钢铁热处理保护涂料研究

钢铁热处理保护涂料研究

王崇庆!王恩泽!余大兵

"西安交通大学材料科学与工程学院!陕西西安#$%%&’(

摘要)运用涂料保护原理配制涂料!比较分析了它们的保护效果*各组分的作用及加入量的影响+结果表明)以

,-./*01/.2为主要原料的涂层有较好的保护效果3水玻璃的加入量在2%45264时!涂料的保护效果和脱落性较好3加入熔剂可增强保护效果+

关键词)钢铁3氧化3保护涂料3粘态膜

中图分类号)78$6&96文献标识码)0文章编号)$%%$:2;$&"/%%&(%/:%%&2:%/

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金属材料热处理通常需要在空气介质中加热与保温!高温下材料极易发生氧化脱碳+氧化脱碳造成金属材料损耗!力学性能降低!同时为去除氧化脱碳层还要耗费人力*物力*财力=$>+

减少高温氧化脱碳的措施有真空保护加热*盐浴加热*可控气氛保护*零件外包覆不锈钢材料加热*快速加热*涂料保护加热等+其中涂料保护加热具有投资少*操作方法简单*成本低!适应性强等特点=/>+国内外科技工作者对热处理保护涂料从不同角度进行了研究!概括涂料保护机理为=$>)"$(溶膜屏蔽型保护机理+该机理利用涂层在加热过程中形成致密而牢固的玻璃状物或玻璃陶瓷状物!粘附在工件表面上!隔绝气氛和基体的接触!达到保护目的+"/(反应型保护机理+它利用硼化物加热熔融与钢表面的微量氧化物发生化学反应!形成薄的粘态溶膜!覆盖在钢铁的表面上!隔绝气氛和基体的接触!达到保护目的+"2(氧化还原型保护机理+主要特点是涂料中某些物质!加热到一定温度!首先和炉内气氛发生反应!造成靠近金属基体的活性介质贫乏!不能和基体发生反应!起到保护作用+其中溶膜屏蔽型保护机理被认为是热处理涂料能起保护作用的最主要原因+

$实验方法

热处理使用材料为2%#2?’,-!试样规格@%A2%

A&"44(+打磨试样表面使其光滑平整!用游标卡尺测量大小!用酒精清洗表面污物!烘干后用精确度为万分之一克天平称重+

涂料的制备过程是)根据所设计涂料的配比!用天平称量原材料!将原材料搅拌均匀!加入粘结剂和水继续搅拌!搅匀后放置一天!使粉料充分扩散以备使用+在称重后的试样表面刷涂料!充分晾干!以备热处理使用+

在箱式加热炉中按照热处理规范"’%%BA$96*!油淬(处理试样+淬火后!清理干净试样表面的氧化膜!再用酒精擦洗烘干称重+计算单位表面积氧化失重+氧化失重越小!则保护效果越好+

/实验结果分析

C9D涂料配比及效果分析

涂料耐火粉料主要含,-.

/*01/.2

等高熔点物质!涂料载液为水!粘结剂为水玻璃和酚醛树脂+

根据E%

/.:,-./

系统相图可知=2>!当,-.

/

含量大于#24时!加热到;%@B!系统出现液相!相组成为石英和液相+如果液相足够连接固态石英形成液态粘膜!

则此粘膜可起到保护作用+本文以E%

/.:,-./

体系为主!依据溶膜屏蔽型保护机理配制涂料+

表$中涂料$主要由,-.

/*E%/.

组成+,-.

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和E%/.是熔制玻璃最常用的两种氧化物!加热时这两种

F

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H热加工工艺I C J J G年第C期

工艺技术

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收稿日期)/%%2:%#:%/

作者简介)王崇庆"$’@’:(!男!山西晋城人!硕士研究生!主要从事金属

热处理保护涂料的研究工作+

万方数据

氧化物反应形成粘态膜!减缓气体与金属基体的接触!从而起到保护作用"由实验数据可知!该涂料有较好的保护效果"但因该涂料的耐火粉料为单一的氧化硅!其悬浮性差!易分层"

表#涂料及保护效果

试样状态

无涂料

涂料$涂料%涂料&涂料’失重()$*+,!-

.//+%,012331%’

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&12&

’12*

涂料%在涂料$的基础上加入含45%

6&的陶瓷原料!45%6&的熔点比786%高!有效地扩大了涂层的烧结范围!

可使涂层在更高的温度下起到保护作用"此陶瓷原料中含有较细颗粒!细颗粒的存在可改善涂料的悬浮性9涂刷性:细颗粒粒度较小!表面能高!有利于低温烧结!增强保护效果:通过合理的粒度级配!可以提高涂层的堆积致密度!降低孔隙率!增强保护效果"涂料&是在涂料%中另加入熔剂$制得的涂料"加入熔剂$后!降低了体系液相线温度!液相大约在2**;左右出现!

形成粘态膜"粘态膜形成愈早!保护作用愈好"其缺点在于其碱金属氧化物含量高而引起对金属基体的高温腐蚀"

涂料’加的熔剂是在熔剂$的基础上引入<%

6&!称之为熔剂%"<%6&是玻璃相形成物质!可以独立形成粘态膜!同时改善涂层性能!减少高温腐蚀性!减轻碱

金属氧化物的化学活性和腐蚀活性=’>"涂料’的综合保护效果较好"

?1?水玻璃加入量对保护效果的影响

保持涂料其他成分不变!水玻璃加入量分别为粉料的%,@9&*@9&,@9’*@时!其保护效果如表%"

表?水玻璃加入量的影响

水玻璃加入量%,@&*@&,@’*@失重()$*+,

!-.//+%

,1**

’13,,1$,,1%2脱落性

差

完全脱落

完全脱落

差

涂料涂覆在钢铁材料上形成涂层!涂层中水玻璃作为粘结剂将耐火粉料连接起来!水玻璃的加入量直接影响涂层的强度和致密度"涂层干燥和加热过程中!水玻璃失水生成硅凝胶!在’**A 2**;时!

硅凝胶结构水脱失!粘态膜出现蜂窝状气孔而不致密=,>

"水玻璃加入量低时!不能形成足够厚的粘态膜:加入量过高时!不致密的蜂窝状气孔影响保护效果"涂层的脱落性与涂层加热时形成的化合物及其膨胀系数相关!当形成低熔点玻璃相与金属粘合很好时!涂层冷却时不易脱落:当玻璃相与金属表面结合力小且膨胀系数相差大时!涂层易脱落"由实验结果可知!当水玻璃加入量在&*@A&,@时!涂料的保护效果和脱落性较好"?1B 熔剂对保护效果的影响

保护涂料低温时的粘态膜主要由水玻璃形成!

当加热温度超过2**;后!

为了保证粘态膜的致密性!加入碱金属氧化物C D %6E 作为助熔剂!降低玻璃相出现温度"实验表明F 只加入一种D %6时!当加入量超过一定量后!随着加入量增加!保护效果提高不明显:同时加入两种D %6可进一步降低玻璃相的出现温度!D %6的总加入量大大减少!保护效果明显提高"D %6总加入量的减少有利于降低其对钢铁基体的高温碱腐蚀"

&结论

C $E 以786%945%

6&等原料为耐火粉料和以水玻璃为粘结剂制作涂料形成的涂层在G **;以下对钢铁材料热处理有较好的保护作用"

C %E 含45%6&陶瓷原料的加入可拓宽温度烧结范围!提高涂料的使用温度!同时改善涂料的悬浮性"C &E 当水玻璃的加入量在&*@A &,@时!涂料的保护效果和脱落性较好"

C ’E 同时加入两种碱金属氧化物作为熔剂!

可进一步降低玻璃相出现温度!减少D %6的总加入量"参考文献F

=$>符长璞1金属加热保护涂料保护原理及应用=H

>1热处理!$G G 3!C &E F %01

=%>冯铭瑶!王重生1I4J K $高温防腐蚀涂料=H

>1材料保护!$G G 2!C ’E F $’1

=&>黄勇1相变与相图=I >

1北京F 清华大学出版社!$G 301=’>石子源!王旭东1碳钢高温防氧化脱碳涂料=H

>1新技术新工艺!$G G 0!C %E F &21

=,>曹文龙1铸造工艺学=I >

1北京F 机械工业出版社!$G 3G 1L

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