Способ модифицирования порошка цинка

 

Изобретение относится к металлургии и найдет применение при диффузионном нанесение цинкового покрытия на металлические изделия, используемые в авиационной, приборостроительной, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии при цементационной очистке раствора сульфата цинка от кобальта и кадмия. В основу изобретения положена задача путем изменения условий модифицирования поверхности частиц порошка цинка снизить расход порошка цинка при диффузионном цинковании металлических изделий, а также при цементационной очистке раствора сульфата цинка от кобальта и кадмия. Способ модифицирования порошка цинка включает нагрев порошка цинка при 80 - 150С в присутствии водородсодержащего компонента-воды в жидкой фазе в количестве 1,5 - 12 % от массы порошка цинка. Использование порошка цинка, модифицированного предлагаемым способом, позволяет на 20 - 25% снизить расходы на диффузионное цинкование металлических изделий за счет более экономного расхода цинка и электроэнергии, а также на 30 - 35% снизить расходы на цементационную очистку раствора сульфата цинка от кобальта и кадмия за счет сокращения на 28,6% расхода используемого порошка цинка, увеличения одновременно глубину очистки и тормозя при этом процесс обратного растворения кобальта и кадмия. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии и найдет применение при диффузионном нанесении цинкового покрытия на металлические изделия, используемые в авиационной, приборостроительной, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии при цементационной очистке раствора сульфата цинка от кобальта и кадмия.

Известен способ модифицирования порошка цинка, включающий получение и введение инертного компонента в металлический порошок цинка. При этом в качестве инертного компонента используют технический оксид алюминия, кварцевый (речной) песок, измельченный шамот, пемзу и др.

Однако, использование в промышленности модифицированного данным способом порошка цинка в качестве насыщающей смеси ограничено из-за ее низкой насыщающей способности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ модифицирования порошка цинка, включающий нагрев порошка в присутствии водородсодержащего компонента, причем нагрев порошка цинка осуществляют при температуре выше 100^оС и ниже температуры плавления порошка цинка в присутствии воды в паровой фазе в качестве водородсодержащего компонента. В процессе нагрева порошка цинка в присутствии воды в паровой фазе в указанном интервале температур поверхность частиц порошка цинка модифицируется, на ней образуется гидратированный оксид цинка, который, выполняя роль инертного наполнителея, препятствует спеканию и сплавлению порошка при нагреве его выше температуры плавления цинка. При этом отсутствие спекания порошка наблюдается по достижении гидратированного оксида цинка на поверхности частиц цинка в количестве 5-10% от общей массы порошка.

Однако, использование модифицированного данным способом порошка цинка при диффузионном нанесении цинкового покрытия на металлические изделия ограничено его значительным расходом за счет того, что 5-10% порошка не используется для получения покрытия.

В основу изобретения положена задача путем изменения условий модифицирования поверхности частиц порошка цинка снизить расход порошка цинка при диффузионном цинковании металлических изделий, а также при цементационной очистке раствора сульфата цинка от кобальта и кадмия.

Эта задача решается тем, что при модифицировании порошка цинка, включающем нагрев порошка в присутствии водородсодержащего компонента, нагрев порошка цинка осуществляют при 80-150^оС в присутствии в качестве водородсодержащего компонента воды в жидкой фазе в количестве 1,5-12 мас. % от массы порошка цинка.

Совокупность существенных признаков изобретения, включающая нагрев порошка цинка при 80-150^оС в присутствии в качестве водородсодержащего компонента воды в жидкой фазе в количестве 1,5-12 мас. % от массы порошка цинка, позволяет снизить расход порошка цинка при диффузионном цинковании металлических изделий за счет того, что при этих условиях модифицирования на поверхности порошка цинка образуется гидратированный оксид цинка более мелкодисперсной структуры, чем при условиях модифицирования способа-прототипа, препятствуя спеканию и сплавлению частиц порошка при нагревании их выше температуры плавления цинка уже при содержании гидратированного оксида цинка в количестве 1,1-1,2% от общей массы порошка цинка.

Кроме того, образуемые на поверхности частиц порошка цинка участки гидратированного оксида цинка обладают различной степенью гидратации, создавая тем самым на поверхности частиц порошка цинка анодные и катодные участки с высокой разностью потенциалов, способствующие при использовании модифицированного предлагаемым способом порошка цинка в гидрометаллургии при цементационной очистке раствора сульфата цинка значительно снизить его расход при очистке от примесей кобальта и кадмия, увеличивая одновременно глубину очистки и тормозя при этом за счет высокой степени адсорбции водорода и гидроксильных групп на поверхности частиц порошка цинка процесс обратного растворения кадмия и кобальта, значительно влияющий на степень расхода цинка при очистке.

Нагрев порошка цинка в присутствии воды в жидкой фазе при температуре менее 80^оC создает на поверхности частиц порошка слишком малое количество гидратированного оксида цинка, которое не обеспечивает защиты частиц от сплавления и спекания, а также прилипания к металлической поверхности при использовании порошка в качестве насыщающей смеси при диффузионном цинковании металлических поверхностей, а также недостаточно для глубокого осаждения примесей кобальта и кадмия из раствора сульфата цинка при его очистке, т. е. снижения расхода цинка не происходит.

Нагрев же порошка цинка в присутствии воды в жидкой фазе при температуре выше 150^оС нецелесообразен, так как на поверхности частиц порошка цинка образуется не менее 4,5% гидратированного оксида цинка, т. е. сокращения расхода порошка цинка при диффузионном цинковании металлических изделий по сравнению с прототипом не будет, и, кроме того, по-видимому, происходит выравнивание потенциалов катодных и анодных участков на поверхности частиц порошка, что приводит к снижению эффекта глубокого осаждения кадмия и кобальта при цементационной очистке раствора сульфата цинка. Эффект же торможения обратного растворения кадмия и кобальта сохраняется, однако его недостаточно для сокращения расхода цинка.

Нагрев порошка цинка в присутствии воды в жидкой фазе в количестве менее 1,5 мас. % неэффективен, так как этого количества недостаточно для равномерного модифицирования поверхности всех частиц порошка цинка и, как следствие: невоспроизводимость результатов определения количества оксида цинка, частичное спекание частиц порошка цинка и налипание их на поверхность металлических изделий при диффузионном цинковании металлических изделий, а также отсутствие эффекта повышения активности порошка цинка используемого при цементационной очистке раствора сульфата цинка от кобальта и кадмия.

Нагрев же порошка цинка в присутствии воды в жидкой фазе в количестве более 12 мас. % уже нецелесообразен, так как ухудшается технологичность процесса модифицирования, а именно увеличивается расход водородсодержащего компонента, энергия на его нагрев, появляется необходимость досушивать порошок после собственно процесса модифицирования.

П р и м е р. На дно стального герметичного контейнера с регулируемым давлением помещают водородсодержащий компонент в виде воды в жидкой фазе и цинковый порошок марки ПЦ-4. Количественное соотношение воды и порошка цинка приведено в табл. 1 и 2. Нагрев порошка цинка в присутствии в качестве водородсодержащего компонента воды в жидкой фазе при 70-160^оС осуществляют после установки контейнера в нагревательную печь. Для сохранения воды в жидкой фазе в процессе нагрева давление в контейнере поддерживают выше давления насыщающих паров воды при соответствующей температуре. Время нагрева определяют в зависимости от температуры и давления в контейнере: от 6 до 80 мин. Температуру нагрева регистрируют термопарой типа ХА по прибору КСП-4, а давление - манометром типа МТИ. Герметичность контейнера поддерживают любым известным способом. В процессе нагрева вода равномерно распределяется по поверхности частиц порошка и постоянно за счет обеспечения герметичности контейнера и давления в контейнере, превышающего давление насыщенных паров воды, находится в жидкой фазе. В результате нагрева порошка цинка при 70-160^оС в присутствии воды в жидкой фазе в указанных в табл. 1 и 2 количествах на поверхности частиц порошка цинка образуется гидратированный оксид цинка, количество которого определяют по известной методике и фиксируют в табл. 1 и 2. Полученный предлагаемым способом порошок цинка сравнивают с известным порошком цинка. Для осуществления способа в стальной контейнер помещают порошок цинка марки ПЦ-4, герметически закрывают его и помещают в нагревательную печь. После выхода печи на температуру нагрева порошка (105-400^оС) в контейнер вводят водородсодержащий компонент - пары воды из паропровода. Для исключения подсоса воздуха в контейнере поддерживают избыточное давление. Время нагрева определяют количеством порошка в контейнере и режимом подвода пара из паропровода. В приведенных примерах время нагрева порошка цинка составляет 10-26 мин. В результате нагрева порошка цинка при 105-400^оС, в присутствии паров воды на поверхности частиц порошка цинка образуется гидратированный оксид цинка, количество которого определяют по известной методике и фиксируют в табл. 1 и 2.

Модифицированный описанными способами порошок цинка был испытан при диффузионном цинковании металлических изделий.

Диффузионному цинкованию подвергали образцы из стали 08 кп. Температура диффузионного насыщения, толщина диффузионного слоя и состояние порошка цинка после диффузионного насыщения в зависимости от условий модифицирования насыщающего порошка цинка приведены в табл. 1.

Как видно из табл. 1 использование при диффузионном цинковании стальных изделий порошка цинка, модифицированного путем нагрева при 80-150^оС в присутствии воды в жидкой фазе в количестве 1,5-12 мас. % от массы порошка цинка (примеры 1-3), позволяет и получить заданную толщину покрытия, и снизить расход порошка цинка за счет снижения на 19,3-30,2% расхода цинка при модифицировании, необходимого и расходуемого только на предотвращение спекания и сплавления частиц порошка при нагревании их выше температуры плавления цинка, по сравнению с использованием порошка цинка, модифицированного способом-прототипом (пример 11) за счет того, что поверхность используемого порошка цинка содержит гидратированный оксид цинка более мелкодисперсной структуры, который уже в количестве 1,1% способен предотвратить спекание частиц цинка и налипание их на поверхность изделий.

Использование при диффузионном цинковании стальных изделий порошка цинка, модифицированного путем нагрева при температуре менее 80^оС в присутствии воды в жидкой фазе в количестве 1,5-12 мас. % от массы порошка цинка (пример 4), неэффективно, так как слишком малое количество образованного на поверхности частиц цинка гидратированного оксида цинка не обеспечивает защиты частиц от сплавления и спекания, а также прилипания частиц к металлической поверхности образцов.

Использование же при диффузионном цинковании стальных изделий порошка цинка, модифицированного путем нагрева при температуре выше 150^оС (пример 5) нецелесообразно, так как в результате образования на поверхности частиц порошка цинка не менее 5,12% гидратированного оксида цинка существенного сокращения расхода цинка по сравнению с прототипом не происходит.

Использование при диффузионном цинковании стальных изделий порошка цинка, модифицированного путем нагрева его в присутствии воды в жидкой фазе в количестве менее 1,5 мас. % от массы порошка цинка (примеры 7-10) неэффективно, так как этого количества недостаточно для равномерного модифицирования поверхности всех частиц порошка цинка и, как следствие, получение настолько малого, неподдающегося измерению количества оксида цинка, что оно не может предотвратить спекание частиц порошка цинка и налипание их на поверхность образцов. Использование же при диффузионном цинковании стальных изделий порошка цинка, модифицированного путем нагрева его в присутствии воды в жидкой фазе в количестве более 12 мас. % от массы порошка цинка (примеры 6-10) уже нецелесообразно из-за ухудшения технологичности процесса модифицирования порошка цинка, а именно: необходимости увеличения энергии на нагрев воды и необходимости досушивать порошок после процесса модифицирования.

Модифицированный предлагаемым способом и способом, выбранным за прототип, порошок цинка был испытан также при цементационной очистке раствора сульфата цинка от кобальта и кадмия в условиях промышленного производства Челябинского электролитно-цинкового завода.

Исходный раствор сульфата цинка содержит 297,5 мг/л меди, 375,0 мг/л кадмия, 7,3 мг/л кобальта. Соотношение сурьмы и кобальта, равное 1: 1, поддерживают добавками соли Шлиппе. Температура процесса цементационной очистки равна 70^оС. Процесс очистки осуществляют при непрерывном механическом перемешивании раствора. Для сравнения осуществляют процесс цементационной очистки раствора сульфата цинка от кобальта и кадмия с помощью порошка цинка марки ПЦ-4.

Концентрацию кобальта и кадмия в растворе сульфата цинка определяют по известной методике. Результаты экспериментов приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2 использование при цементационной очистке раствора сульфата цинка от кобальта и кадмия порошка цинка, модифицированного путем нагрева при 80-150^оС в присутствии воды в жидкой фазе в количестве 1,5-12 мас. % от массы порошка цинка (примеры 1-3), дает наилучшие результаты по расходу цинка и содержанию в очищенном растворе кобальта и кадмия.

Использование при цементационной очистке раствора сульфата цинка от кобальта и кадмия порошка цинка, способ модифицирования которых соответствует примерам 4-10, не эффективен, так как для того, чтобы концентрация кобальта и кадмия в очищенном растворе сульфата цинка хотя бы соответствовала концентрациям кобальта и кадмия по примерку 12, необходимо увеличить при очистке расход цинкового порошка.

Таким образом, использование предлагаемого способа модифицирования порошка цинка позволит на 20-25% снизить расходы на диффузионное цинкование металлических изделий за счет более экономного расхода цинка и электроэнергии, а также на 30-35% снизить расходы на цементационную очистку раствора сульфата цинка за счет сокращения на 28,6% расхода используемого порошка цинка, увеличивая одновременно глубину очистки и тормозя при этом процесс обратного растворения кобальта и кадмия. (56) Авторское свидетельство СССР N 1534091, кл. С 23 С 8/06, 1990.

Формула изобретения

СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОРОШКА ЦИНКА, включающий нагрев порошка в присутствии водородсодержащего компонента, отличающийся тем, что нагрев порошка цинка осуществляют при 80 - 150^oС в присутствии в качестве водородсодержащего компонента воды в жидкой фазе в количестве 1,5 - 12% от массы порошка цинка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2