Термодиффузионное цинкование что это

Одним из наиболее распространенных способов защиты от коррозии металлоизделий является их оцинковка. Объясняется это тем обстоятельствам, что цинк имеет стационарный потенциал, 0,2-0,3 мВ более отрицательный, чем у железа. При воздействии электролитов, содержащихся в агрессивных средах морской или промышленно-городской атмосферах, а также во влагонасыщенных бетонах, цинковое покрытие медленно растворяется за счет электрохимических реакций, защищая, тем самым, ферритную подложку. Таким образом, цинковое покрытие выполняет роль протектора, «размазанного» по поверхности защищаемой стальной конструкции.

Цинковое покрытия сравнительно дешевы и обеспечивают длительную противокоррозионную защиту стальной подложки. Наибольшее распространение в практике защиты от коррозии металлоизделий нашли следующие методы цинкования: гальваническое, «горячее» из расплава цинка, газотермическое цинкование напылением, «холодное» путем окраски металлоизделий цинкнаполненными красками, термодиффузионное цинкование. Рассмотрим преимущества и недостатки данных методов.

Гальваническое цинкование, по причине получения слишком тонких покрытий и формирования покрытия в специальных малоемких ваннах, неприемлемо для защиты крупногабаритных металлических конструкций. Подготовка стальной поверхности под гальваническое цинкование производится экологически опасным методом химического травления в кислотах, что может увеличить риск наводороживания металла, способствующего непредсказуемому хрупкому разрушению ответственных металлоконструкций, работающих в сложном состоянии.

Способ горячего цинкования заключается в окунании предварительно очищенных химическим способом (травлением в кислоте) металлоизделий в ванну с расплавом цинк-алюминевого сплава при температуре 460-480 о С с выдержкой в течение 10-15 минут.

Достоинства горячего цинкования

  • Сравнительная простота, низкая стоимость и технологичность операций по цинкованию;
  • Сравнительно высокая защитная способность и долговечность, определяемая выбранной толщиной покрытия от 30 до 300 мкм при скорости коррозионного износа покрытия, равной 2-3 мкм в год в умеренно холодном климате в неагрессивных средах;
  • Горячее цинковое покрытие в принципе не подлежит последующему окрашиванию, за исключением поверхностей, требующих декоративной окраски.

Недостатки горячего цинкования

  • Сложность и экологическая опасность подготовки поверхности под покрытие травлением, а также риск новодораживания;
  • Необходимость постоянного круглосуточного поддержания температуры расплава цинка, что требует значительного расхода энергетических затрат;
  • Неравномерность толщины покрытия на цинкуемой поверхности, образование наплывов (при вынимании конструкций из ванны с вязким расплавом) на нижних кромках и в отверстиях, что требует проведения последующих дорогостоящих работ по зачистке цинкового покрытия в местах прилегания монтажных поверхностей;
  • Сравнительно низкая адгезивная связь с подложкой;
  • Значительные технологические потери дорогостоящего цинка, проявляющиеся при образовании соединения цинка с железом в ванне расплава (так называемый, гартцинк, до 1/3 от количества потребляемого цинка);
  • Существующие ванны горячего цинкования позволяют оцинковывать металлоконструкции длиной до 11 м, обычно применяются для оцинковки строительных изделий в виде перил, дорожных ограждений, электрических фонарей, молниеотводов и тому подобных конструкций;
  • Высокая начальная затратная стоимость организации участка горячего цинкования, достигающая 10 млн долларов США;
  • Во многих регионах России (Сибири, Дальний Восток) участки горячего цинкования вообще отсутствуют;
  • Необходимость дополнительной поверхности или искусственное ее старение под окрашивание, что также удорожает производство.

Видео: Процесс горячего цинкования металлоизделий

Газотермическое и термодиффузионное цинкование

При газотермическом цинковании напыление наносится на конструкции, элементы и их детали, форма поверхности которых позволяет направить на нее струю распыляемого металла под углом 90-45 градусов. Способ пригоден для нанесения покрытия на изделия любых габаритов, мобилен. Стоимость нанесения таких покрытий в 3-4 раза дороже цинкования с помощью других методов, в результате газотермического цинкования получается неравномерная толщины покрытия на цинкуемой поверхности, сложность контроля за выполнением работ и получения покрытия, которое соответствует нормативным документам, узкие зазоры ( 50 мм), карманы и другие недоступные для напыления места недопустимы (согласно ГОСТ 28302-89), необходимо применять меры предупреждающие деформацию конструкций и изделий.

В последние годы традиционный метод получения термодиффузионных покрытий (ТДЦ) был усовершенствован и убраны недостатки метода, путем замены радиационного нагрева реторт с цинкуемыми деталями на индукционный нагрев. В предлагаемом способе термодиффузионного цинкования в электромагнитном поле — ТДЦЭ (патент на изобретение № 2424351 «Способ нанесения цинкового покрытия и установка для его осуществления») реторта помещается внутрь камеры с индуктором. В связи с тем, что находящаяся внутри реторты шихта является парамагнитным и мелкодисперсионным материалом, она практически прозрачна для электромагнитных волн, генерируемых индуктором, следовательно, нагрев шихты происходит за счет конвективной передачи тепла от корпуса реторты и цинкуемых изделий. В отличие от шихты, цинкуемые металлоизделия ферромагнитны. В результате в изделиях, помещенных в магнитное поле индуктора, возникают вихревые токи, которые нагревают изделия до температур 500-800 о С внутри объема реторты. Процесс термохимической диффузии сокращается в десятки раз, поскольку разогрев деталей происходит за 25-30 минут в зависимости от величины подводимой электрической мощности, магнитных свойств и толщины материала реторты, а также массы обрабатываемых изделий.

Читайте также:  Резцы для торцевых канавок

Структура покрытия практически состоит из α- и δ-фазы, прослойка Г-фазы, снижающая качество покрытия, ничтожно мала. Содержание цинка в верхнем слое покрытия толщиной 60 мкм достигает 98%.

Требуемая толщина покрытия регулируется временем прогрева, заданной температурой цинкования, характеристикой сортамента металлоизделий, загружаемых в реторту, и составом шихты.

Рассмотрим еще одну важную особенность предлагаемого способа термодиффузионного цинкования. Использование индукционного нагрева позволяет, в отличие от способа традиционной термодиффузии с радиационном нагревом, формировать однородный цинковый слой требуемой толщины за счет токов индукции и тепла, идущего изнутри цинкуемой детали, происходит полный переплав старого и последующего слоев цинка. Таким образом, использование индукционного обогрева позволяет, в отличие от других способов цинкования, восстанавливать цинковое покрытие, если его толщина недостаточна или если оно повреждено.

Резюмируя все вышесказанное, к достоинствам метода термодиффузионного цинкования в электромагнитном поле (ТДЦЭ) можно отнести следующее:

  • Детали цинкуются в герметически закрытых ретортах, поэтому процесс диффузионного цинкования экологически безопасен и не требует создания очистных сооружений;
  • Получаемое покрытие не имеет пори за счет диффузионного слоя имеет прочную адгезионную связь с подложкой, т.к. покрытие представляет собой многослойный набор интерметалидов, в том числе проникшие в тело подложки, что очень важно при защите металлоизделий, используемых в «тяжелых» условиях, например в ледовой обстановке, перепадов температур;
  • Метод позволяет осуществлять упрочнение изделий и ремонтные работы по восстановлению поверхностного слоя изделий;
  • Защитная способность покрытия многократно выше, чем у гальванических, и выше, чем у покрытий, образованных методом горячего цинкования;
  • Толщина покрытия может быть любой (по техническому заданию заказчика) и зависит от времени выдержки цинкуемых деталей в печи и используемой рецептуры смеси;
  • Диффузионный цинк покрывает детали равномерным слоем без наплывов, точно повторяя профиль цинкуемой поверхности, обеспечивая равномерную толщину с точностью воспроизведения профиля от 10 до 300 мкм, любым необходимым слоем, на любом необходимом участке без наплывов, включая элементы сложной конфигурации, резьбовые соединения (при покрытии данных изделий от 10 до 30 мкм), возможность выборочного покрытия участков, включая глухие отверстия, элементы сложной конфигурации, щели, полости, резьбу т.п.;
  • Метод позволяет, в отличие от других, оцинковывать длинномерные трубы с обеих сторон, а при необходимости покрывать только внутреннюю или только наружную поверхность труб, в зависимости от размещения порошковых цинк-содержащих смесей – снаружи или внутри труб;
  • Отходы производства не требуют захоронения и могут быть использованы в качестве наполнителей строительных бетонных смесей;
  • Диффузионное цинковое покрытие сертификатом Госсанэпиднадзора № 78.1.3.315.П.17512.9.99 от 06.09.1999 допущено к контакту с водой питьевого и бытового водоснабжения.

Особенно подробно отметим роль метода и необходимость применения метода ТДЦЭ (основываясь на ранее изложенном) в областях, где применяются железобетонные конструкции (ледостойкие морские платформы, гидротехнические сооружения и пр.). железобетонные конструкции, несмотря на высокие прочностные показатели, в процессе эксплуатации склонны к разрушению. Объясняется это тем, что бетоны имеют достаточно пористую структуру, которая активно поглощает влагу. И хотя при насыщении бетон становится прочнее, при отрицательных температурах проникшая в бетон вода, замерзая и расширяясь, образует трещины в монолитной структуре.

Возросшее в последние годы содержание углекислого газа в атмосфере приводит также к карбонизации бетона. Содержащаяся в материале известь (гидроксид кальция) превращается в карбонат кальция, снижается показатель рН, т.е. повышается кислотность среды внутри бетона, благодаря чему начинается интенсивная коррозия поверхности стальных конструкций, соприкасающихся с бетоном. Также пористость и появление и появление трещин в бетоне облегчает поступление влаги, воздуха и агрессивных веществ из окружающей среды к поверхности арматуры, вследствие чего ее пассивное состояние в местах расположения трещин нарушается, в результате нарушения ее пассивности, вызываемого уменьшением щелочности до рН 3

2. Технология термодиффузионного цинкования. Преимущества покрытия, получаемого по методу термодиффузии

Диффузионное цинкование – это один из наиболее перспективных способов нанесения защитных покрытий на стальные, чугунные или медные изделия. Эти покрытия имеют свойства не достижимые другими видами цинкования и поэтому являются особенно предпочтительными в ряде областей эксплуатации.

Диффузионные цинковые покрытия состоят из слоев железо-цинк (от 7 до 20% железа) образующихся путем термохимической диффузии цинка в поверхность изделий в процессе их нагревания в присутствии цинкового порошка.

Покрытия имеют тускло-серую матовую поверхность, точно воспроизводят профиль изделий, в том числе полых и изделий сложной формы (резьбы, маркировка). Такое свойство покрытий, как равномерность, делают их очень удобными для защиты резьбовых поверхностей. Сопряженные детали не нужно механически обрабатывать (прорезать резьбу после нанесения покрытия).

Покрытия, полученные методом диффузионного цинкования, имеют существенные преимущества по сравнению с покрытиями, полученными методом горячего цинкования, так как процесс протекает при более низких температурах и это позволяет цинковать термообработанные, в том числе пружинные стали, без потери их механических свойств.

Читайте также:  Силовой расчет кривошипно ползунного механизма

Слои сплавов покрытий, полученные в порошке цинка, имеют самую высокую твердость из всех известных цинковых покрытий и низкий коэффициент скольжения, поэтому покрытия хорошо противостоят абразивному износу и деформации, гайки не ослабевают в процессе эксплуатации.

Диффузионное цинковое покрытие является жаростойким.

Гладкая матовая поверхность служит прекрасной основой для прочного сцепления с краской, резиной, клеем, не требуя при этом специальных грунтовых покрытий. Окрашивание после диффузионного цинкования обеспечивает защиту, превышающую суммарный срок службы двух покрытий (цинкового и краски), если их применять независимо.

Поскольку процесс диффузионного цинкования сухой, то он очень удобен для деталей, полученных спеканием, и для небольших узлов, которые можно цинковать в собранном виде.

Для удовлетворения изложенных потребностей было разработано и изготовлено специальное технологическое оборудование, позволяющее цинковать 200 тн метизов в месяц и разработаны технические условия "Крепёжные и другие изделия с термодиффузионным цинковым покрытием" ТУ У 28.5-31831164-002-2004.

Рисунок 1. Установка термодиффузионного цинкования.

Испытания, проведенные ведущими мировыми исследовательскими институтами, показали высокую коррозионную стойкость термодиффузионного цинкового покрытия. В сравнении с другими видами цинковых покрытий коррозионная стойкость термодиффузионного покрытия выше, чем у аналогичного показателя горячего цинкования в 1,5-2 раза, а гальванического в 3-5 раз при одинаковой толщине. А если учесть то, что толщина термодиффузионного цинкового покрытия при необходимости может достигать 100 мкм, а скорость коррозии диффузионного слоя ниже, чем у гальванического и горячего цинка, срок службы изделий, подвергнутых термодиффузионному цинкованию, увеличивается в десятки раз.

Коррозионная стойкость железоцинковых фаз диффузионного цинкового покрытия даже выше, чем у чистого цинка в первую очередь за счет участия в пассивации покрытия ферритов цинка (ZnFeO2, ZnFe2CО4) наряду с ZnO. Выводы термодинамики подтверждаются сравнительными коррозионными испытаниями гальванических, горячецинковых и диффузионных цинковых покрытий. Так, во всех случаях скорость коррозии убывает обратно пропорционально квадратному корню от времени выдержки, т.е. лимитируется диффузией кислорода через пассивационную пленку. Скорость коррозии для диффузионных цинковых покрытий минимальна. Сопоставление данных по времени, прошедшего до появления "красной" ржавчины и стационарного потенциала корродирующего образца показало, что защитные свойства цинкового покрытия определяются не только его электрохимическими свойствами, но и способностью покрытия к химическому растворению, а поскольку в диффузионном цинковом покрытии присутствуют интер-металлиды цинка, скорость растворения которых намного меньше, чем продуктов коррозии цинка, что и объясняет более высокую степень катодной защиты диффузионных цинковых покрытий.

Таблица 2. Сравнительные характеристики цинковых покрытий

Внешний вид покрытия серое-матовое светло-серый глянец Состав покрытия железо-цинковый сплав практически чистый цинк Толщина покрытия 5-150мкм 45-160мкм 5-20мкм Коррозионная стойкость покрытия высокая (возможно применение в агрессивных, промышленных атмосферах) средняя низкая Равномерность точное воспроизводство формы изделия (не требуется прорезать резьбу) требуется дополнительная механическая обработка (прорезка резьбы) неравномерность толщины, обусловленная конфигурацией поверхности Влияние на механические свойтсва изделий возможно цинковать термообработанные, в т.ч. пружинные стали без потери прочности и упругости происходит отпуск и водородное охрупчивание Твердость покрытия высокая (отсутствие абразивного износа, деформации, гайки не ослабевают в процессе эксплуатации) низкая (высокий коэффициент скольжения) Требования к подготовке поверхности не предъявляются или дробеструйная или пескоструйная обработка или галтовка высокие: обезжиривание, травление, промывка, флюсование и др. Адгезия к основному металлу высокая, отсутствие трещин и отслоений растрескивание, отслаивание Нарушение покрытия при сварке высокая жаростойкость, покрытие в стык к сварному шву выгорает на 20-25мм Возможность нанесения лакокрасочных покрытий высокая адгезия, возможность нанесения без грунтовки необходимо применение травящих грунтовок Влажность процесса процесс сухой (возможно цинкование сварных соединений, деталей в сборе) цинкование в расплаве (невозможно цинковать сложные узлы, детали в сборе) цинкование в электролите (невозможно цинковать сложные узлы, детали в сборе) Выбросы, отходы пракически отсутствуют, экологически безвредно вредные выбросы в атмосферу, необходимость очистных сооружений необходимость очистных сооружений и утилизации сточных вод

3. Экологическая чистота метода

В настоящее время в Украине ужесточаются санитарно-гигиенические нормы и увеличиваются расходы на утилизацию вредных веществ. В этом контексте хотелось бы еще раз отметить экологическую чистоту метода термодиффузионного цинкования. Использование специальной насыщающей смеси позволило полностью уйти от химической обработки деталей перед нанесением покрытия. Таким образом, исключается не только водородное охрупчивание деталей, но и использование химически грязных и вредных растворов, которые отрицательно влияют на здоровье людей и окружающую среду. Весь процесс нанесения покрытия происходит в порошковой среде, в герметически закрытом контейнере. Тем самым исключается любая возможность выбросов цинка в окружающую атмосферу. Таким образом, можно утверждать, что технология экологически чиста и безвредна.

При оценке экономической эффективности перехода от гальванической технологии к диффузионному цинкованию деталей было установлено, что период окупаемости оборудования составляет от 6 месяцев до 1 года поскольку прямые расходы на нанесение термодиффузионного покрытия толщиной 15 мкм на 1 тн метизов составляют 200-500 грн, в то время как стоимость гальванического покрытия 1 тн метизов составляет 1,5-10 тыс грн (по цене 85 грн/м 2 ). Кроме того, полностью исчезают затраты на водоснабжение, утилизацию отходов и очистные мероприятия.

Читайте также:  Ножницы для резки бронированного кабеля

Таким образом, без учета увеличения срока службы изделий, подвергнутых диффузионному цинкованию, окупаемость оборудования для диффузионного цинкования составляет менее 1 года. А если учесть повышение эксплуатационных свойств изделий, подвергнутых диффузионному цинкованию, экономический эффект для отдельного предприятия может составлять сотни тысяч долларов.

Покрытие поверхностей металла по технологии термодиффузионного цинкования обеспечивает превосходную коррозионную стойкость крепежных изделий и металлопродукции нормальной и повышенной прочности из стали, чугуна и медных сплавов. Прочность сцепления с поверхностным слоем основного металла обеспечивается взаимной диффузией железа и цинка. Такой вид покрытия устойчив к скалыванию и отслаиванию при деформациях, ударам и механическим нагрузкам. При выполнении операций технологического процесса не происходит необратимого водородного охрупчивания металла. Крепёж и металлоизделия с покрытием по термодиффузионной технологии превосходят по устойчивости к агрессивному воздействию внешней среды изделия с гальваническим цинковым покрытием.

Основные характеристики

Слой покрытия состоит в основном из неоднородной железоцинковой фазы, с содержанием железа не более 10%. Покрытие имеет матово-серый цвет и должно быть равномерным, сплошным, гладким или шероховатым. Минимальная толщина термодиффузионного цинкового покрытия для классов покрытия 1-5 находится в пределах от 6 до 50 мкм. При покрытии крепежных деталей и изделий сложной конструкции однородный по толщине защитный слой точно повторяет их контуры по всей поверхности, включая резьбовые соединения, грани, радиусные скругления и уникальные формы. Для усиления коррозионной стойкости и для придания изделиям декоративного вида покрывающий слой подвергают дополнительной обработке, которая предотвращает появление налета на поверхностях при воздействии повышенной атмосферной влажности или соленой воды.

Для получения защитного слоя высокого качества, так же как и для горячего цинкования, следует учитывать следующие факторы:

  • структуру основного металла, наличие остаточных напряжений и характеристики прочности;
  • толщину и вид дополнительной обработки, заданные в документации, а также условия эксплуатации готового изделия;
  • внешний вид ответственных поверхностей и допустимые дефекты.

До начала выполнения операций по покрытию методом термодиффузионного цинкования поступившие изделия подвергают контролю на наличие следующих недопустимых факторов:

  • повреждений от коррозии, заусенцев, окалины, шлаков и флюса;
  • пыли, стружки, остатков смазки или эмульсии.

Технологический процесс нанесения термодиффузионного цинкового покрытия состоит из следующих этапов.

Подготовка поверхностей изделий с тщательной их очисткой

Нанесение покрытия

Изделия, помещенные в печь в герметически закрытом контейнере с цинкосодержащей смесью, подвергают термодиффузионной обработке при температуре от 290 до 390 градусов по Цельсию в течение 2-3 часов при вращении контейнера со скоростью от 0,03 до 0,1 оборотов за секунду.

Фосфатирование

Дополнительная обработка покрывающего слоя

Работа проводится в условиях, исключающих образование конденсата. Термодиффузионное цинковое покрытие не рекомендуется наносить на изделия, эксплуатируемые при температурах от 370 градусов по Цельсию и выше. Благодаря термодиффузионному цинкованию можно обрабатывать целый ряд метизов определенного вида. Обработка такого вида обладает рядом преимуществ.

После термодиффузионной обработки повышается стойкость изделий к различным коррозийным факторам, но в том случае, если все изделие покрыто равномерным слоем цинка. Помимо этого, цинкованное покрытие повторяет форму изделия в самых маленьких деталях.

Изделие обретает дополнительную прочности и твердости. Помимо всего, сам металл становится более защищённым к различному виду физическим воздействиям. Термодиффузионное цинкование обходится достаточно недорого, что позволяет обрабатывать метизы практически в любых количествах. Обработка такого вида практически не наносит вред окружающей среде.

Однако, среди всех достоинств можно выделить и недостатки термодиффузионного цинкования. Технология обработки деталей достаточно низкая, что накладывает свои ограничения на скорость обработки в общем. Помимо этого, не рекомендуется цинковать различные декоративные покрытия. Объясняется это тем, что после термодиффузионной обработки изделия принимают неприятный цвет. Также при процессе цинкования выделяется много испарений с содержанием цинковой пыли, которые вредны для здоровья человека. Термодиффузионное цинкование, несмотря на некоторые недостатки, является крайне востребованным и обретаем все большую популярность с каждым годом.

На большинстве крупных предприятий, чья деятельность связана с обработкой металлов, использует в своем производстве термодиффузионное цинкование. Такой способ является наиболее популярным благодаря низкой стоимости процедуры обработки и затрачиваемым ресурсам.

Отправить ответ

  Подписаться  
Уведомление о
Adblock
detector