玻璃基高温防氧化涂料的研究

1、37玻璃基高温防氧化涂料的研究梁 文1,张 炼2,吴金平1(1 . 中国地质大学材料科学与化学工程学院, 湖北 武汉 4300722 . 武汉材料保护研究所, 湖北 武汉 430030)摘 要 为了减少金属材料在热处理过程中高温氧化所造成的损失,针对h13钢研制了一种耐高温玻璃基保护涂层。高温氧化试验表明,在 800 1 100 下 ,该玻璃基涂料对h13钢具有良好的防护效果,并对该涂层的防护机理进行了探讨。关键词玻璃基涂料;高温涂料;防氧化;h13钢中图分类号tg174 . 42文献标识码 a文章编号 1001 - 1560(2007) 03 - 0037 - 03收稿日期200610150

2、 前 言金属在高温氧化性气氛下都会发生氧化,同时伴随表面脱碳,而对于合金钢来说,还会造成金属中合金元素的贫化,影响金属的质量和力学性能等。氧化造成的材料腐蚀和表层脱碳,既使材料的组织受损,又增加了去除氧化皮和脱碳层的处理工序,极大地影响了钢铁材料生产的经济效益,因而一直为人们所关注。一般认为,在空气中加热的氧化烧损为金属本身质量的 3% ,加上一些产品需以切削加工方法除去表面脱碳层 ,氧化脱碳的损耗会达到5%的程度 1。且金属的氧化与加热温度和加热时间密切相关 2 ,它随温度的升高 、 加热时间的延长而变得更加严重。采用无机高温抗氧化涂层是降低金属高温氧化损耗行之有效的方法,尤其是料浆涂覆法制

3、备的无机高温抗氧化涂层以制作方便、 成本低廉而得到广泛应用 3。所谓无机高温抗氧化涂层,即在工件进行热加工前涂覆耐高温玻璃- 陶瓷涂料,热处理时该涂料以熔融态包覆于工件表面,形成完整的保护膜,隔绝高温炉气与金属表面的直接接触,保护其不被氧化,且工件冷却后涂层易于去除 4。由于所需保护的金属基体不同以及具体的保护要求不同,相应地需要采用不同性能的涂层 。目前 ,有不少关于“ 保护涂料” 的专利及研究文献 16 ,但对涂层防护效果和防氧化机理的研究却很少 。基于此 ,本工作研制了一种成本低廉、 性能优良、可用于中碳钢及合金结构钢的防氧化保护涂料,并在试验的基础上初步探讨了其保护机理。1试 验1 .

4、 1涂料的制备在参考文献 7 和大量试验的基础上,确定中碳钢及合金结构钢用防氯化保护涂料以硼硅酸盐玻璃为主 ,以水为溶剂,加入一定的添加剂和粘结剂构成。涂料粉体的具体成分见表1。表1涂料的主要成分成分si o2b2o3a l2o3caona2o + k2o质量分数/ %68. 227. 30. 90. 53. 1na2o和 k2o的质量比应遵循 “ 双碱效益” 的原则 ,即其摩尔比为21。涂料的成分可以化工原料加入,也可以矿物原料加入,如可用高岭土(a l2o3? 2sio2?h2o)代替组成中的a l2o3和si o2,这样不但可以降低成本 ,而且高岭土的加入还可以使得涂料具有一定的悬浮性

5、与 稳 定 性 8。以 粉 体 、 硅 溶 胶 、 水 按 质 量 比613的比例混合,并加水充分搅拌成具有一定黏度的白色浆料,静置2 h后即可使用 。1 . 2试样制备本试验钢样采用c2cr2 mo 2si2 v型钢 h13钢 ,其含碳量为0 . 37% 0. 42% ,属中碳钢,应用极其普遍。在涂覆涂料之前,将 30. 5 mm 30. 5 mm7. 0 mm 的h13钢样放入碱液中加热脱脂,用热水仔细清洗去除钢样表面残留的碱液膜,干燥后采用刷涂法在钢样表面涂覆150300m 厚的釉浆,并在烘箱中于4060第40卷 第3期2007年3月材料保护m ater ials protecti on

6、vol. 40no. 3m ar . 200738的温度下干燥1 h,即可得到具有一定硬度的均匀涂层 。1. 3 试验方法及性能检验先用 dt 2100型万分之一电子天平分别称量有涂料的钢样和未加涂料的钢样,然后把试样放入马弗炉进行高温氧化试验,于 600 1 200 煅烧一定时间出炉 ,待其冷却后再对其进行称量;用 leitz mm6 金相显微镜对其脱碳层和氧化层形貌进行分析。2 结果与讨论图 1为试样在高温1 020 保温1 h后的宏观照片 。由图 1可以看出,涂层的防护效果相当明显。有涂层保护的钢样高温氧化后在流水中冷却,涂层大部分自剥落,其余的用尖锐物敲击可使其剥落,剥落后的基体表面呈

7、白色,钢样四周被氧化是因为四周垂直面未加涂层,且氧化前打印的编号清晰可见,而无涂层保护的钢样整个表面生成了一层青色的氧化膜。图1试样高温氧化后的宏观照片2. 1 涂层的防氧化作用钢样在8001 200 下的氧化增重情况见图2。图2试样氧化增重量与温度的关系由图2中可以看出,在 600700 时 ,有涂层保护的钢样与无涂层保护钢样区别不明显,这是因为该温度范围内涂料的成分还没有完全熔化,为一多孔涂层,不能起到防氧化的作用。而到8001 100 时 ,有涂层保护的钢样氧化增重量明显比无涂层保护钢样的增重量少得多,说明该温度范围内涂层已熔融成玻璃状,隔绝了氧气与钢样基体的接触,从而达到了防氧化的目的

8、 。且在8001 000 的范围内,无涂层保护钢样的增重量随时间的增加而增加,而有涂层保护的钢样氧化增重量近似一水平线,说明涂层的防护效果不但明显,而且稳定 。图 3为 1 000 下加热时间对钢样氧化增重量的影响 。由图 3可以看到,随着氧化时间的延长,无涂层保护钢样的氧化增重量也增加,但增加量逐渐减少,这可能是生成的氧化皮具有一定的防氧化作用而致。而有涂层保护的钢样在该温度下,氧化增重量为一水平线 ,说明涂层一旦形成熔融的玻璃体,它的保护作用将非常稳定,防护效果也相当理想。图3试样氧化增重量与时间的关系2 . 2涂层的防脱碳作用图 4是试样在1 020 下保温1 h后 ,放大200倍的截面

9、金相图。从图4a中可以看出,无涂层保护的钢样表面在高温下被严重氧化,图 4a中最左端黑色区域为氧化皮,其厚度约为10m,氧化皮右边的浅色区域为脱碳层,脱碳层和氧化皮的厚度大约相当,也是10m。而图 4b中只有左边薄薄的一层氧化皮,厚度大约为 1. 5m,仅为无涂层保护的15% ,且在图4b中看不到任何的脱碳层,可见涂层的防氧化及防脱碳效果均相当理想 。图4试样高温氧化的金相截面图2 . 3涂层防护机理探讨目前对涂层的防护机理的解释主要有溶膜屏蔽型玻璃基高温防氧化涂料的研究39保护机理,反应型保护机理,氧化还原型保护机理。参考文献 3, 7, 9, 10,结合本试验的具体情况,对该玻璃基涂层防护

10、机理分析如下:在涂层的原始状态下,涂层是多孔性的不致密涂层 ,故在常温下,大气中的氧化性成分能通过这层多孔性的涂层扩散到金属基体表面与之反应,致使金属氧化 。且在涂层融化为玻璃状物质形成致密涂层之前,这种氧化并不会减少。这就是在600700 范围内 ,有涂层保护钢样与无涂层保护钢样的氧化增重量区别不明显的主要原因。随着加热温度升高,涂层渐渐脱水烘干 ,进而开始烧结与软化,涂层厚度减薄,涂层中的气孔尺寸不断减小,涂层密度增大,孔隙率下降。当涂层达到软化温度时,孔隙率急剧减少,接近于零,同时涂层开始融化成玻璃状,形成致密防护层。且在此后较长的加热升温和保温时间里,涂层粉料熔化而呈熔融状态,在金属基

11、体表面形成致密的、 不透气的液态黏附层 ,从而达到保护金属基体的目的。这就是在8001 100 保温13 h,有涂层保护钢样的氧化增重量保持不变,且比无涂层保护钢样氧化程度要小得多 。随着温度的进一步升高,玻璃状的涂层开始流淌,使得涂层不能很好地覆盖在钢样表面,钢样的氧化开始增加 ,而当温度高于1 200 时 ,涂层中碱金属氧化物以及b2o3与钢样发生剧烈的化学反应,使得钢样表面严重腐蚀,从而失去了保护作用。所以对于玻璃基高温防氧化涂层,当其达到软化温度后,且只要玻璃状的涂层不流淌,不与钢样发生化学反应,涂层对钢样的保护是非常稳定的。金属的热加工温度范围一般为500950 ,锻造温度一般为75

12、01 180 11 ,而本涂料在8001 100 具有很好的防护效果,能满足大部分热处理工艺的要求。3 结 论(1)在 8001 100 条件下 ,以 sio2、 b2o3为主要成分的玻璃基涂料,对 h13钢的防氧化防脱碳有着良好的防护效果。(2)在涂层达到软化温度前,钢铁材料的表面氧化是不可完全避免的,但当涂层融化成玻璃状物质后,其形成的致密防护层对基体的防护相当稳定。参考文献 1 白力静,梁 戈,李虹燕,等.常用中碳钢氧化特性研究 j.西安工业学院学报, 2005, 25(5): 460464. 2 周继良.碳素钢高温抗氧化涂料的研究d .西安:西安建筑科技大学, 2005: 12 . 3

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