Цинкование

Проскуркин Е.В., Попович В.А., Мороз А.Т.

Металлургия, 1988 г.

ЦИНКОВАНИЕ В РАСПЛАВЕ ЦИНКА (ГОРЯЧЕЕ ЦИНКОВАНИЕ)

При диффузионном цинковании жидкофазным способом (в расплаве цинка) происходит взаимодействие стали с расплавленным цинком, в результате которого на поверхности стального изделия образуются железоцинковые соединения (фазы). При этом изменяются химический состав и структура поверхностного слоя стали.

1. Взаимодействие железа (стали) с жидким цинком

Изучение кинетики взаимодействия армко-железа с чистым расплавленным цинком позволило установить ряд закономерностей, представляющих как практический, так и теоретический интерес. Главным результатом этих исследований было установление трех температурных областей, которым соответствует определенная скорость реакции между железом и цинком. Так, при температурах до 490 °С скорость реакции подчиняется параболическому временному закону (нижняя параболическая область). Эта закономерность также сохраняется и при температурах выше 520 С /верхняя параболическая область). Обычно взаимодействие между железом и цинком, проходящее во времени по параболическому закону, называют реакцией I типа.

В области температур 490—520°С реакция между железом и цинком протекает по линейной зависимости от времени (линейная область). Такое взаимодействие называют реакцией II типа.

При реакции I типа рост железоцинковых соединении относительно невелик и скорость его непрерывно уменьшается во времени. Было установлено, что при этом на стали образуются плотные, однородные, хорошо сцепленные с ней диффузионные железоцинковые слои, защищающие сталь от прямого воздействия жидкого цинка.

При 490—520 °С на стали возникают пористые, плохо сцепленные с поверхностью, железоцинковые слои, сквозь которые легко проникает расплавленный цинк за счет капиллярных сил. При реакции II типа скорость растворения железа в расплавленном цинке максимальная. Переход реакции от одного типа к другому происходит не скачкообразно, а постепенно в соответствии с температурой.

На процесс перехода реакции от одного типа к другому влияют различные факторы, и прежде всего, состав стали и расплава цинка. На рис. 4 и 5 показаны кривые зависимости скорости растворения железа в расплавленном цинке от температуры и времени.

Скорость взаимодействия между железом и цинком можно характеризовать потерями железа или толщиной образующегося железоцинкового слоя. При этом обычно используют уравнение т=Сτ^п,

где: т — потери железа или толщина слоя; τ — время; С— константа скорости реакции, зависящая от температуры.

Показатель степени п в уравнении (1) характеризует различие в скорости роста слоев сплава и может быть использован для определения типа реакции между железом и цинком. При n=1 рост слоя происходит по линейной зависимости от времени. Теоретический рост слоя по параболическому закону происходит при n = 0,5. При значениях n больших или меньших, чем 0,5, рост слоя сплава происходит соответственно с большей или меньшей скоростью по сравнению с идеальным (теоретическим) ростом по параболическому закону. В переходных температурных областях 480—490 °С и 520—530 °С толщина слоя сильнее возрастает по параболическому закону так как n>0,5.

В табл. 7 приведены значения показателя степени п для роста слоев сплава, полученных различными исследователями.

Из табл. 7 видно, что в нижней параболической области (см. рис. 4) для роста δ₁ слоя, общего слоя сплава и потерь железа значения п с небольшими отклонениями близ

2.1.2. Строение цинкового покрытия, полученного в расплаве

Диффузионное цинковое покрытие, полученное в расплаве цинка, состоит из нескольких железоцинковых фаз, расположенных непосредственно на основном металле, и слоя цинка. Слой цинка, который по составу в основном соответствует расплаву, возникает при извлечении изделия из ванны цинкования.

Вероятность образования тех или иных слоев железоцинковых соединений в покрытии во многом зависит от режима цинкования, состава и структуры цинкуемого металла, а также от состава расплава цинка.

Толщина покрытия для сталей подобного химического состава при одинаковом состоянии их поверхности зависит от продолжительности цинкования, температуры расплава цинка и его состава, а также от скорости извлечения цинкуемого изделия при условии одинакового способа извлечения.

Если расплав цинка не содержит добавок, подавляющих рост железоцинковых соединений, то их толщина зависит от продолжительности цинкования и температуры расплава и не зависит от скорости извлечения. Толщина слоя цинка обусловлена скоростью извлечения изделия из расплава, температурой расплава и не зависит от продолжительности цинкования.

Рассмотрим структуру цинкового покрытия (рис. 6), полученного жидкофазным способом. На рис. 7 показана схема расположения фаз цинкового покрытия и изменение микротвердости по этим фазам. Из рис. 6 видно, что покрытие состоит из нескольких слоев (фаз), последовательность расположения которых находится в точном соответствии с диаграммой состояния системы Ре—2п по линии температуры цинкования.

Ранее сообщалось, что при взаимодействии расплавленного цинка со сталью в процессе цинкования происходит изменение химического состава и структуры ее поверхностного слоя. В поверхностной зоне основного металла образуется α-фаза (твердый раствор цинка в α-железе). Растворимость цинка в α-фазе при 250 °С составляет 4,5%. Зона, состоящая из α-фазы, является переходной от основного металла к слою покрытия. При травлении цинкового покрытия 3 %-ным спиртовым раствором НNO₃ она выявляется в виде светлой однородной зоны. Микротвердость (На-фазы составляет около 1500 МПа.

Непосредственно на поверхности стали находится Г-фаза в виде очень узкой (толщиной 1—3 мкм) темной полосы. Она содержит от 28 до 21 % (по массе) железа и является поставщиком железа для процесса диффузии.

Верхний слой покрытия (η-фаза) представляет собой твердый раствор железа в цинке. Максимальная растворимость железа в цинке равна 0,008 % (по массе), но с повышением температуры до 400 °С она возрастает до 0,028 % (по массе). Фаза η достаточно пластична.

По существу верхний слой покрытия состоит из слоя цинка, который образуется при извлечении цинкуемого изделия из расплава. В основном его состав соответствует составу расплава цинка, однако иногда в верхнем слое может быть обнаружено повышенное содержание железа, например, когда в η-фазу внедряются ζ-кристаллы. В этом случае пластичность слоя η-фазы, да и всего покрытия в целом, снижается.

Обзор данных о свойствах железоцинковых интерметаллических слоев, полученных различными исследователями приведен в работе [23].

Жидкофазный способ цинкования является самым распространенным в промышленности. Достоинство этого способа быстрота получения на изделиях цинкового покрытия, относительная простота применяемого при этом оборудования, возможность широкой механизации и автоматизации технологического процесса, что в свою очередь позволяет создавать поточное производство большой мощности. Этим способом цинкуют различные металлические изделия: полосы, листы, трубы, проволоку, профильный прокат, сетку, болты, гайки, различные емкости.