我国热处理保护涂料的发展与应用现状

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我们知道，金属热处理工艺对机械零件的内在质量起着重要的作用。热处理使用的各种工艺材料又直接影响着热处理工艺及零件的质量。热处理保护涂料的应用，提升了热处理工艺的技术水平，改善了工艺，降低了消耗，增加了效益。

1 发展概况
我国应用热处理保护涂料技术始于上世纪七十年代。此前解决局部防渗及防氧化、防脱碳问题，多采用镀铜、锡等防渗；采用在非渗碳部位预留余量渗碳后再切削去除的办法解决局部渗碳问题；用耐火泥加氧化铜再以水玻璃调合成糊状涂敷解决防渗碳问题；用酒精硼酸溶液或敷涂耐火泥、粘土等防氧化、防脱碳。上述办法因效果差，工艺繁杂，污染环境、浪费材料和能源等而被淘汰。
随着制造业的发展环境保护力度的日益加强，热处理保护涂料在我国应运而生。一些企业在国际交往中，了解到发达国家已普遍采用涂料技术来解决局部防渗和防氧化等问题，意识到采用涂料技术的许多优势，开始对其发生兴趣。上海硅酸盐研究所、化工部涂料研究所、西安油漆总厂、北京工业大学、西安理工大学及南京汽车齿轮厂、杭州齿轮箱厂等许多单位都先后组织力量进行了热处理保护涂料的开发研究。
至上世纪八十年代，已基本奠定了我国热处理保护涂料行业的基础。当时，虽然在品种、性能、质量诸方面还未能尽如人意，但毕竟基本上满足了国内的需要，替代了大量的进口产品。
由于热处理保护涂料生产工艺比较简单、投资较少、技术含量相对不高，其时又正值我国改革开放初期，于是在短期内便相继涌现出数十家涂料企业。这些企业大部分属乡镇企业，技术力量薄弱、规模小，设备工艺落后，存在大量技术和产品质量问题。特别是湖南浏阳、山东安丘、浙江黄岩等地，相同、类似的企业如雨后春笋。在热处理行业强烈呼吁下，机械部科技司委托武汉材料保护研究所对全国热处理工艺材料进行了一次普查。涉及18个省、市（区），共107个单位，在作为调查总结的“热处理工艺材料调查报告” [1] 中指出：“长期以来我国热处理工艺材料，没有得到应有的重视。在研制、生产、供应以及使用等各个环节，都存在不少的问题。严重地影响了热处理工艺地正确实施和产品质量的保证与提高”。报告呼吁：“应尽快建立全国性的热处理工艺材料技术协作组织，统一制定行业发展规划、科研规划、质量及技术标准，进行产品验证及评价工作”。在调查报告的基础上，机械部科技司和武汉材料保护研究所于1983年10月底在武昌联合召开了全国热处理工艺材料座谈会，讨论我国热处理工艺材料的发展问题。1986年，成立了中国热协工艺材料委员会。从此，工艺材料在我国有了统一的行业组织，并于1985、1987、1991、1995年分别在安丘、武汉、峨嵋、西安等地召开了四次工艺材料交流会议。行业发展逐步走向正规。
1987年在工艺材料委员会的组织下，进行了一次全国热处理工艺材料的质量考评。对象为部分厂商生产的加热用盐、校正剂、固体渗硼剂和防渗碳涂料等四大类，七个品种共几十个产品。结果是，一等品占1/3，不合格产品占14％。半数以上仅为合格品。
另外，在工艺材料委员会及全国热处理标准化技术委员会的共同努力下，十多年来相继制定了“热处理工艺材料名词术语”，“热处理保护涂料一般技术要求”、“防渗涂料技术条件”等十余个标准。对促进生产，提高产品质量起到了积极作用。
八十年代，国内热处理保护涂料的情况是，生产厂商众多，多数无独立开发能力。生产技术和配方依赖外构，消化、吸收技术能力弱。生产规模小，设备、工艺陈旧，严重缺乏质量检测与控制的设备和手段。产品性能、质量、售后服务大多均无保证。
通过市场竞争，优胜劣汰，多数没有竞争能力的小厂，逐渐退出市场。现在能立足市场，尚能不断推出产品的专业热处理保护涂料厂商，已为数不多。在二十多年的发展中，上海硅酸盐研究所功不可没。他们在涂料品种、性能和质量等方面为涂料行业做出很大贡献。一些高校在涂料技术开发上也做了不少工作，如西安理工大学的研究工作比较细致，也在西安附近扶持了几家生产厂。
机械行业内，为满足本企业需要而开放、创办的几个涂料厂尚能维持。南京汽车齿轮厂一直坚持自给自足。杭州齿轮箱厂除自给自足外，还满足了部分市场需要，且近期还有新产品推出。
历经近三十年的发展，国产涂料生产规模虽然不大，但在品种、性能、质量上基本能满足国内的需求。个别产品经二十多年使用证明，其性能并不比国外产品逊色，完全能担当起替代进口产品的重任。

2 我国保护涂料概况
2.1 按功能分类
粗分为加热保护涂料和防渗涂料两大类。前者有抗氧化，防脱碳及热轧保护涂料等；后者有防渗碳、防碳氮共渗、防渗氮、防渗硼和防渗各种元素的涂料。加热保护涂料在工模具热处理上用得较多，热轧保护涂料在钢厂采用。随着可控气氛加热设备和真空炉的广泛采用，可能会影响这类涂料的使用。
防渗涂料使用较普遍的有防渗碳、防碳氮共渗、防渗氮等涂料，尤其是防渗碳涂料使用最广。这些涂料不论是品种、性能、质量上都达到了较高水平。可供选择的余地大，完全能满足国内需求。防渗硼及防渗各种元素涂料较少，这同渗硼及渗各种元素的技术发展有关。
2.2 按涂料特性分类
如防氧化防脱碳涂料，可根据其加热温度、时间、被保护金属材质等，分成不同品种，对口选用。又如根据涂料干燥性能不同，分成自然干燥、烘干等品种。再可根据涂层的自剥性能分成极少自剥、部分自剥、大部分自剥和水煮剥落等品种。防渗碳涂料还可按渗碳温度高低，防渗层深浅来分。总之，不同性能，都可作为分类的依据。
2.3 按隔离剂分类
热处理保护涂料保护的原理之一是涂料在热处理温度下，形成瓷釉（玻璃）膜，起到阻挡隔离各种气氛的作用。研究证明：SiO2，B2O3，P2O5三种氧化物是形成瓷釉的主要网络形成剂。热处理保护涂料主要以硅酸盐或硼酸盐为隔离剂。以磷酸盐为隔离剂的涂料较少见。以硅酸盐为隔离剂的涂料其热稳定性好，致密性好，防护效果也好，应用较多。硅酸盐瓷釉在加热过程中，涂层与基体易产生密着，清除相对困难。以硼酸盐为隔离剂的涂料，热稳定性较差，致密性及防护效果不及硅酸盐涂料。
2.4 按分散剂分类
分散剂有水和有机溶剂两类。以水为分散介质的涂料无毒、无气味、无污染，符合环保要求。以有机溶剂为分散介质的涂料易燃、易爆、有毒、气味大，污染大气环境（VOC高）。水性涂料干燥慢，受环境气候影响大，必须在相应的条件下才能干燥。溶剂型涂料容易自然干燥，不受或少受环境气候影响。水性涂料是当今发展方向，应提倡少用或不用溶剂型涂料。
在以水为分散介质的涂料中，多数是以水溶性硅酸盐（钠、钾、锂）为粘结剂，它们的优点是粘结剂与填料（粉剂）一起在高温下形成瓷釉。以水溶性有机聚合物为粘结剂的涂料在我国已有产品上市。这类产品改善了水性涂料的自然干燥性能。
2.5 按外观分类
从外观上可分为单组分和双组防涂料两类［其实我国还有防渗纸（膜）］。单组分涂料为已研磨好的浆状物。填料、粘结剂、分散剂和助剂已搭配好，组成不变，性能稳定，使用方便。双组分涂料是将填料（干粉剂）和基料（粘结剂+分散剂）分开供货。用户用前自己调配。其不足是涂料组成易波动，对使用效果有一定影响。
从以上可见，市售国产涂料的概貌说明国产涂料品种是丰富的，性能是多样的，一些涂料的质量也是很好的。相比之下，单组分、水溶性的硅酸盐涂料具有明显的优势。

3 典型应用简介
热处理保护涂料在我国的应用范围很广，下面仅举出一些实例说明。
3.1 汽车零部件生产中，齿轮轴类零件的花键、螺纹部位，多用涂料进行局部防渗，使其热处理后直接获得理想的硬度。
3.2 齿轮加工中，绝大多数都要经渗碳、渗氮、碳氮共渗等工艺热处理。为了设计或工艺的需要，局部防渗技术在齿轮行业应用很广。涂料保护是最简单可靠的办法。涂料保护后渗碳直接淬火，不仅大大简化工序，节省二次加热的能源，淬火后防渗部位还可进行切削加工。从而大大节省了热加工费用。
3.3 一些大型、特大型零件渗碳时，经常需要局部防渗处理。过去，多采用预留渗层余量，渗碳后切去渗层余量再加热淬火的工艺。现用防深层渗碳的涂料保护后，不预留渗层余量，渗碳直淬，简化工序，节材节能，其效益明显。
3.4 一些长轴，导轨类细长零件，热处理后变形难免。整体渗碳淬硬后，校直时易断裂，废品率较高。用涂料对不需渗碳部位保护，热处理后校直合格率大大提高。同时个别部位还可再加工。
3.5 滚针轴承的保持架，属薄壁零件。渗碳淬硬后，装配时要卷边封头，卷边处要防渗碳处理才能保证卷边时不断裂。用涂料保护后此问题迎刃而解。
3.6 一些经渗碳处理的零件，要进行焊接加工，为了使焊接部位的含碳量与焊料和被焊件的含碳量相近，必须对该零件焊接部位进行防渗处理。用涂料防渗，简便快捷。不仅保证了焊接质量，与传统工艺相比（预留渗层余量、渗碳、空冷、切削渗层余量、再加热淬火），工序大为简化。
3.7 有的渗碳零件，设计要求某些部位硬度在45～55HRC范围内。用传统的涂料防渗后，硬度一般在35HRC以下，达不到要求。国内最近提出的限量漏渗碳法[4]解决了这一问题。它采用的是控制涂层厚度的办法，控制漏渗碳量，达到设计的表面硬度。顾名思义，此涂料防渗效果不要太好，需要有一定的漏渗性能。
3.8 在模具的加热处理中，为了保证工作面不脱碳，保持高硬度，常用防氧化、防脱碳涂料保护加热，防止氧化脱碳发生，无疑可大大延长模具寿命。
3.9 气体渗氮时，过去多用镀锡的办法局部防渗。如今用涂料防渗，方便快捷。其防渗面的硬度一般在300HV左右，可满足设计和工艺的各种需要。
形形色色的机械零件，五花八门的性能需求，在各种热处理过程中，需加热保护，需局部防渗时，采用涂料保护技术，应为一种行之有效的可靠的先进工艺，值得提倡和大力推广。但是，目前国内市场销售的涂料品种甚多，如何根据本企业工艺装备的特点，根据加工零件的要求，选好、用好热处理保护涂料[5]，对广大热处理工作者而言，是需要认真对待的。
4 问题和建议
纵观整个热处理保护涂料行业，一些骨干企业已崭露头角，他们在市场中的作用越来越大。但从长远看，整个行业发展后劲明显不足。
4.1 需求不旺
从市场需求看，热处理行业对涂料技术及其产品的需求仍不旺盛。这有涂料本身在品种、质量及厂商技术服务方面的问题，有热处理厂对涂料技术优越性认识不足的问题，也与企业在技术进步方面的原动力不足有关。需求不旺，涂料厂商效益不好，就难有更多的投入来开发新产品进行技术创新。早在二十年前，“热处理工艺材料调查报告”就指出：“每一种涂料从研制到投产都需要很多的人力物力和时间，但其用量有限（从几十公斤到几百公斤不等，至多也不过一吨）经济上的效益不多，有的可能还亏本。”
解决热处理保护涂料市场需求问题，应从以下几个方面着手。首先，要在热处理行业内提高认识，大力推荐、宣传保护涂料的技术可行性、先进性、优越性。使广大科技、管理人员真正认识到用涂料工艺完全能替代传统工艺技术，实实在在给工厂带来效益。随着制造业对零件性能要求越来越高，热处理的作用也越来越明显，涂料保护技术的采用将越来越广泛。热处理行业只有为机械制造业提供更多质优价廉的零件，才能在市场竞争中成为赢家。要做好涂料保护技术的宣传引导工作，热处理行业协会及其工艺材料委员会应承担起领导责任。采取诸如组织相关媒体及人员撰写发表有关论文，召开涂料保护技术推荐会，召开行业技术交流会等多种措施，使涂料保护技术深入人心。
另一方面，相关的科研单位，生产厂商也要积极配合，拿出性能好，质量过硬，使用方便的产品来满足市场需要。经过近三十年的发展，我国热处理保护涂料在品种、性能、质量上都取得了较大进步，基本上能满足国内需要，也获得较广泛的应用。特别是国产涂料价廉物美，价格仅为进口产品的1/10～1/5，这是优势所在。
虽然国产涂料能基本满足国内需求，但在我国加入WTO的今天，在热处理行业高标准的要求下，涂料行业必须居安思危，加强自身建设，迎接新的挑战。当前，首先要加大技改投入，不断开发出适销对路的新产品，满足日益发展的需要。目前国内尚存不多涂料厂商的实际情况是，生产规模不大，普遍资金不足，投入与产出暂时难以对称，影响技术技改投入的积极性。在这方面，涂料厂商要有超前意识，要想在行业内有所作为，必须未雨绸缪。
值得欣慰的是，随着我国市场开放进程的加快，制造业将获得快速发展，有媒体称，世界制造中心将向中国转移。果如此，则热处理行业将发生质的飞跃，从而将带动保护涂料行业的发展。有迹象表明，承接国外零件加工的热处理厂，普遍反映外商对加工零件的技术、质量要求很高。该局部渗碳的，一定要用涂料保护好。交货时硬度要求非常严格，达不到要求，退货没商量。在这一新形势下，沿海许多民营热处理厂，纷纷寻找合适的涂料产品和技术，这是一个良好的开端。
4.2 人才匮乏
热处理保护涂料技术涵盖化学化工，硅酸盐无机材料，金属学及热处理等学科领域，属多学科交叉的边沿技术。目前，专业从事这一领域的研究人才极少。一些早期从事研发的人才因退休、下海等而离开，新加盟的人才更是难以寻觅，人才严重匮乏是行业发展的真正危机。解决人才危机无灵丹妙药。只有行业发展壮大了，整体效益好了，才能吸引更多的有识之士加盟，才能逐步解决人才匮乏的问题。国内现有的专业热处理保护涂料厂，任重道远。
所幸的是，在眼前的困难条件下，国内仍有一些厂家不断有新产品推出。为数不多的科技人员还在孜孜不倦的耕耘，仍在继续奋斗。这是值得庆幸的，这些人也是值得尊敬的。
4.3 几点建议
4.3.1 强化应用技术研究
涂料厂商在加大投入、不断创新、推出新产品的同时，加强应用技术研究刻不容缓。品不少国产涂料的性能很好，产质量也不错，但往往热处理厂家使用效果却并不十分理想，这里就存在一个断层。其原因是：涂料开发人员或生产厂商，对涂料配方、功能、使用效果重视，一般实验室结果也确实不错，但对于这个配方生产的产品，如何满足生产实际条件下的各种需要，且在各种环境下，各种工况下都能获得满意效果方面的研究，相对欠缺。这一方面是开发人员或厂商的试验条件受限制（无热处理设备），同生产实际接触不多，发现问题少。另外也与开发人员和部分厂商在技术衔接方面存在问题有关。厂商因技术人才匮乏，未能充分消化所承接的技术。厂商消化不良的结果，必然影响到用户对技术的掌握。一旦出现这样那样的意外，如果厂商不能及时提供相应的解决办法，则用户必然失去对技术的信心。因此，在实现商品化以前，必须加大对应用技术的研究，不仅提供给用户高质量的产品，同时要提供可靠的应用技术及周到的服务，才能消除上述断层。
4.3.2 诚信经营
厂商在经销自己的商品时，要以诚信为本。实事求事地介绍自己产品的用途、性能和特点，切忌夸大其词。例如水性涂料使用时，笼统提出自然干燥，当温度湿度变化后如何处置，却不置可否。又如自剥性能，明明是硅酸盐涂料，淬火后只有部分或大部分自剥，介绍时笼统讲“自剥”，含糊其辞。厂商在商品推荐时，迎合用户图方便、省事地思想，使用户看不清应用技术的缺陷，最后吃亏地是用户，厂商失去的是信誉。厂商在经营时要实是求事，以科学的态度对待应用技术，这才是真正对用户负责。
4.3.3 >涂料技术是热处理工艺中的一环 对热处理厂而言，也要加强对涂料应用技术的认识。一般来说，热处理厂对保护涂料的要求是明确的，保护后预期效果也很清楚，但真正能把涂料使用工艺纳入热处理工艺之内的却不多。有的人把使用涂料保护看得太简单，认为随便涂涂就可以获得理想效果。不少热处理厂在使用涂料保护时，在工艺卡上只注明被保护位置及技术要求，至于具体工艺过程，工艺卡上基本没有反映，更不用讲在每一过程中如何实施质量检验。例如工件清洗除油条件，清洗剂浓度及温度的控制，涂料涂覆厚度的控制，自然干燥或烘干条件的控制，装炉前的涂层质量检查等等都没有列出。全凭操作工的经验和责任心。没有要求，没有检查，就难免出现问题。问题发生后，首先责怪的是涂料质量不好，而不是更多地从操作中去找原因。
热处理厂一旦选定某种保护涂料后，要将自己的工艺作适当调整，使其适合这种涂料的需要，如果你无法调整，则干脆不用为宜。根据本厂对涂料的要求及工艺、设备的实际，选好用涂料也是热处理工艺技术中的一环，必须认真对待。西方工业发达国家在应用涂料方面少有问题，主要原因是他们重视涂料的使用技术，并将之纳入热处理工艺之中。
总之，提高热处理行业对保护涂料技术的认识，并大力推广应用，已刻不容缓。其中，涂料开发人员、生产厂商有义不容辞的责任。同样，热处理厂也应严格按涂料使用工艺要求施工，只有涂料生产厂商和热处理厂共同努力，才能把这项工作做好。

参考文献
[1] 李祥和.热处理工艺材料调查报告[Z].第一次热处理工艺材料工作座谈会.武昌，1983.
[2] 战凤昌，李悦良等.专用涂料[M].北京：化学工业出版社，1988：194-211.
[3] 机械制造工艺材料技术手册编写组.机械制造工艺材料技术手册，上册[M].北京：机械工业出版社，1992：430-449.
[4] 谢浪.螺纹的防渗与渗漏碳处理[J].金属热处理，2000，25（12）：29-30.
[5] 张兴奎。如何选用防渗涂料[J].金属热处理，2002，27（6）：23-26.