Для металла важно быть защищенным от коррозии, которая приносит колоссальные убытки во всем мире. Ведь согласно исследованиям не менее десяти процентов металла приходит в негодность именно из-за нее. Разработано много способов, как препятствовать такому деструктивному процессу. Большинство из них сводится к тому, чтобы блокировать доступ окисляющей среды к поверхности металла. Термодиффузионное цинкование как раз один из таких методов.
Термодиффузионный процесс нанесения цинковой оболочки примечателен еще тем, что позволяет замедлить и так называемую электрохимическую коррозию. Это связано со структурой металла цинка, который имеет более отрицательный потенциал, чем сталь. Поэтому в первую очередь разрушается он, локализуя и останавливая все очаги возникновения коррозии в любой точке покрытия.
Суть процесса
Термодиффузия представляет собой процесс проникновения атомов цинка в поверхностный слой металла, происходящий под действием высокой температуры в восстановительной или инертной газовой среде.
Рабочая температура зависит от толщины покрытия и варьируется в пределах 280°С-470°С. Внедряясь, в кристаллическую решетку металла,
цинк создает на поверхности защитный слой толщиной в несколько микрон. Процесс протекает в газовой среде водорода.
Толщина покрытия регламентируется государственным стандартом. Согласно ГОСТ Р 9.316-2006 толщина покрытия делится на пять классов:
- 6…9 мкм;
- 10…15 мкм;
- 16…20 мкм;
- 21…30 мкм;
- 40…50 мкм.
Выбор в качестве антикоррозионной защиты пал на цинк неслучайно. Находясь на стальной поверхности, он распространяется по ней со скоростью 2 мм в год, но при температуре окружающей среды 70 °С. Такое свойство позволяет затягивать поверхностные микроповреждения.
Практика показывает, что этот способ более перспективен и имеет свои достоинства.
Защита металлов от коррозии
Защита металлов от коррозии обеспечивает долговременное функционирование различных деталей, конструкций и сооружений. Около 10% выпускаемых годового выпуска стали и стальных изделий ежегодно теряют свои технические характеристики из-за коррозии, что оценивается десятками миллиардов долларов. Один из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии — покрытие цинком. Выбор цинка не случаен и объясняется высоким отрицательным значением окислительно-восстановительного потенциала пары Zn2+/Zn. Этот металл защищает основной металл (железо) анодно, то есть в гальванической паре «Fe-Zn» растворяется цинк. Электрохимической альтернативой цинку является кадмий, но его применение во многих странах запрещено из-за высокой токсичности. В РФ кадмирование имеет ограниченное использование и возможно, как правило, только по специальному разрешению. Толщина защитного цинкового покрытия выбирается в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации. Анализ условий применения различных металлоизделий показывает, что защитное (антикоррозионное) покрытие для этих условий должно обладать не только повышенной коррозионной стойкостью, но быть также устойчивым к абразивному износу и иметь высокую степень сцепления с поверхностью защищаемого изделия.
Технология процесса
Термодиффузионное цинкование технологический процесс которого разбит на шесть последовательных операций. Строгое следование по маршруту залог получения качественного результата.
- Подготовительный. На этапе подготовки детали подвергаются пескоструйной или ультразвуковой очистке от окалины, ржавчины. Удаление жировых загрязнений осуществляется ацетоном. Если деталь имеет большие размеры возможна дробеструйная обработка.
- Загрузка контейнера. Очищенные и высушенные детали помещаются в герметичный контейнер. Для насыщения внутреннего объема цинком и водородом добавляется насыщающая смесь. Большой популярностью пользуется «Левикор». От количества смеси зависит толщина слоя покрытия. После тщательного перемешивания контейнеры герметизируются и помещаются в печь.
- Процесс насыщения. Температура процесса насыщения зависит от типа сплава и его марки. В среднем процесс длится 60–90 минут. В течение всего времени нагревающая установка вращается, обеспечивая перемешивание деталей с насыщающей смесью.
- Выгрузка и очистка. После окончания процесса насыщения производится выгрузка деталей. Удаление остатков насыщающей смеси.
- Пассивирование. Эта операция предназначена для защиты покрытия от окислительного воздействия воздушной среды. Изделия, предназначенные для окрашивания, подвергаются обработке однократно. Те, что не окрашиваются, обрабатываются два раза. После каждого пассивирования следует промывка.
- Сушка. Во время сушки удаляется влага, и детали остывают.
Технические преимущества
Первое
— это способность технологического процесса получить любую толщину покрытия по требованию заказчика.
Второе
— отсутствие склеивания деталей. Это один из самых негативных моментов, имеющих место в горячем цинке и в гальванике.
Третье
преимущество касается внешней и внутренней формы деталей. Российский рынок показал, что большинство крепежных и любых других вспомогательных деталей раньше красилось, пластифицировалось или просто оставалось без покрытия, так как они имели резьбовые соединения, полые и глухие отверстия, сложные соединения, сварные швы. Плюсом также является отсутствие каких-либо наплывов цинка в местах углублений или соединений.
Четвёртое
преимущество относится к возможности последующей обработки деталей разными видами красок, пластификаторов и т. п. Практически все виды промышленных красок хорошо прилегают к термодиффузионному покрытию. Высокая адгезия увеличивает коррозионную стойкость, практически исключается вздутие и отслоение красок с поверхности. Срок службы деталей с двойным покрытием увеличивается, что приводит к значительной экономии при их эксплуатации.
Пятое
преимущество состоит в экологической чистоте процесса (если нет необходимости в обезжиривании изделия).
Достоинства и недостатки
На протяжении применения метода антикоррозионной защиты были выявлены характерные для него черты. Термодиффузионное цинковое покрытие обладает рядом достоинств, среди которых выделяются:
- высокая адгезия за счет того, что микронеровности поверхности не исчезают;
- экономичность: низкие затраты на подготовку и электроэнергию, малое количество производственных площадей и обслуживающего персонала;
- толщина покрытия равномерна по всей площади изделия;
- экологичность процесса;
- регулирование толщины при образовании защитного покрытия;
- повышение твердости на поверхности;
- минимальные затраты;
- невысокая себестоимость;
- простое в обслуживании оборудование;
- невысокая температура не меняет внутреннюю структуру металла;
- для очищения не используются химические реактивы;
- получаемые отходы утилизируются естественным способом.
На фоне достоинств у метода есть и недостатки:
- в отличие от других методов нанесенное покрытие имеет матовый серый цвет;
- невысокая производительность;
- габариты обрабатываемых изделий ограничиваются размерами объемами оборудования.
Оцинкование деталей различными методами и проведенный сравнительный анализ показал следующие данные.
№ п.п. | Метод цинкования | |||
Горячее | Гальваническое | Термодиффузионное | ||
1 | Температурный режим протекания процесса, °С | 450–540 | 20 | 280–470 |
2 | Толщина нанесенного слоя, мкм | 30–60 | 6–15 | 5–100 |
3 | На какой материал наносится | Сталь с незначительным содержанием кремния | Сталь (ограничение для высокопрочных марок) | Черные металлы и сплавы на основе меди |
4 | Размер обрабатываемых метизов | М10–50 | М4–50 | М4–90 |
5 | Типы обрабатываемых отверстий | Сквозные | Сквозные | Сквозные, глухие |
6 | Ограничения по обработке | Карманы, сплошные сварные швы | Карманы, отсутствие сварных швов | Без ограничений |
7 | Закаленный крепеж | Не подлежит обработке (температура протекания процесса близка к низкому отпуску) | Не подлежит обработке (кислотная обработка, повышение водородной хрупкости) | Без ограничений |
8 | Стойкость к солям (лабораторный тест), час | 500 | 96 | 1500 |
9 | Свойства покрытия | Сниженная адгезия, ресурсозатратная подготовка | Сниженная адгезия, ресурсозатратная подготовка | Адгезия высокая |
10 | Твердость | Снижается | Отсутствует | Плюс 1…2 HRC |
11 | Коэффициент трения | Повышенный | Пониженный | Пониженный при выкручивании |
12 | Подготовка к нанесению покрытия | Химическая | Химическая | Нейтральная |
13 | Испарения вовремя цинкования | Обильное дымовыделение | Выделение хрома | Отсутствие дымовыделения |
Приложение А (справочное)
Контроль качества подготовленной поверхности
А.1 Для контроля качества подготовленной поверхности изделия перед нанесением покрытия из партии отбирают от 2 % до 5 % их общего числа образцов, но не менее четырех изделий. Единичные изделия и конструкции (кронштейны, консоли, опоры, блоки жестких поперечин) подвергают сплошному контролю.
А.2 Крепежные изделия контролируют на наличие необходимого допуска для нанесения покрытия с помощью эталонной плашки, гайки и других приспособлений, установленных в технологической документации.
А.3 Методы контроля качества подготовленной поверхности — по ГОСТ 9.402.
Сфера использования
Этот способ обработки создает однородный слой даже в труднодоступных местах. Микронная толщина слоя позволяет обрабатывать мелкие детали. Термодиффузионному цинкованию подвергают:
- арматуру для нефтяной, газовой, строительной и железнодорожной отраслей;
- ограждения мостов, дорог;
- метизы;
- мебельную фурнитуру;
- фитинги;
- конструкции ЛЭП;
- элементы автомобилей.
Оборудование для термодиффузионного цинкования
В промышленных масштабах производимое термодиффузионное цинкование оборудование используется механизированное, а сам процесс максимально автоматизирован. Используемые агрегаты:
- загрузчик деталей и насыщающего состава;
- конвейер, подающий контейнеры к печи;
- вращающаяся печь;
- выгружающий конвейер;
- отсеиватель;
- вибратор;
- сепаратор магнитный;
- емкости для пассивирования и промывки;
- сушилки;
- приемник готовой продукции.
Требования к защитному слою
К покрытию предъявляются строгие требования. ГОСТ предусматривает отсутствие следующих дефектов на поверхности деталей после термодиффузионного цинкования:
- выпуклостей;
- отслоений;
- трещин;
- пригоревших остатков;
- пустот;
- раковин;
- сторонних вкраплений;
- отсутствия покрытия.
В современных условия этот вид антикоррозионной защиты считается эффективным и экономически целесообразным.
Приложение Б (рекомендуемое)
Определения остаточной (водородной) хрупкости (водородного охрупчивания)
Б.1 Испытания прочностных (механических) свойств изделий проводят в соответствии с НД на изделия конкретного типа. При этом для высокопрочных крепежных изделий в состав испытаний включают испытания на разрыв на косой шайбе.
Примечание — Перед измерением твердости цинковое покрытие удаляют с поверхности изделия на измеряемом участке с помощью мелкозернистого абразивного материала (например, порошком окиси алюминия или окиси магния) или способами, указанными в ГОСТ 9.402.
Б.2 При использовании для испытаний образцов-свидетелей ими являются:
— для испытаний на растяжение — выточенные из готовых высокопрочных болтов образцы цилиндрической формы № 4 типа III или IV по ГОСТ 1497 или образцы по ГОСТ 22356 (см. рисунок 1);
— для испытаний на ударную вязкость — образцы типа I по ГОСТ 1497 с V-образным надрезом;
— для испытаний на разрыв на косой шайбе — образцы по ГОСТ 1759.4.
Б.3 Изделия (пружинные фиксаторы, замковые кольца и т.п.), которые по условиям эксплуатации устанавливают в отверстия, испытывают в собранном виде в соответствии с НД.
При невозможности проведения испытаний изделий в собранном виде их детали испытывают при нагрузке, равной 115 % максимального предела текучести, установленного в НД.
Б.4 Изделия из высокоуглеродистой стали, а также изделия, подвергнутые холодной или горячей обработке до достижения прочности 1450 МПа или более, испытывают при нагрузке, равной 75 % максимального значения прочности.
Б.5 Испытания проводят при воздействии на изделие нагрузки в течение не менее 100 ч; при поставках по госзаказу — не менее 200 ч.
Б.6 Изделие считают не выдержавшим испытание (обладающим водородным охрупчиванием), если хотя бы на одном из испытуемых образцов обнаружены следующие дефекты:
— прочностные (механические) свойства не соответствуют требованиям, указанным в НД на изделие конкретного типа;
— ослабление напряжения кручения более 10 % первоначального значения;
— растрескивание и трещинообразование.
Б.7 Наличие и характер растрескивания и трещинообразования (см. ГОСТ 9.908) после испытаний определяют одним из методов:
— визуально с применением оптических приборов с 10-кратным увеличением;
— методом намагниченных частиц;
— обработкой красящим веществом.