Rich--house.ru

Строительный журнал Rich—house.ru
8 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Упрочнение структуры термодиффузионной обработкой деталей

Технология термодиффузионного цинкования Термишин

Описание технологического процесса и оборудования

Суть технологии термодиффузионного цинкования состоит в образовании на поверхности металлоизделия нового сплава или интерметаллида сложной фазовой структуры с высоким содержанием цинка. Детали и цинк-насыщенная смесь «Термишин» (далее по тексту порошок Термишин) загружаются в специальный контейнер (реторту), которая далее помещается в специальную муфельную печь.

Далее обеспечивается равномерный, рассчитанный по времени разогрев контейнера с деталями и порошком Термишин©.

Формирование термодиффузионного покрытия

Во время процесса формирования покрытия контейнер с деталями все время находится в процессе вращения, что обеспечивает хорошее и равномерное перемешивание деталей с насыщающей смесью и последующую однородность покрытия по всей поверхности каждой детали.

После завершения процесса оцинкованные детали проходят через пассивационный раствор.

Принципиально новым в технологии цинкования Термишин является:

  • Порошок Термишин©:
    • обладает высокой проникающей способностью за счет присутствия специальных аддитивов;
    • обеспечивает регулируемый процесс формирования покрытия;
    • позволяет работать в диапазоне толщины 6—9мкм с высокой коррозионной стойкостью.
  • Уникальные пассивационные растворы, которые:
    • не содержат Cr VI и других вредных в-в;
    • придают покрытию дополнительную коррозионную стойкость;
    • обеспечивают лучший товарный вид .

Технология нанесения термодиффузионного покрытия

Процесс нанесения покрытия представляет собой замкнутый технологический цикл, разбитый на несколько операций.

  • предварительная очистка деталей от жиров, ржавчины и окалины;
  • оцинкование деталей;
  • нанесение защитных пассивационных слоев и/или нанесение других финишных слоев (окрашивание, гуммизация, пластификация и т.д.);
  • сушка готовой продукции.

В процессе также существуют промежуточные операции по загрузке/разгрузке деталей, промывке и т.д.

Обратите внимание!
Для получения качественного антикоррозионного покрытия все технологические этапы имеют одинаково важное значение и являются равными составляющими технологического процесса.

Технология нанесения покрытия не меняется ни для одного вида деталей.

Особенности каждого этапа — это разная подготовка поверхности для разного вида деталей.

В технологии цинкования предусмотрены:

  • дробеметная обработка деталей;
  • ультразвуковая подготовка поверхности.

Детали из холодно-катанной стали загружаются в контейнер без предварительной обработки. Детали в масле или СОЖ нуждаются в предварительном обезжиривании.

Этап нанесения покрытия

  • Он длится 90 мин. или 180 мин. ( в зависимости от установленного оборудования и типов используемых смесей для цинкования).
  • Часть времени уходит на разогрев деталей и насыщающей смеси до необходимой температуры и затем, при достижении заданных температурных параметров, происходит непосредственно процесс цинкования.
  • После чего контейнер извлекается из печи и охлаждается.

Цинкование происходит при температурах от 290С до 400С . Выбор температурного режима зависит от типа стальных изделий, марки стали и установочных норм производителей деталей.

На протяжении всего процесса цинкования, контейнер находится во вращающемся состоянии и останавливается только перед непосредственной выемкой контейнера из печи.

Толщина цинкового слоя на поверхности может варьироваться от 5 до 100 мкм.

Регулируется она только количеством насыщающей смеси, которая закладывается в контейнер вместе с деталями.

Время обработки является константой, что очень удобно для планирования производственной деятельности.
После охлаждения, контейнер разгружается и продукция поступает на стадию финишных операций.

Этап пассивации

Пассивационные растворы (для первой и второй пассивации) являются ноу-хау фирмы-производителя.

Данные растворы работают в режиме комнатных температур, в замкнутом цикле с постоянной регенерацией растворов.

Первоначально приготовленные пассивационные растворы в процессе работы требуют только необходимого технического поддержания и не связанны с системой канализации.

Пассивационные растворы не требуют перелива или слива в ходе процесса, просты и не имеют в своих составах никаких агрессивных или вредных компонентов.

Видео о термодиффузионном цинковании

Термодиффузионное цинкование металла: технология, оборудование, плюсы и минусы

Термодиффузионное цинкование, которое также называют шерардизацией, является относительно новой технологией нанесения на поверхность изделий из металла слоя цинка. Между тем именно такой способ цинкования среди всех существующих на сегодняшний день признается многими специалистами наиболее перспективным.

Технология термодиффузионного цинкования предназначена для защиты от коррозии стальных и чугунных изделий

Особенности и сферы применения

Такой метод защиты металлических изделий от коррозии и старения, как термодиффузионное цинкование, общие требования к которому регламентирует ГОСТ Р 9.316-2006, основан на явлении диффузии молекул металла, протекающей при относительно высокой температуре (400–470°). В данном случае в поверхностный слой обрабатываемого изделия диффузируют молекулы легирующего элемента – цинка.

В результате применения такой технологии на поверхности металлической детали формируется однородный цинковый слой. При этом однороден такой слой даже в труднодоступных местах обрабатываемого изделия.

При термодиффузионной обработке детали покрываются равномерном слоем цинка, включая отверстия и внутренние полости

Диффузионному поверхностному цинкованию, выполняемому при термическом воздействии на обрабатываемую деталь, чаще всего подвергают:

  • арматуру, применяемую в нефтяной и газовой отраслях;
  • ограждающие дорожные и мостовые конструкции;
  • элементы трубных коммуникаций и строительную арматуру;
  • фурнитуру, используемую для изготовления мебели;
  • арматуру, применяемую для укрепления железнодорожного полотна;
  • конструктивные элементы автотранспортных средств;
  • конструктивные элементы ЛЭП (линии электропередачи).

Термодиффузионное цинкование позволяет получать на поверхности металла цинковый слой минимальной толщины, благодаря чему подвергать такой обработке можно даже детали, отличающиеся очень небольшими размерами.

При повышении температуры обработки по данной технологии до 470° термодиффузия молекул цинка в поверхностный слой металла становится более интенсивной, но полученное в итоге покрытие не обладает требуемыми характеристиками. Оно не только отличается повышенной хрупкостью и легко отслаивается от поверхности изделия, но и не способно обеспечить требуемый уровень антикоррозионной защиты.

Промышленная линия термодиффузионного цинкования

Чтобы сформировать на поверхности металлического изделия термодиффузионное цинковое покрытие заданной толщины, обладающее высокими защитными характеристиками, необходимо предусмотреть ряд дополнительных процедур.

  • Проводится тщательная очистка поверхности изделия, которое будет подвергаться обработке.
  • Необходимо обеспечить герметичность контейнера для термодиффузионного цинкования.
  • Когда герметичность контейнера обеспечена, в нем необходимо создать инертную или восстановительную среду. Следует иметь в виду, что в окислительной среде цинкование выполнять нельзя.

Детали обработаны и загружены в специальную емкость для термодиффузионного цинкования

При выполнении самого термодиффузионного цинкования в рабочую среду желательно вносить специальные флюсующие элементы, которые называют активаторами.

Если придерживаться всех вышеуказанных рекомендаций и строго соблюдать все технологические режимы, то на поверхности металлического изделия можно сформировать термодиффузионное цинковое покрытие, которое будет соответствовать как заданной толщине, так и требуемым защитным характеристикам.

Сравнительный анализ коррозионной стойкости

Алгоритм нанесения термодиффузионного цинкового покрытия выглядит следующим образом.

  • Обрабатываемая поверхность тщательно очищается (в производственных условиях для этого используют дробеметные, пескоструйные и ультразвуковые установки).
  • Изделие и специальную смесь, за счет которой будет осуществляться насыщение его поверхности цинком, помещают в герметичный контейнер.
  • В контейнере создается требуемая температура, при которой и протекает диффузионное поверхностное цинкование.

Печь для термодиффузионного цинкования

После окончания цинкования деталь извлекают из контейнера и очищают ее поверхность от остатков использованной смеси. Затем остается выполнить пассивирование уже оцинкованной поверхности и дать ей полностью остыть.

Для выполнения диффузионного поверхностного цинкования используются различные насыщающие смеси, одной из которых является «Левикор». Высокую популярность у отечественных специалистов смесь «Левикор» завоевала благодаря тому, что ее отличает высокая проникающая способность, а ее применение позволяет получать цинковые покрытия требуемой толщины, обладающие исключительными защитными свойствами.

Достоинства и недостатки

Технология цинкования, для реализации которой используется термодиффузия, отличается целым рядом достоинств. Перечислим их.

  • Поверхность обработанного изделия и сформированный на ней цинковый слой характеризуются отличной адгезией.
  • Данный метод обработки отличается экономичностью, так как для его реализации не требуются большие производственные площади, значительные затраты рабочей силы и электрической энергии.
  • Технология термодиффузионного цинкования позволяет получать идеально ровное и однородное по своей толщине покрытие, отличающееся, кроме того, высокими защитными свойствами.
  • За счет того, что термодиффузия осуществляется в герметичных контейнерах, данный процесс отличается токсической, химической и экологической безопасностью. При работе с такими установками человек не получит термический ожог, а также не подвергнется воздействию других факторов, которые бы могли негативно отразиться на его здоровье.
  • Толщина цинкового слоя при использовании такой технологии хорошо поддается регулировке в достаточно широких пределах.
  • Образующиеся в процессе термодиффузионного цинкования отходы легко утилизируются. При этом процесс такой утилизации, выполняемой по стандартной схеме, также не связан с опасностью для человеческого здоровья.
  • Для очистки поверхности изделия после термодиффузионного цинкования не используются кислоты и другие агрессивные средства.
  • Оборудование, на котором выполняется диффузионное поверхностное цинкование, отличается простотой управления и обслуживания.
  • Процедура термодиффузионного покрытия цинком выполняется при более щадящем температурном режиме, если сравнивать ее с другими технологиями нанесения защитных покрытий.

После этого типа цинкования возможна последующая окраска деталей

У данной технологии есть два основных недостатка. Заключаются они в следующем.

  • Цинковый слой, формирующийся на поверхности изделия при использовании данной методики, отличается малопривлекательным сероватым цветом. Такая проблема решается путем нанесения на предварительно полученное термодиффузионное цинковое покрытие дополнительного декоративного слоя. Следует, однако, иметь в виду, что возможность нанесения такого слоя не оговаривается положениями ГОСТа. Во многих случаях, когда для оцинкованных металлических изделий эстетический фактор не столь важен, на такой недостаток не обращают внимания.
  • Габариты изделий, которые могут быть подвергнуты термодиффузионному цинкованию, серьезно ограничены размерами герметичного контейнера, а также внутренним объемом нагревательной печи.

При выполнении такой обработки следует строго придерживаться не только технологических рекомендаций, но и правил техники безопасности. В противном случае в организм человека может попасть цинковая пыль, которая способна нанести вред его здоровью.

Требования ГОСТ Р 9.316-2006 к термодиффузионным цинковым покрытиям

В соответствии с положениями нормативного документа, термодиффузионные цинковые покрытия могут быть отнесены к одному из следующих классов:

  • 1-й класс – толщиной 6–9 мкм;
  • 2-й класс – 10–15 мкм;
  • 3-й класс – 16–20 мкм;
  • 4-й класс – 21–30 мкм;
  • 5-й класс – 40–50 мкм.

Несмотря на то, что в ГОСТе не упомянуты цинковые покрытия большей толщины, потребитель по согласованию с производителем может заказать их нанесение. Однако в таком случае полученное покрытие будет относиться к категории нестандартных.

Рассматриваемый метод цинкования позволяет получить качественное цинковое покрытие толщиной 5–100 микрон

Термодиффузионное цинковое покрытие не наносится на те металлические конструкции и изделия, на которых имеются соединения, выполненные при помощи смол или припоя. Нанести цинковый слой на такие детали возможно, но для этого следует применять другие технологии.

В соответствии с положениями ГОСТ, цинковый слой, нанесенный на металлическое изделие по рассматриваемой технологии, не должен иметь следующих дефектов:

  • остатков насыщающих смесей, которые не поддаются смыванию;
  • вкраплений инородных тел;
  • наростов;
  • пустот и раковин;
  • отслоений;
  • трещин на поверхности;
  • вздутий;
  • даже очень незначительных по площади участков, на которых отсутствует покрытие.

Ознакомиться с требованиями ГОСТ к процессу обработки деталей методом термодиффузионного цинкования можно, скачав документ в формате pdf по ссылке ниже.

Упрочнение структуры термодиффузионной обработкой деталей

Многие детали работают в условиях повышенного износа поверхности. Поэтому есть необходимость эту поверхность как-то защитить. Это достигается методами поверхностного упрочнения.

Упрочнить поверхность – значит повысить свойства поверхности: твердость, износостойкость, коррозионную стойкость. Если надо изменить свойства, то это значит, что должна измениться структура поверхностного слоя. Для изменения структуры можно использовать деформацию, термическую обработку с нагревом различными способами, изменение химического состава поверхности, нанесение защитных слоев.
В основном методы упрочнения поверхностей можно разбить на две основные группы:
1) упрочнение изделия без изменения химического состава поверхности, но с изменением структуры. Упрочнение достигается поверхностной закалкой, поверхностным пластическим деформированием и другими методами.
2) упрочнение изделия с изменением химического состава поверхностного слоя и его структуры. Упрочнение осуществляется различными методами химико-термической обработки и нанесением защитных слоев.

Методы изменения структуры

Из методов упрочнения без изменения химического состава поверхности, но с изменением ее структуры, наиболее распространены способы поверхностной закалки и различные виды поверхностного пластического деформирования (ППД).
В сущности, деформация поверхности – это наиболее простой способ, при котором прочностные характеристики поверхности возрастают. Здесь использован следующий принцип. Если вспомнить кривую деформационного упрочнения, то окажется, что чем больше растягиваем металл, тем больше металл сопротивляется, тем больше сила растяжения Рmax (до определенного предела, конечно). Упрочняется металл и при кручении, и при сжатии. В технологиях ППД поверхностный слой металла деформируют (наклепывают) различными способами.
Основное назначение ППД – повышение усталостной прочности путем наклепа поверхности на глубину 0,2—0,4 мм. Разновидностями ППД являются дробеструйная обработка, обработка роликами, иглофрезерование, накатка рельефа и др.
Дробеструйная обработка — обработка дробью поверхности готовых деталей. Применяется для упрочнения деталей, удаления окалины. Дробеструйной обработке подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса.
При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия. При усилиях на ролик, превышающих предел текучести обрабатываемого материала, происходит наклеп на нужную глубину.
Обработка роликами улучшает микрогеометрию изделия. Создание остаточных напряжений сжатия повышает предел усталости и долговечность изделия. Обкатка роликами применяется при обработке валов, калибровке труб, прутков. На рис. 1 показан упрочненный поверхностный слой образца стальной оси железнодорожного вагона из стали 45. Микроструктура слоя представляет собой деформированные зерна феррита и перлита. Накатка роликом измельчила структуру, в поверхностном слое отдельные зерна неразличимы (рис.1,а). Там, где деформация была меньше, можно различить структуру, которая имеет направленность, характерную для деформации (рис.1,б). Глубину упрочнения контролируют по изменению микротвердости (рис.2).

аб

Рисунок 1. Микроструктура поверхностного слоя стали 45 после накатки роликом

Рисунок 2. Изменение микротвердости по глубине поперечного сечения валов различного диаметра.

Иглофрезерование при помощи фрез, на поверхности которых находится от 200 тысяч до 40 миллионов плотно расположенных игл из высокопрочной стальной проволоки диаметром 0,2—0,8 мм, также позволяет проводить упрочнение поверхности деталей. Иглофрезерование применяют для обработки плоских и цилиндрических поверхностей, а также для очистки деталей от окалины. При иглофрезеровании тоже образуется упрочненный поверхностный слой (рис. 3). В данном случае упрочненный слой состоит из деформированных зерен феррита и перлита (рис.3, а). На поверхности, подвергавшейся обработке, видны следы фрезы (рис.3,б).

аб

Рисунок 3. Микроструктура упрочненного слоя стали 20ХНР (а), исходное состояние-нормализация; поверхность после иглофрезерования (б).

Сущность поверхностной закалки состоит в том, что поверхностные слои стальной детали быстро нагревают выше температуры закалки, а затем охлаждают со скоростью выше критической. Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Нагрев, в принципе, может быть осуществлен разными способами. В промышленности самым распространенным способом поверхностного упрочнения является индукционная закалка с нагревом токами высокой частоты. Как правило, упрочненный слой виден уже при макроструктурном анализе (рис. 4). Слева – нетравленный участок образца. Он сильнее отражает свет при съемке, поэтому выглядит темным. Справа – участок после травления. Закаленный слой хорошо виден.

Рисунок 4. Фрагмент автомобильной детали; макроструктура

И при макроструктурном, и при микроструктурном (рис.5,а) анализе видно, что упрочненная зона состоит из 2 слоев: светлый у самой поверхности и далее более темный. Верхний светлый слой имеет структуру мартенсита закалки (рис.5,б). Мартенсит образовался при быстром охлаждении поверхности. Более темный слой – мартенсит отпуска (рис.5,в). Это тот мартенсит, который тоже образовался при ускоренном охлаждении, но дольше находился при повышенной температуре, чего оказалось достаточно для того, чтобы произошел отпуск. В сердцевине детали на разной глубине могут быть сорбит или троостит (рис.5,г).

Читать еще:  Какие свойства придает вольфрам стали. Значение «вольфрамовая сталь
аб
вг

Рисунок 5. Микроструктура слоя (на рис.4), полученного закалкой ТВЧ: а – слои мартенсита закалки и отпуска, б – мартенсит закалки, в- мартенсит отпуска, г – троостит и мартенсит в сердцевине.

Методы изменения структуры и состава

К методам упрочнения с изменением химического состава и структуры поверхности относится химико-термическая обработка (ХТО). Она заключается в насыщении поверхностного слоя стали различными элементами при высокой температуре. В зависимости от насыщающего элемента существуют следующие разновидности химико-термической обработки: цементация, азотирование, нитроцементация (цианирование), борирование, диффузионная металлизация (алитирование, хромирование, силицирование и т.д.). Общим для всех видов поверхностного упрочнения является повышение твердости поверхностного слоя. Выбор метода поверхностного упрочнения детали зависит от условий ее эксплуатации, формы, размеров, марки выбранной стали и других факторов.
Наиболее широко используется цементация – насыщение поверхности стали углеродом. Цементация придает поверхности стали высокую твердость и износостойкость при сохранении вязкой и пластичной сердцевины. Окончательные свойства цементированные изделия приобретают после закалки и низкого отпуска. Цементации обычно подвергаются детали, изготовленные из сталей с содержанием углерода до 0,25%, работающие в условиях контактного износа и приложения знакопеременных нагрузок: среднеразмерные зубчатые колеса, втулки, поршневые пальцы, кулачки, валы коробок передач автомобилей, отдельные детали рулевого управления и т.д.
Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, уменьшающуюся от поверхности к сердцевине стальной детали. Поэтому структура, которая формируется при цементации в поверхностном слое, будет иметь разное соотношение перлита, феррита и цементита. Различают четыре основные зоны стального изделия после цементации (рис.6 ):

Рис. 6. Микроструктура углеродистой доэвтектоидной стали 10 после цементации.

1 – заэвтектоидная зона, состоящая из перлита и цементитной сетки (рис.7а);
2 – эвтектоидная зона, представляющая собой перлит (рис.7б);
3 –доэвтектоидная зона, в которой по мере приближения к сердцевине уменьшается количество углерода, перлита, а количество феррита возрастает (рис.7в);
4 – исходная, без изменения после цементации, структура стального изделия .
За глубину цементированного слоя «h» принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половину доэвтектоидной зоны, где количество феррита и перлита составляет по 50%.

абв

Рисунок 7. Структура зон цементованной детали: а – заэвтектоидная зона (цементит + перлит), б – зона эвтектоида (перлит), в – доэвтектоидная зона (перлит + феррит).

Рисунок 8. Изменение твердости в поверхностном слое после цементации и термической обработки

Азотирование представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя стали азотом и чаще всего проводится при температурах 500—600 о С. Азотирование, так же как и цементация, повышает твердость и износостойкость поверхности стали. На рис.9 показана серия отпечатков при измерении микротвердости на поперечном шлифе азотированного образца. Вверху – упрочненный слой (темная полоса). Диаметр отпечатков снижается по мере приближения к поверхности. Там твердость выше.

Рисунок 9. «Дорожка» отпечатков микротвердости; стальная деталь после азотирования

Азотированный слой как правило, имеет белый цвет. Сам слой при металлографическом травлении не изменяется, а под ним сталь имеет структуру, соответствующую термической обработке (рис.10). На рис.11 показана автомобильная деталь и изменение микротвердости по разным «зубьям».

Рисунок 10. Азотированный слой на стали 40ХГНМ

аб

Рисунок 11. Автомобильная деталь (а) и изменение микротвердости (б) ее поверхностного слоя после азотирования

В настоящее время широко применяется плазменное и ионно-плазменное азотирование. Структура поверхностного слоя после такой обработки представляет собой мелкодисперсный мартенсит (1), под которым находится переходная зона (2); глубже располагается не изменившаяся структура (3) (рис. 12).

Рисунок 12. Структура поверхностного слоя после обработки плазмой азота; сталь У8А

Борирование — процесс химико-термической обработки, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов бором при нагреве. Борирование приводит к существенному повышению твердости поверхности. Борирование проводят в порошковых смесях, электролизом. Есть также жидкостное безэлектролизное борирование, ионное борирование и борирование из обмазок (паст). Борирование чаще всего проводят при электролизе расплавленной буры (Na2B4O7). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930—950 °C, выдержка 2 — 6 часов.
На поверхности образца после борирования формируется плотный белый слой боридов (рис.13). Белый слой состоит из переплетающихся столбчатых кристаллов состава FeB и Fe2B. На строение боридного слоя влияет состав стали. В стали 25ХГТ (рис. 13, а) и в стали 45 (рис. 13, б) между кристаллами боридов есть зона твердого раствора. В стали 40Х (рис. 13, в) слой составляют только протяженные иглы боридов. Между борированным слоем и сердцевиной формируется зигзагообразная граница раздела.

абв

Рисунок 13. Структура борированных слоев в сталях 25ХГТ (а), 45 (б), 40Х (в)

Особенности формирования упрочненного слоя электродиффузионной термообработкой

Рубрика: Спецвыпуск

Дата публикации: 03.04.2015 2015-04-03

Статья просмотрена: 117 раз

Библиографическое описание:

Жданович, М. Ф. Особенности формирования упрочненного слоя электродиффузионной термообработкой / М. Ф. Жданович, В. Ю. Паульс, А. В. Ставицкий, М. А. Скок. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2015. — № 6.5 (86.5). — С. 1-4. — URL: https://moluch.ru/archive/86/16709/ (дата обращения: 01.11.2020).

Рассмотрены технологии восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей тракторов и сельскохозяйственных машин. Представлены особенности формирования упрочненного слоя на низколегированных сталях электродиффузионной термообработкой.

Ключевые слова: сталь, износ, упрочнение, электродиффузионная термообработка, легирующие элементы, микроструктура, анод, катод.

Ежегодно в хозяйствах нашей страны выбывает большое число сельскохозяйственных машин, автомобилей, тракторов и оборудования, причиной выхода из строя техники в большинстве случаев служит значительный износ рабочих поверхностей деталей. Исследования показали, что в выбракованных машинах находится до 45 % годных деталей для эксплуатации без ремонта, до 50 % — подлежащих восстановлению и только 5 — 9 % не подлежат ремонту [1].

Изношенные детали в подавляющем большинстве отправляют в металлолом, хотя до 90 % их можно восстановить, упрочнить и повторно использовать при ремонте машин, увеличив тем самым срок службы. Поэтому широкое развитие и практическое применение различных способов восстановления и упрочнения деталей представляет актуальную научно-техническую и экономическую задачу, быстрое решение которой имеет огромное народно-хозяйственное значение [2].

Интенсивному износу подвержены детали не только почвообрабатывающей, но и другой техники, используемой в сельском хозяйстве. Для увеличения их срока службы применяют различные упрочняющие технологии. Без этого использование техники оказывается малорентабельным из-за больших издержек на приобретение запасных частей и затрат на частые ремонтные работы.

Среди множества известных методов упрочнения не все подходят для деталей, работающих в тяжелых условиях абразивного износа при больших динамических и статических нагрузках. Например, в настоящее время для повышения износостойкости деталей машин все шире используют методы поверхностного упрочнения, такие как алмазное выглаживание, обработка концентрированными потоками энергии лазера и плазмы. В зависимости от технологии реализации и условий применения указанные способы упрочнения обеспечивают повышение износостойкости различных конструкционных материалов на 40. 50 %. Но для деталей машин, работающих в условиях абразивного и коррозионного износа, износостойкость необходимо увеличивать не на проценты, а в несколько раз. Для этого требуется использовать другие упрочняющие методы.

Традиционные термодиффузионные способы упрочнения насыщением стали углеродом, азотом, бором, хромом и другими элементами энергоемки и трудозатратны. Нами разрабатывается новый способ упрочнения – электродиффузионная термическая обработка (ЭДТО) [3]. Предлагаемая технология отличается применением унифицированного оборудования, стабильностью результатов, экологической чистотой, безотходностью и низкой себестоимостью. Ее использование позволяет обеспечить при минимальных затратах восстановление и даже повышение эксплуатационных характеристик оборудования за счет внутренних резервов материалов [4].

Для исследований были использованы детали трансмиссии трактора К-700 из низколегированных сталей с одинаковым содержанием углерода и хрома – 40Х, 40ХР, 40ХГ, 40ХС.

Определение микротвердости осуществлялось с помощью прибора ПМТ-3М по ГОСТ 9550-75 при нагрузке на индентор 1,47 Н. В качестве индентора использовалась алмазная пирамида с квадратным основанием и углом при вершине между противолежащими сторонами 136°. Коэффициент упрочнения К рассчитывали как отношение средних величин микротвердости поверхностных HVпов и центральных участков HVцентр образцов: К= HVпов /HVцентр.

Обработку исследуемых деталей проводили на разработанной установке для электродиффузионной термической обработки электропроводящих материалов основными блоками которой являются поляризационный, контрольно-измерительный и нагревательный [5].

Технология электродиффузионной термической обработки состояла в следующем. После того как температура в печи сопротивления достигала заданной в тигель с расплавом тетрабората натрия погружали упрочняемый образец и вспомогательный электрод. Затем замыкали ключ и устанавливали необходимый ток обработки, что контролировали с помощью потенциометра и миллиамперметра. Далее через упрочняемый образец и вспомогательный электрод пропускали электрический ток плотностью от 0,0004 до 0,0008 А/мм 2 , помещенных в корундизовый тигель в течение 1-2 часов при температуре 850°С. По мере уменьшения потенциала обработки в ходе упрочнения регулировали величину поляризующего тока в соответствии с показаниями миллиамперметра. Контроль температуры осуществляли с помощью термопары с милливольтметром. После окончания обработки отключали питание ключом, извлекали образец из расплава и охлаждали на воздухе (нормализовали).

Ток к образцам подводился посредством соединения их с токопроводами из низкоуглеродистой стали, которые, в свою очередь вставляли в защитные корундизовые трубки и фиксировали нижний и верхний торцы трубок замазкой из порошкообразного оксида алюминия (III) и силиката натрия.

В качестве электролита использовали расплав порошка тетрабората натрия Na2O·2B2O3·10H2O марки «ЧДА», который переплавляли на воздухе в корундизовых тиглях в шахтной печи СШОЛ-1.1,6/12-М3 при температуре 800 — 850 °С. После чего через полученный электролит в течение 1,0 — 3,0 часов пропускали постоянный электрический ток плотностью 0,06 — 2,5 А/см² с помощью двух стальных токопроводов с целью удаления из расплава кристаллогидратной воды и других возможных окислителей и его обогащения оксидом железа (подготовка).

В процессе анодной поляризации образцов, при заданных режимах обработки создавались термодинамические условия, способствующие процессу «восходящей» диффузии легирующих элементов из внутренних слоев к поверхности, что оказало существенное влияние на механические свойства материалов. Режимы и результаты ЭДТО сталей с последующей нормализацией представлены в таблице 1.

Режимы и результаты электродиффузионной термообработки сталей с последующей нормализацией

Более 100 лет применения термодиффузионного цинкования

При разводке системы отопления и водопровода в квартирах-новостройках или при капитальном ремонте владельцы квартир, заинтересованные в долговечности этих систем, стараются заказать их из оцинкованных труб. Речь идёт в первую очередь о трубах, внутренняя и внешняя поверхность которых покрыта цинком по методу, предложенному в начале прошлого века английским инженером Шерардом. В первое время метод даже носил название по фамилии изобретателя – «шерардизация», а сейчас известен как т ермодиффузионное цинкование.

Промышленность и потребители быстро оценили нововведение: экономический эффект от использования оцинкованных труб многократно перекрывал затраты на их производство и приобретение. И дело было не только в антикоррозийных свойствах оцинкованных покрытий, но и в их способности оставаться чистыми, незабитыми даже после многолетней эксплуатации.

История

До инновационных разработок инженера Шерарда тоже применялась защита стали цинком, но защитное покрытие наносилось гальваническим методом, у которого была масса недостатков:

  • «Водородное охрупчивание» стали при нанесении цинка на неё гальваникой. От этого процесса больше всего страдают высокопрочные стали, а также сплавы титана и никеля. Суть его в рекомбинации атомарного водорода в молекулярный, который, оставаясь в нанопорах, затем может под влиянием температурных скачков расширяться или сжиматься, что со временем вызывает микротрещины.
  • Неравномерность защитного слоя на металле.
  • Невозможность гальванического нанесения цинка на детали сложной формы.
  • Низкая стойкость цинковых гальванических покрытий (не более 140 часов в агрессивных средах).

Термодиффузионное цинкование появилось в первых десятилетиях ХХ века не случайно: именно к этому времени уровень технологического развития позволил лидеру в этом деле Англии создать контейнеры-автоклавы для процесса горячего анодного внедрения цинка в трубы и прокат.

Термодиффузия

Суть химического процесса термодиффузии выражается в том, что используется свойство отрицательных значений окислительно-восстановительных потенциалов пары Zn 2+ /Zn . То есть цинк в таком виде покрытия защищает сталь электрохимически, анодно, то есть в случае воздействия агрессивных и просто неблагоприятных для железа в составе стали сред сначала «страдает» цинк. Но процесс это медленный, и сталь успеет прослужить очень долгое время, которое будет зависеть от глубины проникновения атомов цинка в кристаллическую структуру стали или других подвергнувшихся термодиффузионной оцинковке металлов. Химически это выглядит как образование на поверхностях металлических изделий так называемого интерметаллида со сложной фазовой структурой с большим процентом содержания металлического цинка.

Технологически же процесс покрытия металлов цинком и его термодиффузии осуществлялся в герметично закрытом контейнере с поддержанием в нём постоянной температуры порядка 300-450⁰С. Такой температурный разброс зависит от марки стали, покрываемой цинком, типа и конфигурации стальных изделий, а также от тех требований, которые предъявлялись к оцинковке заказчиками. Достаточно сказать, что за годы монопольного производства Англией оцинкованных изделий полученный металлургической промышленностью доход составил такие суммы, которые помогли пережить отрасли разразившийся в конце 20 годов мировой экономический кризис.

Технология термодиффузионного покрытия цинком позволила с помощью заранее заданной в процессе температуры и времени регулировать глубину диффузного проникновения защитного цинкового слоя в металл. Этот слой формируется порошком из цинконасыщенной смеси. Детали, подлежащие покрытию цинком, и эта смесь загружаются в специальной формы термостойкий контейнер, а уже он помещается в большую муфельную печь.

Преимущества нового материала

Революционным преимуществом метода стала равномерность такого проникновения во все самые сложные по форме изделия. Это позволило оцинковывать сделанные ранее из обычной, подверженной коррозии, стали трубы, прокат, изделия сложной формы.

Цинкуются изделия решётчатой формы, с высверленными отверстиями любого диаметра, сваренные методами дуговой и газовой сварки, а также резьбовые. При оцинковке термодиффузионным способом линейные размеры изделий не изменяются или почти не изменяются, так как цинка не откладывается на поверхности обрабатываемого этим методом металла, а диффузно проникает вглубь. Глубина же проникновения зависит от температуры процесса и его длительности – что открывало широчайшие возможности защиты металлоконструкций в будущем, что и произошло в реальности.

Без оцинковки стали до изобретения метода в промышленности, на транспорте, в армии и в других сферах убытки от коррозии составляли многомиллиардные суммы в результате выхода из строя стальных конструкций из-за их коррозии. С внедрением метода в гальванической паре Fe+Zn железо со всеми его присадками, превращающее его в сталь, перестало разрушаться, переложив последствия разрушения от неблагоприятных сред на цинк – более дешёвый и легко возобновляемый ресурс.

Ограничение метода прослеживается только в одном: нельзя подвергать термодиффузионному цинкованию слишком габаритные детали. Или приходится создавать для них подходящие по размеру контейнеры.

Читать еще:  Химическое и электрохимическое оксидирование алюминия

Цинковый состав – Термишин

В России в металлургии во время термодиффузионного цинкования используют разработанный в компании «Термишин Рус» цинковый состав – Термишин©, со специальными присадками, обеспечивающими ровное и устойчивое диффузионное покрытие металла порошковым цинком.

После закрытия в контейнере изделия и порошка с присадками обеспечивают ещё и вращение агрегата, что достигается сложной системой приводов. Во время этого вращения происходит постоянное смешивание деталей и присадок, что и обеспечивает равномерность и однородность цинкового покрытия. После отжига изделия дополнительно обрабатываются в ваннах с пассивазиционным раствором.

Порошковые цинковые смеси Термишин© позволяют:

  • наносить на изделиях и деталях термодиффузионное покрытие толщиной внедрение от 5 до 10 мкм;
  • не использовать традиционные для такой технологии раньше вредные вещества;
  • придать покрытию дополнительную антикоррозионную стойкость;
  • обеспечивают товарный вид, придавая поверхности изделий «морозный» узор.

Особенности технологии

При замкнутом технологическом цикле предусмотрены дробеметная обработка загружаемых в контейнеры деталей и их ультразвуковая очистка. Особенности химического процесса на холоднокатанных сталях диктуют и загрузку их в контейнеры без предварительных обработок.

Время цинкования длится от полутора до трёх часов, и время разогрева печей до рабочей температуры, а также их остывания до безопасно в технологический цикл не входит. А чтобы это время не внесло отрицательные коррективы в прочность образуемого слоя, время до и время после отжига максимально сокращают использованием особых режимов вентиляции и ускоренного равномерного остывания.

Контейнеры в загруженными в них деталями постоянно вращаются и останавливаются только на момент выгрузки готовых изделий.

Цинковый слой, наносимый с помощью цинково-порошковой смеси Термишин© от 5 до 100 мкм, и она зависит от весового количества загружаемой в контейнеры смеси.

Пассивация изделий

Происходит в специально разработанных пассивационных растворах, и сам процесс принадлежит фирме на правах ноу-хау. Работают они исключительно в режиме комнатной температуры, находятся при обработке изделий в герметичных бассейнах, не связанных с системами канализации, и постоянно регенерируются, восстанавливаясь до исходного состояния после каждого контакта с оцинкованными изделиями.

Пассивационные растворы не имеют в своём составе агрессивных или вредных для здоровья обслуживающего персонала компонентов и просты в использовании.

Заключение

За 100 прошедших лет термодиффузионное цинкование стальных сплавов не претерпело сколько-нибудь заметных изменений. Они коснулись лишь совершенствования способов перемешивания смесей в контейнерах да составов этих смесей, которые стали более удобными в работе и менее токсичными. Но цинк оказался именно тем материалом, который пока незаменим ничем иным.

Электролитической заменой этому порошковому металлу является ещё кадмий, но используется он крайне редко из-за своей токсичности. Так что будущее как было, так и остаётся за цинком.

Упрочнение структуры термодиффузионной обработкой деталей

Диффузионной металлизацией принято называть метод обработки сталей либо других металлов и сплавов, при которой поверхностный слой изменяется внедрением молекул других элементов. Все это происходит при очень высоких температурах в специальной среде. Результатом такой обработки является физическое укрепление слоя, а также повышение его жаростойкости, увеличение сопротивляемости процессу коррозии – поверхность менее изнашивается во время эксплуатации.

В отличие от нитроцементации и цианирования, где атомы углерода с азотом непосредственно внедряются в кристаллическую решетку стали, диффузионная металлизация предполагает более сложный процесс, когда атомы других элементов образуют со сталью так называемые растворы замещения, поэтому такой процесс длительный и требует применение более высоких температур, превышающих 1000 градусов по Цельсию.

Описание технологии и ее назначение

Метод диффузионной металлизации позволяет получить обработанную толщину слоя стали от 10 микрон до 3 миллиметров. Вне зависимости от того, каким металлом насыщают поверхностный слой носителя, технология получения имеет несколько сходных этапов:

  1. Физическая очистка детали, которая будет подвержена диффузионной металлизации. На этом этапе с поверхности удаляются любая грязь, пыль, жировые образования и слой окисла.
  2. Помещение изделия в рабочую среду. Это может быть окунание в жидкий расплав, засыпка металлсодержащими порошками, распыление металла на поверхность детали.
  3. В некоторых случаях, как при диффузии алюминия, присутствует этап нанесения жаропрочного покрытия поверх распыленного на заготовку расплава.
  4. Помещение внутрь специальной печи, где создается высокая температура, иногда превышающая 1000 градусов по Цельсию. На этом этапе под термическим воздействием печи атомы проникают в поверхностный слой изделия, что может длиться очень долго.
  5. После обработки деталь достают из бокса, промывают, проводят удаление остатков порошка.

Чтобы заготовка имела хороший вид (особенно это касается металлизации декоративных элементов), ее следует подвергнуть дополнительной обработке методом механической полировки.

НПП «ЭЛСИТ»

Хромирование – это один из видов диффузионной металлизации, позволяющий насытить поверхность стального изделия хромом. Хромирование производится в целях повышения устойчивости стали к газовой коррозии приблизительно до 800 градусов. Кроме того, появление хрома на поверхности позволяет повысить коррозийную стойкость к воздействию пресной и морской воды, а также азотной, уксусной и фосфорным кислотам. Установка ТВЧ, как и другое индукционное оборудование, позволяет производить высококачественную термообработку изделий до химической, после и во время ее проведения. Стали, содержащие 0,3-0,4% углерода после произведения хромирования становятся тверже и износоустойчивее. Процесс хромирования производится в специальных порошкообразных смесях, содержащих 50% феррохрома, 40% окиси алюминия и 10% хлористого аммония при воздействии температуры в 1000-1050 градусов. При хромировании углеродистых сталей диффузионный слой содержит карбиды хрома, получая твердость поверхности равную 1200-1300. При этом толщина слоя не превышает 0,10 – 0,15 мм. При произведении хромирования в вакуумной среде изделие следует засыпать кусочками хрома, диаметром не более 3 мм и не менее 1. Установка ТВЧ поможет справиться с такой диффузионной металлизацией, как хромирование, нагрев изделие до необходимой температуры и воссоздав требуемую среду. Хром испаряется под воздействием высокой температуры, колеблемой в пределах 960-1000 градусов, таким образом происходит диффундирование стали. Установка ТВЧ, применяемая для произведения химико-термической обработки металла, дает возможность существенно сократить время диффузионного насыщения поверхности изделия. Хромирование в газовой среде с использованием индукционного нагрева требует пропускать хлор над кусками хрома. Хлориды хрома, образовавшиеся в установке, подаются к обрабатываемому изделию. При работе установки на мощности в 1000-1050 градусов продолжительность обработки колеблется в пределах 30-60 секунд. Смесью, насыщающей изделие хромом, служит газовая среда, содержащая карбонил хрома. Хромированные изделия впоследствии проходят дополнительную обработку: закалку и отпуск. Чаще всего хромирование применяется для усиления свойств пароводяной аппаратуры, клапанов, вентилей и деталей, которые должны будут работать в агрессивной среде.

Виды диффузионной металлизации

Классификацию видов диффузионной металлизации можно провести по нескольким признакам. В первую очередь по типу металла, который будет посредством диффузии проникать внутрь поверхностного слоя. Здесь выделяют:

  1. Алитирование, когда термохимическим способом деталь насыщают атомами алюминия.
  2. Хромирование – диффузионное насыщение стали атомами хрома.
  3. Титанирование – внедрение атомов титана в поверхностный слой стали.
  4. Цинкование, когда термохимическим способом металлическую деталь насыщают элементарными частицами цинка.
  5. Силицирование – диффузионное насыщение стали кремнием.
  6. Борирование – получение высокопрочного поверхностного слоя металла путем внедрения туда атомов бора диффузионным способом.

По состоянию среды, где протекает обработка металла диффузионным способом, металлизация проводится:

  • в твердой среде;
  • в жидкой среде;
  • в газообразной среде.

Твердая металлизация

Этот тип металлизации проводят посредством использования активной твердой среды на основе ферросплавов. Под эту категорию подпадают ферросилиций, ферроалюминий, феррохром (перечисленные компоненты вводят в рабочую область как порошки), плюс к ним еще добавляют аммоний хлористый (NH4Cl), не превышающий 5% от общей массы твердого компонента. Засыпанные порошком детали помещают внутрь специальной печи. Насыщение в твердой среде проводят для стали, кобальта, никеля, титана и других металлов при температуре от 1000 до 1500 градусов по Цельсию.
При повышении температуры до рабочего уровня аммоний хлористый начинает вступать в реакцию с ферросплавом, результатом чего является выделение нестойких термических хлоридов металла CrCI2, AlCI3, SiCI4 и других. Эти хлориды, соприкасаясь со стальной поверхностью, начинают диссоциировать. Выделяется химически активный элемент, который проникает в поверхностный слой изделия, насыщая его.

Жидкая металлизация

Диффузионное насыщение в жидкой среде применяют, когда необходимо провести цинкование, хромирование, меднение, алитирование. Для этого используют так называемые ванны-печи, куда помещен расплав, который будет диффундировать, либо соль этого металла. Необходимые для обработки детали помещают в эту жидкую среду при температуре от 800 до 1300 градусов по Цельсию.

Жидким методом можно осуществить диффузионную металлизацию одновременно несколькими элементами. При комплексной металлизации получают такие типы покрытия, как хромоникелирование, хромоалитирование, хромотитанирование.

Газовая металлизация

Диффузию газовой средой проводят для стали и других металлов такими элементами, как молибден, хром, алюминий, титан, ниобий, вольфрам. Химические газообразные соединения этих элементов при соприкосновении с основным металлом вступают с ним в реакцию, и результатом этого является диффузия. Газовой средой обычно выступают галогениды металлов, атомы которых должны проникнуть внутрь поверхностного слоя металлического изделия.
Металлизацию газовую проводят в печах муфельного типа или в специализированной конструкции, где поддерживается температура порядка 700–1000 градусов по Цельсию.

Процесс диффузионной металлизации сопряжен с опасными для здоровья факторами, поэтому следует придерживаться правил техники безопасности и применять средства индивидуальной защиты.

Диффузионная металлизация

химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием

,
алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.
Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной метализации

металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (
NH4Cl
). В результате реакции металлизатора с
HCl
или
CL2
образуется соединение хлора с металлом (
AlCl3, CrCl2, SiCl4
), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная металлизация

проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная металлизация

проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.

Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200oС

) в течение длительного времени.

Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200oС

изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.

Исключительно высокой твердостью (2000

HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (
FeB, FeB2
) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.

1.Почему при высокотемпературном цианировании сталь в большей степени насыщается углеродом, а при низкотемпературном — азотом?

2.Преимущества цианирования по сравнению с цементацией и азотированием.

3. Какие стали можно цементировать?

4. Почему при азотировании поверхность стали получает очень высокую твёрдость и износоустойчивость?

5.Преимущества азотирования по сравнению с цементацией. Недостатки его.

6.Что произойдёт, если при цементации детали будут касаться друг друга?

7.Выше какой критической точки ведётся нагрев стали при цементации?

8. Чем объясняется высокая твёрдость цементированного слоя?

9. В результате каких способов диффузной металлизации снижается трение?

10. В результате какой обработки можно повысить долговечность измерительных инструментов?

1.Используя диаграмму Fe-Fe3C и зная, что цементация проводилась при температуре 930 0С, нарисуйте схему изменения структуры от поверхности к середине после охлаждения детали, если исходное содержание углерода в стали было 0,2 %, содержание углерода в поверхностном слое 1,0 %.

2. Ответственное изделие было изготовлено из крупнозернистой углеродистой стали с 0,15 % С. Подумайте, какой режим термообработки обеспечит оптимальные свойства изделия, если цементация проводилась при 950 0С и содержание углерода в поверхностном слое 0,9 %.

Плюсы и минусы диффузионного насыщения металлов

Применяя диффузионную металлизацию, в поверхностный слой металлического изделия можно внедрить практически любой диффундирующий элемент – это следует отнести к положительным аспектам метода.

Отрицательные же аспекты, которые не позволяют широко использовать такую обработку на предприятиях, следующие:

  • скорость диффузии очень мала и требует многих часов обработки;
  • поддержание высоких температур ведет к серьезным затратам энергии;
  • из-за повышенного нагрева деталь подвергается деформации;
  • полученный слой уступает по показаниям защиты слоям, получаемым менее затратными методами, например нитроцементацией.

Уважаемые посетители сайта, кто знает о методе диффузионной металлизации либо применял этот метод на практике, поделитесь своими знаниями в комментариях. Опыт всегда лучше, чем теория!

Органические покрытия.

Масляные краски используются главным образом для наружной отделки или для защиты поверхности больших металлических конструкций; они сохнут настолько медленно, что не годятся для покрытия большинства металлических изделий. Этих недостатков лишены нитролаки, которые раньше широко применялись для покрытия металлических поверхностей, например автомобилей, из-за того, что они быстро сохнут, образуют прочную пленку, имеют высокую адгезию и низкую стоимость, однако сейчас они вытесняются синтетическими эмалями.

ТЕРМОДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ КАК НАИБОЛЕЕ ПРОГРЕССИВНЫЙ МЕТОД ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ БРОНЗЫ

    Вера Доможирова 3 лет назад Просмотров:

1 ТЕРМОДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ КАК НАИБОЛЕЕ ПРОГРЕССИВНЫЙ МЕТОД ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ БРОНЗЫ Мищенков Д.В., Чернова Е.С. Омский филиал Военной академии материально-технического обеспечения Омск, Россия THERMODIFFUSION COATING AS MOST PROGRESSIVE METHOD OF RECOVERY BRONZE DETAILS Mischenkov D.V., Chernova E.S. Omsk branch Military academy of materially-technical provision Omsk, Russia Развитие машиностроения, химической, радиотехнической и целого ряда других отраслей промышленности, а также транспортной техники предъявляет повышенные требования к эксплуатационным свойствам металлоизделий. Детали должны обладать такими свойствами, как износостойкость, коррозионная стойкость в агрессивных средах, сопротивляемость к высокотемпературному окислению, контактным нагрузкам и другим видам различных воздействий. Эти свойства можно получить с помощью объемного и поверхностного легирования. Объемное легирование сплавов при их выплавке дает возможность получать детали с определенными свойствами. Однако этот путь целесообразен не всегда, так как основное количество дорогостоящих легирующих элементов распределяется равномерно по всему объему детали, а работает, как правило, только поверхностный слой. Даже при небольшом износе детали на доли миллиметра их приходится заменять на новые. Известно, что в большинстве случаев разрушение детали начинается именно

2 с поверхности, поэтому целесообразнее проводить поверхностное легирование готовых деталей [4]. Диффузионное насыщение позволяет при относительно небольших затратах формировать в поверхностных слоях изделий необходимые свойства. В настоящей работе предпринята попытка оценить возможности многокомпонентного диффузионного насыщения при восстановлении бронзовых втулок передней подвески автомобиля МАЗ-537. Основным критерием при восстановлении данных деталей является получение покрытий необходимой толщины (до 2 мм) и физико-механический свойств, таких как высокая коррозионная стойкость, твердость, износостойкость. Известно, что насыщение металлов и сплавов одним элементом широко распространено в настоящее время, например, цементация, азотирование, алитирование, хромирование и т.д. Насыщение двумя, тремя и большим количеством элементов применяется более ограниченно. Однако совершенно очевидно, что насыщение поверхности изделия двумя и большим количеством элементов позволяет в значительной мере изменять свойства поверхностных слоев. Как и любой процесс химико-термической обработки, многокомпонентное насыщение происходит в три этапа: 1. Образование активных атомов в среде, которая обеспечивает необходимое легирование поверхностного слоя. Скорость их образования зависит, прежде всего, от таких факторов, как агрегатное состояние и состав насыщающей среды. 2. Адсобция образовавшихся активных атомов поверхностью обрабатываемого изделия. 3. Диффузия элемента вглубь металла или сплава. Все три стадии влияют на кинетику химико-термической обработки и фазовый состав образующегося слоя.

Читать еще:  Структура получаемая после закалки и среднего отпуска

3 При восстановлении бронзовых деталей необходимо подобрать такой состав компонентов порошковой смеси, чтобы в диффузионном слое были образованы твердые растворы, а толщина слоя плавно увеличивалась по мере увеличения в смеси количества быстродиффундирующего элемента. Существует широкий спектр разработанных порошковых смесей для получения диффузионных покрытий [2]. Например, используя цинк, как основной насыщающий элемент, и ферросплав, как легирующий элемент, получают толщину до 1,8 мм [2,3]. Для восстановления бронзовых втулок применяют газовый контактный метод в порошковой смеси, имеющей многокомпонентный состав. При таком способе термодиффузионного насыщения газовая фаза генерируется в непосредственной близи от поверхности детали из порошкообразной насыщающей смеси. Насыщающие компоненты образуют химические соединения и транспортируются к обрабатываемой поверхности, на которой происходит их осаждение. Передача диффундирующего элемента в насыщаемую поверхность происходит благодаря реакции восстановления, замещения, и др. Далее происходит диффузия насыщающих компонентов в глубину металла с образованием на поверхности детали новых фаз, отличающихся по своему строению и свойствам от основного металла. Качество покрытия и скорость его образования зависят от площади фактического контакта. Более мелкие фракции порошка диффундирующих элементов увеличивают площадь контакта на поверхности обрабатываемой детали, а, следовательно, улучшают равномерность распределения элементов диффузии в поверхностном слое и увеличивают скорость роста покрытия. Анализ работ [1], посвященных вопросам ТДМ, показал, что значительно увеличить приращение линейных размеров возможно, установив его зависимость от технологических факторов процесса ТДМ. По мнению многих ученых, одним из таких факторов может быть состав порошковой смеси.

4 Восстанавливаемые втулки закладываются в специальный контейнер, туда же засыпается и уплотняется порошковая смесь. Контейнер герметизируется и устанавливается в рабочее пространство предварительно разогретой термопечи. По окончании процесса металлизации термопечь остывает, после чего контейнер извлекается и распаковывается. Детали необходимо очистить от остатков порошковой смеси, провести визуальный осмотр качества диффузионного слоя и измерить необходимые параметры (величину прироста диффузионного слоя, твердость и т.д.). Таким образом, преимуществами термодиффузионной металлизации являются: — способность технологического процесса получить любую толщину покрытия; — отсутствие склеивания деталей; — высокая адгезия увеличивает коррозионную стойкость, практически исключает вздутие и отслоение красок с поверхности; — срок службы деталей с двойным покрытием увеличивается, что приводит к значительной экономии при их эксплуатации; — экологическая чистота. Список использованных источников: 1. Дриц, М.Е., Бочвар, Н.Р., Гузей, Л.С. и др. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди/м.е. Дриц, [и др.]. — М. : Наука, с. 2. Захаров, A.M. Промышленные сплавы цветных металлов. Фазовый состав и структурные составляющие/а.м. Захаров. — М. : Металлургия, с. 3. Земсков, Г.В., Коган Р.Д. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлов и сплавов/г.в. Земсков, Р.Д. Коган. — М. : Металлургия, с.

5 4. Мельник, П.И. Технология диффузионных покрытий/п.и. Мельник. К. : Технiка, с.

Особенности процесса термодиффузии

Термодиффузионная обработка металлических поверхностей цинком (шерардизация) – относительно новый метод обработки металлоконструкций.

Несмотря на это, технология термодиффузии получила широкое распространение в кругу профильных специалистов.

Это обусловлено стабильными защитными свойствами и эксплуатационными характеристиками обработанных изделий.

Особенности технологии и сфера применения

Данный способ обработки обеспечивает металлоконструкциям надежную антикоррозийную защиту, а также предупреждает преждевременный износ металла, как следствие – позволяет увеличить срок службы. В основе методики лежит процесс диффузии молекул металла, проводимый при температуре от 400 до 470 °С. За счет этого в поверхностный слой конструкции диффузируют молекулы легирующего вещества – цинка. Особенности процесса термодиффузии прописаны в профильном стандарте – ГОСТ Р 9.316-2006.

Применение данной технологии позволяет создать на поверхности металлоконструкций равномерный цинковый слой. Главной особенностью метода выступает то, что слой цинка является однородным даже на труднодоступных участках обрабатываемой детали (полости, отверстия и т.д.).

Технологию термодиффузии обычно применяют для обработки следующих конструкций и деталей:

  • Оградительные конструкции для мостов и дорог;
  • Фурнитура, которая используется в мебельной промышленности;
  • Арматура, используемая в нефтегазовой промышленности;
  • Арматура, которую используют для укрепления железнодорожных полотен;
  • Элементы трубопроводов, используемых при создании инженерных коммуникаций и арматура, которую используют в сфере строительства;
  • Элементы конструкций линий электропередач;
  • Отдельные детали автотранспортных средств.

С помощью термодиффузионного цинкования на металлоконструкциях удается создавать слой цинка минимальной толщины. Поэтому данной обработке допускается подвергать изделия, имеющие незначительные габариты.

Стоит отметить, что обработка деталей при максимальном повышении температуры (до 470 °С) приводит к увеличению интенсивности процесса термодиффузии молекул цинка. Поэтому покрытие не приобретает необходимые эксплуатационные характеристики. Такое покрытие характеризуется низким уровнем антикоррозийной защиты, высокой хрупкостью и высоким уровнем отслаивания цинкового слоя.

Для создания цинкового покрытия необходимой толщины, которое будет обладать высокими защитными свойствами, важно провести ряд дополнительных мероприятий:

  • Перед обработкой поверхность металла следует тщательно очистить;
  • Нужно создать абсолютную герметичность контейнера, в котором проводится термодиффузионное цинкование;
  • В герметичном боксе следует создать инертную и восстановительную среду, поскольку в окислительной среде наносить цинковое покрытие нельзя.

В процессе нанесения цинкового покрытия целесообразно дополнительно добавлять в рабочую среду активаторы (специальные флюсующие элементы).

Как происходит процесс обработки

Специалисты нашей компании для получения цинкового покрытия высокого качества используют современное оборудование немецко-австрийской фирмы KVK KOERNER и чешской компании EKOMOR. Процесс обработки проводится в несколько этапов:

  1. Очистка конструкции при помощи механического, химического или ультразвукового воздействия. На нашем предприятии для этих целей применяют пескоструйное, дробеметное и ультразвуковое оборудование.
  2. Помещение изделий в рабочий бокс (контейнер), в который впоследствии добавляют цинкосодержащий порошок.
  3. Герметизация рабочего контейнера, создание и поддержание внутри бокса требуемой температуры (на уровне 450 °C). В зависимости от величины обрабатываемой площади и заданной толщины цинкового слоя детали содержат в боксе от 1 до 4 часов. В течение этого времени молекулы цинка испаряются и проникают в кристаллическую решетку металлической поверхности изделия.
  4. Обработанные детали извлекают из бокса, с их поверхности удаляют остатки частиц порошка, а затем моют.
  5. Для придания деталям декоративных свойств их подвергают пассивации.

Достоинства и недостатки технологии

Термодиффузионный метод обработки металла, в отличие от других технологий, имеет ряд очевидных преимуществ:

  • Цинковое покрытие ложится равномерно, а поверхность приобретает хорошую адгезию и стабильные защитные качества.
  • Технология является экономически выгодной, поскольку для ее применения не нужны крупные производственные площади, а затраты на электричество и трудозатраты минимальные.
  • Поскольку диффузионная обработка проката проводится в герметичных боксах, эта технология характеризуется химической и токсической безопасностью, а также является экологически чистой. Более того, рабочий процесс исключает вероятность получения специалистами термических ожогов.
  • Очистка поверхности изделий после обработки слоем цинка осуществляется без применения кислот и прочих химически агрессивных составов.
  • Есть возможность регулировать толщину цинкового покрытия, причем – в широком диапазоне в зависимости от установленных требований.
  • Отходы, которые образуются при термодиффузионном цинковании, легко поддаются утилизации, которая проводится по стандартной схеме, исключая опасность для здоровья человека.
  • Диффузионное цинкование металлических поверхностей проводится на оборудовании, которое характеризуется простотой в управлении и обслуживании.
  • В отличие от других технологий, применяемых для обработки металлоконструкций цинком, термодиффузионное покрытие проводится при щадящей температуре.

Сравнительный анализ коррозионной стойкости

Несмотря на множество достоинств, данная технология также имеет некоторые недостатки, среди которых:

  • Поверхность после обработки имеет неэстетичный серый цвет. Для повышения привлекательности покрытия на предварительно созданный слой цинка необходимо нанести дополнительный декоративный слой. Однако возможность нанесения декоративного слоя не предусмотрена требованиями действующих ГОСТов. Поэтому если декоративные свойства для оцинкованных деталей не выступают первостепенными, серый цвет изделия не считается недостатком.
  • Технологию можно применять только в отношении изделий, размеры которых не ограничиваются объемом печи нагрева и не превышают габариты самого герметичного бокса.

Требования ГОСТ Р 9.316-2006 к термодиффузионным цинковым покрытиям

Согласно требованиям настоящего нормативного акта, термодиффузионные покрытия из цинка, в зависимости от толщины слоя, относятся к разным классам, а именно:

  • 1-й класс – от 6 до 9 мкм;
  • 2-й класс – от 10 до 15 мкм;
  • 3-й класс – от 16 до 20 мкм;
  • 4-й класс – от 21 до 30 мкм;
  • 5-й класс – от 40 до 50 мкм.

Однако толщина покрытия не ограничивается показателем в 50 мкм. Просто о большей толщине не упоминается в положениях ГОСТ. Поэтому по согласованию с изготовителем клиент может заказать обработку изделий цинковым покрытием требуемой толщины. Но в этом случае цинковое покрытие будет считаться нестандартным.

Представленный метод обработки металлоконструкций невозможно применять к деталям и изделиям, в которых присутствуют соединения, сделанные с помощью припоя или смол. Обработку таких изделий проводят, используя другие технологии.

Согласно требованиям настоящего ГОСТа, цинковое покрытие, нанесенное по этой технологии, не может иметь такие дефекты:

  • Наросты, вздутия и отслоения;
  • Раковины и различные пустоты;
  • Присутствие инородных частиц;
  • Участки без покрытия (даже при их минимальной площади);
  • Остатки насыщающих смесей, которые невозможно смыть;
  • Трещины и другие дефекты.

Оборудование для термодиффузионного цинкования

Нанесение цинкового покрытия методом термодиффузии осуществляется на специализированном оборудовании.

Стандартная линия для обработки металлоконструкций цинком включает следующие виды оборудования:

  • Отсыпные установки для реторт;
  • Сушильные шкафы и печи проходного типа;
  • Оборудование для фосфатной пассивации;
  • Вспомогательные устройства и оснастка;
  • Электронные контроллеры для измерения толщины цинкового слоя и раствора для пассивации;

Печное оборудование (боксы, контейнера или камеры с герметично закрывающейся крышкой), оснащенное стационарными или сменными ретортами, объем пространства для загрузки которых составляет до 600 кг.

Термодиффузионное цинкование деталей из металла, технология процесса

Цинкование давно используется для защиты металлов от воздействия атмосферных и агрессивных сред. Разработано множество способов нанесения цинкового слоя. Но сравнительно недавно стала применяться технология термодиффузионного цинкования. Кроме коррозионной защиты, обработанные детали стойки к механическим и электрохимическим повреждениям.

Суть процесса

Термодиффузия представляет собой процесс проникновения атомов цинка в поверхностный слой металла, происходящий под действием высокой температуры в восстановительной или инертной газовой среде.

Рабочая температура зависит от толщины покрытия и варьируется в пределах 280°С-470°С. Внедряясь, в кристаллическую решетку металла,

цинк создает на поверхности защитный слой толщиной в несколько микрон. Процесс протекает в газовой среде водорода.

Толщина покрытия регламентируется государственным стандартом. Согласно ГОСТ Р 9.316-2006 толщина покрытия делится на пять классов:

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

Выбор в качестве антикоррозионной защиты пал на цинк неслучайно. Находясь на стальной поверхности, он распространяется по ней со скоростью 2 мм в год, но при температуре окружающей среды 70 °С. Такое свойство позволяет затягивать поверхностные микроповреждения.

Практика показывает, что этот способ более перспективен и имеет свои достоинства.

Технология процесса

Термодиффузионное цинкование технологический процесс которого разбит на шесть последовательных операций. Строгое следование по маршруту залог получения качественного результата.

  1. Подготовительный. На этапе подготовки детали подвергаются пескоструйной или ультразвуковой очистке от окалины, ржавчины. Удаление жировых загрязнений осуществляется ацетоном. Если деталь имеет большие размеры возможна дробеструйная обработка.
  2. Загрузка контейнера. Очищенные и высушенные детали помещаются в герметичный контейнер. Для насыщения внутреннего объема цинком и водородом добавляется насыщающая смесь. Большой популярностью пользуется «Левикор». От количества смеси зависит толщина слоя покрытия. После тщательного перемешивания контейнеры герметизируются и помещаются в печь.
  3. Процесс насыщения. Температура процесса насыщения зависит от типа сплава и его марки. В среднем процесс длится 60–90 минут. В течение всего времени нагревающая установка вращается, обеспечивая перемешивание деталей с насыщающей смесью.
  4. Выгрузка и очистка. После окончания процесса насыщения производится выгрузка деталей. Удаление остатков насыщающей смеси.
  5. Пассивирование. Эта операция предназначена для защиты покрытия от окислительного воздействия воздушной среды. Изделия, предназначенные для окрашивания, подвергаются обработке однократно. Те, что не окрашиваются, обрабатываются два раза. После каждого пассивирования следует промывка.
  6. Сушка. Во время сушки удаляется влага, и детали остывают.

Достоинства и недостатки

На протяжении применения метода антикоррозионной защиты были выявлены характерные для него черты. Термодиффузионное цинковое покрытие обладает рядом достоинств, среди которых выделяются:

  • высокая адгезия за счет того, что микронеровности поверхности не исчезают;
  • экономичность: низкие затраты на подготовку и электроэнергию, малое количество производственных площадей и обслуживающего персонала;
  • толщина покрытия равномерна по всей площади изделия;
  • экологичность процесса;
  • регулирование толщины при образовании защитного покрытия;
  • повышение твердости на поверхности;
  • минимальные затраты;
  • невысокая себестоимость;
  • простое в обслуживании оборудование;
  • невысокая температура не меняет внутреннюю структуру металла;
  • для очищения не используются химические реактивы;
  • получаемые отходы утилизируются естественным способом.

На фоне достоинств у метода есть и недостатки:

  • в отличие от других методов нанесенное покрытие имеет матовый серый цвет;
  • невысокая производительность;
  • габариты обрабатываемых изделий ограничиваются размерами объемами оборудования.

Оцинкование деталей различными методами и проведенный сравнительный анализ показал следующие данные.

№ п.п.Метод цинкования
ГорячееГальваническоеТермодиффузионное
1Температурный режим протекания процесса, °С450–54020280–470
2Толщина нанесенного слоя, мкм30–606–155–100
3На какой материал наноситсяСталь с незначительным содержанием кремнияСталь (ограничение для высокопрочных марок)Черные металлы и сплавы на основе меди
4Размер обрабатываемых метизовМ10–50М4–50М4–90
5Типы обрабатываемых отверстийСквозныеСквозныеСквозные, глухие
6Ограничения по обработкеКарманы, сплошные сварные швыКарманы, отсутствие сварных швовБез ограничений
7Закаленный крепежНе подлежит обработке (температура протекания процесса близка к низкому отпуску)Не подлежит обработке (кислотная обработка, повышение водородной хрупкости)Без ограничений
8Стойкость к солям (лабораторный тест), час500961500
9Свойства покрытияСниженная адгезия, ресурсозатратная подготовкаСниженная адгезия, ресурсозатратная подготовкаАдгезия высокая
10ТвердостьСнижаетсяОтсутствуетПлюс 1…2 HRC
11Коэффициент тренияПовышенныйПониженныйПониженный при выкручивании
12Подготовка к нанесению покрытияХимическаяХимическаяНейтральная
13Испарения вовремя цинкованияОбильное дымовыделениеВыделение хромаОтсутствие дымовыделения

Сфера использования

Этот способ обработки создает однородный слой даже в труднодоступных местах. Микронная толщина слоя позволяет обрабатывать мелкие детали. Термодиффузионному цинкованию подвергают:

  • арматуру для нефтяной, газовой, строительной и железнодорожной отраслей;
  • ограждения мостов, дорог;
  • метизы;
  • мебельную фурнитуру;
  • фитинги;
  • конструкции ЛЭП;
  • элементы автомобилей.

Оборудование для термодиффузионного цинкования

В промышленных масштабах производимое термодиффузионное цинкование оборудование используется механизированное, а сам процесс максимально автоматизирован. Используемые агрегаты:

  • загрузчик деталей и насыщающего состава;
  • конвейер, подающий контейнеры к печи;
  • вращающаяся печь;
  • выгружающий конвейер;
  • отсеиватель;
  • вибратор;
  • сепаратор магнитный;
  • емкости для пассивирования и промывки;
  • сушилки;
  • приемник готовой продукции.

Требования к защитному слою

К покрытию предъявляются строгие требования. ГОСТ предусматривает отсутствие следующих дефектов на поверхности деталей после термодиффузионного цинкования:

  • выпуклостей;
  • отслоений;
  • трещин;
  • пригоревших остатков;
  • пустот;
  • раковин;
  • сторонних вкраплений;
  • отсутствия покрытия.

В современных условия этот вид антикоррозионной защиты считается эффективным и экономически целесообразным.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector