合金鋼熱處理防氧化保護涂料

文/呂步云，段素杰·北京天力創玻璃科技開發有限公司段述蒼·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·北京天力創玻璃科技開發有限公司段述蒼·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都是在空氣介質爐加熱。由于在高溫下合金鋼極易和空氣中的氧發生氧化反應，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。為此北京天力創玻璃科技開發有限公司（以下簡稱“北京天力創”）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、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。

北京天力創研制的合金鋼熱處理防氧化保護涂料有以下優點：

（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，玻璃態物質逐漸軟化、致密，形成穩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配合。

（4）涂層所用原料無毒無味，對環境無污染。

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、粘結劑和表面活性劑等。粘結劑的作用是將玻璃、陶瓷、化工和礦物材料粘結在一起形成涂料，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?，F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。現場試驗見圖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涂料的結構鋼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秒鐘，再用刷子、布擦拭干凈，觀察其剝落情況。

檢測結果

合金鋼熱處理用防氧化保護涂料后，工件尺寸、重量、淬透性、常規機械性能、疲勞強度等沒受影響，沒有滲入元素現象。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、燒制工藝對防氧化能力的影響

合金鋼材質中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，從而使涂層更加致密，有效地隔絕了氧向基體的擴散。當溫度繼續升高、時間繼續延長，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。我們在設計涂料配方時力求使涂層與合金鋼的線膨脹系數盡可能有較大的差別，在冷卻時產生高的應力，從而保證涂層從鋼件表面清理下來。