Фазлутдинов К.К.

21.12.2023 (обновленно 21.12.2023)

417 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

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.