» » Пластичность диффузионного цинкового покрытия и механические свойства оцинкованной стали
12.12.2014

Работоспособность стальных изделий с защитными покрытиями в агрессивных средах определяется физикохимическими свойствами поверхностных слоев. В связи с этим представляло интерес изучение свойств, образующихся в процессе отжига диффузионных цинковых слоев и в первую очередь их микротвердости.
Микротвердость покрытий измеряли на специально изготовленных микрошлифах послойно, используя прибор ПМТ-3 с нагрузкой 200 н (20 г). Микрошлифы вырезали и изготовляли из оцинкованных различными способами образцов из стали Ст. 3, прошедших диффузионный отжиг при различных режимах и различных способах нагрева. По результатам замеров строили графики, характеризующие величину микротвердости по глубине диффузионных цинковых слоев (рис. 97—99). Как видно из рисунков, в результате диффузионного отжига микротвердость покрытий значительно изменяется.
Пластичность диффузионного цинкового покрытия и механические свойства оцинкованной стали

Если до отжига микротвердость электролитического цинкового покрытия составляла 490—833 Mн/м2 (50—85 кГ/мм2), то после этой обработки при 550 или 600° С в течение 10, 20 или 30 мин она по всей толщине слоя покрытия равна 3500—5540 Mн/м2 (350— 554 кГ/мм2), что отвечает микротвердости δ1-фазы. При этом в отличие от неотожженных покрытий твердость диффузионных цинковых слоев оказалась значительно выше, чем основного материала. Следует отметить, что при более низких температурах отжига 450—500° С микротвердость покрытия возрастает по мере удаления от поверхности, чего не наблюдается в покрытиях, прошедших отжиг при 550—600° С.
Пластичность диффузионного цинкового покрытия и механические свойства оцинкованной стали

Микроструктура электролитического цинкового покрытия с послойным измерением микротвердости после диффузионного отжига в электрической печи по различным режимам приведена на рис. 100 и 101.
Пластичность диффузионного цинкового покрытия и механические свойства оцинкованной стали

На рис. 100 и 101 отчетливо виден слой Г-фазы, непосредственно примыкающий к стальному основанию и выявляющийся после травления в виде темной полосы. Как известно, твердость этого слоя более высокая>5047 Mн/м2 (>515 кГ/мм2), чем других структурных составляющих диффузионного цинкового покрытия. К сожалению, в наших исследованиях измерить ее не удалось, хотя при температуре отжига 600° С, 30 мин, толщина Г-фазы достигала 10 мкм. Дело в том, что из-за различной твердости фаз слои при шлифовании и полировании удаляются неравномерно, а слой Г-фазы, очевидно, приобретает вид микровыступа. Поэтому алмазная пирамида при измерениях всегда соскальзывала или на расположенный рядом слой δ1-фазы, или на основной материал (сталь). Отпечаток, естественно, получался искаженной формы.
Пластичность диффузионного цинкового покрытия и механические свойства оцинкованной стали

Изменение значений микротвердости цинковых покрытий, полученных в расплаве и прошедших диффузионный отжиг в печи и индукторе, характеризуется данными рис. 98 и 99. При оптимальном режиме (550° С, 10 мин) микротвердость различных слоев по глубине покрытия имеет близкие значения. Однако в случае покрытия, полученного в расплаве с 0,12% Al и отожженного в печи при 550°С (10, 20 или 30 мин), имеется зона шириной 10—15 мкм на расстоянии — 50 мкм от стальной основы, в отдельных местах которой наблюдается понижение микротвердости до 2340—2880 Mн/м2 (234—288 кГ/мм2). Выше и ниже этой зоны микротвердость покрытия составляет 4710—5540 Мн/м2 (471—554 кГ/мм2). Снижение твердости в этих местах связано с частичным выделением ζ-фазы. Замерить микротвердость Г-фазы, как и в предыдущем случае, не удалось.
Таким образом, изменение микротвердости диффузионного покрытия отражает изменение его структуры. После отжига в печи или в индукторе при 550° С, выдержка 10 мин, значения микротвердости практически одинаковы по всему слою покрытия и составляют 4140—5500 Mн/м2 (414—550 кГ/мм2), т. е. находятся в пределах микротвердости δ1-фазы. Все это благоприятно сказывается на механических и других свойствах защитного цинкового покрытия.
Большой интерес представляло изучение микротвердости отдельных структурных составляющих системы железо—цинк. С этой целью специально оцинкованные в расплаве образцы с толщиной цинкового слоя 0,4—0,5 мм отжигали в индукторе. Режим отжига подбирали таким образом, чтобы либо не происходило полного разрушения одних фаз и возникновения других, либо подавлялось развитие некоторых фаз.
Пластичность диффузионного цинкового покрытия и механические свойства оцинкованной стали

Отжиг производили при 450° С (при этой температуре в покрытии еще присутствуют все фазы) и 550° С (отсутствует ζ-фаза) в течение 2 мин. В результате были получены отдельные кристаллы железоцикковых 4410—4800 Mн/м (441—480 кГ/мм2). Следующий слой состоит из столбчатых вытянутых кристаллов неправильной формы. Микротвердость этих кристаллов, находящихся непосредственно над слоем δ1-фазы и отделенных от нее резко выраженной зубчатой границей, 3420— 3570 Mн/м2 (342—357 кГ/мм2). У отдельных кристаллов микротвердость доходила до 3900 Mн/м2 (390 кГ/мм2), а у кристаллов, расположенных на большем удалении от 61-фазы и как бы плавающих в растворе цинка, она составляла 2110—2730 Mн/м2 (211—273 кГ/мм2) (микротвердость ζ-фазы). Повышенная микротвердость в зоне кристаллов, находящихся непосредственно на слое δ1-фазы, связана с тем, что в процессе 2-мин отжига определенное количество атомов железа успевает продиффундировать в эту область и начинается перестройка структурных составляющих. Однако этого количества железа, очевидно, еще недостаточно для образования δ1-кристаллов. В местах же, более удаленных от стальной основы, где структурные изменения еще не начались, мы наблюдаем кристаллы с микротвердостью 2730 Mн/м2 (273 кГ/мм2), т. е. ζ-кристаллы. В промежутках между ζ-кристаллами микротвердость составляла 1380—1490 Mн/м2 (138—149 кГ/мм2).
На рис. 103 приведена микроструктура цинкового покрытия после отжига в индукторе при 550° С, 2 мин. При этой температуре уже отсутствует ζ-фаза, так как предел устойчивости ее равен 530° С.
В верхних слоях покрытия в случае отжига при 550° С возникают кристаллы δ1-фазы в форме более или менее правильных шестиугольников, пятиугольников или ромбов (рис. 103, а). Измерения показали, что микротвердость большинства кристаллов колеблется в пределах 4140—5080 Mн/м2 (414—508 кГ/мм2), причем наиболее часто встречаются δ1-кристаллы с Нμ=4410/4710 Mн/м2 (441/471 кГ/мм2). В пределах каждого δ1-кристалла колебания в значениях Нμ почти отсутствуют. Однако иногда обнаруживаются также кристаллы, имеющие низкую микротвердость. Встречаются также кристаллы в виде неправильных квадратов или шестиугольников.
Пластичность диффузионного цинкового покрытия и механические свойства оцинкованной стали

На рис. 103, б отчетливо виден выросший (до 40 мкм) слой бгфазы с микротвердостью 5080—5540 Мн/м2 (508—554 кГ/мм2), а затем по мере удаления от стального основания располагается зона, микротвердость которой составляет всего 1840—2060 Mн/м2 (184—206 кГ/мм2). Граница перехода от δ1-фазы к этой зоне имеет микротвердость 2216 Mн/м2 (221,6 кГ/мм2).
Механические и технологические свойства стали с диффузионным цинковым покрытием изучали при комнатной температуре. Исследования проводили на оцинкованных образцах-патрубках. Испытания на разрыв осуществляли по ГОСТ 10006—62 на патрубках размером 25X2,5 мм. Расчетная длина l0 составляла 80 мм. Для испытаний использовали машину ZDM-30 усилием 30000 кГ.
При испытаниях на разрыв определяли не только предел прочности σв стали, но и напряжение, при котором с образца начинает осыпаться покрытие. Эта величина условно была обозначена нами σв1. По значению σв1 в какой-то мере можно судить о пластичности покрытия: чем при меньшем значении σв1 покрытие начинает осыпаться, тем, следовательно, оно более хрупкое.
Технологические свойства оцинкованной стали определяли путем раздачи и сплющивания диффузионно оцинкованных труб.
Испытания производили на машине ИЧМ-30 усилием 30 000 кГ. Образцами служили патрубки размером 25X2,5X50 мм. Раздачу выполняли по ГОСТ 8694—58 на оправке с конусом 6°, а сплющивание — по ГОСТ 8695—58. Окончанием испытаний считали момент осыпания цинкового покрытия с наружной или внутренней поверхности образца. После измерения наружного диаметра образца до и после испытаний рассчитывали величину раздачи и сплющивания (в процентах).
Для сравнения были проведены испытания образцов с диффузионным цинковым покрытием, полученным парофазовым методом (в порошковых смесях). Образцы вырезали из труб, прошедших диффузионное цинкование в промышленных условиях.
Результаты механических и технологических испытаний диффузионно оцинкованной стали марки 10 приведены в табл. 25.
Пластичность диффузионного цинкового покрытия и механические свойства оцинкованной стали
Пластичность диффузионного цинкового покрытия и механические свойства оцинкованной стали

Из таблицы видно, что механические свойства стали, оцинкованой в расплаве, а также слоя покрытия после диффузионного отжига в электрической печи и в индукторе при 500 и 550° С, 10 мин, практически не ниже свойств стали, не прошедшей отжига, а относительное удлинение (δ5) после отжига даже несколько выше.
С увеличением температуры отжига до 600° С и продолжительности выдержки до 30 мин механические свойства оцинкованной стали, а также слоя железоцинкового покрытия несколько снижаются, за исключением δ5, значение которого возрастает.
Технологические свойства (раздача, Сплющивание) стали также максимальны после отжига при 500 и 550° С, выдержка 10 мин; с увеличением температуры и продолжительности отжига эти свойства ухудшаются.
Сопоставляя механические и технологические свойства стали, оцинкованной в расплаве с 0,04 и 0,12% Al и прошедшей отжиг в электрической печи или индукторе, можно сказать, что эти свойства от вида нагрева зависят незначительно.
Большой практический интерес представляет сопоставление свойств стали, оцинкованной в расплаве и отожженной, с одной стороны, и оцинкованной в порошковых смесях без последующего отжига — с другой.
В случае цинкования в порошковых смесях интенсивное осыпание покрытия с образца при испытаниях на разрыв начиналось по достижении предела текучести, равного 266 Mн/м2 (26,6 кГ/мм2); в то же время предел прочности стали составлял 343,5 Мн/м2 (34,35 кГ/мм2). Следовательно, значения σв и σв1 в этом случае значительно различались.
В случае образцов, оцинкованных в расплаве и отожженных по любому из рассмотренных режимов, покрытие осыпалось только при значениях, близких пределу прочности.
Значение σв1 для диффузионного покрытия, полученного в порошковых смесях, значительно ниже, чем покрытия, полученного в расплаве и прошедшего отжиг, т. е. пластичность второго значительно выше.
Как видно из данных табл. 25, механические и технологические свойства стали, оцинкованной в расплаве и прошедшей отжиг, выше, чем стали, оцинкованной в порошковых смесях.
Оптимальный режим отжига в электрической печи или индукторе 500 или 550° С, выдержка 10 мин, т. е. тот же, который установлен результатами других исследований.