Технология цинкования парофазовым методом

Диффузионное цинкование стали парофазовым методом состоит из следующих операций: подготовка поверхности стальных изделий, приготовление диффузионной смеси, упаковка изделий в муфели, химико-термическая обработка изделий, распаковка муфелей и извлечение оцинкованных изделий.

В процессе подготовки изделий с их поверхности удаляют жировые загрязнения, снимают окалину и ржавчину, а также устраняют различные дефекты на поверхности (раковины, закаты, трещины и т. д.).
Удаление различных жиров и масел с поверхности изделий (обезжиривание) производят либо путем обработки их в органических растворителях (керосине, бензине, трихлорэтилене, дихлорэтилене и т. д.), либо путем химической или электрохимической обработки в растворах щелочей.
Омыляемые жиры (животного и растительного происхождения) при химическом взаимодействии со щелочью образуют растворимые в воде мыла и глицерин. Минеральные масла при определенных условиях образуют со щелочью эмульсии, т. е. коллоидные растворы мельчайших капель масла, легко отделяющихся от поверхности изделия. Для уменьшения силы сцепления масла с поверхностью изделия в раствор щелочи вводят поверхностно активные вещества—эмульгаторы.
Для обезжиривания изделий из черных металлов, в частности, может быть применен водный раствор 20—30 г/л тринатрийфосфата и 0,5 г/л эмульгатора ОП-7 или ОП-10. Температура процесса 70—80° С, продолжительность 10—15 мин.
Широко используются для обезжиривания водные щелочные растворы, содержащие едкий натр, тринатрий-фосфат и жидкое стекло.
Одним из методов интенсификации очистки изделий от жировых загрязнений является ультразвуковое обезжиривание.
Очистку изделий от окалины и ржавчины можно производить механическими и химическими способами. К механическим способам относятся галтовка, крацевание, шлифование, гидропескоструйная, дробеструйная и дробеметная очистки. Химические способы— это химическое или электрохимическое травление.
Галтовка, т. е. обкатка изделий совместно с абразивными и полирующими материалами в медленно вращающихся барабанах или колоколах, очень производительный, экономичный способ, вполне обеспечивающий хорошее качество поверхности. Особенно целесообразно использовать этот способ для массовой обработки мелких деталей простой конфигурации.
Крацевание применяют в тех случаях, когда с поверхности необходимо удалить окалину, ржавчину или другие загрязнения, но не требуется ее глянцевая отделка. При этом способе изделия обрабатывают на различных станках вращающимися щетками из стальной или латунной проволоки диаметром 0,2—0,3 мм. При крацевании не устраняются механические дефекты поверхности (царапины, риски и пр.) и практически не изменяются размеры деталей.
Шлифование заключается в снятии тонкой стружки металла режущими гранями мелких зерен абразивного материала. Выполняют его на станках, снабженных вращающимися дисками или кругами. Этот способ применяют для получения ровной и гладкой поверхности.
До последнего времени была широко распространена очистка поверхности изделий обдувкой песком. Ее применяли при подготовке листового материала, труб больших диаметров, металлических конструкций, литья и др.
В настоящее время вместо обдувки песком с успехом применяют менее вредные для здоровья работающих гидропескоструйный и дробеструйный способы. Очистку при этом ведут струей влажного песка или стальной (чугунной) дроби, направляемой под давлением (4 ат и выше), на поверхность изделия через специальное сопло. В результате ударов частиц песка или дроби, кроме снятия окалины, происходит сглаживание мелких забоин и царапин.
Для дробеметной очистки изделий служат специальные аппараты — дробеметы, с помощью которых стальная или чугунная дробь подается на очищаемую поверхность механическим путем с большой скоростью. При этом обеспечиваются высококачественная очистка и одновременно упрочнение поверхности металла.
Дробеметы используют главным образом в случае прочно сцепленной окалины, а также если требуется упрочнение поверхности.
Для снятия больших слоев окалины, а также для очистки поверхности от впрессованной окалины и получения хорошего сцепления покрытия с изделием применяют химическую очистку — травление. При этом не только удаляется окалина, но и выявляется кристаллическая структура металла.
Химическое травление изделий из черных металлов обычно осуществляют в растворе серной или соляной кислоты. Чаще всего используют водные растворы, содержащие 15—20% этих кислот. С повышением температуры скорость травления значительно возрастает. Однако соляную кислоту вследствие ее летучести нагревать выше 40° С не рекомендуется; растворы серной кислоты можно нагревать до 60—80° С.
С ростом металлургической, машиностроительной промышленности и увеличением расхода на травление изделий серной кислоты количество получаемого железного купороса в десятки раз превышает потребность в нем народного хозяйства. Поэтому целесообразно использовать для травления соляную кислоту (особенно отходную, абгазную), что позволит увеличить использование серной кислоты для производства минеральных удобрений. Качество поверхности изделий из углеродистых сталей после травления в соляной кислоте не хуже, а даже лучше, чем после травления в серной.

Для уменьшения травильной хрупкости, во избежание перетравливания металла, для снижения расхода кислоты и улучшения условий труда к травильным растворам добавляют специальные присадки — ингибиторы. Широкое применение нашли ингибиторы КС, ЧМ, ПБ-5, ПБ-8, «катапин» и др
Удаление различных дефектов (раковин, закатов, трещин и т. д.) с поверхности изделий, подлежащих цинкованию, можно производить на шлифовальных машинах, если при этом зачистка не выходит за пределы допусков изделий,
Опыт работы промышленных Предприятий показал, что любой вид очистки поверхности стальных изделий обеспечивает получение качественного диффузионного цинкового покрытия.
На хорошо подготовленной поверхности образуется сплошное, равномерное, хорошего товарного вида покрытие даже в случае изделий сложной конфигурации (рис. 27). На плохо подготовленной поверхности получается некачественное покрытие со вздутиями, отслоениями и нарушением сплошности (рис. 28).

Если изделия после подготовки поверхности в течение длительного времени (более суток) не будут поступать на цинкование, то их необходимо подвергнуть флюсованию.
Процесс этот производят в 2%-ном водном растворе смеси солей (70% BaCl2 + 30% NaCl) при температуре 80—90° С в течение 5—10 мин в зависимости от массы изделий. Офлюсованные изделия сушат подогретым до 60—80° С воздухом до полного удаления влаги.

Основным материалом для приготовления диффузионной смеси служит цинковая пыль (пусьера). Она состоит из металлического цинка, окиси цинка (порядка 40—50%) и небольшого количества других металлов (кадмия, свинца, железа, меди) — в сумме не более 0,5%.
Диффузионную смесь можно также приготовить из цинкового порошка, получающегося при продувке труб, оцинкованных жидким методом (в расплаве цинка), и гартцинка (отходы при цинковании в расплаве цинка), только для этого последний необходимо измельчить.
К цинковой пыли при составлении диффузионной смеси добавляют либо хлористый цинк или хлористый аммоний, либо инертные материалы.
Количество добавляемого хлористого цинка или хлористого аммония обычно составляет 1—2% (по массе); добавка более 2% существенного влияния на процесс цинкования не оказывает.
Вместо хлористого цинка в смесь можно вводить соляную кислоту также в количестве 1—2%. В этом случае травлению подвергают некоторое количество пусьеры, а затем всю смесь перемешивают и просушивают в ящиках без доступа воздуха не выше чем при 400° С. Оцинкованные в такой диффузионной смеси изделия имеют гладкую блестящую поверхность.
В случае применения для диффузионного цинкования порошковой смеси с активаторами процесс ведут при температурах ниже точки плавления цинка — практически при 360—400° С. При более высоких температурах диффузионная смесь оплавляется и спекается.
В промышленности в большинстве случаев диффузионное цинкование осуществляют при температурах, превышающих температуру плавления цинка (419,4° С). Во избежание оплавления и спекания порошка металлического цинка и налипания его на поверхность изделий к диффузионной смеси добавляют инертные материалы: техническую окись алюминия, кварцевый (речной) песок, измельченный шамот, пемзу и др.
Лучшие результаты достигаются при использовании в качестве инертных добавок технической окиси алюминия или речного кварцевого песка в количестве 25% (по массе).
Перед приготовлением порошковых смесей цинковую пыль просушивают в герметически закрытых железных ящиках при температуре ~400°С в течение 2—3 ч, а инертные материалы прокаливают при 600—800° С и просеивают от пыли и крупных частиц. Желательно, чтобы величина зерен инертных материалов была в пределах 0,2 мм.
Диффузионная смесь должна быть хорошо перемешана. Хранить ее следует в закрытых металлических ящиках в сухом месте. Смесь можно использовать многократно.
Перед повторным использованием смесь следует просеять через сито с размером ячейки — 0,5 мм для удаления случайно попавших в нее в процессе работы веществ.
После нескольких применений происходит частичное окисление смеси. При этом снижается интенсивность цинкования, но в то же время сама смесь становится в какой-то мере более жаростойкой, что позволяет вести цинкование при более высоких температурах, не опасаясь ее спекания и оплавления.
Для поддержания интенсивности порошковой смеси на определенном уровне в нее периодически (примерно через каждые пять применений) добавляют новые порции цинкового порошка в количестве до 10% (по массе) (величина добавки определяется расходом цинка на покрытие). После добавки порошковую смесь хорошо перемешивают.

Для диффузионного цинкования изделия упаковывают в металлические ящики (муфели). Размеры и форма муфелей определяется размером и количеством деталей, одновременно загружаемых в муфель, а также мощностью подъемных механизмов в цехе, типом и размером печей.
Загрузку изделий в муфель производят следующим образом. На дно муфеля насыпают слой (25—30 мм) диффузионной смеси. Затем укладывают изделия так, чтобы расстояние между ними и стенками муфеля было не менее 20 мм, а между отдельными изделиями — не менее 10—15 мм. После этого изделия засыпают диффузионной смесью. Внутреннюю полость изделий, если она должна быть оцинкована, также плотно заполняют смесью. При закладке изделий в муфель в несколько рядов по высоте между их рядами засыпают слой смеси не менее 10 мм. Поверх последнего ряда изделий слой смеси не менее 20—30 мм. При упаковке муфеля порошковая смесь уплотняется.
С целью создания герметичности и предохранения порошковой смеси от окисления в процессе нагрева муфель, заполненный изделиями и порошковой смесью, накрывают сверху асбестом и закрывают крышкой. Крышку по кромкам обмазывают мастикой из огнеупорной глины и асбеста в отношении 1:1. Мастику приготовляют на жидком стекле или даже на воде. Упакованный таким образом муфель просушивают и загружают в печь.
Разрез муфеля с упакованными укороченными насосными штангами приведен на рис. 29.


Муфель или несколько муфелей помещают в печь, где и происходит диффузионное насыщение поверхности изделий цинком (химико-термическая обработка).
Для нагрева муфелей можно применять электрические или пламенные печи.
Конструкцию и габариты печей выбирают в зависимости от размеров и числа одновременно загружаемых муфелей. Для более быстрого прогрева муфели следует загружать в предварительно нагретую печь.
Режим нагрева муфелей зависит от требований к покрытию изделий, подвергающихся цинкованию. Характерный температурный график цинкования приведен на рис. 30.

Как видно из рис. 30, температуру в печи устанавливают выше заданной температуры цинкования (учитывают перепад между температурой в камере печи и внутри муфеля). При загрузке муфеля температура в печи падает и необходимо определенное время (в зависимости от размеров муфеля) для нагрева муфеля. Затем дают выдержку, требуемую для получения слоя покрытия заданной толщины. Контроль и регулирование температуры в печи производят с помощью электронных потенциометров, датчиками для которых служат хромель-алюмелевые термопары, расположенные в нескольких зонах печи.

После окончания процесса диффузионного насыщения муфели выгружают из печи и после охлаждения на воздухе распаковывают. Изделия выгружают из муфеля, счищают от порошковой смеси, а порошковую смесь ссыпают и подготавливают для следующего применения.

---

• Изменение массы и размеров изделий после диффузионного цинкования в водороде
• Вакуумный метод дифузионного цинкования
• Диффузионное цинкование в водороде и в атмосфере аммиака
• Влияние температуры и продолжительности цинкования на толщину, структуру и свойства покрытия
• Влияние химического состава сталей на толщину и структуру цинкового покрытия