Термодиффузионное цинкование: описание и преимущества

Термодиффузионное цинкование в электромагнитном поле (ТДЦЭ)

Термодиффузионное цинкование: описание и преимущества

Общая характеристика технологии термодиффузионного цинкования металлоизделий в электромагнитном поле (ТДЦЭ)

Коррозионные испытания

Технологическая схема процесса ТДЦЭ

Условия эксплуатации и требования по пожаро-  и взрывобезопасности

Аппаратная реализация технологического процесса

Общая характеристика технологии термодиффузионного цинкования металлоизделий в электромагнитном поле ТДЦЭ

Разработанная в ОАО «ВИАСМ» технология (патент RU 2424351 C2) предусматривает химико-термическую обработку  изделий в индукционной установке (с использованием токов промышленной частоты (ТДСИ)). Технология обеспечивает формирование внутри и над основой металла гомогенизированного диффузионного слоя заданной толщины.

Указанный слой образован интерметаллидами железо-цинк и представляет собой преимущественно дельта-фазу с повышенной плотностью, микротвердостью и коррозионной стойкостью.

Процесс взаимной диффузии железа в цинк и цинка в железо интенсифицируется за счет высоких температур от +400°С до +800°С и под воздействием электромагнитного поля промышленной частоты 50 Гц.

Принципиальной особенностью способа термодиффузионного цинкования в электромагнитном поле является целенаправленное создание значительного температурного градиента с его убыванием вглубь шихты.

Более высокая, в сравнении с радиационным нагревом, температура вблизи поверхности цинкуемых изделий обеспечивает более сильное “расшатывание” кристаллической решетки железа в исходном металле изделия и кристаллической решетки  цинка в шихте.

В результате возникают быстропротекающие двухсторонние  процессы диффузии железа в цинк и цинка в железо с образованием интерметаллических соединений.

Процесс кристаллизации образующихся интерметаллидов резко ускоряется высокочастотными вибрациями металлоизделий, вызванными индукционными токами. При этом сформированный цинковый слой имеет гомогенизированную структуру и не содержит хрупкую столбчатого вида ς-фазу.

Метод ТДСИ позволяет формировать не только цинковые покрытия, но и  защитные слои на основе меди, алюминия, хрома и никеля.

Zn – цинкование изделий из чугуна и низкоуглеродистых сталей с целью повышения  коррозионной стойкости и механической прочности изделий, эксплуатируемых в агрессивных средах.

Cu – меднение изделий из углеродистых сталей для защиты от коррозии и использования стальных металлоизделий в качестве заменителей изделий из сплавов и цветных металлов.

Ni – никелирование объектов, работающих в условиях агрессивных щелочных и кислых сред с целью повышения коррозионной и механической стойкости.

Al – алитирование изделий из легированных и низкоуглеродистых сталей для повышения жаростойкости, эрозионной и коррозионной стойкости изделий, эксплуатируемых в особо агрессивных средах.

Cr – хромирование изделий, работающих при сверхнизких и высоких температурах, под напряжением, в условиях действия электрических и магнитных полей с целью повышения коррозионной  и механической стойкости.

Технология ТДЦЭ обеспечивает:

– нанесение ультрадисперсных защитных покрытий повышенной коррозионной стойкости и механической прочности;

– получение по всей покрываемой площади равномерного гомогенизированного покрытия требуемой стойкости к коррозии, жаростойкости,  ударной вязкости и твердости с высоким сопротивлением абразивному износу;

– получение диффузионного слоя толщиной от 6 до 300 мкм;

– восстановление защитного покрывного слоя в случае его повреждения;

– увеличение срока эксплуатации изделий по сравнению с ресурсом работы изделий, покрытых традиционным способом термодиффузионного цинкования;

– сохранение при цинковании резьбовых соединений геометрии, профиля и диаметра резьбы;

– сокращение вредных выбросов в окружающую среду.

Структура поверхности после обработки при процессах горячего цинкования и термодиффузионного цинкования в магнитном поле

Свойства получаемых изделий значительно расширяют область применения в сравнении с традиционными технологиями

– характеристики покрытия (микротвердоёть, истираемость , плотность и коррозионная стойкость) допускают его применения с ограничениями

– характеристики покрытия (микротвердость, истираемость , плотность и коррозионная стойкость) допускают его применение без ограничений

– характеристики покрытия (микротвердость, истираемость) не допускают его применение

Эффективность нового метода доказана большим количеством независимых лабораторных исследований и сравнений с распространенными технологиями.

Покрытие ТДЦЭ обладает высокими адгезионными свойствами и хорошо окрашивается любыми красками без дополнительной подготовки. Шихтовой материал можно использовать многократно, до 50 раз.

Производимые покрытия соответствуют ГОСТу Р 5163-98, который принят и введен в действие Постановлением № 138 Госстандарта России от 22.04.1998 г., а также соответствует требованиям стандартов США (ASTM B633, ASTM B695), Англии (BS4921:1988), Израиля (ТИ 4271).

Данный метод защищен патентами

                                      

Нормативные технические документы

ГОСТ Р 9.316–2006 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия термодиффузионные цинковые. Общие требования и методы контроля

ГОСТ 9.302–88 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Методы контроля

ГОСТ 9.308–85 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Методы ускоренных коррозионных испытаний

Европейский стандарт BS 4921 Покрытия цинковые на стальных и чугунных изделиях, наносимые  диффузионным методом (шерардизация)

Коррозионные испытания

Данные покрытия с успехом прошли длительные испытания на объектах ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга».

16 апреля 2014 года на различных участках Центральной станции аэрации сточных воды были установлены 26 образцов с пятью типами покрытий.

В качестве образцов использовались стальные (Ст.3) пруты 15×400 мм с термодиффузионным цинковым покрытием, полученным из цинкового порошка или суспензии по технологии, разработанной на «ВИАСМ», с последующей обработкой жидким стеклом или полимерным органическим покрытием.

Толщина цинкового покрытия:

– из порошка около 100 мкм;

– из суспензии около 30 мкм.

По результатам 7,5 месяцев испытаний на аэротэнке №7 и в шахте 44-Бис наиболее стойким оказались покрытия на основе эпоксидных материалов. На образцах, защищенных этими материалами, не наблюдалось признаков коррозии.        

При различий в коррозионной стойкости образцов с эпоксидными покрытиями 1 и 2 не обнаружено. Таким образом, наиболее коррозионностойкими  являются дуплексные цинково-эпоксидные покрытия.

Данный метод позволяет производить обработку даже металлических шпунтов, значительно повышая стойкость к агрессивным средам и значительно увеличивая стойкость покрытий по сравнению с окрашиванием. Данным методом были нанесены защитные покрытия на шпунты Ларсена длиной 10,5 м.

                 

Полученные образцы прошли все необходимые проверки качества и допущены к применению.

Данное покрытие отлично показало себя в агрессивных средах, с которыми сталкивается оборудование в сельском хозяйстве. В результате получен опыт нанесения защитных покрытий методом ТДСИ на детали клеточных батарей (швеллеры, стяжки, стойки) для выращивания и содержания сельхозптицы.

На  «ВИАСМ» были разработаны автоматизированные технологические линии модульной структуры для выращивания и содержания сельхоз птицы в условиях, обеспечивающих ее максимальную продуктивность.

Образцы металлоизделий с ТДМП покрытием

Образцы мелких деталей с ТДМП-покрытиями

Бронзовый зажим с медным покрытием

ТДМП-покрытие фланцев после 1326 ч выдержки в камере солевого тумана

ТДМП-покрытие сварных стальных конструкций

Технологическая схема процесса ТДЦЭ

Цех защитных покрытий ТДЦЭ включает в себя:

– склад исходных компонентов шихты;

– участок приготовления шихты (диффузионной смеси);

– участок подготовки деталей;

– участок загрузки реторт;

– участок термодиффузионного цинкования в электромагнитном поле;

– участок охлаждения и разгрузки реторт;

– центральный пост управления;

– склад готовой продукции.

Схема основных операций по технологии получения диффузионных цинковых покрытий способом термодиффузионного цинкования в электромагнитном поле приведена на рис.1.

Термодиффузионный способ нанесения защитного покрытия на металлические изделия начинается с загрузки партии металлоизделий и шихты в реторту. В состав реакционной смеси входят цинковый порошок и инертная добавка –  окись алюминия марки ГОО (глинозем).

Фракции цинкового порошка – в пределах от 0,05 до 0,15 мм. Сертификат качества по ГОСТ 12601-76. Фракции инертной добавки (ГОСТ 6712) – не более 0,15 мм.

Расход диффузионной смеси на 1 кг цинкуемых металлоизделий: цинковый порошок – до 0,040 кг, глинозем – до 0,1 кг в зависимости от требуемой толщины защитного слоя.

После загрузки партии металлоизделий и шихты реторта перемещается в индукционную установку.

После индукционного нагрева изделий из металла в электромагнитном поле в течение 40-90 минут электропитание индукторов отключается, реторта с оцинкованными металлоизделиями продолжает вращаться с принудительной подачей воздуха для охлаждения внешней поверхности реторты.

При достижении температуры 250°С на поверхности реторты вращение реторты прекращается, осуществляется ее выгрузка на роликовый конвейер и далее на технологический стол для дальнейшего охлаждения поверхности до температуры 100°С.

После достижения требуемой температуры производится выгрузка диффузионной смеси и изделий. Свободная реторта перемещается на стеллаж сменных реторт и далее на роликовый конвейер для загрузки шихты и металлоизделий в начале следующего цикла.

Рис. 1. Технологическая схема операций участка нанесения защитных покрытий способом ТДЦЭ

Общая длительность операций обработки изделий, от момента начала загрузки изделий в реторту до момента выгрузки реторты из индукционного модуля на роликовый конвейер, составляет 120-180 минут.

Таким образом, технологический процесс термодиффузионного цинкования металлоизделий в электромагнитном поле, в общем виде можно представить в виде последовательности следующих основных технологических операций:

– загрузки изделий в реторту;

– закрытия реторты крышкой и установки герметизирующего затвора;

– проведения термодиффузионного цинкования в электромагнитном поле;

– предварительного воздушного охлаждения реторты, находящейся внутри индукционного модуля;

– выгрузки реторты из индукционного модуля на роликовый конвейер и ее транспортировки на технологический стол;

– воздушного охлаждения вращающейся реторты на технологическом столе;

– выгрузки порошковой смеси из реторты;

– выгрузки металлоизделий из реторты и их обдув сжатым воздухом;

– перемещения реторты с технологического стола на стеллаж сменных реторт.

Технологический цикл термодиффузионного цинкования изделий из металла в электромагнитном поле заканчивается операциями контроля качества покрытия и транспортировки металлоизделий на склад готовой продукции.

Описанная технологическая схема обеспечивает возможность нанесения защитных слоев способом ТДЦЭ на металлоизделия и детали конструкций различного назначения и  длин до 6 метров, том числе на прессованные,  литые, кованные, механически обработанные изделия: (гайки, болты, шайбы, цепи, гвозди), строительные профили (тавры, двутавры, уголки и т.п.), арматуру нефте- и газодобывающих и перекачивающих станций, осветительные столбы, арматуру контактных сетей, трубы для магистральных и технологических трубопроводов горячего и холодного водоснабжения, конструкции причальных сооружений, шпунтовые сваи и др.

При длинах обрабатываемых деталей более 6 метров используется технология упрочнения поверхности с применением цинкнаполненных суспензий.

Условия эксплуатации и требования по пожаро-  и взрывобезопасности

В состав диффузионной смеси входят цинковый порошок и инертная добавка –  окись алюминия марки Г-00 (глинозем). Фракции цинкового порошка – в пределах от  0,05 до 0,15 мм. Фракции инертной добавки (ГОСТ 6712) – не более 150 мкм. Расход диффузионной смеси на 1 т цинкуемых металлоизделий: цинковый порошок  – до 40 кг, глинозем – до 100 кг в зависимости от необходимой толщины покрытия.

Чистый цинковый порошок по своим физическим данным относится к 4 группе пожаро- и взрывоопасных веществ с температурой воспламенения 873°К и нижним концентрационным пределом взрываемости в воздухе – 480 г/м2 (ГОСТ-12601). Глинозем металлургический марки Г-00, согласно ГОСТ-30558-98, пожаро- и взрывобезопасен.

Диффузионная смесь при проведении процесса цинкования находится в замкнутом объеме реторты, без доступа свободного кислорода воздуха, выброс нагретых газов производится через гидрозатвор, с пропусканием газов через емкость заполненную водой, что исключает выброс горячих газов в атмосферу. Используемая диффузионная смесь, в плане взрывоопасности, может быть отнесена к категории А по ПИВЭ.

Помещение участка для термодиффузионного цинкования является производственным помещением, связанным с применением горячих, но негорючих и невзрывопожароопасных материалов.

С точки зрения требований по пожаро- и взрывобезопасности, это помещение может быть отнесено к категории Г, поскольку в режиме выгрузки смеси из реторты температура смеси может достигать 150°С.

Класс взрывоопасной зоны, согласно правилам устройства электроустановок – В1.А.

Электрооборудование (щит управления) размещается не ближе 3-х метров от корпуса термодиффузионной установки.

Аппаратная реализация технологического процесса

Ведущей технологической операцией является собственно операция термодиффузионного цинкования, осуществляемая в индукционной установке (установке ТДЦЭ). Основные технические характеристики установки приведены в таблице 1.

Таблица 1

Технические характеристики установок ТДЦЭ

Термодиффузионное цинкование технология

Термодиффузионное цинкование: описание и преимущества

Рассматривая термодиффузионное цинкование, технология принадлежит к категории новых, но весьма перспективных направлений для дальнейшего развития.

Суть метода состоит в том, что на обрабатываемую поверхность любого металла происходит нанесение специального цинкового слоя, который сможет защитить его от старения и деформации.

Этот способ часто называют шерардизацией, и по стандартам ГОСТа часто применяют для образцов чугуна, стали и прочих металлов.

Особенности метода

Термодиффузионное цинкование представляет собой инновационную технологию, направленную на защиту поверхностей от быстрого старения, деформации и преждевременной коррозии. Требования, выдвигаемые к подобному методу цинкования, регламентируются ГОСТом.

В его основе находится такое известное явление, как диффузия металлических молекул, которая происходит при температурах, находящихся в диапазоне 400 градусов и выше.

В представленном случае происходит так, что реализуется диффузия молекул, которые беспрепятственно проникают в поверхностные слои предмета, который прошел обработку.

Применяя технологию термодиффузионного цинкования, предоставляется возможность сформировать на поверхности любого предмета из металла защитный однородный слой из высококачественного цинкового сплава. Особенность этого метода состоит в том, что он позволяет создать этот защитный слой даже в тех уголках, которые являются практически такими, к которым трудно добраться при обыкновенной обработке.

Такому процессу, выполняемому под влиянием чрезмерно высоких температур, подвергаются следующие детали:

  1. мостовые и различные ограждающие конструкции;
  2. арматура, широко используемая в газовой и нефтяной промышленности;
  3. строительные элементы и всевозможные детали, используемые в трубных установках;
  4. элементы, применяемые для возможности укрепить железобетонное полотно;
  5. фурнитура, которая нашла свое применение в мебельной отрасли;
  6. элементы, используемые в линиях электропередач; детали всевозможных автотранспортных средств.

Посредством применения данной технологии на поверхности создается достаточно тонкий слой цинка, толщина которого минимальна. Это дает возможность подвергать обработке самые миниатюрные элементы.

Плюсы методики

Несмотря на то, что методика является достаточно новой и прогрессивной, по мнению опытных специалистов имеет огромное количество плюсов, среди которых стоит выделить следующие:

  • сцепление цинкового слоя с обрабатываемой поверхностью является идеальным;
  • подобное покрытие является тонким и максимально ровным, а также имеет отличные антикоррозионные свойства;
  • технология является весьма экономичной, так как для выполнения операции нужны небольшие площади, минимальные затраты применяемой энергии;
  • защитное покрытие может быть получено при взаимодействии с любой толщиной;
  • соблюдается полная безопасность, так как сама технология реализовывается в специально отведенных контейнерах герметичного типа. Это не дает возможности воздействовать в процессе выполнения процедуры на здоровье и состояние человека;
  • для очистки поверхности, которая будет обрабатываться, нет необходимости применять специальные кислоты или же химические составы; полное отсутствие опасности со стороны данной технологии, так как все отходы утилизируются по четко установленной процедуре;
  • температура, при которой происходит нанесение защитного слоя, является приемлемой, если проводить сравнение с другими лагерями. простота в процессе работы, что обеспечивается оборудованием и дополнительной техникой, которые является достаточно простым.

Все перечисленные достоинства обусловили востребованность представленной технологии.

Недостатки

Несмотря на то, что представленная технология имеет огромное количество преимуществ, не стоит забывать и о недостатках, с которыми может столкнуться каждый, кто применяет этот метод.

Металл, который прошел обработку по этой методике, имеет низкую декоративную ценность. Это обусловлено тем, что после обработки изделие приобретает малопривлекательный внешний вид за счет слоя сероватого оттенка.

Ныне же представленной проблемой занимаются специалисты, и вместе с термодиффузионным цинкованием наносят на обрабатываемую поверхность слой, который является визуально привлекательным.

Иногда на этот фактор не обращают внимание, но это происходит в тех отраслях, где внешний вид конструкции совершенно не важен.

Объемы представленного производства являются достаточно ограниченными. Это связано с тем, что сам технологический процесс предусматривает обработку небольших деталей и предметов, которые могли бы поместиться в специальный защитный контейнер.

Поэтому выходит так, что если деталь невозможно поместить в контейнер, то и обработку она проходить не будет.

При этом стоит обратить внимание на то, что при внедрении представленной методики очень важно соблюдать меры, связанные с безопасностью и некие нюансы, так как пыль от цинка может проникать в человеческий организм и наносить ему колоссальный вред.

Термодиффузионное цинкование: этапы выполнения процедуры

Такая технология в процессе ее выполнения состоит из определенной категории этапов, которые обязательно нужно пройти, чтобы защитное покрытие было нанесено должным образом:

  1. обработка основы механическим способом – здесь все зависит от индивидуальных характеристик образцов (рельефности, формы, размеров и прочих);
  2. помещение детали в емкость, в которой будет происходить последующая обработка с применением специальной смеси, которая содержит в себе большую концентрацию цинка;
  3. непосредственно сама процедура цинкования – на данном этапе специалисты добиваются равномерного распределения защитного слоя, которое происходит под воздействием высоких температур;
  4. охлаждение и последующая очистка заготовки.

На последнем этапе может понадобиться дополнительная обработка поверхности материала, но только в случае необходимости.

Термодиффузионное цинкование металла: технология, оборудование, плюсы и минусы

Термодиффузионное цинкование: описание и преимущества

Термодиффузионное цинкование, которое также называют шерардизацией, является относительно новой технологией нанесения на поверхность изделий из металла слоя цинка. Между тем именно такой способ цинкования среди всех существующих на сегодняшний день признается многими специалистами наиболее перспективным.

Технология термодиффузионного цинкования предназначена для защиты от коррозии стальных и чугунных изделий

Особенности и сферы применения

Такой метод защиты металлических изделий от коррозии и старения, как термодиффузионное цинкование, общие требования к которому регламентирует ГОСТ Р 9.316-2006, основан на явлении диффузии молекул металла, протекающей при относительно высокой температуре (400–470°). В данном случае в поверхностный слой обрабатываемого изделия диффузируют молекулы легирующего элемента – цинка.

В результате применения такой технологии на поверхности металлической детали формируется однородный цинковый слой. При этом однороден такой слой даже в труднодоступных местах обрабатываемого изделия.

При термодиффузионной обработке детали покрываются равномерном слоем цинка, включая отверстия и внутренние полости

Диффузионному поверхностному цинкованию, выполняемому при термическом воздействии на обрабатываемую деталь, чаще всего подвергают:

  • арматуру, применяемую в нефтяной и газовой отраслях;
  • ограждающие дорожные и мостовые конструкции;
  • элементы трубных коммуникаций и строительную арматуру;
  • фурнитуру, используемую для изготовления мебели;
  • арматуру, применяемую для укрепления железнодорожного полотна;
  • конструктивные элементы автотранспортных средств;
  • конструктивные элементы ЛЭП (линии электропередачи).

Термодиффузионное цинкование позволяет получать на поверхности металла цинковый слой минимальной толщины, благодаря чему подвергать такой обработке можно даже детали, отличающиеся очень небольшими размерами.

При повышении температуры обработки по данной технологии до 470° термодиффузия молекул цинка в поверхностный слой металла становится более интенсивной, но полученное в итоге покрытие не обладает требуемыми характеристиками. Оно не только отличается повышенной хрупкостью и легко отслаивается от поверхности изделия, но и не способно обеспечить требуемый уровень антикоррозионной защиты.

Промышленная линия термодиффузионного цинкования

Чтобы сформировать на поверхности металлического изделия термодиффузионное цинковое покрытие заданной толщины, обладающее высокими защитными характеристиками, необходимо предусмотреть ряд дополнительных процедур.

  • Проводится тщательная очистка поверхности изделия, которое будет подвергаться обработке.
  • Необходимо обеспечить герметичность контейнера для термодиффузионного цинкования.
  • Когда герметичность контейнера обеспечена, в нем необходимо создать инертную или восстановительную среду. Следует иметь в виду, что в окислительной среде цинкование выполнять нельзя.

Детали обработаны и загружены в специальную емкость для термодиффузионного цинкования

При выполнении самого термодиффузионного цинкования в рабочую среду желательно вносить специальные флюсующие элементы, которые называют активаторами.

Если придерживаться всех вышеуказанных рекомендаций и строго соблюдать все технологические режимы, то на поверхности металлического изделия можно сформировать термодиффузионное цинковое покрытие, которое будет соответствовать как заданной толщине, так и требуемым защитным характеристикам.

Сравнительный анализ коррозионной стойкости

Алгоритм нанесения термодиффузионного цинкового покрытия выглядит следующим образом.

  • Обрабатываемая поверхность тщательно очищается (в производственных условиях для этого используют дробеметные, пескоструйные и ультразвуковые установки).
  • Изделие и специальную смесь, за счет которой будет осуществляться насыщение его поверхности цинком, помещают в герметичный контейнер.
  • В контейнере создается требуемая температура, при которой и протекает диффузионное поверхностное цинкование.

Печь для термодиффузионного цинкования

После окончания цинкования деталь извлекают из контейнера и очищают ее поверхность от остатков использованной смеси. Затем остается выполнить пассивирование уже оцинкованной поверхности и дать ей полностью остыть.

Для выполнения диффузионного поверхностного цинкования используются различные насыщающие смеси, одной из которых является «Левикор».

Высокую популярность у отечественных специалистов смесь «Левикор» завоевала благодаря тому, что ее отличает высокая проникающая способность, а ее применение позволяет получать цинковые покрытия требуемой толщины, обладающие исключительными защитными свойствами.

Достоинства и недостатки

Технология цинкования, для реализации которой используется термодиффузия, отличается целым рядом достоинств. Перечислим их.

  • Поверхность обработанного изделия и сформированный на ней цинковый слой характеризуются отличной адгезией.
  • Данный метод обработки отличается экономичностью, так как для его реализации не требуются большие производственные площади, значительные затраты рабочей силы и электрической энергии.
  • Технология термодиффузионного цинкования позволяет получать идеально ровное и однородное по своей толщине покрытие, отличающееся, кроме того, высокими защитными свойствами.
  • За счет того, что термодиффузия осуществляется в герметичных контейнерах, данный процесс отличается токсической, химической и экологической безопасностью. При работе с такими установками человек не получит термический ожог, а также не подвергнется воздействию других факторов, которые бы могли негативно отразиться на его здоровье.
  • Толщина цинкового слоя при использовании такой технологии хорошо поддается регулировке в достаточно широких пределах.
  • Образующиеся в процессе термодиффузионного цинкования отходы легко утилизируются. При этом процесс такой утилизации, выполняемой по стандартной схеме, также не связан с опасностью для человеческого здоровья.
  • Для очистки поверхности изделия после термодиффузионного цинкования не используются кислоты и другие агрессивные средства.
  • Оборудование, на котором выполняется диффузионное поверхностное цинкование, отличается простотой управления и обслуживания.
  • Процедура термодиффузионного покрытия цинком выполняется при более щадящем температурном режиме, если сравнивать ее с другими технологиями нанесения защитных покрытий.

После этого типа цинкования возможна последующая окраска деталей

У данной технологии есть два основных недостатка. Заключаются они в следующем.

  • Цинковый слой, формирующийся на поверхности изделия при использовании данной методики, отличается малопривлекательным сероватым цветом. Такая проблема решается путем нанесения на предварительно полученное термодиффузионное цинковое покрытие дополнительного декоративного слоя. Следует, однако, иметь в виду, что возможность нанесения такого слоя не оговаривается положениями ГОСТа. Во многих случаях, когда для оцинкованных металлических изделий эстетический фактор не столь важен, на такой недостаток не обращают внимания.
  • Габариты изделий, которые могут быть подвергнуты термодиффузионному цинкованию, серьезно ограничены размерами герметичного контейнера, а также внутренним объемом нагревательной печи.

При выполнении такой обработки следует строго придерживаться не только технологических рекомендаций, но и правил техники безопасности. В противном случае в организм человека может попасть цинковая пыль, которая способна нанести вред его здоровью.

Требования ГОСТ Р 9.316-2006 к термодиффузионным цинковым покрытиям

В соответствии с положениями нормативного документа, термодиффузионные цинковые покрытия могут быть отнесены к одному из следующих классов:

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

Несмотря на то, что в ГОСТе не упомянуты цинковые покрытия большей толщины, потребитель по согласованию с производителем может заказать их нанесение. Однако в таком случае полученное покрытие будет относиться к категории нестандартных.

Рассматриваемый метод цинкования позволяет получить качественное цинковое покрытие толщиной 5–100 микрон

Термодиффузионное цинковое покрытие не наносится на те металлические конструкции и изделия, на которых имеются соединения, выполненные при помощи смол или припоя. Нанести цинковый слой на такие детали возможно, но для этого следует применять другие технологии.

В соответствии с положениями ГОСТ, цинковый слой, нанесенный на металлическое изделие по рассматриваемой технологии, не должен иметь следующих дефектов:

  • остатков насыщающих смесей, которые не поддаются смыванию;
  • вкраплений инородных тел;
  • наростов;
  • пустот и раковин;
  • отслоений;
  • трещин на поверхности;
  • вздутий;
  • даже очень незначительных по площади участков, на которых отсутствует покрытие.

Ознакомиться с требованиями ГОСТ к процессу обработки деталей методом термодиффузионного цинкования можно, скачав документ в формате pdf по ссылке ниже. ГОСТ Р 9.316-2006 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия термодиффузионные цинковые. Общие требования и методы контроля
Скачать

Цинкование деталей, и какими преимуществами обладает термодиффузионный процесс

Термодиффузионное цинкование: описание и преимущества

Применение процесса термодиффузионного цинкования дает возможность получить на любой металлической поверхности определенный защитный слой. В результате срок эксплуатации материала вырастает на порядок, а прочность повышается в разы .

Цинковое покрытие обеспечивает металлической заготовке несколько видов защиты:

  1. Электрохимическую;
  2. Механическую.

Этот способ получил большую популярность в самых разных промышленных отраслях. Технологический процесс термодиффузионного цинкования прошел много испытаний на разных заготовках, изготовленных из разных видов стали.

Безусловно, чтобы проводить цинкование металлов, необходимо иметь специальное оборудование, которое может функционировать при очень высокой температуре.

Нюансы технологического процесса

Этот метод не относится к особо сложным, но для его применения необходимо создавать высокую рабочую температуру. Для этой цели была создана специальная аппаратура.

Прежде чем начать обработку детали, поверхность необходимо хорошо очистить. Масляные следы можно удалить, используя, дигрейзер.

Деталь, покрытая ржавчиной, имеющая много окалины, отлично чиститься дробометной установкой.

Кроме упомянутых выше очищающих устройств, чтобы удалить грязь с заготовки, применяются и другие методы обработки:

  1. Пескоструйная;
  2. Ультразвуковая.

После очищения поверхности деталь загружается в металлическую тележку особой конструкции.

Перед началом обработки деталь обязательно взвешивают. Цель этой операции заключается в определение необходимого количества смеси, которое потребуется для процесса цинкования.

Таким образом, можно будет наносить точное количество смеси, учитывая вес детали, ее габариты и объем приготовленного раствора.

Стандартный слой цинка для многих типов металлов равняется примерно пятидесяти микронам. Технологический процесс выглядит достаточно просто, однако, исполнитель должен обладать некоторыми специфическими знаниями и определенным опытом.

На больших предприятиях практически все металлические детали подвергаются цинкованию.

Очищенную деталь после взвешивания отправляют в специальную муфельную печь, предназначенную для проведения термодиффузионного цинкования.

Температура печи иногда превышает 400 градусов. В принципе, температурный режим подбирается с учетом:

  • Формы;
  • Габаритов;
  • Марки стали;
  • Применяемых стандартов.

Среднее время цинкования длится два часа. Этот временной показатель зависит от мощности применяемого оборудования. Влияет также и состав смеси при выполнении операции.

Цинкование можно проводить только в промышленных условиях, так как дома просто невозможно установить специальное оборудование, имеющее очень большие размеры.

Очень важно, чтобы при термодиффузионном цинковании контейнер, куда были уложены детали, обязательно находился в постоянном вращении.

После цинкования поверхность должна быть подвергнута процессу пассивации. В результате этой дополнительной обработки оцинкованная поверхность получает еще одну защиту от атмосферного воздействия.

Для удаления оставшихся заусенцев выполняется галтовочная операция. Деталь становится гладкой с абсолютно ровными краями.

Финишная операция заключается в тщательном высушивании детали.

Преимущества метода

Термодиффузионное цинкование позволяет обрабатывать различные виды метизов. Изделия получают повышенную устойчивость к коррозии, если, конечно, толщина слоя цинка соответствует технологическим требованиям. Благодаря тому, что покрытие повторяет контур, а также форму метизов, они становятся намного прочнее и выглядят более привлекательно.

После проведения термодиффузионного цинкования значительно увеличивается твердость детали. Появляется высокая устойчивость к абразивному воздействию.

Такой технологический процесс показывает большую эффективность для большинства метизов, причем, затраты цинкования будут минимальными.

Безусловно, специальное оборудование потребует определенных денежных вложений, но они очень быстро окупятся.

Еще одним характерным преимуществом цинкования можно назвать высокую адгезию. Процесс отвечает всем экологическим требованиям современности.

Где применяется термодиффузионное цинкование

Большие промышленные предприятия при обработке металлов обязательно проводят цинкование заготовок, чтобы создать на поверхности металлических изделий, защитный слой.

Такая большая популярность метода, связана с минимумом специального оборудования и простотой обслуживания.

Обработанные детали становятся более твердыми, увеличивается срок их эксплуатации.

Очень часто данная методика применяется при обработке крепежных устройств, нашедших применение в строительной отрасли.

Благодаря низкой стоимости оборудования цинкование получило огромную популярность. Значительно улучшаются эксплуатационные свойства заготовок, что очень важно для готового изделия.

Термодиффузионное цинкование применяется для автомобильных деталей, им обрабатывают различные виды арматуры.

Цинком покрываются фитинги, любые резьбовые заготовки.

Слой цинка отлично покрывает детали, имеющие много глухих и сквозных отверстий. Практически вся мебельная фурнитура имеет цинковое покрытие.

Благодаря такому покрытию образуется защитный слой на деталях мостовых ограждений. Цинк защищает контактные и железнодорожные сети.

Сегодня, эта методика считается наиболее эффективной и экономически обоснованной.

  • Фёдор Ильич Артёмов
  • Распечатать

Особенности и преимущества термодиффузионного цинкования

Термодиффузионное цинкование: описание и преимущества

Для защиты различных металлоконструкций, металлических изделий (в частности метизов) от коррозии широко применяется покрытие их цинком.

Существует масса технологий получения защитного цинкового покрытия. Один из доступных вариантов – шерадизация или термодиффузионное цинкование.

Это достаточно новый способ обработки, но несмотря на это, многие специалисты признали его очень перспективным.

Особенности технологии

Термодиффузионное цинкование – это метод, в основе которого лежит физическое явление диффузии легирующей составляющей металла, которая затем переходит на верхний слой изделия или конструкции. Термодиффузия возможна при относительно высоких температурах – от 400 до 470 градусов. В поверхностные слои металла диффузируют молекулы цинка.

Это процесс, при котором молекулы цинка испаряются из цинкосодержащей смеси в специальных контейнерах при высоких температурах, а затем проникают в поверхностный слой металла. В результате образуется слой на основе сложных сплавов цинка и железа.

В результате применения данной технологии на поверхности образуется однородное цинковое покрытие. При этом слой будет однородным даже в местах, в которые доступ затруднен.

Если процесс термодиффузионного цинкования будет проводиться при максимальных температурах, то молекулы покроют поверхность детали более интенсивно. Однако, покрытие не будет иметь нужных характеристик. Такая поверхность отличается не только высокой хрупкостью – слой цинка будет очень легко отслаиваться. Что касается степени антикоррозионной защиты, то он будет очень слабым.

Как происходит процесс обработки?

Технология достаточно проста, но потребуется наличие специального оборудования:

1. Первым делом поверхность тщательно очищают. Если на изделии имеются следы смазывающих материалов, то их легко удалить при помощи специальных составов – дигрейзеров. Для того чтобы удалить с поверхности следы коррозии и окалину, применяют пескоструйную установку. Кроме того, применяется и ультразвуковая чистка.

2. Когда деталь тщательно очищена, она отправляется в специальную тележку.

Перед проведением процедуры деталь обязательно взвешивают – это нужно, чтобы точно определить количество состава, с помощью которого и будет проведено нанесение цинкового покрытия.

Технология позволяет изменять количество смеси, которая наносится на обрабатываемую поверхность, в зависимости от объема готового раствора, а также от массы, геометрических характеристик детали, ее конструкции.

3. После того как деталь очищена и известен ее вес, она аккуратно помещается в специальную муфельную печь, где непосредственно и осуществляется термодиффузионное цинкование.

Температурный режим подбирают исходя от типа обрабатываемой детали, марки сплава и принятых стандартов. Среднее время процесса зависит от мощности оборудования, а также от состава рабочей смеси. В процессе термодиффузии деталь в контейнере постоянно вращается.

Толщина цинковой пленки для разных типов металлов составляет в среднем 0,5 мкм.

4. Когда обработка будет окончена, изделия достают и очищают от остатков насыщающих смесей. Цинковые составы могут быть различными. Одна из самых популярных марок такой продукции — «Левикор».

Ее широко используют в современной промышленности за счет высокой проникающей способности.

«Левикор» позволяет получать защитный цинковый слой различной толщины, при этом уровень защиты от коррозии очень высокий.

Несмотря на относительную простоту, термодиффузионное цинкование требует наличия определенных знаний, а также навыков.

В промышленности практически все изделия стараются подвергать именно такой обработке.

В домашних условиях использовать данную технологию невозможно ввиду того, что требуется оборудование для термодиффузионного цинкования. Порой оно может достигать огромных размеров.

На видео: пример термодиффузионного покрытия цинком.

Область применения

Чаще всего технология применяется на таких изделиях, как:

  • арматура, использующаяся в отраслях добычи газа и переработки нефти;
  • ограждающие конструкции;
  • элементы трубопроводов, арматура для строительства;
  • различные детали мебельной фурнитуры;
  • арматура для производства дорожного полотна;
  • элементы автомобилей;
  • детали ЛЭП;
  • большинство метизов.

Преимущества и недостатки

Технология отличается огромным количеством преимуществ:

  • Поверхность изделия, подверженного такой обработке, отличается хорошей адгезией.
  • Метод очень экономичный, так как при таком цинковании не требуется наличие больших производственных цехов, серьезных затрат ресурса и усилий.
  • С помощью обработки получают идеально ровную и однородную поверхность, которая отличается хорошими защитными качествами.
  • За счет того, что термодиффузионные процессы проводятся с использованием герметичного оборудования, способ отличается максимальной безопасностью. Люди при работе с оборудованием надежно защищены от термических ожогов, а также других воздействий.
  • Толщина защитного покрытия отлично поддается регулировкам в различных пределах.
  • Отходы производства легко утилизируются по стандартным схемам утилизации.
  • Процесс не требует применения сложного оснащения, а управлять и обслуживать его достаточно просто.
  • Процедура проводится при более низких температурных режимах, если сравнивать с другими технологиями.

Любые виды оцинкования – это гарантированная защита металла от коррозионных процессов. Использование термодиффузии делает этот процесс более экономически выгодным, так как не требуется больших затрат ресурсов.

Минусов только два:

  • Слой цинка, который формируется посредством диффузии, имеет малопривлекательный серый цвет. Данную проблему решают за счет нанесения на поверхность специального декоративного слоя. Но это никак не оговаривается в ГОСТах и нормативах. В большинстве случаев, когда эстетика не важна, на данный недостаток особого внимания не обращают.
  • Габаритные размеры изделий, которые можно обрабатывать таким образом, существенно ограничены параметрами контейнера и его объемами.

Требования к покрытиям

Существует несколько классов покрытий:

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

В ГОСТах на данную технологию ничего не упоминается о более толстом покрытии. Но большинство предприятий данную услугу предоставляют. Однако необходимо получить предварительное согласование с заказчиком.

Термодиффузионному воздействию не подергаются те детали, где имеются паяные соединения или любые другие с использованием различных смол. На данных деталях термодиффузионные процессы невозможны.

Также по ГОСТам слой цинка не должен иметь дефектов, а именно:

  • остатков насыщающей смеси, которая не смывается;
  • инородных вкраплений;
  • наростов, раковин и пустот;
  • отслоения или вздутия;
  • трещин и участков, где отсутствует покрытие.

Данный способ обработки регламентируется следующими документами: ГОСТ Р 9.316-2006. Можно подробней ознакомиться с ним при необходимости. Также следует знать, что в 2008 году утвердили новые стандарты на нанесение цинковых покрытий на метизы.

Более 100 лет применения термодиффузионного цинкования

Термодиффузионное цинкование: описание и преимущества

При разводке системы отопления и водопровода в квартирах-новостройках или при капитальном ремонте владельцы квартир, заинтересованные в долговечности этих систем, стараются заказать их из оцинкованных труб.

Речь идёт в первую очередь о трубах, внутренняя и внешняя поверхность которых покрыта цинком по методу, предложенному в начале прошлого века английским инженером Шерардом.

В первое время метод даже носил название по фамилии изобретателя – «шерардизация», а сейчас известен как термодиффузионное цинкование.

Промышленность и потребители быстро оценили нововведение: экономический эффект от использования оцинкованных труб многократно перекрывал затраты на их производство и приобретение. И дело было не только в антикоррозийных свойствах оцинкованных покрытий, но и в их способности оставаться чистыми, незабитыми даже после многолетней эксплуатации.

История

До инновационных разработок инженера Шерарда тоже применялась защита стали цинком, но защитное покрытие наносилось гальваническим методом, у которого была масса недостатков:

  • «Водородное охрупчивание» стали при нанесении цинка на неё гальваникой. От этого процесса больше всего страдают высокопрочные стали, а также сплавы титана и никеля. Суть его в рекомбинации атомарного водорода в молекулярный, который, оставаясь в нанопорах, затем может под влиянием температурных скачков расширяться или сжиматься, что со временем вызывает микротрещины.
  • Неравномерность защитного слоя на металле.
  • Невозможность гальванического нанесения цинка на детали сложной формы.
  • Низкая стойкость цинковых гальванических покрытий (не более 140 часов в агрессивных средах).

Термодиффузионное цинкование появилось в первых десятилетиях ХХ века не случайно: именно к этому времени уровень технологического развития позволил лидеру в этом деле Англии создать контейнеры-автоклавы для процесса горячего анодного внедрения цинка в трубы и прокат.

Термодиффузия

Суть химического процесса термодиффузии выражается в том, что используется свойство отрицательных значений окислительно-восстановительных потенциалов пары Zn2+/Zn . То есть цинк в таком виде покрытия защищает сталь электрохимически, анодно, то есть в случае воздействия агрессивных и просто неблагоприятных для железа в составе стали сред сначала «страдает» цинк.

Но процесс это медленный, и сталь успеет прослужить очень долгое время, которое будет зависеть от глубины проникновения атомов цинка в кристаллическую структуру стали или других подвергнувшихся термодиффузионной оцинковке металлов.

Химически это выглядит как образование на поверхностях металлических изделий так называемого интерметаллида со сложной фазовой структурой с большим процентом содержания металлического цинка.

Технологически же процесс покрытия металлов цинком и его термодиффузии осуществлялся в герметично закрытом контейнере с поддержанием в нём постоянной температуры порядка 300-450⁰С.

Такой температурный разброс зависит от марки стали, покрываемой цинком, типа и конфигурации стальных изделий, а также от тех требований, которые предъявлялись к оцинковке заказчиками.

Достаточно сказать, что за годы монопольного производства Англией оцинкованных изделий полученный металлургической промышленностью доход составил такие суммы, которые помогли пережить отрасли разразившийся в конце 20 годов мировой экономический кризис.

Технология термодиффузионного покрытия цинком позволила с помощью заранее заданной в процессе температуры и времени регулировать глубину диффузного проникновения защитного цинкового слоя в металл.

Этот слой формируется порошком из цинконасыщенной смеси.

Детали, подлежащие покрытию цинком, и эта смесь загружаются в специальной формы термостойкий контейнер, а уже он помещается в большую муфельную печь.

Преимущества нового материала

Революционным преимуществом метода стала равномерность такого проникновения во все самые сложные по форме изделия. Это позволило оцинковывать сделанные ранее из обычной, подверженной коррозии, стали трубы, прокат, изделия сложной формы.

Цинкуются изделия решётчатой формы, с высверленными отверстиями любого диаметра, сваренные методами дуговой и газовой сварки, а также резьбовые.

При оцинковке термодиффузионным способом линейные размеры изделий не изменяются или почти не изменяются, так как цинка не откладывается на поверхности обрабатываемого этим методом металла, а диффузно проникает вглубь.

Глубина же проникновения зависит от температуры процесса и его длительности – что открывало широчайшие возможности защиты металлоконструкций в будущем, что и произошло в реальности.

Без оцинковки стали до изобретения метода в промышленности, на транспорте, в армии и в других сферах убытки от коррозии составляли многомиллиардные суммы в результате выхода из строя стальных конструкций из-за их коррозии.

С внедрением метода в гальванической паре Fe+Zn железо со всеми его присадками, превращающее его в сталь, перестало разрушаться, переложив последствия разрушения от неблагоприятных сред на цинк – более дешёвый и легко возобновляемый ресурс.

Ограничение метода прослеживается только в одном: нельзя подвергать термодиффузионному цинкованию слишком габаритные детали. Или приходится создавать для них подходящие по размеру контейнеры.

Цинковый состав – Термишин

В России в металлургии во время термодиффузионного цинкования используют разработанный в компании «Термишин Рус» цинковый состав – Термишин©, со специальными присадками, обеспечивающими ровное и устойчивое диффузионное покрытие металла порошковым цинком.

После закрытия в контейнере изделия и порошка с присадками обеспечивают ещё и вращение агрегата, что достигается сложной системой приводов. Во время этого вращения происходит постоянное смешивание деталей и присадок, что и обеспечивает равномерность и однородность цинкового покрытия. После отжига изделия дополнительно обрабатываются в ваннах с пассивазиционным раствором.

Порошковые цинковые смеси Термишин© позволяют:

  • наносить на изделиях и деталях термодиффузионное покрытие толщиной внедрение от 5 до 10 мкм;
  • не использовать традиционные для такой технологии раньше вредные вещества;
  • придать покрытию дополнительную антикоррозионную стойкость;
  • обеспечивают товарный вид, придавая поверхности изделий «морозный» узор.

Особенности технологии

При замкнутом технологическом цикле предусмотрены дробеметная обработка загружаемых в контейнеры деталей и их ультразвуковая очистка. Особенности химического процесса на холоднокатанных сталях диктуют и загрузку их в контейнеры без предварительных обработок.

Время цинкования длится от полутора до трёх часов, и время разогрева печей до рабочей температуры, а также их остывания до безопасно в технологический цикл не входит. А чтобы это время не внесло отрицательные коррективы в прочность образуемого слоя, время до и время после отжига максимально сокращают использованием особых режимов вентиляции и ускоренного равномерного остывания.

Контейнеры в загруженными в них деталями постоянно вращаются и останавливаются только на момент выгрузки готовых изделий.

Цинковый слой, наносимый с помощью цинково-порошковой смеси Термишин© от 5 до 100 мкм, и она зависит от весового количества загружаемой в контейнеры смеси.

Пассивация изделий

Происходит в специально разработанных пассивационных растворах, и сам процесс принадлежит фирме на правах ноу-хау. Работают они исключительно в режиме комнатной температуры, находятся при обработке изделий в герметичных бассейнах, не связанных с системами канализации, и постоянно регенерируются, восстанавливаясь до исходного состояния после каждого контакта с оцинкованными изделиями.

Пассивационные растворы не имеют в своём составе агрессивных или вредных для здоровья обслуживающего персонала компонентов и просты в использовании.

Заключение

За 100 прошедших лет термодиффузионное цинкование стальных сплавов не претерпело сколько-нибудь заметных изменений. Они коснулись лишь совершенствования способов перемешивания смесей в контейнерах да составов этих смесей, которые стали более удобными в работе и менее токсичными. Но цинк оказался именно тем материалом, который пока незаменим ничем иным.

Электролитической заменой этому порошковому металлу является ещё кадмий, но используется он крайне редко из-за своей токсичности. Так что будущее как было, так и остаётся за цинком.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.