Отличная идея Мелуина: термодиффузионное оцинкование

Термодиффузионное цинкование деталей из металла, технология процесса

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.

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. 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.

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.

Источник: https://obrabotkametalla.info/splavy/termodiffuzionnoe-cinkovanie-detalej

Термодиффузионное цинкование в электромагнитном поле (ТДЦЭ)

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.

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 9.308–85 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.

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.

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

Источник: https://www.okorrozii.com/termodiffuzionnoe-tsinkovanie-v-elektromagnitnom-pole-tdtse.html

Термодиффузионное цинкование

термодиффузионного цинкования имеет  ограничения в размерах покрываемых

деталей, которые должны помещаться в рабочую камеру. В настоящее время, как правило,

используются цилиндрические камеры (реторты) длиной 900-2000 мм и диаметром 300-1000 мм.

Чаще всего используют  для покрытия мелких и среднего размера деталей, например, дверных

петель, скоб, различного рода крепежа: гвоздей, болтов, гаек и пр.

Небольшая толщина, прочность и равномерность покрытия делает его оптимальным для покрытия

резьбовых соединений, обеспечивая многократную свинчиваемость. Это преимущество является

актуальным также в применении для соединительной арматуры, труб, фитингов, различных

сантехнических изделий.

Термодиффузия используется для цинкования следующей продукции:

• метизы,

• трубы,

• трубопроводная арматура,

• арматуры линий электропередач,

• элементы железнодорожных путей и контактной сети,

• дорожные и мостовые ограждения,

• автодетали,

• мебельная фурнитура,

• нефтяная арматура и т.д.

Обеспечивается достаточно высокая коррозионная стойкость термодиффузионных цинковых покрытий (примерно в 3-5 раз), по сравнению с гальваническими, и в 1,5-2 раза выше, по сравнению с горячецинковыми.

Возможностьпокрытия внешней и внутренней формы деталей.

Данный процесс дает возможность с высокой точностью получать беспористые однородные покрытия заранее заданной толщины в диапазоне от 15 до 150 мкм с высокой точностью (5 мкм).

Покрытие точно повторяет контуры обрабатываемых деталей, в том числе и сложной формы, например, резьбу или маркировку.

Экологичность метода. Современные технологии получения термодиффузионных цинковых покрытий являются экологически чистыми, вредные отходы и испарения отсутствуют.

Безопасность эксплуатации установки и смесей подтверждена санитарно-эпидемиологических заключением.

Отсутствие водородного охрупчивания. Относительно низкая, по сравнению с горячим цинкованием, температура насыщения позволяет покрывать пружины и другие специальные детали.

Экономичностьметода.

Отсутствие склеиваниядеталей.

Возможность последующей обработки деталей разными видами красок, пластификаторов и т. п.

Простота эксплуатации.

Установка термодиффузионного цинкования

Подробности

деталей какого-либо металла при наличии высокой температуры. Обрабатываемое изделие

помещается в контейнер с цинковым порошком и нагревается в течение определенного времени.

Получаемое покрытие электрохимически защищает сталь, поскольку является анодным по

отношению к чёрным металлам.

Покрытие практически не подвергается скалыванию и отслаиванию при механическом

воздействии, ударах и деформациях, т.к. имеет прочное сцепление за счёт взаимной диффузии

железа и цинка. Перенос диффундирующего металла (цинка) на обрабатываемую поверхность

происходит посредством паровой фазы, которая образуется при нагревании металла.

Департамент электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги» в декабре

2003 года выпустил инструкцию по применению термодиффузионного цинкования.

Она распространяется на резьбовые детали, конструкции контактной сети, арматуру и другие

изделия углеродистой и низкоуглеродистой стали.

С января 2008 года в ГОСТах на высокопрочный крепеж для металлических конструкций есть

указания на применение термодиффузии для защиты от коррозии гаек, болтов и шайб.

Преимущества термодиффузионного цинкования

Источник: http://xn--80akrri9d.xn--p1ai/termodzink.html