馬氏體不銹鋼大鍛件用微晶玻璃防護(hù)潤滑劑

文/王建峰，段素杰，李錫春，呂步云，羅洪春·北京天力創(chuàng)玻璃科技開發(fā)有限公司

馬氏體不銹鋼大鍛件用微晶玻璃防護(hù)潤滑劑

文/王建峰，段素杰，李錫春，呂步云，羅洪春·北京天力創(chuàng)玻璃科技開發(fā)有限公司

馬氏體不銹鋼屬于鉻不銹鋼，由于含碳量高，習(xí)慣上又稱之為碳素鋼。其高溫加熱時氧化非常嚴(yán)重，防氧化涂料研制技術(shù)難度較大，馬氏體不銹鋼典型牌號為2Cr13、3Cr13、4Cr13等。其多用于力學(xué)性能要求較高，并有一定耐蝕性能要求的零件，例如汽輪機(jī)葉片、噴嘴、量具、刃具等。奧氏體不銹鋼屬于鉻鎳不銹鋼，具有很高的耐蝕性，高溫加熱時氧化程度相對較輕，防氧化涂料較成熟。

目前，對于大型鍛件燃?xì)鉅t加熱方式防止金屬氧化燒損，高溫涂層是一種最有效和實用的方法。但是，馬氏體（碳素體）不銹鋼鍛造加熱工藝不同于熱處理工藝，不是單一的防氧化就能滿足其工藝要求，而是要求防氧化涂料在鍛造過程中兼具潤滑作用。而傳統(tǒng)的防氧化涂料和防護(hù)潤滑劑，因為應(yīng)用效果及使用溫度限制，不能較好地滿足生產(chǎn)工藝要求。針對2Cr13等大型鍛件在高溫燃?xì)鉅t加熱時防氧化，出爐轉(zhuǎn)移時減少溫降，鍛造成形時潤滑，研制的微晶玻璃體系玻璃防護(hù)潤滑劑，具有使用簡便、降低模具磨損，并能獲得優(yōu)良的鍛件表面質(zhì)量，尤其適用于大型鋼鍛件的鍛造工藝。

試驗

微晶玻璃防護(hù)潤滑劑

⑴微晶玻璃的特性。微晶玻璃又稱玻璃陶瓷，是由晶相和殘余玻璃相組成的質(zhì)地致密、均勻的熔結(jié)體。它是由特定玻璃組分加入成核劑，經(jīng)過熱處理，使玻璃體內(nèi)均勻地析出大量細(xì)小的晶體，最終形成的特殊材料。

微晶玻璃應(yīng)區(qū)別于其他陶瓷型微晶玻璃和普通的潤滑劑玻璃，它在加熱燒結(jié)過程中不形成陶瓷型微晶玻璃的硬殼體，也不會出現(xiàn)普通玻璃潤滑劑的材料料性短、粘度小、長時間加熱保護(hù)效果略差的弱點(diǎn)。微晶玻璃防護(hù)潤滑劑具有更好的成膜性、密閉性、粘性、高溫持久性，能在750～800℃開始軟化，并滿足循序升溫、持久加熱的工藝特點(diǎn)。

⑵加熱工藝及加熱介質(zhì)。在生產(chǎn)汽輪機(jī)葉片時，因為2Cr13等鋼件坯錠體積較大，相對加熱時間較長，要在800～1200℃下煅燒4～5h，由低到高的加熱升溫，而且加熱爐是燃?xì)饧訜?，溫度偏差大，氣氛較惡劣。這對于馬氏體不銹鋼來說，800℃左右就容易發(fā)生明顯的氧化，經(jīng)過較長時間的高溫加熱，其表面會形成層狀、點(diǎn)坑狀結(jié)構(gòu)的較厚氧化層，在鍛造時摩擦加劇，嚴(yán)重?fù)p傷模具，導(dǎo)致鍛件表面凹凸不平。

⑶涂覆工藝簡單易行，使用安全。微晶玻璃防護(hù)潤滑劑為水性涂料，產(chǎn)品環(huán)保，而且可以刷涂和噴涂，操作簡單易行。

組成及制備

⑴微晶玻璃防護(hù)潤滑劑的組成。微晶玻璃防護(hù)潤滑劑由微晶玻璃、晶核劑、添加劑、懸浮劑、溶劑、粘結(jié)劑組成。

微晶玻璃粉由基礎(chǔ)玻璃熔融后球磨獲得；外加晶核劑有助于潤滑劑燒結(jié)時，涂層軟化熔融封閉后加快晶化速度，增加涂層韌性，并提高玻璃涂層的高溫持久性；添加劑和懸浮劑具有很好的粘性、分散性、抗?jié)B透性、耐腐蝕性，能大幅延長涂料的高溫使用壽命；粘結(jié)劑使用有機(jī)硅丙烯酸樹脂。

⑵微晶玻璃防護(hù)潤滑劑的制備。將微晶玻璃配合料混合均勻，用高溫硅鉬棒電爐熔制，出爐水淬后球磨處理，按照潤滑劑組成比例混合，充分球磨成具有一定粘度的白色漿料，靜置一段時間后即可使用。

試驗方法

2Cr13鋼材料，加工成約φ35mm×30mm×10mm的塊狀，表面做拋丸除銹處理，處理后金屬表面凹凸不平且有氧化鐵銹，按照廠方操作工藝不做清洗處理，直接涂覆微晶玻璃系潤滑劑（噴涂、刷涂均可），潤滑劑干膜厚度在0.3～0.5mm之間（具體數(shù)值，根據(jù)材料性能、加熱制度、微晶玻璃特性而定），涂覆要盡量均勻一致，目測檢查不能有漏涂，涂層徹底干燥。加熱工藝模擬燃?xì)鉅t加熱工藝，升溫達(dá)800～1150℃，升溫用時約2h，到1150℃時恒溫3h，出爐后做分析對比。

結(jié)果與討論

高溫抗氧化性試驗

將涂覆潤滑劑與未涂覆潤滑劑的2Cr13鋼坯試樣按照廠方加熱工藝，比較加熱后的氧化皮厚度和影響層深度，表1為不同狀態(tài)金屬坯料加熱試燒缺陷層厚度。圖1為燒結(jié)完后兩者對比的宏觀照片，可以很明顯地看出，涂覆潤滑劑的試樣加熱后在金屬毛坯表面形成致密、連續(xù)、均勻的淡黃色晶狀薄膜，大大減弱了燃?xì)庥泻怏w在金屬表面的滲透和擴(kuò)散，加熱后金屬表面無氧化皮生成；而未涂覆潤滑劑的試樣表面氧化嚴(yán)重，并有氧化皮脫落。

■表1 金屬坯料加熱試燒缺陷層厚度

圖1 試樣燒結(jié)后的宏觀對比圖

圖2 微晶玻璃高溫物性儀測試

圖3 微晶玻璃高溫粘度儀測試結(jié)果

電子探針測定結(jié)果表明，未涂覆防護(hù)潤滑劑的試樣，除了金屬表面有大塊氧化皮脫落外，還在金屬坯料表面形成了約0.15mm左右厚度的影響層，外表面為氧化層，金屬內(nèi)部為脫碳層。涂覆防護(hù)潤滑劑的試樣，在加熱燒結(jié)后金屬表面沒有發(fā)現(xiàn)玻璃層元素向金屬基體滲入，但在金屬坯料表面形成0.003～0.008mm厚的脫碳層。

通過試驗對比數(shù)據(jù)可以看出，微晶玻璃防護(hù)潤滑劑，能使2Cr13鋼在高溫狀態(tài)下，表面與空氣隔絕，不產(chǎn)生氧化層，從而大大減少了2Cr13鋼在高溫較長時間里加熱引起的氧化和脫碳，可以有效地提高鍛件的表面質(zhì)量。

潤滑機(jī)理

玻璃防護(hù)潤滑劑是降低鍛壓過程中鍛件與模具的摩擦，防止鍛件在加熱過程中表面氧化和合金元素貧化，起到減少鍛件轉(zhuǎn)移、放置時熱量損失，并隔離鍛件與模具之間熱傳導(dǎo)的獨(dú)特工藝材料。

由于微晶玻璃本身具有的低溫軟化、高溫微晶化，持久防氧化的料性特點(diǎn)，在金屬鍛造變形過程中微晶玻璃依舊具有適宜的高溫粘度，能在金屬表面形成連續(xù)、致密的玻璃薄膜。在一定溫度區(qū)間內(nèi)，玻璃薄膜具有良好的高溫粘度和流動性。在金屬產(chǎn)生塑性變形時，潤滑劑涂層能和金屬一起流動并承受變形壓力，可以起到很好的潤滑作用。

防氧化機(jī)理

馬氏體不銹鋼的氧化特性是低溫急劇氧化，據(jù)此，玻璃潤滑劑膜層的低溫封閉非常重要，在升溫過程和長時間高溫條件下，低溫玻璃組分成為破壞高溫保護(hù)層的主因，而微晶玻璃可以改善這一缺陷。微晶玻璃潤滑劑通過在鍛造加熱過程中玻璃微晶化轉(zhuǎn)變，具有較適宜的高溫粘度和高溫持久性，從而起到防護(hù)潤滑劑的低溫防護(hù)、高溫持久的防氧化作用。圖2為微晶玻璃高溫物性變化圖。

潤滑劑涂覆在鋼件上，微晶玻璃組分通過在鍛造加熱過程中的晶化處理，玻璃晶化轉(zhuǎn)變后具有更合理的高溫粘性和持久防氧化性能。微晶玻璃高溫粘度儀測試結(jié)果如圖3所示。

在馬氏體不銹鋼等大型鍛件整個加熱鍛造過程中，能隨溫度的變化而具有連續(xù)和持久的特性，使微晶玻璃防護(hù)潤滑劑能在較寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的性能匹配與銜接，滿足鍛壓工藝對坯料的要求，在整個鍛造溫度區(qū)間保持良好的防護(hù)和協(xié)助潤滑效果。

結(jié)束語

了解馬氏體（碳素體）不銹鋼的材料特點(diǎn)，以及大型鍛件的加熱流程、工藝特點(diǎn)后，一種以微晶玻璃體系為主體組分的玻璃防護(hù)潤滑劑被研制出來。它能在馬氏體（碳素體）不銹鋼800～1200℃長時間加熱時，大幅減少鋼材的氧化燒蝕，防氧化效果達(dá)到98％以上；而且潤滑劑膜層粘度適宜，減小鍛件與模具之間的摩擦；大型鍛件多火次鍛造的鍛件表面質(zhì)量有很大改善；提高了模具的使用壽命；有效地提高了大型鍛件產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率。

微晶玻璃防護(hù)潤滑劑較傳統(tǒng)鍛造用防護(hù)潤滑劑料性更長，實用性能更優(yōu)越。在金屬溫差較大、加熱時間較長的情況下，可以對2Cr13等金屬坯料起到很好的防護(hù)效果，并在金屬坯料鍛造變形時使鍛件與模具之間形成半液態(tài)摩擦條件，大大降低了模具與鍛件之間的摩擦損傷，有效地提高了鍛件表面質(zhì)量。同時，能很好地滿足大型鍛件使用馬氏體（碳素體）不銹鋼等材料加工過程中對生產(chǎn)工藝的要求，對坯料防氧化、延長模具壽命、提高產(chǎn)品表面質(zhì)量都有很顯著地改善，具有很廣闊的使用前景。

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