CN113583487B - 一种300m钢模锻工艺用表面防护润滑剂及其涂覆工艺 - Google Patents

一种300m钢模锻工艺用表面防护润滑剂及其涂覆工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂及其涂覆工艺，该表面防护润滑剂包括涂覆在300M钢表面的两层涂料层，紧贴300M钢表面的第一涂料层包括玻璃粉、氮化硼、三氧化二铬、石墨粉、铝粉、耐热性水溶性纤维素；在第一涂料层之外的第二涂料层包括复配玻璃粉、耐热性水溶性纤维素；复配玻璃粉包括始熔温度分别为1100℃、900℃和700℃的3种玻璃粉。本发明将反应消耗型保护涂层和惰性膜保护型涂层结合起来，采用梯度涂层思想，第一层为长时防氧化脱碳功能，第二层为高温润滑功能。在加热过程中，金属粉氧化形成氧化物，提供反应消耗保护；氧在Al2O3膜层中的扩散速率非常低，提供了惰性膜保护，通过高温下两涂层相互作用形成具有良好高温润滑效果的玻璃膜。

Description

一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂及其涂覆工艺
技术领域
本发明涉及钢表面防护技术领域，具体涉及一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂及其涂覆工艺。
背景技术
300M钢是一种低合金超高强度钢，其力学性能具有强度高、横向塑性高、断裂韧性高、疲劳性能优良及抗腐蚀性能好等优点，已经成为世界上强度最高、综合性能最好、应用最广泛和声誉最好的起落架用钢。
在合金钢的热模锻生产中，当钢坯料直接在高温箱式电炉或天然气炉内加热至锻造温度时，坯料表面会生成一层较厚的氧化皮，氧化皮在模锻过程中不仅增大了模具与坯料间的摩擦系数，使得变形抗力变大，加大成形难度；而且会划伤模具和锻件表面，严重降低模具的使用寿命。为解决这一问题，通常是在钢坯热加工时采用的润滑剂进行防护，然而，300M钢的锻前加热温度高达1200℃，加热时间长达6小时，现有的润滑剂要么不具有高温防护作用，要么具备高温防护的润滑剂不能长时间加热。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中存在的不足，提供一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，通过两层涂料层构成的表面防护润滑剂，满足300M钢锻前高达1200℃，加热时间长达6小时以上。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，包括涂覆在300M钢表面的两层涂料层，两层涂料层为紧贴300M钢表面的第一涂料层、以及在第一涂料层之外的第二涂料层；
其中，第一涂料层包括如下重量份的组份：玻璃粉30～45份，氮化硼20～35份，三氧化二铬2～5份，石墨粉2～15份，金属铝粉3～10份，耐热性水溶性纤维素20～40份，水100份；
第二涂料层包括如下重量份的组份：复配玻璃粉55～75份，耐热性水溶性纤维素20～40份，水100份；所述复配玻璃粉包括始熔温度分别为1100℃、900℃和700℃的三种玻璃粉按质量比为3～4:1:1复配的。
在300M钢表面涂覆两层涂料层，其中第一涂料层主要用于防氧化防脱碳，第二涂料层用于耐高温，以满足长时间高温下防止钢表面氧化形成氧化皮，从而提高模具的使用寿命以及防止模具和钢表面被刮花。
第一涂料层的防氧化防脱碳原理：在第一涂料层加入石墨粉，在高温热处理过程起到争夺氧气的作用，即代替高强钢中的C与空气中的氧气反应，降低脱碳程度，并且多余的石墨还能使加热炉里的氧气浓度显著减少，在高温下也能通过原子扩散向试样表层进行渗透，达到表面渗碳效果，进一步防止脱碳；然后在第一涂料层加入金属铝粉，代替高强钢中的Fe与氧气反应的作用，降低钢表面的氧化程度，再配合石墨粉降低炉内氧含量的效果，进而使得涂层能够达到防氧化作用。
第二涂料层的耐高温原理：在复配玻璃粉中含有易熔(700℃左右)、中等熔度(900℃)的和难熔(1100℃)的釉料，在加热时易熔的瓷釉质点比其它的能早期软化，将内层难熔质点粘结在涂料的致密薄膜中，使合金钢在700℃左右就受到了保护，大大减弱氧化程度。随着温度的提高，薄膜中存在液态、粘态和固态釉料质点，从而扩大了加热温度的幅度和延长了加热时间；在工作温度下由于浓度梯度的作用而发生扩散过程，结果使涂料薄膜的成份均匀化，从而保证获得化学活性小而防氧化防脱碳性能和高温润滑性能较好的熔体。
进一步地，所述第一涂料层的玻璃粉包括如下重量份的组份：二氧化硅30～50份，氧化硼10～23份，氧化铝5～10份，氧化钡5～15份，氧化钠4～9份，氧化铈3～10份，氧化钾1～6份。
进一步地，始熔温度为1100℃的玻璃粉包括如下重量份的组份：二氧化硅55～60份，氧化硼12～18份，氧化铝13～18份，氧化钙13～16份，氧化钠2～4份。
进一步地，始熔温度为900℃的玻璃粉包括如下重量份的组份：二氧化硅50～55份，氧化硼18～22份，氧化铝5～10份，氧化钙10～15份，氧化钠4～6份。
进一步地，始熔温度为700℃的玻璃粉包括如下重量份的组份：二氧化硅35～45份，氧化硼30～34份，氧化铝1～3份，氧化钙5～8份，氧化钠20～25份。
氧化铝熔点较高，添加比例高时，会使得始熔温度显著提高，因此根据始熔温度的要求，相应设置不同的重量等的氧化铝。始熔温度700℃的玻璃粉中由于加入的氧化硼、氧化钠和氧化钾相对于其他两个重量份相对较多，是因为这三种材料熔点较低，满足700℃的熔点；始熔温度1100℃的玻璃粉把氧化铝的含量提高，氧化钠含量降低，并且去掉了低熔点的氧化钾，因此始熔温度高；始熔温度900℃的玻璃粉氧化铝含量与始熔温度1100℃的玻璃粉相当，并略微提高了氧化钠含量，去掉了氧化钾，使得始熔温度提高到约900℃，去除氧化铈的目的在于降低成本。
本发明还提供了一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂的涂覆工艺，包括以下步骤：
(1)对300M钢的表面进行酸洗除锈，酸洗时间为15～30min，酸洗温度为室温，其中所述酸洗液包括质量百分比的1％HF、20％HNO3和79％H2O；
(2)采用乙醇对酸洗后的300M钢进行喷洗并吹干，吹干温度为70～100℃；
(3)然后对300M钢进行烘烤预热，烘烤温度为45～70℃，烘烤时间为2～4h；
(4)对烘烤后的300M钢表面喷涂第一涂料层，喷涂时，喷头与300M钢表面距离为30～50cm，同一位置停留时间为0.5～1.5s，300M钢表面全部喷涂后进行烘烤，烘烤温度30～60℃，烘烤时间1～2h；
(5)对喷涂第一涂料层并烘烤后的300M钢表面喷涂第二涂料层，喷涂时，喷头与300M钢表面距离为30～50cm，同一位置停留时间为0.5～1.5s，300M钢表面全部喷涂后进行烘烤，烘烤温度30～60℃，烘烤时间1～2h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于原位合成技术，将反应消耗型保护涂层和惰性膜保护型涂层结合起来，采用梯度涂层思想，第一层侧重于长时防氧化脱碳功能，第二层侧重于高温润滑功能。在300M钢锻前加热过程中，首先由单质金属粉氧化形成氧化物，从而提供反应消耗保护；这些氧化物在高温下均非常稳定，而且氧化后的氧化物膜层(Al2O3)中的扩散速率又都非常低，从而提供了惰性膜保护，通过高温下内外层长时相互作用，最终形成在后续锻造过程中具有良好高温润滑效果的玻璃膜。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的上述发明内容作进一步的详细描述。
但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例1
本实施例为配方实施例：
一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，包括涂覆在300M钢表面的两层涂料层，紧贴300M钢表面的第一涂料层以重量份计包括玻璃粉30份，氮化硼20份，三氧化二铬2份，石墨粉3份，金属铝粉3份，耐热性水溶性纤维素20份，水100份；所述玻璃粉二氧化硅30份，氧化硼10份，氧化铝5份，氧化钡5份，氧化钠4份，氧化铈3份，氧化钾1份。
在第一涂料层之外的第二涂料层以重量份计包括复配玻璃粉55份，耐热性水溶性纤维素20份，水100份；所述复配玻璃粉包括始熔温度分别为1100℃、900℃和700℃的三种玻璃粉按质量比为3:1:1复配的，三种玻璃粉的组份如表1所示。
表1：本实施例复配玻璃粉的组份(以重量份计)
始熔温度 二氧化硅 氧化硼 氧化铝 氧化钙 氧化钠
1100℃ 55 13 13 13 2
900℃ 50 18 5 10 4
700℃ 35 30 1 5 20
实施例2
本实施例为配方实施例：
一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，包括涂覆在300M钢表面的两层涂料层，紧贴300M钢表面的第一涂料层以重量份计包括玻璃粉32份，氮化硼22份，三氧化二铬3份，石墨粉5份，金属铝粉4份，耐热性水溶性纤维素24份，水100份；所述玻璃粉二氧化硅33份，氧化硼13份，氧化铝6份，氧化钡7份，氧化钠5份，氧化铈5份，氧化钾2份。
在第一涂料层之外的第二涂料层以重量份计包括复配玻璃粉57份，耐热性水溶性纤维素25份，水100份；所述复配玻璃粉包括始熔温度分别为1100℃、900℃和700℃的三种玻璃粉按质量比为4:1:1复配的，三种玻璃粉的组份如表2所示。
表2：本实施例复配玻璃粉的组份(以重量份计)
始熔温度 二氧化硅 氧化硼 氧化铝 氧化钙 氧化钠
1100℃ 56 14 14 14 2
900℃ 51 19 6 11 4
700℃ 36 31 1 6 21
实施例3
本实施例为配方实施例：
一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，包括涂覆在300M钢表面的两层涂料层，紧贴300M钢表面的第一涂料层以重量份计包括玻璃粉35份，氮化硼24份，三氧化二铬4份，石墨粉7份，金属铝粉6份，耐热性水溶性纤维素27份，水100份；所述玻璃粉二氧化硅38份，氧化硼15份，氧化铝7份，氧化钡9份，氧化钠6份，氧化铈7份，氧化钾3份。
在第一涂料层之外的第二涂料层以重量份计包括复配玻璃粉60份，耐热性水溶性纤维素30份，水100份；所述复配玻璃粉包括始熔温度分别为1100℃、900℃和700℃的三种玻璃粉按质量比为3:1:1复配的，三种玻璃粉的组份如表3所示。
表3：本实施例复配玻璃粉的组份(以重量份计)
始熔温度 二氧化硅 氧化硼 氧化铝 氧化钙 氧化钠
1100℃ 57 15 15 14 3
900℃ 52 20 7 12 5
700℃ 37 32 2 7 22
实施例4
本实施例为配方实施例：
一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，包括涂覆在300M钢表面的两层涂料层，紧贴300M钢表面的第一涂料层以重量份计包括玻璃粉38份，氮化硼26份，三氧化二铬3份，石墨粉9份，金属铝粉8份，耐热性水溶性纤维素30份，水100份；所述玻璃粉二氧化硅40份，氧化硼17份，氧化铝8份，氧化钡10份，氧化钠7份，氧化铈8份，氧化钾4份。
在第一涂料层之外的第二涂料层以重量份计包括复配玻璃粉65份，耐热性水溶性纤维素35份，水100份；所述复配玻璃粉包括始熔温度分别为1100℃、900℃和700℃的三种玻璃粉按质量比为4:1:1复配的，三种玻璃粉的组份如表4所示。
表4：本实施例复配玻璃粉的组份(以重量份计)
始熔温度 二氧化硅 氧化硼 氧化铝 氧化钙 氧化钠
1100℃ 58 16 16 15 3
900℃ 53 20 8 13 5
700℃ 38 32 2 6 23
实施例5
本实施例为配方实施例：
一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，包括涂覆在300M钢表面的两层涂料层，紧贴300M钢表面的第一涂料层以重量份计包括玻璃粉40份，氮化硼28份，三氧化二铬4份，石墨粉12份，金属铝粉7份，耐热性水溶性纤维素35份，水100份；所述玻璃粉二氧化硅45份，氧化硼20份，氧化铝9份，氧化钡13份，氧化钠8份，氧化铈9份，氧化钾5份。
在第一涂料层之外的第二涂料层以重量份计包括复配玻璃粉70份，耐热性水溶性纤维素37份，水100份；所述复配玻璃粉包括始熔温度分别为1100℃、900℃和700℃的三种玻璃粉按质量比为3:1:1复配的，三种玻璃粉的组份如表4所示。
表4：本实施例复配玻璃粉的组份(以重量份计)
Figure BDA0003193903370000071
Figure BDA0003193903370000081
实施例6
本实施例为配方实施例：
一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，包括涂覆在300M钢表面的两层涂料层，紧贴300M钢表面的第一涂料层以重量份计包括玻璃粉44份，氮化硼30份，三氧化二铬5份，石墨粉15份，金属铝粉10份，耐热性水溶性纤维素38份，水100份；所述玻璃粉二氧化硅50份，氧化硼23份，氧化铝10份，氧化钡15份，氧化钠9份，氧化铈10份，氧化钾6份。
在第一涂料层之外的第二涂料层以重量份计包括复配玻璃粉75份，耐热性水溶性纤维素40份，水100份；所述复配玻璃粉包括始熔温度分别为1100℃、900℃和700℃的三种玻璃粉按质量比为4:1:1复配的，三种玻璃粉的组份如表4所示。
表4：本实施例复配玻璃粉的组份(以重量份计)
始熔温度 二氧化硅 氧化硼 氧化铝 氧化钙 氧化钠
1100℃ 60 18 18 16 4
900℃ 55 22 10 15 6
700℃ 40 34 3 8 25
实施例7
本实施例为制备实施例：
一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂的涂覆工艺，包括以下步骤：
(1)对300M钢的表面进行酸洗除锈，酸洗时间为15～30min，酸洗温度为室温，其中所述酸洗液包括质量百分比的1％HF、20％HNO3和79％H2O；
(2)采用乙醇对酸洗后的300M钢进行喷洗并吹干，吹干温度为70～100℃；
(3)然后对300M钢进行烘烤预热，烘烤温度为45～70℃，烘烤时间为2～4h；
(4)对烘烤后的300M钢表面喷涂第一涂料层，喷涂时，喷头与300M钢表面距离为30～50cm，同一位置停留时间为0.5～1.5s，300M钢表面全部喷涂后进行烘烤，烘烤温度30～60℃，烘烤时间1～2h；
(5)对喷涂第一涂料层并烘烤后的300M钢表面喷涂第二涂料层，喷涂时，喷头与300M钢表面距离为30～50cm，同一位置停留时间为0.5～1.5s，300M钢表面全部喷涂后进行烘烤，烘烤温度30～60℃，烘烤时间1～2h。
对比试验
本实施例采用100×100×100mm的300M钢作为试样，以北京天力创玻璃科技开发有限公司提供的GRF-45型金属高温防护涂料和某牌号德国进口高温防护涂料作为对比实施例，以防脱碳试验来判断本实施例所述的表面防护润滑剂的有效性，说明配方采用实施例3的配方和实施例7的涂覆工艺。
防脱碳试验步骤：
(1)利用表面喷砂技术，对涂覆有涂料的试样进行喷砂处理，去除表面涂层壳体；
(2)将清理干净的试样进行称重，并与初始试样质量进行对比，计算表面脱落的氧化层厚度；
(3)利用电火花线切割，在试样棱角处切取15×15×20mm尺寸测试样品，并利用宏观硬度法测试表面脱碳层深度。
按照上述步骤方法，获取150个300M钢作的试样，每50个为一组，其中一组涂覆北京天力创玻璃科技开发有限公司提供的GRF-45型金属高温防护涂料，一组涂覆某牌号德国进口高温防护涂料，一组涂覆本实施例所述的表面防护润滑剂；然后对测试每组的氧化层厚度和脱碳层深度，最后每组的平均值进行横向对比。
在同样的涂覆工艺和脱碳氧化测试条件下，北京天力创玻璃科技开发有限公司提供的GRF-45型金属高温防护涂料防护下的300M钢试样表面氧化极为严重，脱落的氧化层占比约5～8％，某牌号德国进口高温防护涂料防护下300M钢表面脱落氧化层占比约2～6％，而本实施例的表面防护润滑剂防护下，表面脱落氧化层占比小于0.5％。
在防脱碳方面，北京天力创玻璃科技开发有限公司提供的GRF-45型金属高温防护涂料防护下的试样平均脱碳层深度约2.2mm，某牌号德国进口高温防护涂料防护下的试样平均脱碳层深度约1.8mm，而本实施例的表面防护润滑剂防护下的试样平均脱碳层深度小于0.6mm。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，其特征在于：包括涂覆在300M钢表面的两层涂料层，两层涂料层为紧贴300M钢表面的第一涂料层、以及在第一涂料层之外的第二涂料层；
其中，第一涂料层包括如下重量份的组份：玻璃粉30～45份，氮化硼20～35份，三氧化二铬2～5份，石墨粉2～15份，金属铝粉3～10份，耐热性水溶性纤维素20～40份，水100份；
第二涂料层包括如下重量份的组份：复配玻璃粉55～75份，耐热性水溶性纤维素20～40份，水100份；所述复配玻璃粉包括始熔温度分别为1100℃、900℃和700℃的三种玻璃粉按质量比为3～4:1:1复配的。
2.根据权利要求1所述的300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，其特征在于：所述第一涂料层的玻璃粉的始熔温度为700℃，它包括如下重量份的组份：二氧化硅30～50份，氧化硼10～23份，氧化铝5～10份，氧化钡5～15份，氧化钠4～9份，氧化铈3～10份，氧化钾1～6份。
3.根据权利要求1所述的300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，其特征在于：始熔温度为1100℃的玻璃粉包括如下重量份的组份：二氧化硅55～60份，氧化硼12～18份，氧化铝13～18份，氧化钙13～16份，氧化钠2～4份。
4.根据权利要求1所述的300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，其特征在于：始熔温度为900℃的玻璃粉包括如下重量份的组份：二氧化硅50～55份，氧化硼18～22份，氧化铝5～10份，氧化钙10～15份，氧化钠4～6份。
5.根据权利要求1所述的300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂，其特征在于：始熔温度为700℃的玻璃粉包括如下重量份的组份：二氧化硅35～45份，氧化硼30～34份，氧化铝1～3份，氧化钙5～8份，氧化钠20～25份。
6.一种根据权利要求1所述的300M钢模锻工艺用表面防护润滑剂的涂覆工艺，其特征在于包括以下步骤：
(1)对300M钢的表面进行酸洗除锈，酸洗时间为15～30min，酸洗温度为室温，其中所述酸洗采用的酸洗液包括质量百分比的1％HF、20％HNO3和79％H2O；
(2)采用乙醇对酸洗后的300M钢进行喷洗并吹干，吹干温度为70～100℃；
(3)然后对300M钢进行烘烤预热，烘烤温度为45～70℃，烘烤时间为2～4h；
(4)对烘烤后的300M钢表面喷涂第一涂料层，喷涂时，喷头与300M钢表面距离为30～50cm，同一位置停留时间为0.5～1.5s，300M钢表面全部喷涂后进行烘烤，烘烤温度30～60℃，烘烤时间1～2h；
(5)对喷涂第一涂料层并烘烤后的300M钢表面喷涂第二涂料层，喷涂时，喷头与300M钢表面距离为30～50cm，同一位置停留时间为0.5～1.5s，300M钢表面全部喷涂后进行烘烤，烘烤温度30～60℃，烘烤时间1～2h。
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