способ диффузионного цинкования металлических материалов

Формула изобретения

Способ диффузионного цинкования металлических материалов, включающий нагрев, насыщение в порошкообразной среде, содержащей цинк, медьсодержащее вещество, активатор и корунд, и последующее охлаждение, отличающийся тем, что цинкование осуществляют в атмосфере аммиака при температуре 300-500С в псевдоожиженной порошкообразной среде, содержащей в качестве медьсодержащего вещества закись меди, а в качестве активатора - хлористый цинк при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цинк 0,1 - 30

Закись меди 0,01 - 0,5

Хлористый цинк 0,01 - 1

Корунд 68,5 - 99,88

причем в процессе нагрева при температуре порошкообразной среды 200-250С проводят выдержку в течение 5-20 мин, а перед охлаждением газообразные продукты откачивают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано в различных отраслях промышленности для повышения коррозионной стойкости металлических материалов.

Известен способ диффузионного цинкования металлических изделий, включающий нагрев и насыщение изделий в порошковой среде, содержащей следующие компоненты, мас.%: цинк 20-92, инертный наполнитель 4-79,5, соединение, образующее в процессе нагрева состава оксид углерода 0,5-4 (см. авт. св. СССР 1731872, С 23 С 10/36).

Недостатками известного способа являются большая длительность процесса насыщения и низкое качество оцинкованной поверхности за счет образования окисной пленки, которая затрудняет доступ газовой фазы непосредственно к поверхности изделия.

Наиболее близким аналогом к заявленному объекту является способ комплексного насыщения, включающий нагрев и насыщение стальных изделий в порошковой среде, содержащей следующие компоненты, мас.%: порошок железа 5-15, порошок меди 10,25-12,25, порошок цинка 31,75-33,75, хлористый аммоний 1-3, окись алюминия (корунд) 41-47 (см. авт. св. СССР 953000, С 23 С 9/02).

Недостатками известного способа являются большая длительность процесса цинкования и низкое качество оцинкованной поверхности за счет малой активности смеси и образования окисной пленки на поверхности изделий.

В основу изобретения поставлена задача повышения качества оцинкованной поверхности обрабатываемых металлических материалов при одновременной интенсификации процесса цинкования.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе диффузионного цинкования металлических материалов, включающим нагрев, насыщение в порошкообразной среде, содержащей цинк, медьсодержащее вещество, активатор и корунд, и последующее охлаждение, согласно изобретению цинкование осуществляют в атмосфере аммиака при температуре 300-500^oС в псевдоожиженной порошкообразной среде, содержащей в качестве медьсодержащего вещества закись меди, а в качестве активатора хлористый цинк при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цинк - 0,1-30

Закись меди - 0,01-0,5

Хлористый цинк - 0,01-1

Корунд - 68,5-99,88

причем в процессе нагрева при температуре порошкообразной среды 200-250^oС проводят выдержку в течение 5-20 мин, а перед охлаждением газообразные продукты откачивают.

Способ цинкования металлических материалов осуществляют следующим образом: предварительно готовят порошкообразную среду для цинкования путем смешивания следующих компонентов, мас.%: цинк 0,1-30, закись меди 0,01-0,5, хлористый цинк 0,01-1, корунд (окись алюминия) 68,5-99,88. В реторту с указанной порошкообразной смесью загружают металлические материалы. Из реторты откачивают воздух, закачивают аммиак, создают псевдоожижение среды и осуществляют нагрев в атмосфере аммиака, одновременно с нагревом насыщающей псевдоожиженной порошкообразной среды. В процессе нагрева металлических материалов и порошкообразной среды при температуре среды 200-250^oС проводят выдержку в течение 5-20 мин. Затем продолжают нагрев до температуры цинкования (300-500^oС) и проводят цинкование металлических материалов. Перед охлаждением газообразные продукты откачивают из рабочего пространства, а металлические материалы охлаждают вместе с псевдоожиженной средой.

Нагрев насыщающей среды и металлических материалов в атмосфере аммиака позволяет обеспечить полное восстановление закиси меди, образование свободных атомов меди и цинка, адсорбцию этих атомов к поверхности металлических материалов и диффузию внутрь металлической поверхности. Химические реакции между металлической поверхностью материалов, компонентами насыщающей смеси и аммиаком создают условия для интенсификации процесса насыщения и повышения качества оцинкованной поверхности металлических материалов.

Выдержка при температуре 200-250^oС производится с целью получения тонкого слоя меди на металлической поверхности, которая при дальнейшем нагревании до температур насыщения растворяется в металлической поверхности и в интерметаллидах цинка, увеличивая скорость насыщения и улучшая качество оцинкованной поверхности.

При температуре выдержки ниже 200^oС снижается стабильность процессов адсорбции атомов меди на металлической поверхности, что снижает скорость насыщения и ухудшает качество оцинкованной поверхности. При температуре выдержки выше 250^oС происходит образование пористого слоя меди на поверхности, в результате чего снижается скорость насыщения и ухудшается качество оцинкованной поверхности металлических материалов.

Выдержка в течение 5-20 мин в интервале температур 200-250^oС позволяет полностью восстановить закись меди и получить качественный медный слой на металлической поверхности, что приводит к интенсификации процесса цинкования и улучшению качества оцинкованной поверхности металлических материалов.

При выдержке менее 5 мин происходит частичное восстановление закиси меди и при дальнейшем нагреве насыщающей среды до температур цинкования происходит восстановление оставшейся части закиси меди с образованием на металлической поверхности пористого слоя меди, что снижает качество оцинкованной поверхности и замедляет процесс цинкования. Выдержка более 20 мин нецелесообразна, так как за время выдержки 5-20 мин закись меди восстанавливается полностью и это приводит к необоснованному увеличению продолжительности процесса цинкования.

Цинкование металлических материалов при температуре 300-500^oС производится с целью получения слоя цинка на поверхности материалов, который при дальнейшем нагревании до температур насыщения интенсивно диффундирует внутрь металлической поверхности, образуя качественный слой интерметаллидов цинка.

При температуре выдержки ниже 300^oС снижается стабильность протекания адсорбции атомов цинка на металлической поверхности, в результате чего замедляется процесс насыщения и образуется некачественный цинковый слой на поверхности металлических материалов. При температуре выдержки выше 500^oС происходит образование пористого слоя цинка на металлической поверхности, в результате чего ухудшается качество оцинкованной поверхности металлических материалов.

Цинк в заявляемых пределах вводят в состав порошкообразной среды для получения цинкового слоя, в состав которого входят интерметаллиды цинка Fe_nZn_m.

Введение в состав насыщающей смеси порошка цинка менее 0,1 мас.% приводит к нестабильности протекания процесса насыщения металлической поверхности цинком, что замедляет процесс цинкования и ухудшает качество оцинкованной поверхности металлических материалов. Увеличение содержания цинка более 30 мас. % приводит к спеканию смеси, что снижает скорость насыщения и ухудшает качество оцинкованной поверхности металлических материалов.

Введение закиси меди в заявляемых пределах позволяет получать активные атомы меди за счет химических реакций между компонентами среды и аммиаком. При этом создаются условия для более интенсивного протекания процессов насыщения цинком металлической поверхности и улучшения качества оцинкованной поверхности металлических материалов.

Уменьшение содержания закиси меди менее 0,01 мас.% снижает стабильность процессов адсорбции атомов меди на металлической поверхности, что уменьшает скорость насыщения и ухудшает качество оцинкованной поверхности металлических материалов. Увеличение содержания закиси меди более 0,5 мас.% приводит к образованию пористого слоя меди на поверхности металлических материалов, что снижает скорость насыщения и ухудшает качество оцинкованной металлической поверхности.

Хлористый цинк в заявляемых пределах вводят в среду как активирующую добавку, способствующую интенсивному протеканию процесса цинкования и получения плотного качественного цинкового покрытия.

Уменьшение содержания хлористого цинка менее 0,01 мас.% приводит к нестабильности процессов переноса атомов цинка к насыщаемой металлической поверхности и диффузии в нее, что снижает скорость насыщения и ухудшает качество оцинкованной поверхности металлических материалов. Увеличение его содержания более 1 мас. % приводит к ухудшению качества оцинкованной поверхности металлических материалов вследствие спекания насыщающей смеси при охлаждении, а также нецелесообразно в целях экономии материала.

Корунд (окись алюминия) предназначен для создания псевдоожиженого слоя.

Применение псевдоожиженного слоя позволяет сократить время нагрева насыщающей среды и время насыщения, а также обеспечивает равномерный нагрев обрабатываемых металлических материалов. При цинковании металлических материалов в псевдоожиженном слое частицы насыщающей смеси контактируют с поверхностью материала во много раз интенсивнее, чем в способе, взятом за прототип.

В результате этого происходит очищение поверхности металла от окисных пленок, что облегчает доступ газовой фазы непосредственно к поверхности металлических материалов. Процессы цинкования в псевдоожиженном слое протекают в основном за счет газофазного процесса, что обеспечивает высокую скорость насыщения и высокое качество оцинкованной поверхности металлических материалов. Активность насыщающей среды в псевдоожиженном слое намного выше, чем в способе, взятом за прототип, вследствие особенностей псевдоожиженного материала. Активные атомы цинка адсорбируются на металлической поверхности значительно быстрее, чем происходит их диффузия в глубь материала. В связи с этим быстро возрастает концентрация активных атомов цинка на поверхности насыщаемого металлического материала, и качественный цинковый слой образуется за меньший промежуток времени, чем в способе, взятом за прототип.

Для обоснования преимуществ заявляемого способа по сравнению с прототипом были проведены лабораторные испытания. Металлические материалы (сталь 45, 12Х18Н10Т, сплав ХН77ТЮР, порошок меди, порошок железа) подвергали химико-термической обработке способом, взятым за прототип, и заявляемым способом при соответствующих составах и сопоставительных режимах с целью определения насыщающей способности смеси, определения толщины и качества цинковых покрытий. Результаты металлографических исследований приведены в таблице.

Из приведенных данных следует, что заявляемый способ диффузионного цинкования металлических материалов по сравнению с прототипом позволяет повысить качество оцинкованной поверхности металлических материалов, сократить в 2 раза время обработки металлических материалов в насыщающей смеси, а также получить на поверхности металлических материалов цинкового слоя, в 1,25-1,75 раза превышающего толщину слоя, полученного по прототипу.