Термодиффузионное цинкование деталей из металла, технология процесса

Термодиффузионное цинкование — процесс формирования защитного слоя путем  диффузионного внедрения атомов одного вещества (Zn) в кристаллическую решетку другого(Fe). Чем глубже проникновение инородного вещества вглубь основы материала, тем выше прочность сцепления (связи) при термодиффузионном цинковании. На поверхности формируется сплавное покрытие, состоящее из железа и цинка.

Термодиффузионное цинкование. Методика формирования поверхностного слоя

Диффузия – это направленное движение частиц под воздействием тепла. Термодиффузионное цинкование протекает в температурном диапазоне от 400 градусов до 500. Согласно диаграмме Fe — Zn, температура активно влияет на формирование структуры защитного слоя, толщина покрытия зависит от времени выдержки (продолжительности технологического процесса).

После термодиффузионного цинкования (химико-термической обработки) металлического изделия цинком на стальной подложке формируется поверхностный слой, который имеет двухфазную микроструктуру:

• Г-фаза формируется на поверхности матричной основы изделия, толщина слоя от 2 мкм до 4 мкм, содержание железа до 25%, цинка — до 75%, • б1 – фаза – формируется на поверхности обрабатываемой детали, толщина слоя от 100 мкм до 160 мкм, содержание железа до 12%, цинка – до 88%.

Цинковое покрытие при термодиффузионном методе обработке получается в результате нагрева исходной детали в рабочей зоне спецоборудования вместе с насыщающей, диффузионной смесью. Технологический состав для ХТО включает в себя цинковый порошок (цинковую пыль), инертный разбавитель, активатор. Различные добавки, входящие в насыщающую смесь, влияют на определенные технологические свойства покрытия, ускоряют процесс термодиффузионного цинкования.

Микроструктура поверхностного слоя зависит от

• температуры протекания технологического процесса, • времени выдержки в насыщающей среде, • состава диффузионной смеси.
При термодиффузионном цинковании защита металлической основы от коррозионного разрушения происходит электрохимическим способом, т.к. наносимое покрытие является анодом, а черный металл — катодом. Каждая последующая структурная фаза, по мере приближения к матрице, становится катодом по отношению к предыдущей составляющей.

После цинкования на обработанной поверхности образуется гладкое, беспористое покрытие, которое точно повторяет все конструкционные особенности изделия. Толщина диффузионного слоя равномерна, одинакова по всей длине. Цвет покрытия светло-серый. Оцинковку можно производить на деталях, изготовленных из высоко- и низкоуглеродистых стали, а также на изделиях из чугуна.

Для улучшения товарного вида оцинкованных изделий и для повышения характеристик коррозионной устойчивости производится дополнительная поверхностная обработка (фосфатирование, пассивирование, промасливание), после чего процент коррозионной стойкости увеличивается еще на 12- 15 единиц.

Оборудование для термодиффузионного цинкования

Для цинкования используется специальное оборудование:

• барабаны, • контейнеры, • реторты, • печи.

Для нагрева и поддержания определенного температурного режима в химико-термических установках применяют термостойкие нагреватели.

Основные преимущества защитного покрытия после термодиффузионного цинкования

  1. Высокая коррозионная стойкость.
  2. Отсутствие водородной охрупчиваемости (электрохимическое цинкование).
  3. Эксплуатационная надежность (высокая износостойкость).
  4. Цинковое покрытие обладает достаточной пластичностью (твердая смазка).
  5. Прочное сцепление поверхностного слоя с матричным основанием (диффузионная связь).
  6. Высокая твердость защитного слоя, низкий коэффициент абразивного износа.

Термодиффузионное цинкование используется для нанесения защитного покрытия на детали и изделия, используемые в нефте- и газодобывающих отраслях, для защиты водопроводов и газопроводов, в строительной индустрии. Дополнительная обработка поверхности после термодиффузионного цинкования (фосфатирование, покраска, промасливание и др.) расширяют области практического применения.

Цинкование давно используется для защиты металлов от воздействия атмосферных и агрессивных сред. Разработано множество способов нанесения цинкового слоя. Но сравнительно недавно стала применяться технология термодиффузионного цинкования. Кроме коррозионной защиты, обработанные детали стойки к механическим и электрохимическим повреждениям.

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.

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. 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.
  3. Выгрузка и очистка. После окончания процесса насыщения производится выгрузка деталей. Удаление остатков насыщающей смеси.
  4. 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.
  5. Сушка. Во время сушки удаляется влага, и детали остывают.

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.

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.

  • Автор: chebo
  • Распечатать

Оцените статью:

(0 голосов, среднее: 0 из 5)

Цинкование давно используется для защиты металлов от воздействия атмосферных и агрессивных сред. Разработано множество способов нанесения цинкового слоя. Но сравнительно недавно стала применяться технология термодиффузионного цинкования. Кроме коррозионной защиты, обработанные детали стойки к механическим и электрохимическим повреждениям.

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.

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. 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.
  3. Выгрузка и очистка. После окончания процесса насыщения производится выгрузка деталей. Удаление остатков насыщающей смеси.
  4. 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.
  5. Сушка. Во время сушки удаляется влага, и детали остывают.

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

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.

Термодиффузионное цинкование – одна из технологий, которая позволяет обработать металлическое изделие таким образом, чтобы на его поверхности образовался дополнительный защитный слой.

Этот подход позволяет увеличить длительность и качество эксплуатации. В промышленной сфере данный метод популярен, так как позволяет работать с разными видами металлов.

Особенности производства

Термодиффузионное цинкование еще называется шерардизацией (в честь ученного, который открыл этот процесс). Чтобы придать выше указанные свойства металлу, требуется специальное оборудование. Оно позволяет работать с высокими температурами и активными смесями.

Термодиффузионное цинкование происходит согласно ГОСТ Р9.316-2006. В основе лежит физическое явление диффузии легирующих составляющих металлов, переходящих в верхние слои изделия. Такой процесс требует очень высоких температур – 400 – 470 градусов. Выбор температурного режима зависит от типа стали, будущего предназначения обрабатываемой детали и требований производителя.

При этом механизме воздействия, на детали образуется однородный защитный слой. И это касается не только поверхности, но и более труднодоступных мест, в результате чего, обработанными становиться 30% от всего изделия. Благодаря этому, получается деталь без изъянов. Хотя есть специалисты, которые отмечают, что воздействие высоких температур приводит к тому, что изделие не получает должной антикоррозионной защиты и легко расслаивается.

Диффузионное цинкование помогает создать точную толщину покрытия. Но это происходит только при соблюдении определенных условий.

  1. Во-первых, качественная зачистка. С поверхности снимают всю грязь и обезжиривают.
  2. Во-вторых, цинкование проходит только в инертной или восстановительной атмосфере. Именно ее создают в контейнере. Также камера должна быть герметичной, так как кислород не позволяет осуществиться правильной диффузии. В процессе обработки, добавляют специальные активаторы.

Чтобы создать цинковое покрытие, изделие прогоняют через обязательные этапы:

  • очистку от грязи – может использоваться дробеметной, ультразвуковой или пескоструйный метод;
  • помещение изделия и насыщающей композиции в оборудование, которое будет постоянно вращаться;
  • покрытие цинковым слоем.

Как только элемент пройдет все процессы, его изымают из контейнера и очищают от остатков смеси. В конце проводят пассивирование, которое позволяет избежать появления желтых и белых продуктов коррозии в последующей эксплуатации. Перед тем, как использовать готовую деталь, ей дают время остыть.

Такая обработка выполнима только в условиях заводского производства, так как требует определенных условий. И это уже не говоря о том, что стоимость оборудования для диффузионного цинкования достаточно велика.

Видео:

Достоинства и недостатки

Благодаря современным технологиям, разработано множество вариантов защиты металлических конструкций. Поэтому не лишним будет ознакомиться с доводами, почему диффузионное цинкование выгоднее или проигрышней других технологий.

Среди преимуществ отмечают следующие моменты:

  • условия обработки обеспечивают высокую адгезию;
  • экономичность работы, так как рабочая площадь тут не большая и требуется минимум усилий и энергии для того, чтобы провести цинкование;
  • готовое покрытие имеет идеально ровную поверхность и отличается высокой устойчивостью к коррозии;
  • диффузия проходит в условиях герметичного контейнера, а значит, нет токсической, химической или экологической опасности;
  • не изменяя технологии производства, можно получать толщину покрытия от 6 до 100 микрон;
  • обработка одной детали занимает – 2-4 часа;
  • если выдерживается необходимая толщина покрытия, то изделие становиться более стойким к коррозии;
  • сохраняется первоначальная форма элемента;
  • отходы производства не требуют специфической утилизации;
  • конечная очистка происходит без использования химических составов и кислот;
  • после обработки повышаются прочностные характеристики, благодаря чему они становятся более стойкими к абразивным воздействиям;
  • хоть оборудование и стоит дорого, но имеет вполне простую конструкцию.

Список достоинств достаточно внушителен.

Но в каждой бочке меда есть своя ложка дегтя. И цинкование не стало исключением. Среди недостатков выделяют такие моменты:

  • внешний вид обработанной детали малопривлекателен – появляется серый слой;
  • контейнер имеет ограниченные габариты, поэтому и деталь должна быть соответствующих размеров.

Но если судить объективно, то это не такие уж и большие минусы. Скорее особенности процесса.

Видео:

Основные моменты ГОСТ Р 9.316-2006

Госстандарт разработан с целью контроля качества производства и безопасной эксплуатации. Это касается всех вещей, в том числе и цинкового покрытия.

ГОСТ Р 9.316-2006 имеет деление в 5 классов в зависимости от толщины слоя:

  • 40-50 мкм – 5;
  • 21-30 мкм – 4;
  • 16-20 мкм – 3;
  • 10-15 мкм – 2;
  • 6-9 мкм – 1.

У заказчика есть возможность выбрать и более внушительные размеры защитного слоя. Это не запрещено, хоть в ГОСте это уже и не будет поддаваться классификации.

Также Госстандарт имеет указание касательно дефектов. Готовое изделие не должно иметь:

  • отслоений и вкраплений, раковин;
  • наростов и вздутий;
  • трещин;
  • остатков от обрабатываемого раствора, которые не удается снять.

Вся деталь должна иметь равномерное покрытие, без каких-либо «проплешин».

Стоит понимать, что нарушение основных положений ГОСТа может привести к тому, что на изделии останется цинковая пыль. И вот, если это вещество попадет в организм, то могут начаться проблемы со здоровьем. И это уже не говоря о том, что нарушение технологии вызывает сомнение в качественной эксплуатации. Поэтому не зря были разработаны требования к диффузионному цинкованию.

Сфера использования

Данная технология позволяет создать действительно качественные металлоконструкции.

Поэтому ею активно пользуются. Особенно она востребована на предприятиях, которые занимаются изготовлением масштабных объектов, ведь тут требуется минимум оборудования и сам процесс не отличается какой-либо сложностью.

Шерардизация активно используется в создании таких изделий:

  • линии электропередач;
  • нефтяная и газовая арматура;
  • детали для машиностроения;
  • составляющие трубопроводных и строительных систем;
  • арматура для железной дороги;
  • мостовые ограждения;
  • обрабатываются фитинги, полые и резьбовые соединения;
  • мебельная фурнитура.

Если в составе металла присутствуют смолы или припой, то метод диффузионного цинкования для них не подходит. Тут уже будет использоваться другая технология.

Цена готовой работы во многом зависит от мощности используемого оборудования и от объемов, которые нужно обработать. Стоимость обозначают не за единицу, а за килограмм – примерно 40 рублей.

Но обычно крупные производства работают и с крупными объемами – от 200-300 кг. Поэтому заказать цинкование калитки не получиться. Хотя есть заводы, которые специализируются именно на мелких элементах.

P.S. Диффузионное цинкование – тот метод обработки металлоизделий, который позволяет обеспечить защиту поверхности, а значит, и продлить срок эксплуатации изделия. На сегодняшний день он является одним из самых экономичных, но не менее эффективных. Именно этим его популярность и обоснована.