способ нанесения алюминиевого или цинкового покрытия на изделия из чугуна или стали, используемые сплавы, флюсы и получаемые изделия

Формула изобретения

1. Способ нанесения алюминиевого или цинкового покрытия на изделия из чугуна или стали, включающий предварительную подготовку поверхности покрываемого изделия, погружение покрываемого изделия полностью в расплав теплоносителя, слой которого расположен под слоем расплава материала покрытия значительно меньшей толщины, выдержку покрываемого изделия до температуры теплоносителя и последующее извлечение изделия через верхний слой расплава материала покрытия, в ходе которого происходит нанесение слоя покрытия, отличающийся тем, что предварительную подготовку поверхности изделия осуществляют струйно-абразивной обработкой смесью остроконечных колотых частиц стальной или чугунной дроби с размерами, лежащими в пределах 0,3-1,0 мм, и стальной или чугунной дробью глобулярной формы, размер которой лежит в пределах 1,0-2,0 мм, при скорости подачи частиц 60-120 м/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нанесения цинкового покрытия на поверхность покрываемого изделия после дробеструйной обработки наносят флюс, представляющий собой водный раствор, содержащий ZnCl₂ 400 г/л, HCl 10 г/л, CuCl₂ 10 г/л, NaCl 50 г/л, поверхностно активное вещество 1 г/л.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нанесения алюминиевого покрытия используют алюминиевый сплав, содержащий, мас.%:

кремний	3,0-7,0
марганец	0,5-0,8
железо	до 2,5
алюминий	остальное

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нанесения алюминиевого покрытия используют алюминиевый сплав, содержащий, мас.%:

марганец	0,3-0,5
железо	до 2,5
алюминий	остальное

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нанесения алюминиевого покрытия используют алюминиевый сплав, содержащий, мас.%:

цинк	6-11
кремний	3,0-6,0
магний	0,5-1,5
олово	0,2-0,5
титан	0,02-0,05
железо	до 2,5
алюминий	остальное

6. Способ подготовки поверхностей изделия из чугуна или стали для нанесения алюминиевого и цинкового покрытия, заключающийся в их струйно-абразивной обработке смесью остроконечных колотых частиц стальной или чугунной дроби с размерами, лежащими в пределах 0,3-1,0 мм, и стальной или чугунной дробью глобулярной формы, размер которой лежит в пределах 1,0-2,0 мм, при скорости подачи частиц 60-120 м/с.

7. Алюминиевый сплав для нанесения алюминиевого покрытия на изделия из чугуна или стали, содержащий, мас.%:

кремний	3,0-7,0
марганец	0,5-0,8
железо	до 2,5
алюминий	остальное

8. Алюминиевый сплав для нанесения алюминиевого покрытия на изделия из чугуна или стали, содержащий, мас.%:

марганец	0,3-0,5
железо	до 2,5
алюминий	остальное

9. Алюминиевый сплав для нанесения алюминиевого покрытия на изделия из чугуна или стали, содержащий, мас.%:

цинк	6-11
кремний	3,0-6,0
магний	0,5-1,5
олово	0,2-0,5
титан	0,02-0,05
железо	до 2,5
алюминий	остальное

10. Флюс для нанесения цинкового покрытия на изделия из чугуна или стали, представляющий собой водный раствор, содержащий ZnCl ₂ 400 г/л, HCl 10 г/л, CuCl₂ 10 г/л, NaCl 50 г/л, поверхностно активное вещество 1 г/л.

11. Изделие из чугуна или стали, на поверхности которого нанесено алюминиевое покрытие, отличающееся тем, что покрытие содержит, мас.%:

кремний	3,0-7,0
марганец	0,5-0,8
железо	до 2,5
алюминий	остальное

12. Изделие из чугуна или стали, на поверхности которого нанесено алюминиевое покрытие, отличающееся тем, что покрытие содержит, мас.%:

марганец	0,3-0,5
железо	до 2,5
алюминий	остальное

13. Изделие из чугуна или стали, на поверхности которого нанесено алюминиевое покрытие, отличающееся тем, что покрытие содержит, мас. %:

цинк	6-11
кремний	3,0-6,0
магний	0,5-1,5
олово	0,2-0,5
титан	0,02-0,05
железо	до 2,5
алюминий	остальное

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области металлургии, а конкретно к следующим аспектам нанесения покрытий: способам нанесения покрытий на изделия из чугуна и стали погружением в расплав алюминия, цинка или их сплавов; способам подготовки поверхности изделий перед нанесением покрытия; химическим составам расплавов для нанесения покрытий и флюсов, используемых при нанесении покрытий из расплавов цинка, легированных алюминием.

Предшествующий уровень техники

Известен способ нанесения алюминиевого или цинкового покрытия на изделия из чугуна или стали, предусматривающий предварительную подготовку поверхности изделия, погружение его в расплав алюминия, цинка или их сплавов, выдержку изделия в расплаве и извлечение его из расплава. Для реализации известного способа используется устройство, состоящее из вертикальной печи с емкостью для расплава, причем емкость выполнена с центральным телом в виде стержня с нагревателем внутри. Покрываемые изделия погружаются в расплав между внутренней стенкой емкости и наружной стенкой центрального тела, а в случае нанесения покрытия на трубы большого диаметра труба погружается в расплав таким образом, что центральное тело устройства располагается внутри трубы (см. патент Российской Федерации RU 2200207, МПК 7 С23С 2/38, опубликован 10.03.2003).

Недостатком известного способа является необходимость полного заполнения вертикальной ванны расплавом алюминия, цинка или их сплавов. При нанесении покрытия в расплавах алюминия или цинка, содержащего алюминий, внутренняя поверхность ванны должна быть выполнена из огнеупорного материала, стойкого в расплаве алюминия, что значительно усложняет ее конструкцию. Затраты энергии на наружный обогрев ванны значительно возрастут при наличии на внутренней ее поверхности футеровки, материал которой отличается низкой теплопроводностью.

Перед нанесением покрытия производят очистку поверхности изделий из чугуна и стали от окалины и продуктов коррозии, а также осуществляют ее активацию.

Ударная обработка изделий из чугуна и стали твердыми частицами приводит к повышению потенциальной энергии поверхности и к появлению там поверхностных напряжений. Накопленная в результате ударной обработки поверхности стали энергия атомов железа при нанесении покрытия расходуется на взаимодействие с атомами металла покрытия, причем наиболее легко и полно при температуре полиморфного превращения металла основы. При нагревании погруженного в расплав изделия в его поверхностной зоне происходит релаксация возникших в результате ударной обработки напряжений за счет выхода дислокаций на поверхность металла и протекания там элементарного акта пластической деформации с образованием так называемых активных центров, характеризующихся повышенной энергией атомов. В результате активации поверхности сокращается продолжительность формирования покрытия и повышается его структурная однородность.

Известен способ нанесения алюминиевого покрытия на изделия из чугуна и стали, предусматривающий ударную подготовку поверхности изделий твердыми частицами. Ударная обработка осуществляется в две стадии. На первой стадии производят обработку поверхности потоком твердых частиц остроконечной формы размером 0,3-0,5 мм при скорости подачи 100-120 м/с. На второй - обработку поверхности потоком твердых частиц глобулярной формы размером 1,0-2,0 мм при скорости подачи до 60-80 м/с (см. патент Российской Федерации RU 2202648, МПК 7 С23С 2/12, опубликован 20.04.2003).

В результате двухстадийной обработки поверхность изделия имеет незначительную шероховатость, кроме того, количество открытых поверхностных капилляров недостаточно для заметного ускорения смачивания поверхности металла основы металлом покрытия.

Обработка поверхности изделий из чугуна и стали смесью остроконечных частиц и частиц глобулярной формы приводит к формированию на поверхности металла основы шероховатой структуры с большим количеством открытых поверхностных капилляров. Такая поверхность хорошо смачивается металлом покрытия, а наличие при этом открытых поверхностных капилляров приводит к внедрению туда расплава, способствует ускорению формирования покрытия и стабилизирует его структуру.

Исследования показали, что для ударной обработки поверхности стали не пригодны остроконечные и глобулярные по форме частицы из неметаллических материалов (например, корунд), так как эти частицы внедряются в обрабатываемую поверхность и, оставаясь там, препятствуют ее смачиванию расплавом при нанесении покрытия.

Алюминиевые покрытия наносят на изделия из чугуна и стали без использования флюсов. Это обусловлено тем, что наиболее легко и полно взаимная диффузия атомов металла покрытия (жидкая фаза) и атомов металла основы (твердого железа) происходит при температуре полиморфного превращения металла основы, которое характеризуется нестационарным расположением атомов железа. В интервале температур нанесения алюминиевых покрытий происходит полиморфное превращение стали, поэтому алюминиевое покрытие формируется без флюса. Цинковое покрытие наносят при более низких температурах, накопленная энергия реализуется достаточно медленно, поэтому требуется дополнительная активация процесса с помощью флюса.

Известен флюс для горячего цинкования изделий из чугуна и стали в расплавах, содержащих более 1% алюминия, представляющий собой водный раствор, содержащий, мас.%:

хлорид лития - 1,5-2,5;

хлорид олова - 0,8-1,0;

кремнефтористый натрий - 0,4-0,6;

хлорное железо - 0,4-0,6;

хлорид магния - 40-50;

вода - остальное.

(см. авторское свидетельство СССР 933791, МПК 3 С23С 1/12, опубликовано 07.06.1982).

К недостаткам этого флюса следует отнести наличие в его составе солей, оказывающих отрицательное влияние на экологию процесса (хлорид олова).

Известен алюминиевый сплав для нанесения алюминиевого покрытия, легированный следующими компонентами, мас.%:

алюминий - основа;

цинк - 7,0-10,0;

кремний - 3,0-5,0;

магний - 0,5-1,5;

олово - 0,2-0,5.

Введенные легирующие компоненты приводят к снижению температуры плавления сплава, при этом получают покрытие, которое не разрушается при последующем деформировании металла основы (см. патент Российской Федерации 2202649, МПК 7 С23С 2/12, опубликован 20.04.2002).

Недостатком этого сплава является его многокомпонентный состав, в связи с этим получаемое покрытие имеет многофазную структуру. Значительная разность потенциалов структурных составляющих покрытия под пленкой электролита приводит к ускорению коррозионных процессов на его поверхности по электрохимическому механизму.

Раскрытие изобретения

Изобретения призваны решать следующие задачи: определение более экономичного, с точки зрения энергозатрат, способа нанесения алюминиевых и цинковых покрытий на изделия из чугуна и стали; определение режимов и разработка средств предварительной подготовки поверхности изделий, обеспечивающих ускорение процесса нанесения покрытия с заданной толщиной и структурой; разработка химических составов расплавов для нанесения защитных покрытий, обладающих высокими эксплуатационными свойствами.

К числу поставленных задач относится разработка химических составов алюминиевых сплавов, отличающихся стабильностью состава на протяжении заданного периода эксплуатации и обеспечивающих не только необходимую пластичность и прочность соединения получаемого покрытия с основой, но и его высокие эксплуатационные свойства и эффектный внешний вид.

Кроме того, задачей является разработка составов флюсов для нанесения цинковых покрытий, не содержащих высокотоксичных компонентов, что существенно улучшит экологическую обстановку при нанесении покрытий.

Поставленные задачи решаются следующим образом.

Способ нанесения металлического покрытия на изделия из чугуна или стали предусматривает погружение покрываемого изделия полностью в расплав теплоносителя, слой которого расположен под слоем расплава материала покрытия значительно меньшей толщины. После погружения в расплав теплоносителя изделие выдерживают там, прогревая до температуры среды, затем его извлекают через слой расплава материала покрытия, в результате чего происходит формирование покрытия. Расплавы цинка и алюминия по отношению к расплаву свинца являются не смешивающимися жидкостями, кроме того, свинец в жидком состоянии инертен по отношению к малоуглеродистой стали. Предусмотрена предварительная подготовка поверхности покрываемого изделия, которая заключается в ее ударной обработке колотыми частицами стальной или чугунной дроби с размерами, лежащими в пределах 0,3-1,0 мм, при скорости подачи частиц, лежащей в диапазоне 60-120 м/сек. После обработки поверхности колотыми частицами проводят дополнительную ударную обработку поверхности стальной или чугунной дробью глобулярной формы, размер которой лежит в пределах 1,0-2,0 мм, при скорости подачи дроби до 60 м/сек.

Существенной является предварительная ударная обработка поверхностей покрываемого изделия смесью колотых частиц стальной или чугунной дроби с размерами, лежащими в пределах 0,3-1,0 мм, и стальной или чугунной дробью глобулярной формы, размер которой лежит в пределах 1,0-2,0 мм, при скорости подачи частиц 60-120 м/сек.

Техническим результатом от использования первого изобретения из заявленной группы является то, что предварительная обработка поверхности изделий позволяет повысить эффективность активации поверхности покрываемого изделия, необходимой для нанесения покрытия погружением в расплав на основе алюминия. Обработка колотыми частицами приводит к образованию глубоких узких «кратеров» на поверхности изделий, а частицы глобулярной формы сглаживают края «кратеров» и в целом получается поверхность с капиллярной структурой, способствующей ускорению взаимодействия расплава металла покрытия с основой. Остроконечные и глобулярные частицы из чугуна и стали, даже если они внедряются в обрабатываемую поверхность, не препятствуют ее смачиванию расплавом при нанесении покрытия. Этот же технический результат обеспечивается вторым изобретением группы - способом подготовки поверхностей изделия из чугуна или стали для нанесения алюминиевого или цинкового покрытия.

При нанесении цинковых покрытий погружением в расплав, включая расплавы, содержащие алюминий (более 1,0%), традиционно используют флюсование. Флюс на поверхности стального изделия при погружении его в расплав цинка при воздействии температуры разлагается с образованием активных веществ, раскисляющих поверхность металла основы. За счет этого происходит активация поверхностных атомов железа, активно реагирующих с цинком.

Флюс представляет собой водный раствор, содержащий ZnCl₂ 400 г/литр, HCl 10 г/литр, CuCl₂ 10 г/литр, NaCl 50 г/литр, поверхностно активное вещество 1 г/литр.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, - флюсом, заключается в том, что представленный состав флюса не является токсичным и может легко наноситься путем погружения изделия в его раствор с последующей сушкой при температуре 130-180°С. Этот флюс можно использовать в цехе с общей приточно-вытяжной вентиляцией, его отходы легко утилизируемы и не содержат токсичных веществ.

Для нанесения алюминиевых покрытий могут быть использованы следующие сплавы

Состав первого сплава, мас.%:

марганец - 0,3-0,5;

железо - 0,5-2,5;

алюминий - остальное.

Состав второго сплава, мас.%;

кремний - 3,0-7,0;

марганец - 0,5-0,8;

железо - 0,5-2,5;

алюминий - остальное.

Состав третьего сплава, мас.%:

цинк - 6-11;

кремний - 3,0-6,0;

магний - 0,5-1,5;

олово - 0,2-0,5;

титан - 0,02-0,05;

железо - 0,5-2,5;

алюминий - остальное.

Технический результат от использования заявленных составов сплавов обусловлен тем, что железо в составе расплава для алюминирования улучшает смачиваемость поверхности металла основы расплавом. Процесс формирования покрытия сопряжен с накоплением железа в расплаве для алюминирования. Максимальное содержание железа в расплаве для алюминирования ограничивается его предельной растворимостью в данном сплаве при температуре нанесения покрытия.

Введение в состав расплава для алюминирования марганца повышает коррозионную стойкость полученных в данном расплаве покрытий. Марганец, образуя при алюминировании в покрытии твердый раствор в FeAl₃, способствует смещению его электродного потенциала в отрицательную область от - 0,261 до - 0,488 В, приближаясь к электродному потенциалу алюминия (- 0,515 В), тем самым нейтрализует действие включений FeAl ₃ как эффективных катодов.

Введение в состав расплава для алюминирования кремния способствует уменьшению толщины слоя интерметаллидов покрытия.

Введение в состав расплава для алюминирования цинка и магния способствует снижению температуры формирования покрытия.

Введение в состав расплава для алюминирования титана способствует измельчению структуры нанесенного покрытия.

Введение в состав расплава для алюминирования олова способствует росту жидкотекучести расплава, что приводит к повышению равномерности толщины покрытия по всей поверхности покрываемого изделия.

Первый сплав используется для нанесения покрытий на изделия, которые в дальнейшем не подлежат деформированию. В данном случае не предъявляются требования к пластичности покрытия. Второй сплав аналогичен по свойствам первому с той лишь разницей, что получается более пластичное покрытие. Третий сплав предназначен для изделий, которые в дальнейшем деформируются, то есть покрытие получается пластичным.

На чертеже показан продольный разрез устройства, реализующего способ нанесения цинкового или алюминиевого покрытия на изделия из чугуна или стали.

Осуществление изобретения

Устройство, реализующее заявленный способ, выполнено в виде смонтированной полой несущей конструкции 1, обогреваемой снаружи вертикальной ванны 2 цилиндрической формы с центральным нагреваемым изнутри телом 3. Центральное тело 3 не выступает за пределы верхней кромки ванны 2. Центральное тело 3 и ванна 2 образуют, в совокупности, кольцевую полость для расплава теплоносителя. На ванне 2 герметично установлена дополнительная верхняя часть 4 в форме кольца, полость которой образует с ванной 2 единую емкость. Между ванной 2 и дополнительной верхней частью 4 расположено изолирующее кольцо 5, которое перекрывает внутреннюю полость 6 между несущей конструкцией 1 и непосредственно ванной 2. При этом образуются две изолированные друг от друга полости. Первая - полость 6 между несущей конструкцией 1 и ванной 2. Вторая - полость 7 между несущей конструкцией 1 и дополнительной верхней частью 4.

Внутренние элементы ванны 2 и наружные элементы центрального тела 3 изготовлены из малоуглеродистой стали, например из котельной стали. Дополнительная верхняя часть 4 выполнена из огнеупорного керамического материала, химически стойкого к расплаву алюминия и алюминиевых сплавов. Однако она может быть изготовлена из малоуглеродистой стали и футерована изнутри керамическим материалом.

Устройство имеет три нагревательных элемента. Первый нагревательный элемент 8 расположен в полости 6 между внешними стенками ванны 2 и внутренними поверхностями несущей конструкции 1. Второй нагревательный элемент 9 расположен внутри центрального тела 3. Третий нагревательный элемент 10 расположен вокруг дополнительной верхней части 4 в полости 7. Первый и третий нагревающий элементы (8, 10) отделены друг от друга изолирующим кольцом 5.

Первый и второй нагревательные элементы (8, 9) выполнены в виде электрических нагревателей сопротивления. Нагревательный элемент 10 представляет собой индуктор, что необходимо для прогрева теплоемкой дополнительной кольцевой части 5.

При подготовке устройства к работе вначале в ванну 2 загружается свинец, и включаются первый и второй нагревательные элементы (8, 9). При необходимости свинец догружают до достижения необходимого уровня расплава теплоносителя (свинца), то есть уровня, когда обеспечивается заполнение ванны 2 до полного погружения центрального тела 3. Полость внутри дополнительной верхней части 5 остается свободной.

После формирования однородного расплава теплоносителя включают третий нагревательный элемент 10 и загружают цинк, алюминий или их сплав до заполнения полости внутри дополнительной верхней части 5.

После разделения слоев расплава теплоносителя снизу и расплава материала покрытия (цинка или алюминиевого сплава) и достижения расплавами заданных температур установка готова к эксплуатации.

Лучшие варианты осуществления изобретения

Одним из наилучших примеров нанесения покрытия служит нанесение алюминиевого покрытия на стальную трубу.

Труба имеет диаметр 1230 мм, длину - 6,0 м. Толщина стенки трубы - 8 мм.

Диаметр ванны 2 и дополнительной кольцевой части 5-1800 мм, глубина полости, образованной полостью ванны 2 и высотой дополнительной кольцевой части, 5-6,5 м. Наружный диаметр центрального тела 3-800 мм.

Осуществляют предварительную дробеструйную обработку поверхностей трубы. Используют два дробеструйных аппарата. В первый аппарат загружают колотые частицы стальной дроби с размерами, лежащими в пределах 0,3-1,0 мм. Во второй аппарат загружают чугунную дробь, размер которой лежит в пределах 1,0-2,0 мм.

Вначале проводится обработка поверхностей дробью из первого аппарата при скорости подачи частиц, лежащей в пределах 60-120 м/сек. После равномерной обработки поверхностей из первого аппарата проводят обработку поверхностей изделия из второго аппарата при скорости подачи дроби до 60 м/сек. Обработку круглой дробью проводят также равномерно по всем поверхностям изделия.

Для обработки внутренних поверхностей трубы дробеструйный аппарат подается внутрь полости трубы манипулятором.

После завершения предварительной подготовки поверхностей трубы ее зацепляют за один из торцов с помощью подъемного крана, транспортируют к устройству для нанесения и погружают в ванну 2 с теплоносителем таким образом, что центральное тело 3 располагается внутри трубы.

После прогрева трубы она плавно извлекается через слой алюминиевого сплава, а затем подается на участок охлаждения, где обдувается струями сжатого воздуха.

Готовое изделие с толщиной защитного покрытия в пределах 50-120 мкм транспортируется на склад готовой продукции.

Вторым примером служит технология нанесения цинкового покрытия на длинномерные изделия малого сечения.

Цинковое покрытие наносится на швеллерные балки с высотой 120 мм. Ширина полки швеллера равна 50 мм. Длина швеллера - 6,0 м.

Для нанесения цинкового покрытия используется описанное выше устройство, которое вместо алюминиевого сплава заполняется расплавом цинка.

Предварительно на швеллерные балки наносится флюс, который приготавливается последовательным растворением в воде входящих в него компонентов.

Используется флюс, содержащий, ZnCl₂ 400 г/литр, HCl 10 г/литр, CuCl₂ 10 г/литр, NaCl 50 г/литр, а также поверхностно активное вещество 1 г/литр.

Для нанесения флюса балка погружается в емкость с раствором, а затем извлекается и просушивается обдувом теплого воздуха.

Подготовленные швеллеры закрепляются торцами за кольцевой держатель подъемного крана и опускаются в расплав теплоносителя, находящийся в ванной 2. Пакет швеллеров равномерно располагается вокруг центрального тела 3.

После прогрева швеллеров они плавно извлекаются через слой расплава цинка и подаются на участок охлаждения, где обдуваются струями сжатого воздуха.

Готовые изделия с толщиной покрытия 50-60 мкм транспортируются на склад готовой продукции, где штабелируются.

В случае нанесения алюминиевого покрытия предварительная дробеструйная обработка может быть произведена с использованием одной дробеметной машины. В этом случае в нее загружают смесь колотых частиц стальной или чугунной дроби с размерами, лежащими в пределах 0,3-1,0 мм, и стальной или чугунной дроби, размер которой лежит в пределах 1,0-2,0 мм. Обработку производят при скорости подачи частиц 60-120 м/сек.

Выбор стальных или чугунных частиц зависит от возможностей производства и не определяется какими-либо технологическими особенностями или особенностями изделий, на которые наносится покрытие.

Алюминиевые сплавы для нанесения покрытий приготавливают традиционным способом в электрических тигельных или иного типа печах. Расплав легируют необходимыми компонентами, после чего отливаются чушки, пригодные для загрузки в устройство для нанесения покрытия.

После нанесения алюминиевого покрытия получают изделия с покрытием по химическому составу, соответствующему расплаву ванны алюминирования.