Способ термодиффузионного цинкования стальной проволоки

 

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлических изделий, более конкретно стальной проволоки, и может быть использовано в химической, машиностроительной и других отраслях промышленности для повышения коррозионной стойкости изделий. Задачей изобретения является повышение качества покрытий и изделий в целом за счет учета структурных изменений, происходящих в материале изделий, в частности на поверхности изделия и в поверхностном слое. Поставленная задача решается способом термодиффузионного цинкования стальной проволоки в интервале температур 400-600^oС, включающим укладку изделия в контейнер с последующей загрузкой его в печь. В отличие от известных, способ осуществляют в условиях ступенчатого, преимущественно трехэтапного, понижения температуры процесса в указанном интервале температур, при наличии избыточного давления в контейнере. Поставленная задача решается использованием в способе трех печей, нагретых до температур соответственно Т₁= 540^oС, Т₂=520^oС, Т₃=500^oC, внутри контейнера поддерживают избыточное давление 0,2-0,6 атм. Техническим результатом изобретения является улучшение качества покрытия и поверхностного слоя изделия. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлических изделий, более конкретно стальной проволоки, и может быть использовано в химической, машиностроительной и других отраслях промышленности для повышения коррозионной стойкости изделий.

Для нанесения диффузионных покрытий покрываемые изделия нагревают до достаточно высоких температур, при которых могут протекать фазовые и структурные изменения. При высоких температурах наблюдается рост зерна в стали, изменение механических свойств и геометрических размеров. Для изделий, эксплуатация которых происходит при высоких температурах, приобретение жаропрочных свойств с увеличением размера зерен является желательным, тогда как для изделий, которые должны обладать пластичностью, например, проволока, этот факт практически не допустим. Поэтому широкое распространение получили диффузионные цинковые покрытия, не требующие для нанесения высоких температур. Кроме того сам по себе цинк является одним из самых пластичных металлов.

Известен способ термодиффузионного цинкования изделий, приведенный в описании к [А.С. SU 1521790, С 23 С 10/36, 1989 г.], согласно которому процесс нанесения диффузионного цинкового покрытия проводят при 480^oС и выдержке 6 часов. Отсчет начала выдержки проводят при достижении температуры в муфеле 480^oС.

После извлечения образцов из муфеля производят визуальный осмотр их поверхности. Толщина покрытия 100 мкм.

Известен также способ диффузионного цинкования изделий, приведенный в описании к [А.С. SU 1571103, С 23 С 10/28, 1990 г.], согласно которому приготовленную в соответствии с процентным содержанием порошковую смесь для покрытия просушивают при 150-200^oС в течение 2-3 часов, стальные детали укладывают в контейнер с плавким затвором так, чтобы они не соприкасались со стенками контейнера и друг с другом. Контейнер герметизируют и загружают в печь. Обработку ведут в интервале 400-700^oС. После выдержки контейнер выгружают из печи, охлаждают до температуры окружающей среды и распаковывают.

Покрытие, полученное из предлагаемого состава, обладает мелкозернистой структурой, однотонное с равномерным распределением диффузионного слоя по всей поверхности.

Однако неизвестны способы, в которых учитывается структура металла основного изделия.

Задачей изобретения является повышение качества покрытий и изделий в целом за счет учета структурных изменений, происходящих в материале изделий, в частности на поверхности изделия и в поверхностном слое.

Поставленная задача решается способом термодиффузионного цинкования стальной проволоки в интервале температур 400-600^oС, включающим укладку изделия в контейнер с последующей загрузкой его в печь. В отличие от известных, способ осуществляют в условиях ступенчатого, преимущественно трехэтапного, понижения температуры процесса в указанном интервале, при наличии избыточного давления в контейнере.

Поставленная задача решается также если: - для осуществления способа используют три печи, нагретые до температур соответственно: T₁=540^oС, Т₂=520^oС, Т₃=500^oС; - внутри контейнера поддерживают избыточное давление 0,2-0,6 атм.

Поставленная задача решается за счет сочетания исходных свойств материала и режимов термодиффузионного цинкования. Материал стальной проволоки, полученной в результате значительной деформации (волочение), имеет мелкозернистую структуру. Сочетание мелкозернистой структуры, малые скорости деформации порядка 10^-2-10^-3, обусловленные малыми усилиями (≈0,6 атм), низкая температура и благоприятные условия всестороннего сжатия приводят к деформации в поверхностном слое проволоки, приводящей к развитию в поверхностных слоях процесса динамической рекристаллизации, результатом которой является дальнейшее уменьшение размера зерен в поверхностном слое. Причем каждому значению температуры соответствует свой размер зерен. Для обеспечения протекания динамической рекристаллизации необходимо ступенчатое понижение температуры. В результате структурных изменений в ходе динамической рекристаллизации улучшается диффузия металла покрытия в поверхностный слой изделия, тем самым повышается качество (прочность) покрытия. Кроме того измельченная структура поверхностного слоя повышает качество не только покрытия, но и основного металла в указанном слое, уменьшая в эксплуатации риск зарождения и развития трещин.

Необходимо отметить, что в процессе деформации не происходит изменение геометрической формы и размеров изделия. Приложенная энергия расходуется только на изменение структуры металла.

Необходимо также отметить, что на первой ступени нагрева в материале изделия происходит статическая рекристаллизация. Статическая рекристаллизация снимает в материале изделия напряжения (наклеп), вызванные в процессе волочения и обработки поверхности на дробеструйном агрегате чугунной дробью при подготовке поверхности для покрытия. Статическая рекристаллизация также приводит к структурным изменениям, позволяющим улучшить диффузию в процессе нанесения покрытия.

Но статическую рекристаллизацию в условиях нанесения покрытия невозможно генерировать, поэтому дальнейшие структурные изменения происходят за счет динамической рекристаллизации, что и достигается, как было сказано выше, деформацией поверхностного слоя в условиях снижения температуры.

Способ осуществляется следующим образом.

Термодиффузионное цинкование производят в порошковой насыщающей смеси на основе порошка цинка с использованием оборудования, предназначенного для данного процесса.

Весь процесс делится на следующие технологические циклы: - загрузка арматурной проволоки и цинкового порошка; - термодиффузионное цинкование; - охлаждение; - разгрузка арматуры и порошка.

1. Загрузка арматурной проволоки и цинкового порошка.

1.1. Загрузка арматурной проволоки и цинкового порошка производят на линии загрузки. При этом используют оборудование: - пневмотранспортер; - контейнер (труба ⊘ 300 мм; L - 9000 мм) для загрузки арматурной проволоки и цинкового порошка.

1.2. Перед загрузкой контейнер предварительно должен быть спрессован давлением 2-3 атм сжатым воздухом. Все выявленные утечки по всей длине контейнера и в местах механической обработки должны быть устранены. Внутренняя часть контейнера должна быть сухой, чистой и при необходимости продута сжатым воздухом.

1.3. Порошок, применяемый при цинковании, не должен иметь комков и посторонних включений с влажностью не более 1,5%.

1.4. С помощью крана и грузовой траверсы контейнер устанавливают на загрузочный рольганг линии загрузки.

1.5. В контейнер загружают арматурную проволоку длиной до 9 м. Перед загрузкой арматурная проволока по необходимости связывается вязальной проволокой ⊘ 1-2 мм в пучки по 20 штук в 3-4 местах. Концы вязальной проволоки должны быть зачеканены. Общая масса загружаемой проволоки составляет 300-500 кг.

1.6. После загрузки арматурной проволоки в оба конца контейнера мерным стаканчиком заливают по 50-70 г активатора в каждый конец.

1.7. Один конец контейнера закрывают технологической крышкой с прокладкой, на другой конец контейнера надевают крышку, которая при помощи гибкого резинового шланга соединяет контейнер с пневмотранспортером. Контейнер для загрузки порошков готов.

1.8. Загрузку порошка в контейнер осуществляют в несколько этапов: - перемещением порошка из основного бункера в загрузочный;
- перемещением порошка из загрузочного бункера в контейнер.

Объем загрузочного бункера 120 кг. Объем загружаемого порошка в контейнер 200-300 кг.

1.9. Отсоединяют пневмотранспортер от контейнера, сняв крышку с резиновым шлангом.

1.10. Закрывают контейнер со стороны пневмотранспортера технологической крышкой с прокладкой.

1.11. Перед тем как закрыть контейнер крышками, проводят следующие подготовительные операции:
- смазывают резьбу крепления крышки графитовой смазкой;
- смазывают резьбу штуцера подвода азота графитовой смазкой;
- наружным осмотром производят контроль прокладки. На ней не должно быть глубоких вмятин, царапин, налипов порошка и т.д.;
- наружным осмотром производят контроль сопрягаемой с крышкой частью контейнера. На ней не должно быть глубоких царапин, забоин, вмятин, наплавок и налипов цинкового порошка. В случае обнаружения дефектов перечисленного характера, их устраняют.

1.12. После установки технологических крышек с прокладками, их туго подтягивают специальным ключом.

1.13. Закручивают пробки штуцеров подвода азота. Требования к пробкам:
- пробки не должны иметь дефектов в резьбовой части;
- свободно закручиваться от руки;
- внутри пробки всегда должна находиться асбестовая прокладка.

1.14. Включают загрузочный рольганг и вращают контейнер в течение 20-30 мин.

2. Термодиффузионное цинкование.

2.1. Процесс термодиффузионного цинкования арматурной проволоки осуществляют на линии термодиффузионного цинкования. Оборудование линии:
- термические печи 1, 2, 3;
- подающий рольганг;
- приемный рольганг;
- вакуумный насос;
- газораспределительная система;
- баллоны с азотом.

2.2. После загрузки контейнера арматурной проволокой и цинковым порошком, контейнер при помощи грузовой траверсы и крана с линии загрузки поступает на линию термодиффузионного цинкования, и его устанавливают на подающий рольганг.

2.3. Процесс термодиффузионного цинкования состоит из нескольких этапов:
- откачка из контейнера воздуха и заполнение его азотом;
- термодиффузионное цинкование и поддержание избыточного давления азота в контейнере.

2.4. Откачку из контейнера воздуха и заполнение его азотом осуществляют следующим образом:
- со стороны вакуумного насоса отворачивают пробку штуцера подачи азота и присоединяют шланг с ответной частью штуцера для откачки воздуха из контейнера вакуумным насосом и подачи в контейнер азота из баллона.

2.5. Начинают процесс заполнения контейнера азотом. Заполнение азотом проводят до появления избыточного давления Р=0,15-0,2 атм.

2.6. Контейнер с подсоединенным шлангом подачи азота транспортируют по рольгангу вперед крышкой, не имеющей присоединения.

2.7. Печи 1, 2, 3 на момент подачи в них контейнера прогреты в течение 1,5-2 часов соответственно до следующих температур (Т₁=540^oС, Т₂=520^oС, Т₃= 500^oС).

2.8. Во время прохождения контейнера по прогретой зоне печей 1, 2, 3, внутри контейнера поддерживают рабочее избыточное давление азота 0,2-0,6 атм, которое контролируют по манометру на газораспределительной системе.

3. Охлаждение.

Операция охлаждения служит для:
- освобождения места на приемном рольганге линии термодиффузионного цинкования для приема очередного контейнера;
- равномерного охлаждения оцинкованной арматурной проволоки и порошка до температуры окружающей среды.

Оборудование: двухместный рольганг.

4. Разгрузка порошка и арматурной проволоки.

Процесс разгрузки порошка и арматурной проволоки предназначен для:
- отделения арматурной проволоки от порошка;
- транспортировки порошка в пневмотранспортер;
- выгрузки арматурной проволоки.

Оборудование:
- наклонный рольганг;
- пневмотранспортер;
- желоб для приема оцинкованной арматурной проволоки;
- вентиляция.

Улучшение качества покрытия и поверхностного слоя изделия подтверждается результатами механических испытаний, а также металлографических исследований шлифов с использованием микроскопа. Образец для исследования вырезают из оцинкованного изделия.

Формула изобретения

1. Способ термодиффузионного цинкования стальной проволоки в интервале температур 400-600^oС, включающий укладку проволоки в контейнер с последующей загрузкой его в печь, отличающийся тем, что способ осуществляют в условиях ступенчатого, преимущественно трехэтапного, понижения температуры процесса в указанном интервале при наличии избыточного давления в контейнере.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют три печи, нагретые до температур соответственно Т₁= 540^oC, T₂= 520^oC, T₃= 500^oC.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что внутри контейнера поддерживают избыточное давление 0,2÷0,6 атм.