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                金屬熱處理保護涂料使用中幾個常見問題的探討

                添加時間:2008-3-24 點  擊  數:6449


                摘要 本文對國內市售熱處理保護涂料在使用中有關涂覆、干燥、貯存及自剝等問題進行了探討,分析了原因,提出了相應對策。

                一、前言
                在市場競爭中,熱處理行業在提高產品質量,降低消耗,保護環境方面的要求越來越高。廣泛采用各種優質、廉價的工藝材料,對實現上述目標大有幫助。保護涂料作為工藝材料的一大類在我國已問世二十余年。它在節材、節能、簡化工藝、保護環境等方面已顯示出顯著的經濟效益。為迎接第五次全國熱處理工藝材料交流會的召開,據筆者十多年實踐及熱處理行業反映的問題與要求,就下述幾個常見問題進行探討。
                保護涂料種類繁多,有防氧化、防脫碳、防滲碳、防碳氮共滲、防氮化、防滲硼及防滲各種元素的涂料等。在國內生產的涂料中,多采用硅酸鹽陶瓷、硼酐等為主要屏蔽物資;粘結劑采用無機粘結劑或有機粘結劑;分散介質采用水或有機溶劑。國內以水性涂料為主。本文將主要討論硅酸鹽水性保護涂料。
                二、幾個常見問題的討論

                1. 涂覆工藝性能

                市售涂料有成品漿料和填料(粉料)加漆料(水性粘結劑)兩大類。不管哪一類,涂覆前都要調成均勻的懸浮體,才能實現刷涂、噴涂、浸涂等作業。將硅酸鹽粉料均勻分布在被保護的工件表面后,使其在熱處理溫度下形成均勻的硅酸鹽陶瓷層,起到隔離氣氛的作用。涂覆工藝的關鍵是在達到工藝要求厚度的基礎上盡量均勻。影響均勻性的因素有下述幾個方面。
                1.1 粘度影響
                漿料型涂料,因其粉料、粘結劑、分散介質等成分固定。漿料粘度適中,其觸變性、流平性、流掛性等均已調整好。涂覆時涂層的均勻性有保證,容易達到工藝要求的厚度。
                填料加漆料型涂料,兩者分裝,由操作者現場調用。雖然兩者配比有明確規定,但在調配時,操作者往往憑經驗或感覺,不僅成分有波動,漿料的粘度等主要指標也很難掌握,造成涂覆困難。如果粘度偏高,在刷涂時涂層不易流平,刷痕深。有時涂層內還夾雜氣孔,使工件表面與涂層接觸不好。在浸涂時易產生涂層過厚,使材料浪費,干燥困難。噴涂時因流動性不好,操作困難。反之,當粘度偏低時,刷涂、浸涂、噴涂都容易產生流掛,涂層厚度達不到要求。涂層不均勻、涂層過厚、過薄,都會降低涂料的保護效果。
                任何涂料,都應有理想的粘度范圍。不同的涂覆方式,粘度可不同,但流平性要好,要易達到工藝要求的涂層厚度,要使操作者容易掌握,方便操作。
                1.2 表面活性劑影響
                涂覆操作前,工件表面清洗、脫脂、除油、去污必不可少,但在實際生產中往往不盡人意。為使涂覆操作方便,要求漿料本身有一定的去污能力。當涂料無此功能時,如工件不凈,涂料很難涂覆上。即使表面覆蓋,因油污作用,使涂層與基體結合不牢,干燥后容易脫落。
                涂料之中加入適當的表面活性劑,將對涂料的潤濕有所改善,具有一定的去污能力,使涂料容易涂覆,增加涂層與基體的結合力。同時因表面活性劑的作用,對填料的分散穩定性有益。加入的表面活性劑應嚴格篩選,應對料漿的穩定性無影響,不使填料粒子或膠體粒子產生絮凝。另外,要求加入表面活性劑的起跑性應小,減小涂料調配時產生的氣泡。
                1.3 分散介質影響
                涂料的分散介質有水和有機溶劑兩大類。以水為分散介質涂料的優勢勿庸置言。以有機溶劑為分散介質的涂料的優點是干燥快,不受或少受氣候的影響,給用戶帶來方便。由于溶劑氣味大、有的有毒、價格高、使用不安全等,使其應用受到一定限制。
                由于有機溶劑易發揮,若溶劑搭配不當,有的涂料因揮發太快而涂覆困難,不易刷平。又因氣味大,使操作者無耐心仔細涂刷,更易造成涂層不均勻,影響涂層的保護效果。
                水性涂料的主要缺點是干燥困難。有關這一問題,下面將專題討論。

                2. 干燥性能
                目前國內以水性涂料為主。多數產品都對干燥條件作了明確規定,提出了自然干燥時間及烘干溫度與時間參數。能大膽提出不用烘干,四季均可采用自然干的涂料不多。有的含糊其詞,對自然干燥受濕度的影響業不說明。由于多數水性涂料需要烘干,它業就成了生產中的一個障礙,給用戶帶來不便。
                針對水性涂料的這一問題,筆者作了些研究,在此提出交流討論。
                2.1 水份對涂層保護效果的影響
                涂層干燥的作用是把涂料中充當分散介質的水份從涂層內部逸出,使殘留的硅酸鹽粉料與粘結劑等一起牢固附著在工件表面,在熱處理爐內形成完整、致密的保護層。如果涂層內的游離水份不逸出,隨工件進爐,溫度急劇上升(從室溫升至數百攝氏度),水份立即氣化,大量水氣沖出涂層。如果涂層表面氣體通道不夠多時,就會把涂層沖破,破壞了涂層的完整性。當溫度升至熱處理工作溫度時,如涂層還不能自身彌合,被破壞部分表面必然失去保護作用。
                涂料中漆料(粘結劑水溶液)含量對干燥性能影響很大。涂料越多,干燥涂層易形成光亮、光滑、致密的涂層。表面越致密,氣體通道越少,升溫后水氣逸出時,表面層就越易起泡、破裂。起泡、破裂面積大,在工作溫度下越不易彌合,越易失去保護效果?梢酝ㄟ^調整硅酸鹽陶瓷層的粘度(熱處理工作溫度下)的辦法來改善其彌合性。但要注意,粘度低、自彌合能力強,也就彌補了涂層破裂造成的缺陷,能改善涂層的防護效果。與此同時,粘度低后,在重力作用下,涂層易滴掛、流淌。如果陶瓷液滴滴到非保護面上,會造成損失。市售某防滲碳涂料,因其在滲碳溫度下有流淌想象,造成滲碳面未滲碳,硬度降低,達不到工藝要求,嚴重者工件報廢。
                涂層厚度對干燥性能也有影響。涂料不同,要求涂覆的厚度也不同。從要求0.1~0.2mm到2~3mm不等。涂層越厚所含水分越多,水份要從涂層內部逸出越困難,自然干燥不易干透,烘干容易破壞涂層的完整性,自然影響保護效果。當然涂層厚,增加了高溫下的自彌合性,也提高了殘留涂層的自剝性能,增加了成本,這些都是開放人員應綜合考慮的。
                只要求自然干燥的涂料,使用者應注意空氣溫度、濕度的影響。南方霉雨季節濕度很大,為縮短工件在線周期,建議應適度烘干厚進爐熱處理,以免產生不必要的缺陷。
                2.2 對策
                為了實現自然干燥或低溫快速烘干,在涂料配方設計時,應考慮如下問題:
                2.2.1 在控制好涂料粘度的前提下,應提高涂料的顏料體積濃度(PVC),降低漆料漿中粘結劑濃度。粘結劑量以保證涂層有足夠的粘結強度即可,不宜過多。過多的粘結劑,只會集結在涂層的表面,形成不易透氣的、表面光滑的膜。這層膜正是水份逸出的障礙。無論是烘干或是直接入爐,水氣均無通道可走,升溫勢必增加涂層內水氣的分壓,壓力增加到一定程度,光滑的表面被沖破,涂層破壞,失去保護效果。
                熱處理保護涂料是一種非裝飾性涂料。一般呈亞光或無光狀態,其表面應無過多的粘結劑生成的致密光亮的膜,在大量填料粒子之間,只有少量粘結劑和大量水份,隨著時間和溫度的增加,使下層水份能徹底逸出,達到干燥的目的。
                合理調整粘結劑用量是涂料配方設計人員應密切注意的。筆者的觀點是粘結劑用量以粘結力為準,只要粘結力能達到涂層附著牢固,不殼起、不掉料就行。
                2.2.2 加入助劑,使助劑在水份的揮發過程中,同水一道氣化、揮發。幫助毛細管通道的形成,有利于水份的逸出。
                這類助劑多以有機物為主,加入量要適當,以不影響涂料整體性質為原則。
                2.2.2 市售涂料常采用鈉水玻璃或鉀水玻璃為粘結劑,由于水玻璃中大量Na+、K+的水合作用,使已經自然干燥的涂層在潮濕環境下,又會吸濕而使涂層返潮、回粘。為提高涂層的抗潮性,需要對水玻璃進行改性,或直接在填料粉中加入某些添加劑,使其與水玻璃反應起到固定Na+、K+的作用。
                筆者近期用改性水玻璃配制的漿狀涂料,有良好的自然干燥性能和抗潮性能,獲得了較理想的結果。

                3、貯存穩定性

                3.1 市售漿狀涂料的貯存穩定性也是使用中經常遇到的問題。有的涂料購回庫存幾個月,即發生底部沉淀、板結、成塊、發硬,嚴重者在瓶內無法搗碎、無法攪拌均勻,直至整瓶涂料報廢。
                良好的涂料應貯存數月或更長時間后,漿料分層,上層清夜、下層沉淀,但沉淀應疏松,稍加攪拌,使形成均勻的、有流動性的懸浮體。好的涂料應數年不變。
                3.2 為防止沉淀結塊、發硬,在配方中應引入分散劑、懸浮劑等助劑,防止粒子聚集、結塊。涂料分散劑種類品種很多,配方設計時應根據實際情況選擇,常用的懸浮劑有膨潤土和粘土。
                3.3 漿料PH值也是影響粒子集結的一個原因。由于強堿對硅酸鹽粒子表面的腐蝕作用,粒子表面析出硅膠。在重力及內聚力的作用下,粒子靠攏、碰撞、粘連、成塊,加速了粒子間的聚結。隨著粒子表面硅膠濃度增加,成塊的粒子團會變成硬塊,很難再次分散。
                漿料的PH值太高,還會造成毛刷腐蝕和人體灼傷。因此,調整漆料(一般為液體水玻璃)的PH值也顯得很有必要。

                4、殘留涂層的自剝性能

                4.1 熱處理加工后,多數人希望殘留涂層能自行剝落。自行剝落的問題十分復雜,它是一個在理論和實踐上都有待深入研究的問題。它與搪瓷科學中的密著機理相反。遺憾的是,搪瓷科學發展一百多年,密著理論尚在百家爭鳴之中。熱處理保護涂料的自剝問題,尚無人專題研究,筆者下面的一些觀點是一孔之見,愿能起到拋磚引玉的作用。
                殘留涂層的自行剝落,除與涂料的組成、物理化學性質有關外,還同涂層厚度、工件材質及表面光潔度、熱處理工藝及淬火介質等有關。即使同一涂料,得到的結果也大不相同。以硅酸鹽為主體的保護涂料,很難見到能完全自行剝落的品種。廣告詞中的所謂“自剝”,不能理解為全部自剝,只能說明殘留涂層能部分或大部分自行剝落。市售某涂料介紹熱處理后能用揩布抹掉,可惜保護效果欠佳而無討論意義。
                4.2 筆者認為,保護和剝落問題是一對矛盾存在于同一涂層之間。從產品的主要功能看,保護是主要的,第一位的。自剝問題很重要,但它一定是第二位的。沒有可靠的保護效果,空談自剝有何意義?
                涂層在熱處理溫度下,要有良好的保護作用,一定要形成粘滯致密的陶瓷膜,才能起到屏蔽隔離氣氛的作用。有良好包含作用的粘滯致密的陶瓷膜,在長時間的高溫作用下,其硅酸鹽組份完全可能與基體在界面上發生物理和化學的反應。反應結果,則產生陶瓷與金屬間的密著。密著的結果,使兩者在界面上發生相互滲透,牢固結合?v然涂層熱膨脹系數與基體相差很大,經出爐淬火、冷卻等過程,扔不能使涂層完全從工件上脫落。未脫落得部分可認為是密著良好。這密著良好的部分涂層,抵抗了因熱膨脹系數差、收縮不同步產生的壓應力,扔牢固附著于金屬表面。搪瓷科學的密著理論流派很多,主要有“密著氧化物改變瓷釉性能的理論”;“機械密著理論”;“形成枝晶鐵的理論”;“氧化鐵中間層的理論”及“電化學理論”等等。

                事實上,各種涂料的涂層在淬火后都不可能完全自剝光,這主要與涂層和工件表面在高溫下的物理和化學反應有關。不管殘留涂層多少,必須經清理才能出熱處理車間。殘留涂層越多,清理越困難。過去人們往往追求自剝率高的涂料,它容易清理,但忽略了一個關鍵問題。長期使用自剝率高的涂料后,大量的自剝涂層殘屑落入淬火介質內,嚴重污染淬火介質,甚至會堵塞管道,影響淬火介質的冷卻性能。更有甚著,個別漂浮的殘層屑片如在淬火時貼附于滲碳面上,影響傳熱,產生軟點(如在齒面上有軟點,將會造成嚴重后果)。國內某些品牌的涂料正是為了追求自剝率高,涂層厚度高達0.8~1.0mm。如長期使用這類涂料,淬火介質不久就會變成“黃河之水”。
                過去,很多工廠用N32油作為淬火介質,由于機油價格便宜,幾十噸油被污染后,一換了之,不覺可惜(暫不考慮廢油對環境的影響)。近年隨著國內熱處理行業整體水平提高,大量的先進設備、先進生產線投入運行,相應淬火介質也發生了質的改變。為了防止淬火裂紋和變形,各種新型的油基、水基淬火介質不斷涌現。國產、進口品牌很多,它們除具備優良的性能外,共同點就是價格不低。有的進口產品高達2~3萬元/t。如果采用自剝率高、涂層高的涂料防滲,經常去更換昂貴的淬火介質,熱處理廠將難以承受。
                淬火后,工件表面殘留涂層一點不留,不用清理,這是理想狀態?v觀國內及一些國外涂料,都不能實現這一目標,或多或少總要殘留一些,清理這道工序少不了。為保護昂貴的淬火介質,對殘留多的涂層,延長一點清理時間時值得的。
                國內某品牌涂料聲稱殘留涂層可用水煮除去。請讀者注意,這類涂料多數為硼酐(B2O3)涂料,如果加入較多堿土金屬鹽或硅酸鹽,其防滲效果較好,但水溶性變差。如加入較多堿金屬鹽,其水溶性變好,防滲效果變差。我國70年代前多采用硼酸液防滲,均因效果差而被淘汰。即使防滲效果好,大量硼酸鹽溶于水基淬火介質內,其影響也是必然的。
                勿庸置言,隨著國內熱處理行業裝備水平的提高,新型優質淬火介質必然廣泛采用,防滲涂料對其影響將受到重視。選用防滲性能好,涂層。▎挝幻娣e耗用涂料少、成本低)、自剝率低的防滲涂料將會成為新的關注點。那種認為自剝率越高越好的傳統觀念也要更新才行。

                本文發表於《機械工人》(熱加工)2001年 第10期。P19

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