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        我國熱處理保護涂料的發展與應用現狀

        添加時間:2008-5-6 點  擊  數:5558


        我們知道,金屬熱處理工藝對機械零件的內在質量起著重要的作用。熱處理使用的各種工藝材料又直接影響著熱處理工藝及零件的質量。熱處理保護涂料的應用,提升了熱處理工藝的技術水平,改善了工藝,降低了消耗,增加了效益。

        1 發展概況
        我國應用熱處理保護涂料技術始于上世紀七十年代。此前解決局部防滲及防氧化、防脫碳問題,多采用鍍銅、錫等防滲;采用在非滲碳部位預留余量滲碳后再切削去除的辦法解決局部滲碳問題;用耐火泥加氧化銅再以水玻璃調合成糊狀涂敷解決防滲碳問題;用酒精硼酸溶液或敷涂耐火泥、粘土等防氧化、防脫碳。上述辦法因效果差,工藝繁雜,污染環境、浪費材料和能源等而被淘汰。
        隨著制造業的發展環境保護力度的日益加強,熱處理保護涂料在我國應運而生。一些企業在國際交往中,了解到發達國家已普遍采用涂料技術來解決局部防滲和防氧化等問題,意識到采用涂料技術的許多優勢,開始對其發生興趣。上海硅酸鹽研究所、化工部涂料研究所、西安油漆總廠、北京工業大學、西安理工大學及南京汽車齒輪廠、杭州齒輪箱廠等許多單位都先后組織力量進行了熱處理保護涂料的開發研究。
        至上世紀八十年代,已基本奠定了我國熱處理保護涂料行業的基礎。當時,雖然在品種、性能、質量諸方面還未能盡如人意,但畢竟基本上滿足了國內的需要,替代了大量的進口產品。
        由于熱處理保護涂料生產工藝比較簡單、投資較少、技術含量相對不高,其時又正值我國改革開放初期,于是在短期內便相繼涌現出數十家涂料企業。這些企業大部分屬鄉鎮企業,技術力量薄弱、規模小,設備工藝落后,存在大量技術和產品質量問題。特別是湖南瀏陽、山東安丘、浙江黃巖等地,相同、類似的企業如雨后春筍。在熱處理行業強烈呼吁下,機械部科技司委托武漢材料保護研究所對全國熱處理工藝材料進行了一次普查。涉及18個省、市(區),共107個單位,在作為調查總結的“熱處理工藝材料調查報告” [1] 中指出:“長期以來我國熱處理工藝材料,沒有得到應有的重視。在研制、生產、供應以及使用等各個環節,都存在不少的問題。嚴重地影響了熱處理工藝地正確實施和產品質量的保證與提高”。報告呼吁:“應盡快建立全國性的熱處理工藝材料技術協作組織,統一制定行業發展規劃、科研規劃、質量及技術標準,進行產品驗證及評價工作”。在調查報告的基礎上,機械部科技司和武漢材料保護研究所于1983年10月底在武昌聯合召開了全國熱處理工藝材料座談會,討論我國熱處理工藝材料的發展問題。1986年,成立了中國熱協工藝材料委員會。從此,工藝材料在我國有了統一的行業組織,并于1985、1987、1991、1995年分別在安丘、武漢、峨嵋、西安等地召開了四次工藝材料交流會議。行業發展逐步走向正規。
        1987年在工藝材料委員會的組織下,進行了一次全國熱處理工藝材料的質量考評。對象為部分廠商生產的加熱用鹽、校正劑、固體滲硼劑和防滲碳涂料等四大類,七個品種共幾十個產品。結果是,一等品占1/3,不合格產品占14%。半數以上僅為合格品。
        另外,在工藝材料委員會及全國熱處理標準化技術委員會的共同努力下,十多年來相繼制定了“熱處理工藝材料名詞術語”,“熱處理保護涂料一般技術要求”、“防滲涂料技術條件”等十余個標準。對促進生產,提高產品質量起到了積極作用。
        八十年代,國內熱處理保護涂料的情況是,生產廠商眾多,多數無獨立開發能力。生產技術和配方依賴外構,消化、吸收技術能力弱。生產規模小,設備、工藝陳舊,嚴重缺乏質量檢測與控制的設備和手段。產品性能、質量、售后服務大多均無保證。
        通過市場競爭,優勝劣汰,多數沒有競爭能力的小廠,逐漸退出市場,F在能立足市場,尚能不斷推出產品的專業熱處理保護涂料廠商,已為數不多。在二十多年的發展中,上海硅酸鹽研究所功不可沒。他們在涂料品種、性能和質量等方面為涂料行業做出很大貢獻。一些高校在涂料技術開發上也做了不少工作,如西安理工大學的研究工作比較細致,也在西安附近扶持了幾家生產廠。
        機械行業內,為滿足本企業需要而開放、創辦的幾個涂料廠尚能維持。南京汽車齒輪廠一直堅持自給自足。杭州齒輪箱廠除自給自足外,還滿足了部分市場需要,且近期還有新產品推出。
        歷經近三十年的發展,國產涂料生產規模雖然不大,但在品種、性能、質量上基本能滿足國內的需求。個別產品經二十多年使用證明,其性能并不比國外產品遜色,完全能擔當起替代進口產品的重任。

        2 我國保護涂料概況
        2.1 按功能分類
        粗分為加熱保護涂料和防滲涂料兩大類。前者有抗氧化,防脫碳及熱軋保護涂料等;后者有防滲碳、防碳氮共滲、防滲氮、防滲硼和防滲各種元素的涂料。加熱保護涂料在工模具熱處理上用得較多,熱軋保護涂料在鋼廠采用。隨著可控氣氛加熱設備和真空爐的廣泛采用,可能會影響這類涂料的使用。
        防滲涂料使用較普遍的有防滲碳、防碳氮共滲、防滲氮等涂料,尤其是防滲碳涂料使用最廣。這些涂料不論是品種、性能、質量上都達到了較高水平?晒┻x擇的余地大,完全能滿足國內需求。防滲硼及防滲各種元素涂料較少,這同滲硼及滲各種元素的技術發展有關。
        2.2 按涂料特性分類
        如防氧化防脫碳涂料,可根據其加熱溫度、時間、被保護金屬材質等,分成不同品種,對口選用。又如根據涂料干燥性能不同,分成自然干燥、烘干等品種。再可根據涂層的自剝性能分成極少自剝、部分自剝、大部分自剝和水煮剝落等品種。防滲碳涂料還可按滲碳溫度高低,防滲層深淺來分?傊,不同性能,都可作為分類的依據。
        2.3 按隔離劑分類
        熱處理保護涂料保護的原理之一是涂料在熱處理溫度下,形成瓷釉(玻璃)膜,起到阻擋隔離各種氣氛的作用。研究證明:SiO2,B2O3,P2O5三種氧化物是形成瓷釉的主要網絡形成劑。熱處理保護涂料主要以硅酸鹽或硼酸鹽為隔離劑。以磷酸鹽為隔離劑的涂料較少見。以硅酸鹽為隔離劑的涂料其熱穩定性好,致密性好,防護效果也好,應用較多。硅酸鹽瓷釉在加熱過程中,涂層與基體易產生密著,清除相對困難。以硼酸鹽為隔離劑的涂料,熱穩定性較差,致密性及防護效果不及硅酸鹽涂料。
        2.4 按分散劑分類
        分散劑有水和有機溶劑兩類。以水為分散介質的涂料無毒、無氣味、無污染,符合環保要求。以有機溶劑為分散介質的涂料易燃、易爆、有毒、氣味大,污染大氣環境(VOC高)。水性涂料干燥慢,受環境氣候影響大,必須在相應的條件下才能干燥。溶劑型涂料容易自然干燥,不受或少受環境氣候影響。水性涂料是當今發展方向,應提倡少用或不用溶劑型涂料。
        在以水為分散介質的涂料中,多數是以水溶性硅酸鹽(鈉、鉀、鋰)為粘結劑,它們的優點是粘結劑與填料(粉劑)一起在高溫下形成瓷釉。以水溶性有機聚合物為粘結劑的涂料在我國已有產品上市。這類產品改善了水性涂料的自然干燥性能。
        2.5 按外觀分類
        從外觀上可分為單組分和雙組防涂料兩類[其實我國還有防滲紙(膜)]。單組分涂料為已研磨好的漿狀物。填料、粘結劑、分散劑和助劑已搭配好,組成不變,性能穩定,使用方便。雙組分涂料是將填料(干粉劑)和基料(粘結劑+分散劑)分開供貨。用戶用前自己調配。其不足是涂料組成易波動,對使用效果有一定影響。
        從以上可見,市售國產涂料的概貌說明國產涂料品種是豐富的,性能是多樣的,一些涂料的質量也是很好的。相比之下,單組分、水溶性的硅酸鹽涂料具有明顯的優勢。

        3 典型應用簡介
        熱處理保護涂料在我國的應用范圍很廣,下面僅舉出一些實例說明。
        3.1 汽車零部件生產中,齒輪軸類零件的花鍵、螺紋部位,多用涂料進行局部防滲,使其熱處理后直接獲得理想的硬度。
        3.2 齒輪加工中,絕大多數都要經滲碳、滲氮、碳氮共滲等工藝熱處理。為了設計或工藝的需要,局部防滲技術在齒輪行業應用很廣。涂料保護是最簡單可靠的辦法。涂料保護后滲碳直接淬火,不僅大大簡化工序,節省二次加熱的能源,淬火后防滲部位還可進行切削加工。從而大大節省了熱加工費用。
        3.3 一些大型、特大型零件滲碳時,經常需要局部防滲處理。過去,多采用預留滲層余量,滲碳后切去滲層余量再加熱淬火的工藝,F用防深層滲碳的涂料保護后,不預留滲層余量,滲碳直淬,簡化工序,節材節能,其效益明顯。
        3.4 一些長軸,導軌類細長零件,熱處理后變形難免。整體滲碳淬硬后,校直時易斷裂,廢品率較高。用涂料對不需滲碳部位保護,熱處理后校直合格率大大提高。同時個別部位還可再加工。
        3.5 滾針軸承的保持架,屬薄壁零件。滲碳淬硬后,裝配時要卷邊封頭,卷邊處要防滲碳處理才能保證卷邊時不斷裂。用涂料保護后此問題迎刃而解。
        3.6 一些經滲碳處理的零件,要進行焊接加工,為了使焊接部位的含碳量與焊料和被焊件的含碳量相近,必須對該零件焊接部位進行防滲處理。用涂料防滲,簡便快捷。不僅保證了焊接質量,與傳統工藝相比(預留滲層余量、滲碳、空冷、切削滲層余量、再加熱淬火),工序大為簡化。
        3.7 有的滲碳零件,設計要求某些部位硬度在45~55HRC范圍內。用傳統的涂料防滲后,硬度一般在35HRC以下,達不到要求。國內最近提出的限量漏滲碳法[4]解決了這一問題。它采用的是控制涂層厚度的辦法,控制漏滲碳量,達到設計的表面硬度。顧名思義,此涂料防滲效果不要太好,需要有一定的漏滲性能。
        3.8 在模具的加熱處理中,為了保證工作面不脫碳,保持高硬度,常用防氧化、防脫碳涂料保護加熱,防止氧化脫碳發生,無疑可大大延長模具壽命。
        3.9 氣體滲氮時,過去多用鍍錫的辦法局部防滲。如今用涂料防滲,方便快捷。其防滲面的硬度一般在300HV左右,可滿足設計和工藝的各種需要。
        形形色色的機械零件,五花八門的性能需求,在各種熱處理過程中,需加熱保護,需局部防滲時,采用涂料保護技術,應為一種行之有效的可靠的先進工藝,值得提倡和大力推廣。但是,目前國內市場銷售的涂料品種甚多,如何根據本企業工藝裝備的特點,根據加工零件的要求,選好、用好熱處理保護涂料[5],對廣大熱處理工作者而言,是需要認真對待的。
        4 問題和建議
        縱觀整個熱處理保護涂料行業,一些骨干企業已嶄露頭角,他們在市場中的作用越來越大。但從長遠看,整個行業發展后勁明顯不足。
        4.1 需求不旺
        從市場需求看,熱處理行業對涂料技術及其產品的需求仍不旺盛。這有涂料本身在品種、質量及廠商技術服務方面的問題,有熱處理廠對涂料技術優越性認識不足的問題,也與企業在技術進步方面的原動力不足有關。需求不旺,涂料廠商效益不好,就難有更多的投入來開發新產品進行技術創新。早在二十年前,“熱處理工藝材料調查報告”就指出:“每一種涂料從研制到投產都需要很多的人力物力和時間,但其用量有限(從幾十公斤到幾百公斤不等,至多也不過一噸)經濟上的效益不多,有的可能還虧本!
        解決熱處理保護涂料市場需求問題,應從以下幾個方面著手。首先,要在熱處理行業內提高認識,大力推薦、宣傳保護涂料的技術可行性、先進性、優越性。使廣大科技、管理人員真正認識到用涂料工藝完全能替代傳統工藝技術,實實在在給工廠帶來效益。隨著制造業對零件性能要求越來越高,熱處理的作用也越來越明顯,涂料保護技術的采用將越來越廣泛。熱處理行業只有為機械制造業提供更多質優價廉的零件,才能在市場競爭中成為贏家。要做好涂料保護技術的宣傳引導工作,熱處理行業協會及其工藝材料委員會應承擔起領導責任。采取諸如組織相關媒體及人員撰寫發表有關論文,召開涂料保護技術推薦會,召開行業技術交流會等多種措施,使涂料保護技術深入人心。
        另一方面,相關的科研單位,生產廠商也要積極配合,拿出性能好,質量過硬,使用方便的產品來滿足市場需要。經過近三十年的發展,我國熱處理保護涂料在品種、性能、質量上都取得了較大進步,基本上能滿足國內需要,也獲得較廣泛的應用。特別是國產涂料價廉物美,價格僅為進口產品的1/10~1/5,這是優勢所在。
        雖然國產涂料能基本滿足國內需求,但在我國加入WTO的今天,在熱處理行業高標準的要求下,涂料行業必須居安思危,加強自身建設,迎接新的挑戰。當前,首先要加大技改投入,不斷開發出適銷對路的新產品,滿足日益發展的需要。目前國內尚存不多涂料廠商的實際情況是,生產規模不大,普遍資金不足,投入與產出暫時難以對稱,影響技術技改投入的積極性。在這方面,涂料廠商要有超前意識,要想在行業內有所作為,必須未雨綢繆。
        值得欣慰的是,隨著我國市場開放進程的加快,制造業將獲得快速發展,有媒體稱,世界制造中心將向中國轉移。果如此,則熱處理行業將發生質的飛躍,從而將帶動保護涂料行業的發展。有跡象表明,承接國外零件加工的熱處理廠,普遍反映外商對加工零件的技術、質量要求很高。該局部滲碳的,一定要用涂料保護好。交貨時硬度要求非常嚴格,達不到要求,退貨沒商量。在這一新形勢下,沿海許多民營熱處理廠,紛紛尋找合適的涂料產品和技術,這是一個良好的開端。
        4.2 人才匱乏
        熱處理保護涂料技術涵蓋化學化工,硅酸鹽無機材料,金屬學及熱處理等學科領域,屬多學科交叉的邊沿技術。目前,專業從事這一領域的研究人才極少。一些早期從事研發的人才因退休、下海等而離開,新加盟的人才更是難以尋覓,人才嚴重匱乏是行業發展的真正危機。解決人才危機無靈丹妙藥。只有行業發展壯大了,整體效益好了,才能吸引更多的有識之士加盟,才能逐步解決人才匱乏的問題。國內現有的專業熱處理保護涂料廠,任重道遠。
        所幸的是,在眼前的困難條件下,國內仍有一些廠家不斷有新產品推出。為數不多的科技人員還在孜孜不倦的耕耘,仍在繼續奮斗。這是值得慶幸的,這些人也是值得尊敬的。
        4.3 幾點建議
        4.3.1 強化應用技術研究
        涂料廠商在加大投入、不斷創新、推出新產品的同時,加強應用技術研究刻不容緩。品不少國產涂料的性能很好,產質量也不錯,但往往熱處理廠家使用效果卻并不十分理想,這里就存在一個斷層。其原因是:涂料開發人員或生產廠商,對涂料配方、功能、使用效果重視,一般實驗室結果也確實不錯,但對于這個配方生產的產品,如何滿足生產實際條件下的各種需要,且在各種環境下,各種工況下都能獲得滿意效果方面的研究,相對欠缺。這一方面是開發人員或廠商的試驗條件受限制(無熱處理設備),同生產實際接觸不多,發現問題少。另外也與開發人員和部分廠商在技術銜接方面存在問題有關。廠商因技術人才匱乏,未能充分消化所承接的技術。廠商消化不良的結果,必然影響到用戶對技術的掌握。一旦出現這樣那樣的意外,如果廠商不能及時提供相應的解決辦法,則用戶必然失去對技術的信心。因此,在實現商品化以前,必須加大對應用技術的研究,不僅提供給用戶高質量的產品,同時要提供可靠的應用技術及周到的服務,才能消除上述斷層。
        4.3.2 誠信經營
        廠商在經銷自己的商品時,要以誠信為本。實事求事地介紹自己產品的用途、性能和特點,切忌夸大其詞。例如水性涂料使用時,籠統提出自然干燥,當溫度濕度變化后如何處置,卻不置可否。又如自剝性能,明明是硅酸鹽涂料,淬火后只有部分或大部分自剝,介紹時籠統講“自剝”,含糊其辭。廠商在商品推薦時,迎合用戶圖方便、省事地思想,使用戶看不清應用技術的缺陷,最后吃虧地是用戶,廠商失去的是信譽。廠商在經營時要實是求事,以科學的態度對待應用技術,這才是真正對用戶負責。
        4.3.3 >涂料技術是熱處理工藝中的一環 對熱處理廠而言,也要加強對涂料應用技術的認識。一般來說,熱處理廠對保護涂料的要求是明確的,保護后預期效果也很清楚,但真正能把涂料使用工藝納入熱處理工藝之內的卻不多。有的人把使用涂料保護看得太簡單,認為隨便涂涂就可以獲得理想效果。不少熱處理廠在使用涂料保護時,在工藝卡上只注明被保護位置及技術要求,至于具體工藝過程,工藝卡上基本沒有反映,更不用講在每一過程中如何實施質量檢驗。例如工件清洗除油條件,清洗劑濃度及溫度的控制,涂料涂覆厚度的控制,自然干燥或烘干條件的控制,裝爐前的涂層質量檢查等等都沒有列出。全憑操作工的經驗和責任心。沒有要求,沒有檢查,就難免出現問題。問題發生后,首先責怪的是涂料質量不好,而不是更多地從操作中去找原因。
        熱處理廠一旦選定某種保護涂料后,要將自己的工藝作適當調整,使其適合這種涂料的需要,如果你無法調整,則干脆不用為宜。根據本廠對涂料的要求及工藝、設備的實際,選好用涂料也是熱處理工藝技術中的一環,必須認真對待。西方工業發達國家在應用涂料方面少有問題,主要原因是他們重視涂料的使用技術,并將之納入熱處理工藝之中。
        總之,提高熱處理行業對保護涂料技術的認識,并大力推廣應用,已刻不容緩。其中,涂料開發人員、生產廠商有義不容辭的責任。同樣,熱處理廠也應嚴格按涂料使用工藝要求施工,只有涂料生產廠商和熱處理廠共同努力,才能把這項工作做好。

        參考文獻
        [1] 李祥和.熱處理工藝材料調查報告[Z].第一次熱處理工藝材料工作座談會.武昌,1983.
        [2] 戰鳳昌,李悅良等.專用涂料[M].北京:化學工業出版社,1988:194-211.
        [3] 機械制造工藝材料技術手冊編寫組.機械制造工藝材料技術手冊,上冊[M].北京:機械工業出版社,1992:430-449.
        [4] 謝浪.螺紋的防滲與滲漏碳處理[J].金屬熱處理,2000,25(12):29-30.
        [5] 張興奎。如何選用防滲涂料[J].金屬熱處理,2002,27(6):23-26.

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