如何选用防渗涂料?

添加时间：2008/2/28 点  击  数：8245

为使零件不同部位具有不同性能，在采用渗碳、渗氮、渗硼、碳氮共渗、氮碳共渗等化学热处理工艺的同时，还需要采用局部防渗技术。过去常采用镀铜、镀锡、预留切削余量等办法防渗。由于镀铜、镀锡工艺复杂，镀层质量难以保证，镀液对环境污染以及预留切削余量工件需在冷热加工车间多次往返，需二次加热淬火，由此造成的钢材、能源、时间的浪费。
近20年，涂料防渗技术正逐渐替代传统工艺。它既可达到局部防渗的工艺要求，也克服了传统工艺的缺点。它不仅较电镀工艺防渗可靠（因镀层厚度及致密度达不到要求，漏渗经常发生），而且使用方便，省时、省电、省钢材。涂料防渗作为一项新兴技术，正受到热处理行业的青睐。
目前国内市售和自用的涂料有几十种，国产进口均有，它们性能各异，价格不同。如何选择好合适的产品，解决本单位局部防渗问题，对热处理工程师而言，非常重要。
1 与热处理工艺相适应
产品不同、零件不同，局部防渗的要求也各不相同。在丛多的防渗涂料品种中，要根据零件局部防渗的要求来选择。
1.1 防渗目标要明确
渗何种元素，一定要选防该元素的防渗涂料。这点一般不会弄错。但是，热处理工艺不同，对涂料的要求也不相同，例如气体渗碳、固体渗碳与液体渗碳，又如气体渗氮与离子渗氮等，它们要求防同一种元素，但涂料性能大不相同，选择时要搞清涂料的适用范围。
1.2 要注意零件渗层深度
对于渗碳，由于渗层深度要求不同，对防渗碳涂料的要求就不同。如渗层有3mm以上时，选用一般的防渗涂料可能就不行，必须选择适于防深层渗碳的涂料。防深层渗碳涂料的特点是在长时间高温、高碳势的作用下，涂层性能稳定、不流挂、不滴淌、阻渗剂在气氛中无变化，能长期阻止活性碳原子的渗透。
1.3 渗碳直接淬火后，防渗面要再切削加工的零
因为淬火后防渗面必须无硬点才能加工，国内涂料不是都能满足此要求，有的是配方问题，有的是使用工艺问题。选择某一涂料后，先试验，找出规律，确定使用工艺后再批量使用。
1.4 渗碳直接淬火后，防渗面硬度有不同要求（30～55HRC）
当防渗面要求在30～40HRC时，要求防渗可靠，无渗漏。当防渗面硬度要求在45～55HRC时，就要求防渗涂料有限量渗漏性能，使防渗面大到一定的碳浓度（低于渗碳面）。国产某些涂料已具备这样性能，利用控制涂层厚度来控制渗面的碳浓度，达到控制不同硬度的目的。
淬火后的硬度与材质淬透性、几何形状及尺寸大小和淬火介质种类等因素有关，同涂层厚度及其导热性也有关。具体零件必须经过试验，找出该涂料层厚度与硬度的关系，方可用于生产。不同防渗涂料其漏渗性能有差异，其涂层厚度要求也不相同。
1.5 零件对防渗涂料的自剥率要求不同
自剥率为零件淬火后涂层从防渗面自动剥落的比例，自动剥落越多，自剥率越高。自剥率主要与涂料组成、热膨胀系数、涂层厚度有关，另外还与零件表面粗糙度、材质、淬火介质等有关。涂层自剥的原理是，金属基体的热膨胀系数远远大于硅酸盐陶瓷涂层（瓷釉）的热膨胀系数，在激冷（淬火）过程中，涂层的收缩比金属基体慢，涂层就会自动脱落。涂层的抗压强度与涂层的成分有关，但涂层厚度对其影响更大，涂层越薄，其弹性越好，抗压强度越高，越不容易自剥。相反，涂层越厚，越容易自剥。目前对防渗涂料的自剥性能持两种观点。一种认为自剥率越高越好，这样可减少残留涂层的清理工作量；另一种认为自剥率越低越好，这样可以保护淬火介质不受污染。热处理技术在进步，设备在不断更新，新型昂贵淬火介质用得越来越多。在提倡“绿色热处理”得今天，保护好淬火介质少受或不受污染势在必行。使用自剥率低得防渗涂料，将残层放到淬火后去清理会更经济、更方便一些。
有一种模糊认识，以为自剥率高得涂料就是淬火后可完全不用清理，可直接进入下道工序，也就是说防渗面残层一点不留。实际上只要是硅酸盐类型得涂料，它或多或少总有残留，哪怕很少一点，都必须在热处理车间清理掉，不允许带入下道工序。既要清理，自剥率高低只决定其清理难易，却不能省掉此道工序。有的涂料厂商在回答这一问题时，有意无意地给用户造成省去清理工序得错觉。
当然，对那些几何形状复杂、沟槽多得防渗部位（如螺纹、内孔等），为便于清理应选用容易清除的涂料。现有涂料多数为硅酸盐涂料，残层脆性大，用喷砂或抛丸法容易清除。但喷砂或抛丸时，要注意砂粒及钢丸直径，最好选形状复杂，带有锐角的细小钢丸，这样更容易清理一些。
国内外各种防渗涂料对涂层厚度要求大不相同，从0.1～2.0mm均有，相差10～20倍之多。不难理解，要求涂层越薄的防渗涂料其防渗效果越好，单位面积所耗用的涂料量就越少，相对费用便低（经济）。而要求涂层越厚的防渗涂料其防渗效果相对较差，它不得不用较厚的涂层来弥补，单位面积所耗用的涂料量就多，费用自然就高。如果按单位面积所耗用的涂料成本去比较，该选哪种防渗涂料就很清楚了。
有时，生产商也会用涂层自剥率高来说服用户。知道了厚度与自剥率、消耗定额、保护淬火介质、清理工序之关系，用户就会有明智的选择。

• 使用的方便性

在保证防渗效果的基础上，使用是否方便也是大家关心的问题。
2.1 商品涂料以单组份为好
防渗涂料分溶剂型和水基型外，还可按单组份和双组份来分类。在水性涂料中，单组份涂料是厂商已研磨加工好的浆状物，用户只需搅拌均匀即可涂覆。双组份涂料是以粉剂和液体两种形式一同供货。涂覆前，用户按要求将两组份调和搅匀。单组份涂料的优点是组份恒定不变，使用方便，对防渗效果影响小，容易进行质量控制。双组份涂料调和时，厂商虽提供了配比，但实际操作中往往有波动，凭手感调节粘度，多加或少加某一组份不可避免，涂层的组成容易波动，其防渗效果也会变化，必然影响到产品质量。
单组份涂料用毕，加盖密封可长期保存，不浪费。双组份涂料必须用多少调多少，估计不准，要么不够，要么剩余，剩余部分不易保存，干结后就浪费了。据试验研究，部分双组份涂料调和后，必须及时使用，放置时间稍长就会自动增稠，失去流动性，变成膏状，甚至固化（这也许是不能加工成单组份涂料的原因）。自己调和的双组份涂料因填料（干粉）分散到基料（粘结剂）和水中相对困难，又未研磨，其均匀性、流动性都会受影响。

• 涂层干燥问题

溶剂型涂料因溶剂易挥发，自然干燥快而受到个别用户欢迎。可是又因其毒性大、气味猛、污染环境、不易贮存而受到冷落。随着社会环保意识提高，高档汽车罩光面漆、建筑装饰漆都是向水性漆方向发展，非装饰用的防渗涂料更应走水性化道路。
水性化的防渗涂料按粘结剂类型分为无机和有机两大类。上市涂料以无机粘结剂居多，有机粘结剂的水性涂料已有上市。无机粘结剂的最大有点是粘结剂与其他硅酸盐在高温下形成瓷釉。有机粘结剂在高温下则预先裂解成低分子有机化合物被烧掉或排除，余下粉剂在高温下单独形成瓷釉。不管哪类粘结剂，都是与水一道作为载体，使粉剂均匀分布在金属表面上，在炉内高温下成釉，起到保护作用。
水性涂料以水为分散介质，涂层中自然含有大量水分。刚涂覆的涂层，随着水的挥发，表面干结，具有一定粘结力和机械强度。虽如此，涂层组织内部仍含有不少水分，如若将此涂层（随工件）直接送入高温炉内，水分会立即气化冲出涂层。在此过程中，不仅会破坏涂层的完整性，也会影响涂层与基体的粘结，甚至剥离。因此，在工件入炉前，尽量除去涂层中的水分。
水性涂料的自然干燥，受环境温度和相对湿度的影响。气温高、湿度低，涂层干燥快。一些厂商在强调自然干燥的时候，对气候、温度、湿度的影响避而不谈，给用户造成一种错觉，自然干燥简单方便，对涂层防护效果无任何影响，从而埋下少隐患。实际上，我国地域辽阔，东西南北气候差异很大，自然干燥不宜通用。再说，气候是一个非常复杂的变数，不可能制定出一个环境温度、湿度变化与自然干燥时间、残余水分的关系曲线来控制残余水量。如只按厂商提供的时间自然干燥，当气候变化时，涂层残余水量也不会相同。
为使进入高温炉内的涂层残余水量尽量地少，应改自然干燥为烘干才好。烘干工艺仅提供一个温度和时间参数，各地、各厂均用一个条件，使涂层残余水分控制在一定范围。据我厂出国培训地同志讲，西方工业发达国家工厂使用水性防渗涂料时，在烘干工序上一丝不苟，值得我们借鉴。
每个工厂条件不同，用什么方法干燥由各厂自己决定，本文只是想说明什么方法更好。希望涂料厂商在提供使用方法时，能更科学、更严谨一些。
2.3 工件清洗
清洗工件的目的是让涂料能很好地同金属表面结合，干燥和粘结牢固。如果工件表面有油，水性涂料很难涂覆，覆盖上的湿涂层又会收缩、露底。油水不相溶，这是最基本地道理。即使勉强覆盖，因结合不牢，干燥后也可能壳起、剥离。为保护环境，建议用水性金属清洗剂清除油污，不用汽油等有机溶剂清洗。清洗地要求不象电镀等行业那么高，目的是涂覆方便、粘结牢固。
3 涂料的通性
防渗涂料既然是涂料，就应该具备涂料地通性，在选择单组份涂料时，有些主要性能不可忽视。
3.1 悬浮稳定性
涂料一般由填料（粉剂）、基料（粘结剂）、溶剂（有机溶剂或水）和各种助剂组成。它们在外力和助剂作用下，将填料均匀地分散在基料和溶剂中，制成均匀的、有流动性的浆状悬浮物。涂料长期密封贮存，应允许有少量分层，经搅拌，很容易恢复成均匀的、有流动性地浆状物。悬浮稳定性较差地涂料贮存一段时间后，分层严重，底部沉淀结成硬块，很难搅拌均匀，不能恢复到均匀、流动性好的原始状态。购买单组份涂料时，一定要注意其悬浮稳定性是否合格。如不合格，一旦结块，不宜再用。否则，很难保证有好地防渗效果。
3.2 触变性
所谓触变性，是涂料具备的特殊性能，即当涂料由于搅拌或摇动，其粘度即降低的流动性质。凡触变性好的涂料，经搅拌或摇动，均应变成均匀的、粘度低、流动性好的浆状物。如果经搅拌或摇动，涂料粘度仍很高，流动性很差，仍呈膏状，其触变性就不好。触变性差的防渗涂料，有的干脆叫防渗膏，就是这个道理。膏状物流动性差，难涂覆均匀，操作不方便，一般涂层较厚，耗费大，应尽量不选。国产某防渗涂料在贮存时呈膏状，少有分层。但一经搅拌、粘度降低，变成流动性很好的浆状物，这种产品较好地解决了触变性问题。它不仅有利于贮存，便于涂覆，同时克服了涂覆中易产生得流挂现象，有利于一次涂较厚得涂层。
3.3 流平性
由于防渗涂料多位非装饰性涂料，对流平性要求不高，如有特殊要求，可把流平性作为选择指标。
3.4 防霉、防腐败性
水性涂料在贮存过程中，细菌滋生繁衍，发霉、变质、腐败等问题时有发生，如何防止细菌滋生繁衍，成为涂料配方设计师应考虑得问题。选择有机粘结剂得水性涂料时，用户要特别注意其保质期的长短，选用保质期长得涂料，购回后尽量在保质期内使用。涂料防霉、防腐败性能越好，保质期越长。在保质期内变质，应向厂商索赔。变质涂料因其分散性、粘结力受到破坏，尽量弃之不用。由无机粘结剂（硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾）配制的水性防渗涂料，细菌难以滋生，很少变质。
3.5 涂层高温稳定性
市售防渗涂料中，由少数高温稳定性较差，主要表现在热处理温度下，涂层粘度降低，慢慢从原处往下流淌，滴到其他部位。原涂覆涂层处涂层逐渐变薄，其结果是原部位防渗效果变差，需渗碳的部位一旦滴上釉滴，则该部位渗不进碳，严重影响产品质量。如果在热处理加热时，釉层处于粘滞（粘度高）、致密的状态，不仅不流淌，阻渗性能也会很好。用户在选择选涂料时，高温稳定性要预先考虑到才好。

• 涂料得经济性

4.1 国产进口涂料价格不同
目前国内市售得进口防渗涂料不多，多数是从技术引进渠道带进来的。据悉上海某国代理销售的“渗碳保护剂”价格为每公斤300～500元，而直接从国外进口，价格也不低。国产防渗涂料品种不少，性能也不错，但价格却只有每公斤几十元，其差价在5～10倍之间。国产货是值得多应用的。
我国已正式加入WTO，国外防渗涂料类产品将以何种方式进入我国，国内厂商将如何应对，业内人士应该重视。
4.2 价格低不一定经济
显然，影响单耗成本的因素不只是涂料的价格，而主要是涂层厚度。除考虑每公斤价格外，还要看每公斤涂料能涂覆多少面积或单位面积耗用涂料的成本。只有把价格和涂层厚度结合起来，才能选择到真正价廉物美的涂料。
4.3 厂商的服务和技术保障不同
每个工厂的习惯和条件的差异，决定了他对不同品牌涂料有所偏好，除综合考虑上述各种因素外，还应把考虑供货厂的服务水平放在重要位置。厂商的售前、售中、售后服务质量的优劣，直接影响到用户的生产控制、质量稳定等大事。防渗涂料是精细化工产品，它属于热处理工艺材料范畴。因其应用的局限性，国内专门从事这类产品研究的人员非常有限。虽有专业生产厂近20家，但纯生产的多，开放研究的少。产品配方多数从科研院所购买，按配方生产，厂商对产品技术难以全面掌握，要求提供全面的技术服务就困难不少。用户的问题往往得不到满意的解答。从而使防渗涂料的应用受到限制。
选择技术服务好，技术有保障的防渗涂料生产商，是热处理工程师应十分注意的。一个再好的产品，当被你采用时，它都有一个适应、磨合的过程，不可能一蹴而就，必须在工艺、技术上适当调增。只有厂商的技术服务到位了，上述适应、磨合工程才会缩短，否则用户将很难适应，甚至会半途而废。要少走弯路，少出问题，必须有厂商的产品质量、服务质量、技术保障作支撑，才能使涂料防渗技术给用户带来效益。

参考文献：
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本文发表於《金属热处理》2002年 第27卷第6期P23-26