» » Структура цинковых покрытий, получаемых различными способами
11.12.2014

Способ получения цинковых покрытий — это основной фактор, определяющий их структуру и свойства.
Нa рис. 9 приведена микроструктура цинкового покрытия, полученного гальваническим способом. Видна резкая граница между стальным основанием и слоем цинка, т. е. при данном способе цинкования основной металл (сталь) и покрытие никаких сплавов между собой не образуют, так как процесс идет при низкой температуре, не достаточной для интенсивной диффузии.
Структура цинковых покрытий, получаемых различными способами

Цинковое покрытие, наносимое гальваническим способом, часто бывает пористым и на гладких поверхностях получается более равномерным по толщине, чем на остриях и выпуклостях.
Строение цинкового покрытия, полученного металлизационным способом, напоминает строение гальванического покрытия. Оно также состоит из слоя цинка, отделенного от стального основания резкой границей. При этом способе цинкования никаких промежуточных интерметаллических соединений в покрытии также не образуется.
Покрытие, наносимое в один слой, получается сильно пористым, поэтому его наносят в несколько слоев. С увеличением числа слоев пористость заметно уменьшается.
Диффузионные цинковые покрытия значительно отличаются по своему строению от гальванических и металлизационных. Строение таких покрытий, полученных из расплава цинка, изучали многие исследователи.
Структура цинковых покрытий, получаемых различными способами

На рис. 10 приведена микроструктура диффузионного цинкового покрытия, полученного в расплаве цинка. Видно, что покрытие состоит из нескольких последовательно расположенных слоев, при этом последовательность их расположения находится в точном соответствии с диаграммой состояния системы железо — цинк по линии температур цинкования. Переходной зоной от основного металла к слою покрытия является зона α-фазы (твердый раствор цинка в α-железе). При травлении цинковых покрытий 3%-ным спиртовым раствором HNO3 α-твердый раствор выявляется в виде белого слабо травящегося слоя. Однако если микрошлифы подвергать более длительному травлению, то в области этого белого слоя обнаруживается микроструктура, присущая основному металлу. Непосредственно на стальном основании находится Г-фаза в виде узкой темной зоны. Она содержит от 21 до 28% (по массе) Fe и является поставщиком железа для процесса диффузии. Затем следует слой δ1-фазы с содержанием железа от 7,0 до 11,5% (по массе). В слое δ1-фазы при травлении обнаруживаются как бы две зоны: зона, примыкающая к Г-фазе и представляющая собой компактный, He выявляющий структуры слой, и зону с явно выраженной столбчатой структурой. Следующая за δ1-фазой ζ-фаза с содержанием от 6,0 до 6,2% (по массе) Fe чаще всего имеет столбчатую структуру, а ее граница с δ1-фазой слегка зубчатой формы. Иногда ζ-фаза может иметь форму расходящихся ветвей (рис. 11). При этом происходит растворение отдельных кристаллов ζ-фазы в наружном слое чистого цинка (η-фазе). Верхний слой (η-фаза) представляет собой почти чистый цинк с содержанием всего 0,003% (по массе) Fe.
Структура цинковых покрытий, получаемых различными способами

Однако если в η-фазу внедряются ζ-кристаллы, то среднее содержание железа в верхнем слое значительно увеличивается.
Из рис. 10 отчетливо видно, что в покрытии имеется вся гамма структурных составляющих, однако толщина отдельных фаз значительно изменяется, если в расплав цинка добавляют алюминий.
При добавке 0,04% Al (см. рис. 10, б) большую часть покрытия составляют железоцинковые фазы Г, δ1 и ζ, а при добавке 0,12% Al (см. рис. 10, а) эти фазы развиты значительно меньше и большую часть покрытия составляет почти чистый цинк (η-фаза). Это и естественно, так как добавка алюминия в расплав цинка способствует замедлению процессов, связанных с образованием железоцинковых сплавов.
Таким образом, диффузионное цинковое покрытие, полученное в расплаве цинка (жидким методом), состоит из нескольких железоцинковых фаз и слоя почти чистого цинка. При этом строение цинкового покрытия повторяется во всех деталях даже при самой кратковременной выдержке в расплаве цинка.
Общая толщина слоя железоцинковых фаз зависит от продолжительности пребывания изделия в расплаве цинка, температуры и состава расплава. Толщина слоя чистого цинка определяется скоростью извлечения изделия из расплава и температурой последнего.
Если относительно строения диффузионного цинкового покрытия, полученного в расплаве цинка (жидким методом), большинство исследователей придерживается одного мнения, то взгляды на строение диффузионного цинкового покрытия, полученного парофазовым методом, различны.
Э. Л. Гакман методом рентгеноструктурного анализа определил, что диффузионные цинковые покрытия, полученные при 380—400° С парофазовым методом, состоят из Г- и δ1-фаз. При этом, по мнению автора, покрытия толщиной до 1 мкм полностью состоят только из Г-фазы. Кроме того, он также обнаружил увеличение параметров элементарной ячейки α-железа, что свидетельствует о частичной диффузии цинка в кристаллическую решетку α-железа.
М. И. Зильберфарб и Л. Н. Приходько, исследуя диффузионные цинковые покрытия, полученные парофазовым методом при 400—600° С, микроскопическим, химическим и электрохимическим методами пришли к выводу, что их структура состоит в основном из δ1-фазы, прилегающей к тонкому слою Г-фазы. ζ-фаза, по мнению авторов, если и присутствует в покрытии, то только в виде отдельных включений.
Электрохимическими и металлографическими исследованиями Кац также показал, что структура диффузионных цинковых покрытий, полученных при 530—600° С, состоит в основном из δ1- и Г-фаз. Однако в покрытиях, образованных при 420° С, он все же наблюдал кристаллы ζ-фазы.
Широкие исследования структуры и свойств диффузионных цинковых покрытий, полученных парофазовым методом с применением порошковых смесей, были также выполнены А. П. Буздаковым, М. С. Гончаревским, Л. П. Щесно, И. С. Хитрик. Они установили, что такие покрытия многослойны и, согласно диаграмме состояния системы железо — цинк, состоят из ряда железоцинковых сплавов.
А. П. Буздаков, исследовавший структуру диффузионных цинковых покрытий металлографическим, химическим, электрохимическим и рентгеноструктурным методами, пришел к выводу, что в конечном итоге в зависимости от температуры цинкования в покрытии образуются слои, состав и структура которых отвечают однофазным областям диаграммы состояния системы железо—цинк. Так, в покрытии, образованном при температуре цинкования 300° С, он наблюдал только α- и Г-фазы, а в покрытии, образованном при температурах цинкования 460—540° С, уже были обнаружены α-, Г-, δ1-, ζ- и η-фазы.
В работе М. С. Гончаревского и др. на основании металлографического и послойного химического анализов установлено, что наружный слой покрытия имеет зернистую структуру и представляет собой смесь δ1- и £-фаз. Затем следует слой δ1-фазы с характерным для нее столбчатым строением. Еще ближе к стальному основанию располагается узкий неравномерный слой Г-фазы. И, наконец, переходным слоем от Г-фазы к основному металлу является слой a-твердого раствора цинка в железе. Как и в работе, замечено, что температура, при которой протекает процесс диффузионного цинкования, оказывает значительное влияние на структуру покрытия. Кроме того, авторами показано, что на структуру и соотношение фаз цинкового покрытия также влияет концентрация активного материала (пусьеры) в диффузионной смеси. Род инертного разбавителя и продолжительность процесса насыщения на структуру диффузионного цинкового покрытия не влияют.
Таким образом, структура диффузионных цинковых покрытий, полученных парофазовым методом с применением порошковых смесей, в значительной степени зависит от температуры процесса диффузионного насыщения. В конечном итоге в зависимости от температуры в покрытии образуются слои, соответствующие однофазным областям диаграммы состояния системы железо-цинк, и преимущественное развитие получает та или иная фаза.
Обычно при парофазовом методе цинкования образуется покрытие не из металлического цинка, а из железоцинковых сплавов. В частности, при температуре промышленного ведения процесса (480° С) покрытие состоит в основном из тонкого слоя Г-фазы и однородного слоя δ1-фазы.
На рис. 12 приведена микроструктура диффузионного цинкового покрытия, полученного парофазовым методом.
Структура цинковых покрытий, получаемых различными способами

Покрытие состоит из однородного сплошного слоя δ1-фазы, прилегающего к тонкому слою Г-фазы. Однако в противоположность δ1-фазе цинкового покрытия, полученного жидким методом, δ1-фаза покрытия, полученного парофазовым методом, при травлении не обнаруживает двух зон, а ее структура имеет более выраженный столбчатый вид.
Исследованием структуры и свойств цинковых покрытий, полученных газовым методом, занимались И. М. Найдич, М. И. Зильберфарб и Л. Н. Приходько, М. С. Гончаревский, Л. П. Щесно и И. С. Хитрик и др.
Процесс цинкования проводили при 600—900° С с выдержкой 4 ч. В качестве газовой среды использовали хлористый водород, азот, аммиак. Металлографическим и химическим анализами, а также измерениями микротвердости было установлено, что структура цинковых покрытий, полученных из газовой фазы, состоит из α-твердого раствора цинка в железе и слоя Г-фазы.