CN115505284B - 一种防渗氮涂料及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属热处理技术领域，提供一种防渗氮涂料及其制备和应用，所述防渗氮涂料包括：锡粉、氧化铝粉末和粘合剂，按份数计，所述锡粉为3～4.5份，所述氧化铝粉末为2～3份。该防渗氮涂料可以用于磁性部件的固溶渗氮工艺，制得局部无磁性的双相材料，特别适用于950℃以上的固溶渗氮工艺，防渗氮效果优异。而且，固溶渗氮后，淬火工序可以使防渗氮涂料形成的涂层全部或者部分粉末化而直接脱落，无需进行复杂的涂层去除工序。本发明的防渗氮涂料的制备方法简单，适用范围广。

Description

一种防渗氮涂料及其制备和应用

技术领域

本发明涉及金属热处理技术领域，尤其涉及一种防渗氮涂料及其制备和应用。

背景技术

对金属工件进行渗氮可以用来改变金属的磁性。比如，将具有磁性的金属工件表面暴露在氮气中，在特定条件下，至少会将一部分氮渗入到金属工件中，而氮的渗入会使金属工件的磁性减小甚至消失，消失磁性的金属工件为非磁性材料。

在制备双相材料的可以采用固溶渗氮方法。在固溶渗氮过程中，可以通过涂覆防渗氮涂层的方式控制金属工件的部分区域渗氮，渗入氮的区域金属工件的磁性减小甚至消失，而防渗氮涂层所在的区域则金属工件的原有性质不受影响或者影响很小，从而得到局部无磁性的双相软磁性材料。锡是普通防渗氮涂层的主要原料之一，锡是较柔软、延展性较好的金属，其熔点为231.89℃，沸点为2260℃，密度为7.28g/cm3，其化学稳定性较好，不容易在酸中溶解。以锡为主的防渗氮涂层能够在400～600℃的条件下起到稳定的防渗氮作用。但是，当温度达到950～1200℃时，会出现龟裂而不能够起到很好的防渗氮作用。而且，以锡为主的防渗氮涂层在固溶渗氮结束后很难从金属工件的表面去除，则一般需要对防渗氮涂层进行化学或机械蚀刻才能去除，这类去除方法可能会对基体材料造成损坏，而且去除操作也增加了制造双相材料的成本。

鉴于此，提出本发明。

发明内容

本发明提供一种防渗氮涂料及其制备和应用，用以解决现有技术中以锡为主的防渗氮涂层难以用于高温固溶渗氮和难以从工件表面去除的缺陷，实现在高温下良好的防渗氮效果和高温固溶渗氮后易剥落，有效降低制造双相材料的成本。

具体地，本发明提供一种防渗氮涂料，包括：锡粉、氧化铝粉末和粘合剂；

按份数计，所述锡粉为3～4.5份，所述氧化铝粉末为2～3份。

本发明发现，含锡粉、氧化铝粉末和粘合剂通过适当配比可形成金属陶瓷复合的防渗氮涂料。该防渗氮涂料的流动性好，易于涂覆形成均匀的涂层，在后续干燥和高温固溶渗氮过程中均可以保持完整的形态，不发生龟裂和不脱落，适用于950℃以上的高温条件下的固溶渗氮工艺。

该防渗氮涂料形成的防渗氮涂层的高温防渗氮效果良好，且固溶渗氮工艺结束后，防渗氮涂层可以通过简单的砂纸打磨的方式而完全剥落，甚至在淬火后直接粉化而脱落，无需进行化学或机械蚀刻等复杂和有损基材表面的去除工艺。尤其是当所述锡粉和所述氧化铝粉末的重量份数比为1:1时，经淬火工序后，防渗氮涂层会成为粉体而直接脱落。若当所述锡粉的重量份数大于所述氧化铝粉末的重量份数时，经淬火工序后，防渗氮涂层会部分成为粉体，而残留的部分可以通过简单的砂纸打磨的方式而完全剥落。若氧化铝粉末的含量太少，会使防渗氮涂层的去除造成障碍，而锡粉的含量太少，则防渗氮效果会变差。在试验中发现，当单独以氧化铝粉末在工件上形成涂层时，虽然可以形成均匀的涂层，且干燥和高温固溶渗氮条件下也能保持表面不发生龟裂和不脱落，但是高温下的防渗氮效果欠佳，在涂层所在的区域会渗入大量的氮原子而无法制备得到理想中的双相材料。

根据本发明提供的防渗氮涂料，所述粘合剂为水玻璃；也可以称为硅酸钠水溶液；

本发明意外发现，当采用以水玻璃作为粘合剂时，可以很好地将锡粉和氧化铝粉末混合均匀，并易于调整防渗氮涂料的性状，如粘度等，这样方便喷涂、涂覆、涂抹等加工过程，在干燥时，形成的涂层效果更好。

优选为，按份数计，所述水玻璃为3.5～4份。当控制水玻璃的含量在该范围内，可以达到最佳的涂层效果。

根据本发明提供的防渗氮涂料，所述防渗氮涂料的粘度为25～65mm²/s。

本发明发现，防渗氮涂料的粘度对加工的难易程度影响很大，在涂覆所述防渗氮涂料时，应均匀完整，不应有结块。为了适应高效率生产，在涂完防渗氮涂料后，应易于干燥，最好是在室温下2小时内干燥，且干燥后，涂层应保持其完整均匀的状态，且不发生龟裂，否则会因涂层不均匀而导致防渗氮效果不一致，涂层所在区域内的材料性能发生不均匀等问题。而当所述防渗氮涂料的粘度为25～65mm²/s时，可以很好地控制涂料的加工并保证后续防渗氮效果的一致性。

根据本发明提供的防渗氮涂料，所述锡粉的粒度在100～200目；所述氧化铝粉末的粒度在80～200目。本发明所采用的锡粉和氧化铝粉末的粒径对涂层的防渗氮效果会有一定的影响，一般而言，粉末越小，涂层越均匀，但粉末太小时，也会增加分散的难度，通过试验发现，在选择粒度在上述范围内的锡粉和氧化铝粉末时，防渗氮效果和剥落的难易程度可以达到最佳状态。

本发明提供一种防渗氮涂料的制备方法，包括：将锡粉、氧化铝粉末和粘合剂混合均匀。

本发明提供一种防渗氮涂料的应用，用于磁性部件通过高温固溶渗氮工艺制得局部无磁性的双相材料；

优选地，所述双相材料用于电动机的转子叠片。

根据本发明提供的防渗氮涂料的应用，所述磁性部件为软磁性不锈钢，如铁素体不锈钢或者双相不锈钢(如2205双相不锈钢、2101双相不锈钢等)。

对于磁性部件，当为铁素体不锈钢时，其初始磁性能优异，经过固溶渗氮后，能够得到90％以上的奥氏体组织，其渗氮效果优异。当为双相不锈钢时，初始磁性能较差，但应用广泛，易于获取。经过固溶渗氮，双相不锈钢中的铁素体组织基本消失，得到90％以上的奥氏体组织，渗氮效果优异。

该磁性部件的构造可以是任意的，比如一定厚度的板材等，在制备双相材料时，可以在板材上设计好磁性区域，并在磁性区域的上下表面涂上本发明中的防渗氮涂料，而其余区域不进行处理。可以根据需要在板材的侧面涂上防渗氮涂料。

根据本发明提供的防渗氮涂料的应用，所述防渗氮涂料的应用中包括：将所述防渗氮涂料涂在所述磁性部件的表面后进行干燥形成防渗氮涂层；所述磁性部件的表面是由双相材料的结构设计决定的，如，双相材料仅包括铁素体组织和奥氏体组织，则所述磁性部件的表面是指铁素体组织对应的区域。

优选地，所述干燥的温度为150℃以下；干燥的目的是使所述防渗氮涂料在磁性部件的表面形成均匀且不脱落的涂层，干燥的温度越高，所需时间越短，比如，干燥可以采用加热炉加热的方法进行快速烘干，在150℃时，加热时间不超过20min即可达到很好地涂层效果。

更优选地，所述防渗氮涂层的厚度为0.1～1.5mm；在实验中发现，本发明中的防渗氮涂层的厚度与该防渗氮涂层的防渗氮效果存在一定关系，一般而言，厚度越大，防渗氮效果越好。当涂层厚度为0.5mm时，阻氮效果优异，初始铁素体组织仅有10％左右转变为奥氏体组织；当涂层厚度为1.5mm时，阻氮效果达到最佳，初始铁素体组织基本能够得到全部保留，因此，当需要制备存在一定过渡区域的双相材料时，比如，在渗氮区域和非渗氮区域之间设过渡区域，在过渡区域的表面形成厚度比非渗氮区域更薄的防渗氮涂层，则可以实现非渗氮区域几乎不渗氮，而过渡区域渗入少量氮，而渗氮区域充分渗入氮，该方法可以在电机材料中应用中使用，在控制厚度时，可以先均匀缓慢的涂一次，再根据涂层的厚度，选择性的进行二次或三次涂，只要形成的防渗氮涂层的表面是均匀的，无明显的缺陷，如涂层凹凸不平、表面龟裂等即可。

在涂防渗氮涂料之前，可以对所述磁性部件的表面进行预处理，比如，可以采用化学溶剂浸泡的方法先将磁性部件的表面进行去油处理。本发明还可以采用200目、400目的砂纸对磁性部件进行打磨，以便去除磁性部件的表面氧化层，打磨的方式也有助于涂层更好地依附在工件表面，另外，打磨后，还可以使用酒精对工件表面进行清洗，去除磨屑等，然后烘干。

在涂防渗氮涂料时，可以采用常规的方式，比如浸涂、喷涂、旋涂、溅涂等方法。为了准确地控制涂的区域，可以在磁性部件的表面放置金属蒙版或者形成特定区域的方式，比如，需要在一个扇形的位置涂上防渗氮涂料，则可以在磁性部件上挖一个扇形的凹槽，然后在该凹槽内形成涂层，从而达到只在扇形位置保留原始组织的目的。

根据本发明提供的防渗氮涂料的应用，所述防渗氮涂料的应用中还包括：将形成了所述防渗氮涂层的磁性部件进行固溶渗氮；

所述固溶渗氮在高温和氮气气氛下进行，所述高温为950℃以上；

优选为，高温为950～1200℃；

更优选地，所述固溶渗氮中所述氮气气氛的压力大于0.25MPa。

现有技术中的气体渗氮一般在600℃以内，渗氮层厚度薄，含氮浓度低(小于0.4％)。固溶渗氮温度高(1000～1200度，一般1150度)，渗氮浓度能达到0.4％-1.2％。通过研究发现，固溶渗氮的温度提高时，固溶渗氮的效率更高。特别是对于高性能电机材料，高温固溶渗氮效率的提高可以使其制备周期减短，生产成本降低。最关键是，现有气体渗氮等技术的渗氮得到的是氮化物，并不能实现铁素体(磁性)向奥氏体(无磁)转变，从而制备局部无磁性的双相磁性材料。本发明通过不断试验发现，在高温下，本发明中的防渗氮涂料形成的涂层可以在高温下仍然保留非常优异的防渗氮效果，并且，固溶渗氮的温度可以达到950℃以上，为了达到防渗氮效果和渗氮后易于剥落的平衡，优选温度为950～1200℃。为了进一步提高渗氮的效率，在固溶渗氮时，可以采用纯度为99.999％的高纯氮气，还可以增加氮气气氛的压力，提供更快的渗氮过程，本发明的防渗氮涂层在该条件下也可以达到优异的防渗氮效果。

除此之外，本发明中的固溶渗氮时间在达到60min以上时，所述的防渗氮涂层的防渗氮效果不会减弱。

根据本发明提供的防渗氮涂料的应用，所述防渗氮涂料的应用中还包括：所述固溶渗氮后还进行淬火；对于制备铁素体转变为奥氏体的双相材料而言，淬火将高温下渗氮后得到的奥氏体组织得以保留，并尽可能减少马氏体组织的生成。

优选地，淬火采用水淬或者气淬。

在固溶渗氮结束后进行淬火，本发明的防渗氮涂层会易于剥落，淬火后，磁性部件上的涂层经过触摸即可完全剥落粉化，剥落后磁性材料上基本无涂层残留。比如，磁性部件重量为2.447g，涂覆完涂层且在干燥后重量为4.787g，固溶渗氮处理且淬火后重量为2.662g，涂层的残留率为7.6％。

本发明提供的一种防渗氮涂料，该防渗氮涂料含锡粉、氧化铝粉末和粘合剂且通过适当配比可形成流动性好和易于涂覆的防渗氮涂料，适用于950℃以上的高温条件下的固溶渗氮工艺。

本发明提供的一种防渗氮涂料，该防渗氮涂料形成的防渗氮涂层的高温防渗氮效果良好，且固溶渗氮工艺结束后，防渗氮涂层可以通过简单的砂纸打磨的方式而完全剥落，甚至在淬火后直接粉化而脱落，无需进行化学或机械蚀刻等复杂和有损基材表面的去除工艺。

本发明提供的一种防渗氮涂料的制备方法简单，适用范围广。

本发明提供的一种防渗氮涂料特别适用于电动机的转子叠片的加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的磁性部件的结构示意图；

图2为本发明实施例中使用的蒙版的结构示意图；

图3为本发明实施例中所制得的双相材料的金相组织图；

图4为本发明实施例中所制得的双相材料的XRD图；

附图标记：

10：磁性部件，20：非渗氮区域，30：渗氮区域。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

下面结合图1～图3描述本发明的防渗氮涂料及其制备和应用。

图1为一种磁性部件的结构示意图，该磁性部件10为厚度为t的矩形板(长l为40mm，宽w为15mm，厚度t为0.5mm)，分为非渗氮区域20和渗氮区域30，磁性部件整体均为铁素体不锈钢，且该磁性部件为含有90％以上的铁素体组织的金属工件，在应用前，先对铁素体不锈钢的表面进行预处理，预处理的过程为去油，抛光，清洗以及烘干。相应地，设计如图2所示的蒙版，在使用蒙版时，将蒙版的镂空区域对应磁性部件10的非渗氮区域20。

本发明中的工业级锡粉来源于常规购买的商业材料，高纯锡粉，纯度99.99％，粒度为100～200目。

本发明中的氧化铝陶瓷粉末来源于常规购买的商业材料，粒度为80～200目。

本发明中的水玻璃为商用材料，其密度为1.394～1.415g/ml；模数为3.25～3.35；透明度大于85。其中二氧化硅含量27.5％～30.5％，氧化钠含量为8.5％～10.5％。

本发明中磁性部件中的氮含量的测试方法为采用CHONS化学测试法测定渗氮区域的氮含量。

实施例1防渗氮涂料

一种防渗氮涂料，按重量份数计，由3份工业级锡粉、3份氧化铝陶瓷粉末和4份水玻璃通过搅拌均匀得到。

实施例2防渗氮涂料

一种防渗氮涂料，按重量份数计，由4份工业级锡粉、2.5份氧化铝陶瓷粉末和3.5份水玻璃通过搅拌均匀得到。

实施例3防渗氮涂料

一种防渗氮涂料，按重量份数计，由4.5份工业级锡粉、2份氧化铝陶瓷粉末和3.5份水玻璃通过搅拌均匀得到。

实施例4双相材料的制备

一种局部无磁性的双相材料的制备方法，其过程如下：

使用两个如图2所示的蒙版，采用两个蒙版上下放置的方式，将蒙版的镂空区域对应磁性部件10(自命名为FE-201)的非渗氮区域20，通过螺栓链接等方式将磁性部件10紧固在两个蒙版中间，将实施例1得到的防渗氮涂料采用喷涂的方法涂敷在镂空区域。喷涂后，在100℃的马弗炉中加热烘干20min，干燥后防渗氮涂料形成厚度为0.5mm左右的防渗氮涂层。

将上述形成了防渗氮涂层的磁性部件置于渗氮炉中进行固溶渗氮，升温方式可以为多阶段升温，如先从常温升至400℃，时间为50min，再继续升温至800℃，时间为60min，最后升温至1150℃，时间为60min，且升温过程中通入氩气作为保护气体，当炉内温度达到1150℃时，通入氮气，氮气的纯度为99.999％，保持炉内压力为0.25MPa，渗氮时间为3h。

对固溶渗氮结束后的磁性部件迅速进行淬火处理，淬火过程为：将磁性部件10从渗氮炉中快速取出，进行水淬，得到局部无磁性的双相材料。

对上述双相材料的组织结构进行测试，测试过程如下：使用线切割设备，将磁性部件10的非渗氮区域20和渗氮区域30的交界处切割下来，制备成金相试样，并通过光学显微镜观察得到如图3所示的金相组织图；从金相组织可以看出，左侧为铁素体组织，右侧为奥氏体组织；表明在非渗氮区域20涂覆的实施例1中的防渗氮涂料起到了很好的防渗氮效果。对磁性部件10渗氮前和渗氮后的试样分别进行XRD分析，得到如图4所示的XRD图；图4可以看出，渗氮前的XRD结果均为铁素体峰，渗氮后的结果均为奥氏体峰，与金相组织有很好的对应关系。

进一步地，采用JMatPro软件对磁性部件10渗氮后的相组成比例进行分析，通过控制温度和元素组成，得到其相比例结果；数据显示：非渗氮区域20含有70％的铁素体组织，渗氮区域30含有90％以上的奥氏体组织。

实施例5双相材料的制备

一种局部无磁性的双相材料的制备方法，其过程与实施例4基本相同，不同之处仅在于将防渗氮涂料替换为实施例2得到的防渗氮涂料。

对得到的双相材料的组织结构进行测试，测试结果可以看出：实施例2的防渗氮涂料起到了很好的防渗氮效果，进一步地，采用JMatPro软件对磁性部件10渗氮后的相组成比例进行分析，通过控制温度和元素组成，得到其相比例结果。数据显示：非渗氮区域20含有80％的铁素体组织，渗氮区域30含有90％以上的奥氏体组织。

实施例6双相材料的制备

一种局部无磁性的双相材料的制备方法，其过程与实施例4基本相同，不同之处仅在于将防渗氮涂料替换为实施例3得到的防渗氮涂料。

对得到的双相材料的组织结构进行测试，测试结果可以看出：实施例3的防渗氮涂料起到了很好的防渗氮效果，进一步地，采用JMatPro软件对磁性部件10渗氮后的相组成比例进行分析，通过控制温度和元素组成，得到其相比例结果；数据显示：非渗氮区域20含有90％的铁素体组织，渗氮区域30含有90％以上的奥氏体组织。

实施例7双相材料的制备

一种用于电动机的转子叠片的制备方法，其过程与实施例4基本相同不同之处仅在于将实施例4中的磁性部件替换为：使用软磁不锈钢制备电子转子叠片，且经过预处理后，根据要求，在转子叠片的特定位置涂覆实施例1中的防渗氮涂料。

经过淬火处理以后，非渗氮区域的氮含量几乎为零，组织大部分为铁素体组织，相对磁导率大于100，饱和磁化强度大于1.2T；渗氮区域的为0.8％，组织大部分为奥氏体组织，磁性基本消失，其中磁导率约为1，饱和磁化强度约为零。

对比例1

一种固溶渗氮工艺，其过程与实施例7基本相同，不同之处仅在于将防渗氮涂料替换为：按重量份数计，由3份工业级锡粉、3.5份氧化铝陶瓷粉末和4份水玻璃通过搅拌均匀得到，将淬火后的磁性部件进行测试，测试结果为非渗氮区域20的铁素体组织部分转变为奥氏体组织，磁性能变差，其饱和磁化强度为0.5T；渗氮区域30的铁素体组织完全消失，转变为奥氏体组织，其饱和磁化强度为0T。说明过多的氧化铝陶瓷粉末会导致涂料的防渗氮效果变差。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种防渗氮涂料的应用，其特征在于，包括：

将所述防渗氮涂料涂在磁性部件的表面后进行干燥形成防渗氮涂层；

将形成了所述防渗氮涂层的磁性部件进行固溶渗氮制得双相材料；

所述防渗氮涂料由锡粉、氧化铝粉末和水玻璃构成；按份数计，所述锡粉为3～4.5份，所述氧化铝粉末为2～3份，所述水玻璃为3.5～4份；

所述固溶渗氮在高温和氮气气氛下进行，所述高温为950℃以上，固溶渗氮时间为60min以上，所述氮气气氛的压力大于0.25Mpa。

2.根据权利要求1所述的防渗氮涂料的应用，其特征在于，所述双相材料用于电动机的转子叠片。

3.根据权利要求1或2所述的防渗氮涂料的应用，其特征在于，所述磁性部件为软磁性不锈钢。

4.根据权利要求1所述的防渗氮涂料的应用，其特征在于，所述干燥的温度为150℃以下。

5.根据权利要求1所述的防渗氮涂料的应用，其特征在于，所述防渗氮涂层的厚度为0.1～1.5mm。

6.根据权利要求1所述的防渗氮涂料的应用，其特征在于，所述高温为950～1200℃。

7.根据权利要求1所述的防渗氮涂料的应用，其特征在于，所述防渗氮涂料的应用中还包括：所述固溶渗氮后还进行淬火。

8.根据权利要求7所述的防渗氮涂料的应用，其特征在于，淬火采用水淬或气淬。

9.根据权利要求1所述的防渗氮涂料的应用，其特征在于，所述防渗氮涂料的粘度为25～65mm²/s。

10.根据权利要求1或9所述的防渗氮涂料的应用，其特征在于，所述锡粉的粒度在100～200目；所述氧化铝粉末的粒度在80～200目。

11.根据权利要求1所述的防渗氮涂料的应用，其特征在于，包括：将锡粉、氧化铝粉末和粘合剂混合均匀得到所述防渗氮涂料。

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