CN111607257A - 弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料及其应用 - Google Patents

弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料，包括粉料、水和粘结剂，粉料按重量份数计，包括：SiO260‑85份、MgO 1‑2份、SiC 3‑8份、CaO 1‑2份、Al2O35‑30份、Fe2O31‑3份、TiO20‑1份、NiO 0.5‑1份和Na2O 1.5～3.5份；粉料和水按质量比2:1混合调制成浆料，粘结剂占浆料质量的10％～20％。本发明提供的防脱碳保护涂料适用于弹簧钢钢坯开坯、热轧前加热过程防脱碳的需求，涂料可以直接喷涂到800℃以下钢坯表面，涂料防护温度区间为950℃～1250℃，保护寿命1～25h，可以有效减缓弹簧钢高温加热过程表面的脱碳。

Description

弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料及其应用
技术领域
本发明涉及钢坯防脱碳保护涂料，特别是一种弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料及其应用。
背景技术
弹簧钢作为结构材料广泛应用于机械、车辆和仪表等工业部门。弹簧有两种主要功能：一是吸收冲击能量以减轻机械的振动与冲击作用,如汽车板弹簧和铁路车辆转向架摇枕弹簧；二是存储能量以使零件完成事先规定的动作,如汽门弹簧和高压液压泵柱塞弹簧为了使弹簧利用其自身形变吸收和存储能量,弹簧钢必须具有高的弹性极限，弹簧通常承受交变负荷或随机变动负荷,高的疲劳强度是其应具备的重要性能指标。弹簧钢表面出现脱碳会明显降低弹簧的疲劳极限，特别是表面出现铁素体全脱碳层时，可使弹簧的疲劳极限降低50％，因此，在生产过程中必须严格控制线材表面的脱碳层。Si～Mn,Si～Cr系弹簧钢由于C,Si含量高,尤其是高Si含量会明显加剧钢的表面脱碳，表面脱碳层的控制是弹簧钢开坯、轧制过程中的主要技术难点。
大多数弹簧表面的脱碳主要发生在钢的热加工过程中，因此研究弹簧钢在加热时的表面脱碳对生产高质量的弹簧显得十分重要。研究表明，影响弹簧钢发生脱碳的因素很多，如加热时间、加热温度、加热气氛以及钢的成分等。只考虑某一因素的影响是远远不够的，应该把各种因素综合起来考虑。
在实际生产中，步进式加热炉大多由燃料燃烧获得所需温度，炉内的气氛取决于燃烧的效率。工艺控制中往往是调节入炉燃料与空气的比例使得燃烧更完全、过程更经济。除了鼓入空气带入的氮气以外，炉内的主要气体成分是CO和CO2，加热炉内的温度为900℃～1200℃，钢坯在炉内的加热时间取决于开坯或一火二火轧制条件，一般一火和二火轧制线材或弹扁加热温度偏低，在炉时间较短约60min，开坯过程相对加热温度较高时间更长，有的达到几个小时甚至几十个小时。目前实际生产中开坯过程的工艺条件造成了各类弹簧钢的表面全脱碳和半脱碳严重，完全无法避免，因此开坯后的钢坯表面一般需要通过修磨工序以消除掉脱碳层及缺陷，这将会对钢材造成较大的浪费，也增加了工序成本，修磨过程严重影响了生产的效率，一火二火轧制成材工艺控制得当能够消除全脱碳层部分，但半脱碳层仍难以控制，如55SiCr类钢种还会出现局部点脱碳，对一些高端需求，成材无法满足。
工艺外的涂层防护的模式在国内外多家钢轨企业所采用。防脱碳涂层防护的形式可有效缓解加热过程的钢坯表面脱碳问题，不受钢铁生产工艺的制约。在中国专利CN100564458C中公开了一种利用凹凸棒石粘土制备高温防氧化保护涂料的方法，该方法将凹凸棒石粘土粉体、玻璃粉、碳粉按比例均匀混合，以去离子水为溶剂，硅酸钠为粘结剂，六偏磷酸钠为分散剂混合制备而成高温防氧化涂料，应用于调质钢、弹簧钢、模具钢等的高温防氧化保护。但由于凹凸棒石粘土高比表面积的特性，对溶剂水的强烈吸附过程，应用时涂料粘度随时间变化大，不利用设备喷涂，同时该涂料保护温度偏低，仅能在500～1050℃的温度范围内有效，不能用于高于1050℃的加热条件，同时涂料仅能在常温钢坯表面喷涂，对热送温送钢坯不能直接进行喷涂，应用范围受到了局限。在中国专利CN102453794B中公开了一种用于弹簧钢的高温防脱碳涂层材料，其在弹簧钢钢坯轧前热处理工艺用，不包括开坯前加热，该材料在500℃以下钢坯上直接喷涂，对红送钢坯如800℃或500℃以上的钢坯不能直接喷涂，其可防止弹簧钢在950～1150℃热处理过程中的脱碳，但对如开坯、热轧温度超过1050℃的条件下不能防止脱碳，因此限制了该类涂料的应用范围。
发明内容
本发明旨在于提供一种弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料及其应用，该防脱碳保护涂料适用于800℃以下中低温钢坯表面喷涂，粘附性能良好，高温下形成有效阻碍碳氧扩散的保护层，出炉冷却过程中能够自剥。
为达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一方面，本发明提供了一种弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料，包括粉料、水和粘结剂，粉料按重量份数计，包括：SiO2 60-85份、MgO 1-2份、SiC 3-8份、CaO 1-2份、Al2O3 5-30份、Fe2O3 1-3份、TiO2 0-1份、NiO 0.5-1份和Na2O 1.5～3.5份；粉料和水按质量比2:1混合调制成浆料，粘结剂占浆料质量的10％～20％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的防脱碳保护涂料适用于60Si2Mn、55SiCr、50CrV等弹簧钢系列钢种加热过程防脱碳的需求，涂料可以直接喷涂到800℃以下开坯、热轧前的钢坯表面，涂料防护温度区间为950℃～1250℃，保护寿命1～25h，实现降低高温坯体脱碳层深度的作用。
进一步地，SiO2来源于硅藻土、蛇纹石、膨润土和石英粉中的一种或者几种。
进一步地，Al2O3来源于工业氧化铝粉或水铝石。
进一步地，SiC来源于工业碳化硅粉，NiO来源于工业氧化镍粉。
进一步地，MgO和CaO来源于菱镁尾矿或滑石粉中的一种或两种。
进一步地，Fe2O3和TiO2来源于水淬铜渣。
进一步地，粘结剂由葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶组成，葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶重量比为1：1～4。
另一方面，本发明还提供了一种上述的弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料的应用，钢坯进加热炉前，将钢坯表面氧化铁皮片层清除干净，涂料在800℃以下钢坯表面直接喷涂，用量为0.5～1.5公斤/平米。
进一步地，涂料适用于800℃以下温度喷涂，涂料防护温度区间为950～1250℃，保护寿命1～25h。
附图说明
图1为本发明一实施例中无涂料钢坯脱碳层金相显微镜照片(100倍)。
图2为本发明一实施例中有涂料钢坯脱碳层金相显微镜照片(100倍)。
图3为本发明另一实施例中无涂料钢坯脱碳层金相显微镜照片(100倍)。
图4为本发明另一实施例中有涂料钢坯脱碳层金相显微镜照片(100倍)。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合附图及具体实施例对本发明技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明实施例提供的防脱碳保护涂料喷涂在800℃以下弹簧钢钢坯表面，保护温度区间为950℃～1250℃，可以有效减缓弹簧钢高温加热过程表面的脱碳。
实施例1：
选用的涂料粉料按质量份数计，包括：SiO2 65份、MgO 1份、SiC 5份、CaO 1份、Al2O3 24份、Fe2O3 1份、TiO2 0.5份、NiO 0.5份、Na2O 2份；使用时，先把粉料和水按质量比2∶1混合调制成浆料，加入由葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶组成的粘结剂，葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶重量比1：1，粘结剂占浆料质量的10％，混合均匀后得到本发明实施例1的涂料。SiO2来源于硅藻土，Al2O3来源于工业氧化铝粉，SiC来源于工业碳化硅粉，NiO来源于工业氧化镍粉，MgO和CaO来源于菱镁尾矿，Fe2O3和TiO2来源于水淬铜渣。
下面是针对在无涂料情况下的弹簧钢和采用本发明实施例1的涂料的弹簧钢脱碳性能对比实验。
将60Si2Mn钢钢坯四个侧面表面清洁后备用。分别将4根侧表面全部喷涂涂料和4根不涂涂料的样品进入加热炉，采用相同炉温工艺，炉温制度见表1，轧制成规格φ25mm的盘圆后检测脱碳层深度见表2。
表1加热炉炉温制度
Figure BDA0002503168810000041
表2脱碳层厚度变化
Figure BDA0002503168810000042
从表2中结果可以看出，无涂料防护的样品表面脱碳层深度普遍在0.27-0.29mm之间，而有涂料保护的样品脱碳层深度降低到0.05-0.1mm之间。结合弹簧钢盘圆规格，通常条件下，工业上对总脱碳层深度占盘圆直径百分比标准要求在0.8％以下，有的用户要求更低，因此，在无涂料保护的条件下，该比例达到了1.1％以上，无法满足质量要求；通过涂料保护后，脱碳深度占直径比例降低到了0.4％以下，个别样品降到了0.2％，这大大提高了弹簧钢的表面质量。
实施例2：
选用的涂料粉料按质量份数计，包括：SiO2 80份、MgO 2份、SiC 3份、CaO 1.5份、Al2O3 8份、Fe2O3 1.5份、TiO2 0.5份、NiO 0.5份、Na2O 3份；使用时，先把粉料和水按质量比2∶1混合调制成浆料，加入由葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶组成的粘结剂，葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶重量比为1：1，粘结剂占浆料质量的10％，混合均匀后得到本发明实施例2的涂料。SiO2来源于石英粉和硅藻土，Al2O3来源于工业氧化铝粉，SiC来源于工业碳化硅粉，NiO来源于工业氧化镍粉，MgO和CaO来源于菱镁尾矿，Fe2O3和TiO2来源于水淬铜渣。
本实施例和实施例1的区别在于涂料粉料组分有所差异，试验钢种与实施例1相同，试验结果与实施例1相同。
实施例3：
选用的涂料粉料按质量份数计，包括：SiO2 60份、MgO 2份、SiC 5份、CaO 1份、Al2O3 26份、Fe2O3 2.5份、TiO2 1份、NiO 1份、Na2O 1.5份；使用时，先把粉料和水按质量比2∶1混合调制成浆料，加入由葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶组成的粘结剂，葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶的重量比为1：2，粘结剂占浆料质量的12％，得到本发明的实施例3的涂料。SiO2来源于膨润土，Al2O3来源于水铝石，SiC来源于工业碳化硅粉，NiO来源于工业氧化镍粉，MgO和CaO来源于菱镁尾矿和滑石粉，Fe2O3和TiO2来源于水淬铜渣。
本实施例和实施例1的区别在于实验用钢种为50CrV弹簧钢、加热制度如表3，且涂料组分有所差异，试验结果如表4。
表3加热炉炉温制度
Figure BDA0002503168810000051
表4脱碳层厚度变化
Figure BDA0002503168810000052
从表4的实验结果来看，对于50CrV钢种，加热温度从900℃到1200℃不同温度条件下的脱碳层深度成显著递增，从0.35mm增加到1mm，脱碳程度越来越严重；采用涂料防护后，脱碳层深度有着明显的减轻，而且减轻程度随着温度的升高越来越明显，脱碳层深度呈现相对稳定的值，约在0.2mm-0.3mm范围内。这对该钢种实际生产加热过程中的涂料保护效果提供了很好的借鉴，一般情况下，无论热轧还是开坯，主体高温区加热温度基本在1000-1200℃区间，采用本发明实施例中涂料，可以得到理想的防止脱碳的效果。
实施例4：
选用的涂料粉料按质量份数计，包括：SiO2 76份、MgO 1.5份、SiC 8份、CaO 1份、Al2O3 6份、Fe2O3 3份、TiO2 0.5份、NiO 0.8份、Na2O 3.2份；使用时，先把粉料和水按质量比2：1混合调制成浆料，加入由葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶组成的粘结剂，葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶的重量比为1：4，粘结剂占浆料质量的15％，得到本发明实施例4的涂料。SiO2来源于石英粉和蛇纹石，Al2O3来源于水铝石，SiC来源于工业碳化硅粉，NiO来源于工业氧化镍粉，MgO和CaO来源于滑石粉，Fe2O3和TiO2来源于水淬铜渣。
本实施例和实施例1的区别在于实验用钢种为55SiCr弹簧钢且涂料组分有所差异，本实验在钢企现场进行试验，轧制直径16mm盘圆，取样脱碳金相显微镜照片如图1、图2所示，从金相检测对比图片和数据来看，无涂料试样脱碳层深度为0.11mm，有涂料保护后脱碳层深度为0.04mm，防脱碳效果明显。
实施例5：
选用的涂料粉料按质量份数计，包括：SiO2 85份、MgO 1份、SiC 4份、CaO 1份、Al2O3 5份、Fe2O3 1份、TiO2 0.1份、NiO 0.5份、Na2O 2.4份；使用时，先把粉料和水按质量比2：1混合调制成浆料，加入由葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶组成的粘结剂，葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶的重量比为1：4，粘结剂占浆料质量的20％，得到本发明实施例5的涂料。SiO2来源于石英粉和蛇纹石，Al2O3来源于水铝石，SiC来源于工业碳化硅粉，NiO来源于工业氧化镍粉，MgO和CaO来源于滑石粉，Fe2O3和TiO2来源于水淬铜渣。
本实施例和实施例1的区别在于实验用钢种为55SiCr弹簧钢且涂料组分有所差异，本实验在钢企现场进行试验，轧制直径16mm盘圆，取样脱碳金相显微镜照片如图3、图4所示，从金相检测对比图片和数据来看，无涂料试样脱碳层深度为0.1mm，有涂料保护后脱碳层深度为0.04mm，防脱碳效果明显。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料，包括粉料、水和粘结剂，其特征在于，粉料按重量份数计，包括：SiO2 60-85份、MgO 1-2份、SiC 3-8份、CaO 1-2份、Al2O3 5-30份、Fe2O3 1-3份、TiO2 0-1份、NiO 0.5-1份和Na2O 1.5～3.5份；粉料和水按质量比2:1混合调制成浆料，粘结剂占浆料质量的10％～20％。
2.根据权利要求1所述的弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料，其特征在于，SiO2来源于硅藻土、蛇纹石、膨润土和石英粉中的一种或者几种。
3.根据权利要求1所述的弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料，其特征在于，Al2O3来源于工业氧化铝粉或水铝石。
4.根据权利要求1所述的弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料，其特征在于，SiC来源于工业碳化硅粉，NiO来源于工业氧化镍粉。
5.根据权利要求1所述的弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料，其特征在于，MgO和CaO来源于菱镁尾矿或滑石粉中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料，其特征在于，Fe2O3和TiO2来源于水淬铜渣。
7.根据权利要求1所述的弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料，其特征在于，粘结剂由葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶组成，葡萄糖和磷酸二氢铝溶胶重量比为1：1～4。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料的应用，其特征在于，钢坯进加热炉前，将钢坯表面氧化铁皮片层清除干净，涂料在800℃以下钢坯表面直接喷涂，用量为0.5～1.5公斤/平米。
9.根据权利要求8所述的弹簧钢钢坯加热过程中防脱碳保护涂料的应用，其特征在于，涂料适用于800℃以下温度喷涂，涂料防护温度区间为950～1250℃，保护寿命为1～25h。
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