防氧化脱碳涂料对钢铁材料热处理保护

浅谈防氧化脱碳涂料对钢铁材料热处理的保护

摘要：钢铁材料在热处理的过程中，很容易受高温影响而发生氧化脱碳的现象，使得钢铁材料表面形成氧化层，不仅会使材料浪费严重，而且增加了一定的工作量。如果在对其进行热处理之前为其涂上防氧化脱碳涂料，则可以在一定程度上防止这种情况的发生。本文主要针对这种情况，研究了硅酸盐防氧化脱碳涂料对45#钢和40cr钢铁材料在热处理过程中的保护作用，并对其防护原理进行了简要的分析。

关键字：防氧化脱碳涂料；钢铁材料；热处理

一、防氧化脱碳涂料的优点

目前在机械加工领域中，为了防止钢铁材料热处理过程中氧化脱碳的情况发生，人们研究出了很多的方法和措施，比较常用的有：装箱加热法，真空加热、控制气氛加热法，盐浴热处理法等[1]。但是这些方法各自都存在一些不足，比如有的比较耗时耗力，有的各方面要求比较严格，有的污染比较严重等，都不能很好的在钢铁材料在加热处理过程中的氧化脱碳现象起到比较全面的防护作用。涂料保护加热法与上述的一些方法相比，具有比较明显的优势，对于钢铁材料热处理过程中氧化脱碳情况不仅有比较好的防护效果，而且花费比较少、操作简便、需要的设备并不复杂、适应性较强、性能优良等，对于碳钢或者合金结构的钢铁材料都有比较好的保护防氧化脱碳作用，因此目前有很好的应用前景。

二、硅酸盐防氧化脱碳涂料对钢铁材料热处理的保护

硅酸盐防氧化脱碳涂料的配置主要是综合了三种保护机理，分别是化学反应、熔膜屏蔽和氧化还原，以此为主要依据来实现涂料对于钢铁材料在热加工处理中的防氧化脱碳作用。其中涂料的基本原料选用的是al2o3、cr2o3和sio2这三种氧化物，而粘结剂则选用了硅酸钾和硅酸盐的水溶液。对于45#钢和40cr钢，部分使用

crl2mov、crwmn、t8、t10、50crnmio、35crmnsia等材料。

在使用之前，首先要对钢铁材料的表面进行清理，然后将所配置的涂料涂上，厚度控制在0.1-0.5mm，涂完之后令其自然风干。这样当钢铁材料进行热处理时，即使是处于1100℃的高温，也不会轻易被氧化，其保护作用大概可以维持4小时。在钢铁材料被涂上硅酸盐抗氧化脱碳土层进行热处理之后，对其表面上的土层再进行分析，发现45#钢的涂层外表各元素成分基本上不变，内层中铁元素含量有所增加，而40cr钢的涂层内层中cr、si、k、al等合金元素含量有所增加。由此可见，40cr钢涂层内表面cr元素减少量比45#钢要少很多，所以，在涂层的保护下，合金钢的组分会发生部分烧结的现象[2]。并且该防氧化脱碳涂层在加热过程中很容易发生水分蒸发或者有机物燃烧、杂质碳酸盐分解等情况，因而有可能会出现一些孔洞，所以用涂料也无法完全避免钢铁材料的氧化，但是可以明显地将其氧化和脱碳的程度降低。

三、防护原理分析

1.涂料的防护原理

由于本文所选用的涂料的主要成分为sio2、sic、al2o3、cr2o3、

钾长石等，并且选择的粘结剂为硅酸钾，因此除了cr2o3和sic之外其余的成分都可以归并为钾、铝的氧化物和硅酸盐，所以其防护原理可以借助k2o-al2o3-sio2系统来进行分析。如下图所示：

图1k2o-al2o3-sio2系统

由该图可以看出，k2o-al2o3-sio2的元素配比具有的熔点各不相同，即使每一种单独的元素的熔点比较高，但是将其与其他元素按照不同的比例进行混合，它的熔点将会受到一定的影响，变化程度跟其在混合物中所占的比例有关。本文所选用的涂料主要是以硅酸钾的水溶液作为粘结剂，在室温下将不易熔的粉料sio2、sic、

al2o3、cr2o3等进行粘结，待其风干后即成为比较牢固的涂层。在对钢铁材料进行热处理时，这样一层牢固的涂层将会在其熔点一下温度时对钢铁材料起到防氧化脱碳的作用。但是在加热过程中，涂层中的水分首先要蒸发出去，这样在硅酸钾还没有被熔化而粉料已达到其熔化温度的时候，涂层在一定的温度区间将会呈现多孔性，这样氧就会通过这些孔洞到达钢铁表面，因此涂层不能完全避免氧化[3]。

2.粉料的防护原理

首先，粉料在钢铁热处理过程中会形成比较致密的涂层熔膜。本文所选用的粉料主要是由k2o、al2o3、sio2等组成，大都符合985℃的共熔点，即要在大于985℃时才能形成比较牢固的熔膜涂层，从而可以将钢铁材料和空气进行隔离，起到防护作用。但是由于粉料是依靠机械进行混合，所以在不同的微区其成分的比例也不一样，

这就导致温度比较低的时候也有共熔点的成分存在，所以涂层在不同的温度区间将有可能软化。而氧在温度较低时，可以通过软化的涂层的缝隙进入到钢铁表面，和铁或者其合金元素合成氧化物附着于钢铁表面，机械阻碍其进一步被氧化。或者所形成的氧化铁与其他氧化物进一步形成复合氧化物来促进烧结，当使涂层在温度逐渐升高、部分熔化时，将涂层产生的空隙填充，或者促进其烧结，这样就可以在一定程度上使得涂层更加致密和牢固。

其次，在钢铁材料进行热处理过程中，各物质之间会发生一些氧化还原反应，从而降低了氧化程度。比如，涂料中的sic在温度达到850℃附近的时候，可以和炉气气体中的氧发生下面的反应：

sic+2o2→sio2+co2↑，sic+o2→sio2+[c]

这样，涂层就可以将钢铁热处理过程中的氧进行氧化还原，从而减少了氧元素的成分，对于钢材起到了一定的防氧化作用。同时其氧化还原过程中还生成了活性碳原子，并渗入到了钢材内，这样就在一定程度上对于钢材的脱碳起到了防止或者减缓的作用。

四、结语

防氧化脱碳涂料对于钢铁材料在热处理过程中容易发生的氧化脱碳现象具有比较好的防护作用，可以在一定程度上减少钢材的氧化，并且减轻脱碳，降低了机械生产的成本，防止了材料的浪费。但是目前还不能做到钢铁材料氧化的完全避免，但是事实上轻微氧化产生的少量氧化物也可以进一步提高涂料的防氧化能力[4]。

参考文献：

[1]周岩，吴立成，李熹文.高速钢轧制过程中防氧化脱碳涂料的研究[j].河北工业科技，2009，21（5）：8.

[2]符长璞.钢铁材料热处理防氧化涂层的研究[j].金属热处理学报，1996，13（1）：16-18.

[3]梁逵.高温型热处理保护涂料的研究和应用[j].金属材料热处理，2001（3）：11～13.

[4]索采夫cc，图曼诺夫at[苏]著，陆若索，北行，乐而伯译.金属加热用保护涂层[m].北京：机械工业出版社，1979：9～13.