» » Диффузионное цинкование парофазовым методом
11.12.2014

Диффузионное цинкование парофазовым методом представляет собой довольно сложный физико-химический процесс. При этом методе перенос диффундирующего металла к обрабатываемой поверхности осуществляется посредством паровой фазы, образующейся при нагревании металла (цинка).
Зависимость давления паров цинка от температуры испарения приведена на рис. 13. Парофазовое насыщение может осуществляться контактным и неконтактным способами. В первом случае испарение цинка происходит в реакционном пространстве в непосредственной близости от мест контакта цинкового порошка с обрабатываемой поверхностью, во втором — на некотором расстоянии от обрабатываемой поверхности
Для получения более качественной поверхности изделия целесообразно применять неконтактный способ, хотя глубина насыщения оказывается меньшей. Вакуум при этом не всегда обязателен.
Диффузионное цинкование парофазовым методом

При диффузионном цинковании в порошковых смесях на поверхности стальных изделий образуется покрытие, представляющее собой железоцинковый сплав переменной концентрации, богатый цинком, но по своим свойствам резко отличающийся от металлического цинка.
Диффузионные слои, возникающие на стали при цинковании в порошковых смесях, по своему составу соответствуют фазам на диаграмме состояния железо — цинк по линии температур цинкования. При этом промежуточные состояния фаз, т. е. структуры из смеси фаз, необязательны. Такие структуры, как это видно из диаграммы состояния железо—цинк, могут возникать лишь в том случае, когда происходят превращения в результате медленного охлаждения от температуры выше температур насыщения: 623° С и др.
Рассмотрим расположение слоев структурных составляющих (фаз) в диффузионном цинковом покрытии, полученном парофазовым методом при 450—500° С. Травление шлифов производили в 3%-ном растворе HNO3 в этиловом спирте. Переходной фазой от основного металла (стали) к слою покрытия является α-фаза — твердый раствор цинка в α-железе (цинковый феррит) с максимальным содержанием цинка около 10% (при комнатной температуре 6%). Цинковый феррит показан на рис. 14, где он имеет вид более светлой полосы в структуре основного металла. В этом же слое должна присутствовать Г-фаза, которая возникает в виде мелкодисперсных выделений при охлаждении покрытия до комнатной температуры и увеличивает твердость α-фазы вследствие дисперсионного твердения. На шлифах Г-фаза визуально не обнаруживается.
Диффузионное цинкование парофазовым методом

Фаза Г представляет собой интерметаллическое соединение и может содержать до 28% Fe. Эта фаза с одной стороны граничит с твердым раствором цинка в железе (α-фазой), а с другой — с δ1-фазой. Она хорошо обнаруживается под микроскопом до и после травления шлифа.
На рис. 15 приведена структура цинкового покрытия с сильно развитой Г-фазой.
Диффузионное цинкование парофазовым методом

Фаза δ1 также является интерметаллическим соединением, содержание железа в ней от 7 до 11,5%. Несмотря на высокую микротвердость: 4500—5000 Мн/м2 (450—500 кГ/мм2), δ1-фаза относительно пластична. В цинковом покрытии, полученном при температуре 500—540° С, δ1-фаза имеет ярко выраженную столбчатую структуру (рис. 16).
При содержании в железоцинковом сплаве ~94% Zn возникает новая структурная составляющая: ζ-фаза. Эта фаза, несмотря на сравнительно невысокую микротвердость: 2700 Мн/м2, т. е. 270 кГ/мм2, очень хрупкая, что, по-видимому, связано с ее моноклинным строением. Фаза ζ граничит с δ1-фазой и в структурном отношении мало отличается от последней, если только δ1-фаза не имеет отчетливого столбчатого строения.
Диффузионное цинкование парофазовым методом

Фаза η, присутствующая в цинковых покрытиях, полученных в расплаве, в покрытиях, полученных парофазовым методом, практически не обнаруживается.
Характерная структура диффузионного цинкового покрытия, образующегося при парофазовом методе при 500° С, приведена на рис. 17. Феррито-перлитная структура основного металла (стали) постепенно переходит в зону, более слабо протравленную — цинковый феррит (α-фаза), затем располагается темная полоса интерметаллического соединения Fe5Zn21 (Г-фаза). Следующая за Г-фазой δ1-фаза имеет явно столбчатое строение.
На самой поверхности покрытия находится интерметаллическое соединение FeZn13 — ζ-фаза.
Диффузионное цинкование парофазовым методом

Механизм образования фаз в диффузионном цинковом покрытии, последовательность их возникновения и условия преимущественного развития отдельных структурных составляющих играют важную роль при формировании покрытия.
Механизм образования железоцинковых фаз можно представить следующим образом.
При нагреве контактируемых металлов (железо-цинковый порошок) до 260—300° С значительно увеличивается подвижность атомов цинка, которые проникают в железо, образуя твердый раствор цинка в a-железе (цинковый феррит) (см. рис. 14). С повышением температуры в результате взаимного перемещения атомов цинка и железа (встречная диффузия) путем флуктуации (при насыщении α-фазы цинком) возникает Г-фаза со стороны железа и твердый раствор железа в цинке (η-фаза) со стороны порошковой смеси. При дальнейшем повышении температуры возникают, также вследствие флуктуации, последующие железоцинковые фазы. Образование фаз идет со стороны обоих твердых растворов. Так возникают δ1- и ζ-фазы.
В конечном результате образовавшиеся железоцинковые фазы отвечают всем однофазным областям на диаграмме состояния системы железо — цинк.
В зависимости от температуры процесса преимущественное развитие получает та или другая фаза. Так, в покрытии, возникающем при 300—360 или 420—460° С, наблюдается сильно развитая Г-фаза. При 420—480° С значительно вырастает ζ-фаза, а при 480—540° С преимущественно развивается δ1-фаза.
Как показали данные химического, рентгеноструктурного, металлографического исследований, структура покрытия при постоянной температуре процесса не изменяется с изменением продолжительности цинкования; при этом меняется только количественное соотношение фаз.
Таким образом, при диффузионном цинковании стали в порошковых смесях на поверхности изделий образуется покрытие, состоящее не из металлического цинка, а из железоцинкового сплава, представляющего ряд интерметаллических соединений железа с цинком и твердые растворы цинка в железе и железа в цинке.