Электронная почта
Сделать заказ
Назад в меню
Фазлутдинов К.К.
21.12.2023 (обновленно 21.12.2023)
180 просмотров

Термодиффузионное цинковое покрытие

Введение

Термодиффузионное цинкование является относительно новым методом нанесения цинка на сталь и чугун – технология открыта в начале двадцатого века Луи Шерардом Купер-Коулсом (второе название «шерардизация»). 

Сложно переоценить важность цинкового покрытия для противодействия коррозионному разрушению стальных конструкций. Эффективность применения цинка обуславливается его электрохимическими свойствами: в большинстве промышленных сред (сернистые соединения, влажность, осадки) цинк является анодом практически ко всем металлам (кроме магния и алюминия). В такой системе покрытие разрушается в первую очередь, защищая от коррозии металл основы. Существует несколько способов нанесения цинка на сталь:

  1. Горячее цинкование
  2. Гальванический цинк
  3. Механическое (плакирование)
  4. Электродуговое напыление (шоопирование)
  5. Нанесение цинкнаполненных лакокрасочных составов
  6. Термодиффузионное цинкование

В этой статье мы прицельно рассмотрим термодиффузионный способ нанесения покрытия.

2. Термодиффузионное цинкование (ТДЦ) – что это такое?

При термодиффузионном цинковании покрытие формируется за счет диффузии атомов цинка из насыщенной металлической смеси в поверхность изделия. Температура получения покрытия  в диапазоне 290-450° С: выбор температурного режима напрямую зависит от конфигурации стальных деталей, марки стали и требований к конечному покрытию. Основное отличие и преимущество ТДЦ состоит в том, что при взаимной диффузии атомов Zn и Fe в поверхностном слое стали образуется интерметаллидная фаза Zn-Fe. Вследствие этого покрытие обладает высокой адгезией, практически не отслаивается и не скалывается при ударах и деформациях. 

В основе термодиффузионного цинкования лежат физико-химические процессы:

  1. Восстановление оксидов железа на поверхности изделия;
  2. Испарение цинка;
  3. Перенос цинка на поверхность детали;
  4. Активирование металла основы;
  5. Адсорбция цинка;
  6. Образование интерметаллического соединения Zn-Fe;
  7. Взаимная диффузия железа и цинка и формирование интерметаллических фаз с различным объемным соотношением Zn и Fe.

ТДЦ можно разделить на два направления, которые различаются составом цинкующей смеси:

  • ТДЦИ – методика характеризуется использованием смесей, содержащих в своем составе инертные материалы (оксид алюминия, кварцевый песок, шамот) помимо цинкового порошка. Особенность таких порошков состоит в том, что их функциональные частицы покрыты тонкодисперсной пленкой различных оксидов. В процессе цинкования происходит активный массоперенос между частицами порошка и стальной деталью. Сформированный диффузионный слой имеет толщину от 3 микрон до нескольких миллиметров. Предпочтительнее для производства использовать смеси с инертным наполнителем, ввиду того, что они позволяют проводить цинкование при температурах, превышающих температуру плавления цинка. Этот фактор исключает риск сплавления и спекания цинкового порошка и его налипания на поверхности изделия. Однако смеси с инертным наполнителем имеют ряд недостатков:
  1. Необходимо постоянно контролировать процесс цинкования и состав смеси по цинку.
  2. Использование таких смесей в условиях замкнутого цикла приводит к накоплению в них вредных примесей, которые могут повлиять на качество покрытия.
  • ТДЦА – в процессе используются смеси с содержанием активаторов (хлорид аммония, хлорид цинка, йодид аммония) в количестве не более 1-2%. Использование данных смесей позволяет проводить цинкование при 300-400° С, однако при температуре ниже 360° С скорость процесса значительно снижается. При подъеме до 420° С скорость процесса повышается, но готовое покрытие становится очень хрупким. Также в этом температурном режиме формируются толстые шероховатые слои и наплывы металлического цинка, оплавляется цинковая смесь. Использование порошков с активаторами позволяет интенсифицировать и упростить технологический процесс ТДЦ: нет необходимости контролировать содержание цинка в смеси.

Процесс образования термодиффузионного цинкового покрытия на поверхности стали является межфазным взаимодействием. Он состоит из двух основных частей: переноса веществ в зоне реакции и непосредственно химической реакции на границе сред. Предполагается, что в процессе ТДЦ возможно протекание следующих химических взаимодействий:

2Fe2O3+12Zn=4FeZn3+3O2

2Fe2O3+6Zn+3CO = 4FeZn3+3Co2

Первая реакция наиболее вероятна для ТДЦИ (отсутствие активаторов), а вторая для ТДЦА. В обоих случаях образуется интерметаллическая фаза FeZn3 или Fe3Zn10 (Г-фаза). Прослойка Г-фазы в обоих случаях примерно постоянной толщины. Рассмотрим микрофотографии ТДЦ на различных сталях:

а – Сталь 30Г2; б – Сталь 37Г2Ф; в – Сталь 45; г – Сталь 30Г2; д – Сталь 37Г2 

Микроструктура термодиффузионного покрытия на сталях различных марок

Рентгеноструктурный анализ ТДЦ покрытий обозначает фазовый состав, как: Г-фаза со сложной кубической решеткой; и небольшое количество Ç1-фазы с гексагональной кристаллической решеткой. В зависимости от марки стали микроструктура ТДЦ покрытия различается, но во всех случаях отдельных фазовых слоев не наблюдается. Микрорентгеноспектральный анализ ТДЦ покрытия в поперечном сечении шлифа подтверждает результаты рентгеноструктурного анализа: определяются две зоны покрытия соответствующие по химическому составу Г-фазе и Ç1-фазе, имеющих соответственно кубическую и гексагональную решетку. Примыкающий к Г-фазе слой á-фазы основного металла был обогащен цинком. 

Микроструктура теормодиффузионного цинкового покрытия

Параметры обработки спектров, полученных с точек 1-6 ТДЦ покрытия (все результаты - в масс. %)
Спектр O Si Mn Fe Zn Итог Фаза
Спектр1 9,70 - - 4,53 85,77 100,00 ZnO
Спектр2 5,46 - - 11,15 83,39 100,00 ð1
Спектр3 4,17 - 0,58 21,47 73,68 100,00 Г
Спектр4 3,70 - 0,95 68,24 27,11 100,00 a
Спектр5 - 0,29 0,80 89,82 9,09 100,00 a
Спектр6 - - 1,37 96,85 1,78 100,00 a

Технологический процесс ТДЦ
№п/п Операция Примечание
1 Очистка поверхности Проводится при необходимости удаления жировых или механических загрязнений. Может включать абразивноструйную обработку.
2 Подготовка насыщающей смеси Основой насыщающей смеси является модифицированный порошок Zn (содержание до 99%). Размер частиц от 10 до 60 мкм. Смесь загружается в реторту печи.
3 Прогрев печи до рабочей температуры После включения нагрева печь переводят в наклонное положение (под углом 45°). В течение процесса прогрева реторта со смесью должна вращаться.
4 Загрузка оснастки с деталями в аппарат. Аппарат герметично закрывается, воздух откачивается. Остаточное давление не должно превышать 0,1 атм.
5 Термодиффузионное цинкование Процесс проходит во взвешенном слое насыщающей смеси. Температура согласно рабочему интервалу, в вакууме.
6 Выгрузка деталей Очистка от остатков смеси
7 Пассивация цинкового покрытия Для улучшения защитной способности и декоративных качеств.

Оборудование необходимое для получения термодиффузионного покрытия:

  • Герметичная печь в виде камеры или бокса с ретортами с возможностью вращения рабочего пространства. 
  • Оборудование для создания вакуума в рабочем пространстве печи.
  • Отсыпное оборудование для реторт со смесью.
  • Установка для пассивации.
  • Сушильне шкафы.

Плюсы и минусы ТДЦ

Метод термодиффузионного цинкования имеет ряд некоторых преимуществ перед другими способами нанесения цинка:

  • Основной процесс проходит в герметичных приборах и сосудах, поэтому экологическая нагрузка минимизируется. Нет необходимости проектировать и создавать очистные сооружения.
  • Покрытие является самым однородным по толщине из упомянутых вариантов в начале статьи.
  • Отсутствует пористость.
  • Высокая адгезия к подложке за счет формирования диффузионного слоя, а соответственно механические свойства покрытия выше, чем у других способов цинкования.
  • ТДЦ покрытие актуально применять на деталях типа пружин, подвергающихся упругим деформациям ввиду того, что отсутствует наводораживание и охрупчивание материала основы.
  • При этом защитная способность ТДЦ сравнима с горячим методом нанесения цинка.
  • Толщина покрытия весьма вариативна: стандартное значение от 25 до 110 микрон.
  • Ввиду того, что температура нанесения покрытия находится в широком интервале, данный вариант обработки актуален для ряда упругих элементов конструкций. Имеется возможность совместить операции закалки и отпуска изделий операцией ТДЦ.

Минусы ТДЦ:

  • Высокая стоимость процесса и готовой продукции.

Конец статьи
Нажмите на звезду
Средняя оценка: 5,00
Всего оценок: 1
Данная статья является интеллектуальной собственностью ООО "НПП Электрохимия". Любое копирование информации возможно только с разрешения владельца сайта. Размещение активной индексируемой ссылки на https://zctc.ru обязательно.