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K403模具鋼長時間加熱用防氧化涂層

  • 2008-8-6 11:21:40
  • 來源:《鍛壓潤滑技術與模具延壽培訓研討及其產品推介會論文集》
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作 者:趙小齊 段素杰 李錫春
關 鍵 詞:K403,,模具,,等溫鍛,,玻璃防氧化涂層
文獻摘要:介紹了加熱溫度為1050℃,加熱時間8~16小時模具防氧化涂層的研究過程,闡述了防氧化機理,討論了配方設計思路,研制的J1050涂層滿足了1050℃×8~16小時加熱的K403模具鋼防氧化需求。
1引   言
  K403鑄造高溫合金具有很好的高溫機械性能,多用于熱加工模具的制造,尤其在模鍛行業應用越來越廣泛。隨著等溫鍛造技術的發展,對模具到要求更高了,模具不僅長時間加熱,加熱溫度要高達1050℃,甚至更高,這對K403的防護又提出了新的要求,一般的防氧化涂料很難滿足。為此我們研發了微晶玻璃涂料,保證了K403使用壽命、降低了工模具成本。同時高溫、長時間加熱防氧化技術也有了突破。
 
2試驗原理
  采用熔膜屏蔽型保護機理:利用涂層加熱過程中形成致密牢固的玻璃狀物或玻璃陶瓷狀物,隔絕氣氛與氣體的接觸,達到保護的目的。它不但隔絕氣氛保護基體,而且減磨性較好,在熱變形加工中,又具有良好的潤滑性能。
  為了保證高溫防護的穩定、持久,涂層對金屬應具有化學惰性,不腐蝕金屬,涂層引入
熔化溫度低的無堿玻璃,為了提高保護涂層耐火度,采用SiO2、Al2O3、MgO、ZrO2等填料和微晶玻璃配置復合涂層。
 
3配方設計
  首先,做了模具鋼K403的氧化試驗,觀察得出它在700℃開始輕微氧化,1000℃劇烈氧化;所以,在設計配方時,要求涂層在700℃時形成連續、封閉、浸潤性好的膜層,保護基體,并與外界有害氣體隔絕;由于模具鋼都是在高溫下恒溫連續作業,這就要求涂層必須有一定高溫持續性能。防氧化涂層在670-1050℃時應封閉、保護,并且在長時間內涂層成份相對穩定、連續,具有一定液相量的微晶玻璃涂層覆蓋在金屬表面,不對基體產生侵蝕。
  通過反復試驗和性能檢測,確定了J1050涂料,它基本組成為高溫玻璃A、低溫玻璃B和其他礦物質。
            表1、涂層高溫物性測試
編號
95%
75%
50%
25%
J-1050
670℃
1061℃
1078℃
1157℃
    以上數據使用高溫物性儀測得:95%溫度點指涂層燒結后收縮,開始有液相的溫度,也叫初始軟化溫度; 75%溫度點是軟化溫度;50%溫度點是半球溫度;25%溫度點是流動溫度。                                 
   圖-1涂層J-1050的升溫高度變化曲線
4實驗過程:
  將J1050按配方制漿,在除油后的K403試樣上均勻噴涂涂料,涂層厚度:0.2-0.3mm。
試樣干燥后,放入箱式電爐內加熱,在700℃時涂層形成燒結狀,開始有光澤,說明表面孔隙率降低,隨著燒結的持續孔隙率為0,形成封閉的涂層。800℃時光澤比較好,說明涂層生成液相;950℃時液相豐富;1050℃保溫3小時后,光澤依然很飽滿;8小時試樣仍有很好的玻璃光澤,說明保護仍很有效;16小時后取出表面玻璃光澤依然很好,在冷卻過程中,涂層自動脫落。
 
5結果與討論
  從試驗結果看出:J-1050在570℃時,表面開始軟化,涂層開始封閉(如圖-1所示),在740℃到1000℃之間低溫玻璃起作用,濕潤并覆蓋在涂層上,填充了高溫填料的空隙,起到熔膜屏蔽保護作用。
  涂層成份中B屬于含鉛玻璃,軟化溫度低,Pb2+被8個O2-所包圍,其中4個O2-離Pb2+較遠(4.29埃),另外4個氧O2-離Pb2+較近(2.3埃),形成不對稱配位,Pb2+處于四方錐體頂端,Pb2+惰性電子處于遠離4個O2-的一面,使PbO-SiO2體系具有很寬的玻璃形成區,PbO在玻璃是易熔組分。
  涂層成份中A屬于斜方晶系D202h-Cccm;a0=1.713~1.707 nm,b0=0.980~0.973 nm,c0=0.935~0.929 nm;Z=4。與綠柱石同結構,但在六方環中存在Al→Si,因而對稱下降。值得指出的是,Mg2+一般為六次配位,但在此中為四次配位。因為在Mg-Al-Si晶體結構中,Mg是四次配位的,Mg2+的半徑小,進入四面體中更穩定。骨干外的Al3+可被Fe3+代替。其結構特性決定熱膨脹系數小。
  由于Mg-Al-Si的引入,在1000℃時發生PbO-SiO2向8PbO-Al203-4SiO2轉變(圖2),從而有新的玻璃相產生,進而使其性能發生變化,在1000℃形成新的微晶系玻璃防護層,新的微晶系玻璃在1050℃屬于軟化點和半球點之間,所以他的防護性又好,持續時間又長且液相飽滿。
  通過實驗可以看出,570℃時低溫玻璃熔化,充當高溫組分填充料,由于低溫的組分熔化填充了孔隙,從而使保護從570℃就已經開始,新的晶相可以滿足在1050℃實現豐富的玻璃相。且可以對金屬長時間保護。降溫過程中J-1050在600℃左右自動脫落,不會發生模具鋼的二次氧化。
                         圖2 PbO-Al2O3-SiO2
6結  論
  該高溫防氧化涂料具有以下特點:
1         低溫玻璃B的引入,使涂層能在更低的溫度封閉,實現與空氣的屏蔽,在防護初期起到防氧化作用;
2         在670-1050℃涂層都能形成穩定的膜層體系,防護溫度段寬、料性長;
3         在1050℃形成穩定的微晶相,長時間加熱,涂層成份穩定,防氧化效果好。
4         涂層自剝性好,無二次氧化。
7參考文獻
1  西北輕工業學院   《玻璃工藝學》   2006年  第一版
2   陶杰等    《金屬表面功能涂層基礎》 1999年  航空工業出版社
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