合金鋼涂覆保護涂料后，經(jīng)加熱、保溫、冷卻后，即完成了自己的保護使命，該涂層被清除掉。

北京天力創(chuàng)研制的合金鋼熱處理防氧化保護涂料有以下優(yōu)點：

（1）采用合金鋼熱處理防氧化保護涂料，不僅對合金鋼熱處理達到理想的防氧化保護效果，而且使用方便、靈活、不受工件尺寸和形狀的限制，投資少、效益高。

（2）采用合金鋼熱處理防氧化保護涂料，可以避免合金鋼的氧化損耗以及清除氧化皮的繁瑣工序，在熱處理后工件表面光亮，基本上保持了工件的尺寸規(guī)格。

（3）可以避免合金鋼零件熱處理過程中因脫碳而造成的性能改變，延長了工件的使用壽命。

合金鋼熱處理防氧化保護涂料的保護機理

熔膜屏蔽型保護機理

涂層在合金鋼熱處理過程中形成致密而牢固的玻璃陶瓷薄膜，隔絕氣氛和基體的接觸，達到防氧化保護的目的。在加熱升溫過程中，玻璃態(tài)物質(zhì)逐漸軟化、致密，形成穩(wěn)定的不會流淌的致密玻璃陶瓷涂層。

反應型保護機理

利用氧化物低共熔反應機理，形成半熔融狀態(tài)的、粘稠的陶瓷熔膜，均勻而牢固地覆蓋在合金鋼的表面上，隔絕了氣氛和基體的接觸，達到了熱處理防氧化的目的。

合金鋼熱處理防氧化保護涂料的要求

（1）涂層對合金鋼的物理性能、力學性能和化學成分無影響。涂層中成分應對被保護的合金鋼呈化學惰性。

（2）涂層應有較寬的使用溫度范圍。在熱處理過程中，涂層應和工件表面有好的結(jié)合力。

（3）涂料易涂覆在工件表面上，有較好的潤濕性，涂層干燥后粘接牢固。熱處理完成后，涂層能用較簡單的辦法清理干凈并有合理的膨脹系數(shù)配合。

（4）涂層所用原料無毒無味，對環(huán)境無污染。

熱處理防氧化保護涂料的制備、施工工藝和涂層清理

涂料制備

根據(jù)配方將原材料按比例混合、球磨、過篩、檢測顆粒度。

常用原材料

（1）玻璃材料：各種牌號的玻璃粉。

（2）陶瓷、化工材料：三氧化二鋁、氧化鋯、氧化鎂、三氧化二鉻、純堿、硼砂、碳化物、氮化物和硼化物等。

（3）礦物原料：石英砂粉、長石粉、白云石粉等。

常用原料成分見表1。

表1 原料成分（%）

（4）輔助材料：粘土、粘結(jié)劑和表面活性劑等。粘結(jié)劑的作用是將玻璃、陶瓷、化工和礦物材料粘結(jié)在一起形成涂料，便于施工應用。

涂覆和燒制工藝

（1）工件表面除油除銹。

（2）涂層涂覆道次和涂層厚度：用毛刷人工刷或用噴槍噴涂均可，要求平整光滑，涂覆道次影響涂層的厚度和保護效果，一般保護涂層厚度控制在0.1～0.6mm之間。

（3）涂層干燥：自然干燥或80～120℃烘箱干燥。

（4） 燒制工藝：見現(xiàn)場試驗條件和方法。

（5）涂層清理：合金鋼熱處理后保護涂層易清理或機械去除、噴砂和酸清理。

現(xiàn)場試驗條件和方法

YT-8合金鋼熱處理防氧化保護涂料

馬弗爐；可控硅控溫；試驗鋼種為軋輥鋼50Cr5MoV；試樣尺寸：軋輥直徑D=1.6m、長1.8m、重量約27～30t；表面粗糙度Ra1.6～3.2μm；熱處理工藝為550℃×50h。現(xiàn)場試驗見圖1、圖2。

PT-167合金鋼熱處理防氧化保護涂料

燃氣爐；試驗鋼種為300M；試樣尺寸為0.5m×0.5m×0.5m；燒制工藝為1170℃×10h。

PT-234合金鋼熱處理防氧化保護涂料

燃氣爐；試驗鋼種為42CrMo；試樣尺寸為0.6m×0.6m×0.6m；燒制工藝為1200℃×4h。

PT-190合金鋼防氧化保護涂料

井式電阻爐；試驗鋼種為30CrMnSi；試樣尺寸：1m×0.4m×0.004m；熱處理工藝為930℃×1.5h?，F(xiàn)場試驗見圖3、圖4。

圖1 涂覆YT-8涂料的軋輥正吊裝進入電爐中

圖2 熱處理后出爐水淬、涂層剝落處呈金屬光澤

圖3 涂覆PT-190涂料的結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSi

圖4 熱處理后出爐3#機油淬冷、涂層剝落呈金屬光澤

表2 各種涂料的防氧化效果

檢測

抗氧化能力檢測

預先稱試件重量，試件涂覆涂料加熱后去掉表面涂層和氧化鐵皮，再稱試樣重量，求出試樣單位表面積重量損失。與同等條件下不涂涂料的裸材試件比較。重量損失越少則涂層的抗氧化能力越強。在相同加熱條件下，合金鋼的氧化燒損減少率計算公式為：

X=[(G-L）/S-(G-F）/S]/[(G-L）/ S]×100%

式中：X—氧化燒損減少率 %

G—鋼件原始重量kg

L—鋼件裸燒后（除掉氧化皮）的凈重量 kg

F—涂覆防氧化涂料鋼件燒制后（除掉涂層和氧化皮）的凈重量kg

S—鋼件原始表面積 m2

涂層剝落性的檢測方法

試件出爐后用自來水沖洗數(shù)秒鐘，再用刷子、布擦拭干凈，觀察其剝落情況。

檢測結(jié)果

合金鋼熱處理用防氧化保護涂料后，工件尺寸、重量、淬透性、常規(guī)機械性能、疲勞強度等沒受影響，沒有滲入元素現(xiàn)象。各種涂料的防氧化效果見表2。

分析與討論

涂層厚度對防氧化能力的影響

涂層薄，防氧化效果不明顯；涂層太厚干燥時易開裂，涂層厚度控制在0.1～0.6mm之間。

合金鋼材質(zhì)、燒制工藝對防氧化能力的影響

合金鋼材質(zhì)中C、Mn等元素含量越高、加熱溫度越高、時間越長，反應越劇烈，燒損越嚴重。隨著溫度逐漸升高，涂層中逐漸形成了熔融物質(zhì)，從而使涂層更加致密，有效地隔絕了氧向基體的擴散。當溫度繼續(xù)升高、時間繼續(xù)延長，涂層中熔融物黏度降低，致密程度降低，隔絕層逐漸變薄，防氧化能力下降。

涂層的清理

合金鋼熱處理完成后，其表面的涂層應全部清理干凈。我們在設(shè)計涂料配方時力求使涂層與合金鋼的線膨脹系數(shù)盡可能有較大的差別，在冷卻時產(chǎn)生高的應力，從而保證涂層從鋼件表面清理下來。