Термодиффузионное цинкование деталей из металла, технология процесса

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:

  1. 6…9 мкм;
  2. 10…15 мкм;
  3. 16…20 мкм;
  4. 21…30 мкм;
  5. 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.

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Выгрузка и очистка. После окончания процесса насыщения производится выгрузка деталей. Удаление остатков насыщающей смеси.
  5. 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.
  6. 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
ГорячееГальваническоеТермодиффузионное
1Температурный режим протекания процесса, °С450–54020280–470
2Толщина нанесенного слоя, мкм30–606–155–100
3На какой материал наноситсяСталь с незначительным содержанием кремнияСталь (ограничение для высокопрочных марок)Черные металлы и сплавы на основе меди
4Размер обрабатываемых метизовМ10–50М4–50М4–90
5Типы обрабатываемых отверстийСквозныеСквозныеСквозные, глухие
6Ограничения по обработкеКарманы, сплошные сварные швыКарманы, отсутствие сварных швовБез ограничений
7Закаленный крепежНе подлежит обработке (температура протекания процесса близка к низкому отпуску)Не подлежит обработке (кислотная обработка, повышение водородной хрупкости)Без ограничений
8Стойкость к солям (лабораторный тест), час500961500
9Свойства покрытияСниженная адгезия, ресурсозатратная подготовкаСниженная адгезия, ресурсозатратная подготовкаАдгезия высокая
10ТвердостьСнижаетсяОтсутствуетПлюс 1…2 HRC
11Коэффициент тренияПовышенныйПониженныйПониженный при выкручивании
12Подготовка к нанесению покрытияХимическаяХимическаяНейтральная
13Испарения вовремя цинкованияОбильное дымовыделениеВыделение хромаОтсутствие 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.

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: