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.
Толщина покрытия регламентируется государственным стандартом. Согласно ГОСТ Р 9.316-2006 толщина покрытия делится на пять классов:
- 6…9 мкм;
- 10…15 мкм;
- 16…20 мкм;
- 21…30 мкм;
- 40…50 мкм.
Выбор в качестве антикоррозионной защиты пал на цинк неслучайно. Находясь на стальной поверхности, он распространяется по ней со скоростью 2 мм в год, но при температуре окружающей среды 70 °С. Такое свойство позволяет затягивать поверхностные микроповреждения.
Практика показывает, что этот способ более перспективен и имеет свои достоинства.
Технология процесса
Термодиффузионное цинкование технологический процесс которого разбит на шесть последовательных операций. Строгое следование по маршруту залог получения качественного результата.
- Подготовительный. На этапе подготовки детали подвергаются пескоструйной или ультразвуковой очистке от окалины, ржавчины. Удаление жировых загрязнений осуществляется ацетоном. Если деталь имеет большие размеры возможна дробеструйная обработка.
- Загрузка контейнера. Очищенные и высушенные детали помещаются в герметичный контейнер. Для насыщения внутреннего объема цинком и водородом добавляется насыщающая смесь. Большой популярностью пользуется «Левикор». От количества смеси зависит толщина слоя покрытия. После тщательного перемешивания контейнеры герметизируются и помещаются в печь.
- Процесс насыщения. Температура процесса насыщения зависит от типа сплава и его марки. В среднем процесс длится 60–90 минут. В течение всего времени нагревающая установка вращается, обеспечивая перемешивание деталей с насыщающей смесью.
- Выгрузка и очистка. После окончания процесса насыщения производится выгрузка деталей. Удаление остатков насыщающей смеси.
- Пассивирование. Эта операция предназначена для защиты покрытия от окислительного воздействия воздушной среды. Изделия, предназначенные для окрашивания, подвергаются обработке однократно. Те, что не окрашиваются, обрабатываются два раза. После каждого пассивирования следует промывка.
- Сушка. Во время сушки удаляется влага, и детали остывают.
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.
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.
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
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
В основе термодиффузионного способа нанесения лежит процесс диффузии в поверхностные слои
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