Термодиффузионное цинкование: технология и этапы

О чем речь? Термодиффузионное цинкование – один из методов нанесения цинка на поверхность деталей. Происходит при высокой температуре, что приводит к смешиванию молекул покрытия и основы.

На что обратить внимание? Главная технологическая особенность процесса – использование порошков, содержащих, помимо цинка, фториды других металлов и иные добавки. Это позволяет получить прочное покрытие, хотя и не такое красивое, как при гальваническом методе.

Суть термодиффузионного цинкования

До того, как сэр Луи Шерард Купер-Коулз разработал свой инновационный способ нанесения цинкового покрытия на поверхность металлических изделий, этот металл уже применялся для создания защитного слоя, но для формирования пленки использовался гальванический метод, имевший ряд недостатков:

• «Водородное охрупчивание» стали при цинковании. Оно наносит наиболее серьезный вред высокопрочным стальным, титановым и никелевым сплавам за счет рекомбинации из атомарной формы в молекулярную водорода, остающегося в микроскопических порах материала. Это приводит к его растрескиванию при изменении температуры.
• Неравномерность цинкового покрытия на поверхности металлических деталей.
• Невозможность цинкования деталей сложной конфигурации.
• Низкая стойкость формируемой защитной пленки, которая выдерживала воздействие агрессивных сред не более 140 часов.

Термодиффузионное цинкование, которое в честь изобретателя часто называют шерардизацией, было разработано в начале прошлого века благодаря тому, что в Англии, которая лидировала в этой области, начали пользоваться контейнерами-автоклавами, которые позволяли при высокой температуре внедрять цинк в поверхность стальных заготовок.

С химической точки зрения суть термодиффузии состоит в использовании окислительно-восстановительного потенциала пары Zn²⁺/Zn. Покрытие в данном случае выполняет электрохимическую защиту стали, играя роль анода. Воздействие агрессивных сред первым делом повреждает защитную пленку. А поскольку этот процесс протекает медленно, срок службы деталей существенно увеличивается и зависит от того, на какую глубину проник атомарный цинк в кристаллическую решетку поверхностных слоев обрабатываемого сплава.

На поверхности металла обрабатываемых деталей образуется так называемый интерметаллид, имеющий сложную фазовую структуру, содержащую большое количество металлического цинка.

Технологический процесс термодиффузионного цинкования протекает в герметичных контейнерах при температуре от +300 до +450 °C – конкретная устанавливается в зависимости от ряда факторов, среди которых марка стали, тип и конфигурация изделия, требования к защитному покрытию и запросы заказчика.

Об экономической эффективности данной технологии говорит тот факт, что металлургическая промышленность Британии, которая долгое время была монополистом в области производства труб и прочего проката с шерардизированной поверхностью, за годы реализации такой продукции получила доход, позволивший отрасти справиться с последствиями разразившегося в 20-х годах XX века мирового экономического кризиса.

Особенность технологии термодиффузионного цинкования

Задавая определенную температуру и время выдержки, можно контролировать глубину диффузии атомарного цинка в кристаллическую структуру материала обрабатываемых заготовок. Для формирования защитного слоя используется порошкообразная цинконасыщенная смесь, которую вместе с подлежащими обработке деталями загружают в термостойкие контейнеры специальной формы. Последние затем нагреваются в муфельных печах.

Термодиффузионное цинкование выполняется в ходе замкнутого технологического цикла, состоящего из:

• предварительной подготовки обрабатываемых изделий – обезжиривания и очистки от продуктов окисления и окалины;
• цинкования;
• нанесения защитного пассивационного слоя и/или финишной обработки – окрашивания, гуммирования, пластификации и др.;
• сушки готовых изделий.

Технологический процесс включает в себя ряд промежуточных операций – загрузку/выгрузку изделий в контейнеры, промывку и т. д.

Качество защитного цинкового покрытия зависит от того, насколько тщательно соблюдается технологический процесс на всех его этапах.

Технологически цинкование изделий разного типа, размеров, конфигурации и с различным химическим составом металла выполняется по одной схеме – разница заключается только в подготовке поверхности, которая может быть:

• дробеметной;
• ультразвуковой.

Если обработке подлежат изделия из холоднокатаной стали, то их загружают в контейнеры, минуя этап предварительной подготовки, за исключением загрязненных маслом или смазочно-охлаждающей жидкостью – в этом случае необходимо обезжирить поверхность.

Нанесение цинкового покрытия

• этот этап занимает 90 или 180 минут в зависимости от состава рабочей смеси и типа оборудования;
• процесс начинается с нагревания контейнеров в муфельной печи;
• по истечении заданного времени контейнеры выгружаются из печи и охлаждаются;
• температура обработки составляет от +290 до +400 °C (на выбор температурного режима влияют тип обрабатываемых деталей, марка стали и установочные нормы производителя);
• контейнеры, находясь в муфельной печи, постоянно вращаются до момента выгрузки;
• толщина покрытия при термодиффузионном цинковании варьируется от 5 до 100 микрон и зависит от количества смеси, загруженной в контейнеры вместе с обрабатываемыми изделиями;
• благодаря постоянному времени выдержки контейнеров в муфельной печи существенно облегчается планирование производственного процесса.

Охлажденные изделия извлекаются из контейнеров и подвергаются финишной обработке.

Пассивация

• состав пассивационных растворов – ноу-хау производителя;
• обработка выполняется при комнатной температуре с постоянным обновлением раствора;
• пассивационный раствор не сливается в канализацию, так как обработка представляет собой замкнутый цикл;
• применяемые для обработки составы не содержат агрессивных или опасных для здоровья химических веществ.

Плюсы и минусы термодиффузионного цинкования

Среди преимуществ технологии термодиффузионного цинкования специалисты выделяют:

• равномерность нанесения цинкового слоя, который в точности повторяет конфигурацию деталей (это позволяет обрабатывать сложные детали, требующие сохранения профиля);
• щадящий температурный режим обработки (не наносит вреда кристаллической структуре металла);
• высокую адгезию к поверхности металла, а значит, прочность и долговечность цинкового покрытия;
• коррозионную стойкость защитного слоя, который выдерживает до полутора тысяч часов в камере с соляным туманом (для изделий, подвергнутых горячему цинкованию, этот показатель не превышает 500 часов);
• универсальность метода, применяемого для обработки стальных, чугунных, бронзовых, медных и ряда других заготовок.

Из недостатков технологии следует отметить:

• появление на поверхности изделий серого матового оттенка, снижающего их эстетичность, (данный недостаток исправляется окрашиванием);
• ограниченный размер обрабатываемых деталей – этот показатель зависит от размеров муфельной печи;
• относительно высокая стоимость данного вида обработки по сравнению с другими методами цинкования (конкретная цена определяется в зависимости от массы изделий и их конфигурации).

Сферы применения термодиффузионного цинкования

Данная технология нанесения защитного цинкового покрытия широко применяется в промышленности.

С ее помощью обрабатывают:

• арматуру для газовой и нефтяной промышленности;
• металлические конструкции для ограждения мостовых и дорожных покрытий;
• крепежную арматуру и элементы строительных конструкций;
• мебельную фурнитуру;
• соединительные элементы и крепежные детали железнодорожного полотна;
• детали автомобилей;
• конструктивные элементы линий электропередачи и т. д.

Оборудование для термодиффузионного цинкования

Стандартный набор оборудования технологической линии для термодиффузионного цинкования металлических заготовок состоит из:

• муфельной печи (камера или бокс с плотной крышкой и ретортами – сменными или стационарного типа с загрузкой до 600 кг);
• отсыпного оборудования для заполнения реторт;
• установки для фосфатной пассивации;
• сушильных шкафов или печей проходного типа;
• электронных контроллеров толщины цинкового покрытия;
• вспомогательной оснастки.

Требования ГОСТ к термодиффузионному цинкованию

В соответствии с нормами ГОСТ Р 9.316-2006 покрытия, наносимые термодиффузионным цинкованием, делятся на пять классов в зависимости от толщины защитного слоя:

1. От 6 до 9 мкм.
2. От 10 до 15 мкм.
3. От 16 до 20 мкм.
4. От 21 до 30 мкм.
5. От 40 до 50 мкм.

В отдельных случаях по желанию заказчика может наноситься более толстое цинковое покрытие.

Технология термодиффузионного цинкования не применяется для обработки поверхности изделий, соединение элементов которых выполнено с применением пайки или эпоксидной смолы. Существуют другие методы, которые позволяют нанести покрытие на такие детали.

Часто задаваемые вопросы о термодиффузионном цинковании

Какие методы можно применять для финишной обработки после нанесения цинкового покрытия термодиффузионным методом?

Оцинкованные детали подвергают фосфатированию (пассивации), гуммированию, окрашиванию, пластификации, пропитке маслом или воском и т. д.

Какие дефекты являются показанием для выбраковки изделий, оцинкованных термодиффузионным методом?

Браком считается наличие:

• чужеродных включений;
• несмываемых частиц насыщающей смеси;
• неоцинкованных участков;
• отслоений;
• неровностей;
• пустот и/или раковин;
• трещинок и/или сколов.

Как минимум один раз в год или по запросу заказчика проводятся испытания с целью выявления брака. Требования по прочности цинковых покрытий типовых деталей содержатся в соответствующей нормативной документации.

Насколько перспективна технология термодиффузионного цинкования?

Ежегодно около 10 % сортового проката приходит в негодность из-за коррозии. Благодаря шерардизации создается надежная антикоррозионная защита, что обуславливает востребованность данной технологии в промышленности.

Технологический процесс постоянно совершенствуется. Идет разработка новых смесей и внедрение автоматизированных линий. С каждым днем растет популярность термодиффузии в электромагнитном поле, которое позволяет существенно повысить скорость и качество нанесения цинкового покрытия. Номенклатура обрабатываемых деталей постоянно расширяется.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.