Способ термодиффузионного цинкования стального проката

 

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлических изделий, более конкретно стального проката, 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 его поверхностном слое. Поставленная задача решается способом термодиффузионного цинкования стального проката в интервале температур 400-600^oС, включающим укладку изделий в контейнер с последующей загрузкой в печь. Способ осуществляют в условиях ступенчатого, преимущественно четырехэтапного понижения температуры процесса в указанном интервале при наличии избыточного давления в контейнере. Поставленная задача решается также, если для осуществления способа используют четыре печи, нагретые до температур соответственно: T₁ = 450^oС, T₂ = 500^oС, Т₃ = 550^oС, Т₄ = 580^oС; внутри контейнера поддерживают избыточное давление 0,1-0,2 атм. Техническим результатом данного изобретения является улучшение качества покрытия и поверхностного слоя изделий. 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области химикотермической обработки металлических изделий, более конкретно стального проката, 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 стальной уголок или швеллер, работающие при воздействии изгибных деформаций, 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. Отчет 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 150-200⁰ С 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 стального проката в интервале температур 400-600^oС, включающим укладку изделий в контейнер с последующей загрузкой в печь. В отличие от известных способ осуществляют в условиях ступенчатого, преимущественно четырехэтапного понижения температуры процесса в указанном интервале при наличии избыточного давления в контейнере.

Поставленная задача решается также если: - для осуществления способа используют четыре печи, нагретые до температур соответственно: T₁=450^oС, Т₂=500^oС, Т₃=550^oС, Т₄=580^oС; - внутри контейнера поддерживают избыточное давление 0,1÷0,2 атм.

Поставленная задача решается за счет сочетания исходных свойств материала и режимов термодиффузионного цинкования. Материал проката, полученного в результате значительной деформации, имеет мелкозернистую структуру. Сочетание: мелкозернистая структура, малые скорости деформации порядка 10^-2-10^-3, обусловленные малыми усилиями (≈0,2 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 уголков в контейнер; - загрузка порошка в контейнер; - термодиффузионное цинкование; - выгрузка порошка из контейнера; - выгрузка уголков из контейнера и очистка уголков от остатка порошка.

1. Загрузка уголков в контейнер.

1.1. Загрузку уголков производят на линии загрузки уголков. При этом используют оборудование: - транспортер для загрузки уголков в оснастку; - транспортер для загрузки оснастки с уголками в контейнер;
- ложемент для установки контейнера;
- лебедка для затягивания оснастки в контейнер.

1.2. Перед загрузкой контейнер предварительно должен быть спрессован сжатым воздухом при давлении 2÷3 атм. Все выявленные утечки по всей длине контейнера, в местах сварки и механической обработки, должны быть устранены. Обратить внимание при опрессовке на сварные части деталей крышек контейнера. Внутренняя часть контейнера должна быть сухой, чистой и при необходимости продута сжатым воздухом.

1.3. С помощью крана и грузовой траверсы контейнер устанавливают на ложемент линии загрузки уголков.

1.4. С помощью крана на транспортер устанавливают оснастку для загрузки уголка таким образом, чтобы поперечные кольца оснастки легли на ролики, расположенные на тележках транспортера.

1.5. Установленную на ролики оснастку фиксируют замками таким образом, чтобы заводимый в нее уголок по профилю совпал с профилем отверстия в оснастке.

1.6. На транспортер для загрузки уголков устанавливают уголок.

1.7. Включают транспортер и заводят уголок в оснастку.

1.8. Уголки с оснасткой при помощи транспортера загружают в контейнер. При необходимости оснастку дополнительно затягивают в контейнер при помощи лебедки.

1.9. Уголки с полкой 160-180 мм заводят непосредственно в контейнер, в этом случае контейнер устанавливают непосредственно на ролики транспортера загрузки оснастки.

1.10. Загруженный контейнер с помощью крана перемещают на линию загрузки и выгрузки порошка и устанавливают на рольганги для загрузки порошком.

2. Загрузка порошка в контейнер.

2.1. Загрузка насыщающей смеси (порошка) производится на линии загрузки-выгрузки порошка. Оборудование линии:
- наклонный рольганг для выгрузки порошка;
- бункер просеиватель;
- загрузочно-разгрузочный бункер (з/р бункер);
- рольганг для выравнивания порошка в контейнере;
- вакуумный водокольцевой насос;
- ложемент.

2.2. Контейнер с уголками устанавливают на рольганг для выравнивания порошка.

2.3. Один конец контейнера закрывают технологической крышкой с прокладкой, на другой конец контейнера надевают крышку, которая при помощи гибкого резинового шланга соединяет контейнер с з/р бункером. На технологической крышке отвинчивается заглушка, закрывающая штуцер для откачки воздуха. Контейнер для загрузки порошка готов.

2.4. Масса загружаемого порошка в контейнер:
длиной 9 м 200÷300 кг,
длиной 12 м 250÷400 кг.

2.5. Постепенно открывая кран для подачи сжатого воздуха, доводят давление в з/р бункере до 3 атм по показанию мановакууметра. Масса загрузки з/р бункера - 300 кг.

2.6. Отсоединить з/р бункер от контейнера, сняв крышку с резиновым рукавом.

2.7. Закрыть контейнер со стороны з/р бункера технологической крышкой с прокладкой.

3. Термодиффузионное цинкование.

3.1. Процесс термодиффузионного цинкования уголков осуществляют на линии термодиффузионного цинкования. Оборудование линии:
термические печи 1, 2, 3, 4;
- подающий рольганг;
- приемный рольганг;
- вакуумный насос;
- газораспределительная система;
- ложемент;
- баллоны с аргоном.

3.2. Процесс термодиффузионного цинкования уголков состоит из следующих этапов:
- откачка из контейнера воздуха и заполнение его аргоном;
- термодиффузионное цинкование и поддержание избыточного давления аргона в контейнере.

3.3. Контейнер с уголками и порошком устанавливают на ложемент для откачки из него воздуха и закачки аргона.

3.4. Откачку из контейнера воздуха и заполнение его аргоном осуществляют следующим образом:
- отворачивают заглушку штуцера подачи аргона и подсоединяют шланг с ответной частью штуцера для подачи аргона из баллона;
- отворачивают заглушку со штуцера для откачки воздуха из контейнера и подсоединяют шланг вакуумного насоса.

3.5. Когда вакуум в контейнере достигнет значения Р=(-0,8атм) - (-0,9 атм) по мановакуумметру, начинают процесс заполнения контейнера аргоном. Заполнение аргоном проводят до появления избыточного давления Р=0,2÷0,3 атм.

3.6. После заполнения контейнера аргоном контейнер перемещают на подающий рольганг линии термодиффузионного цинкования и далее по подающему рольгангу подают в рабочую зону печей 1, 2, 3, 4 со скоростью 9÷10 м/ч.

3.7. При перемещении контейнера с задней крышки осуществляют подачу аргона для поддержания избыточного давления в контейнере в пределах 0,2÷0,3 атм.

3.8. Печи 1, 2, 3, 4 должны быть на момент подачи в них контейнера прогреты в течение 1,5-2 часов соответственно до следующих температур (T₁= 450^oC, T₂=500^oC, Т₃=550^oС, Т₄=580^oС).

3.9. Во время прохождения контейнера по прогретой зоне печей 1, 2, 3, 4 внутри контейнера поддерживают рабочее избыточное давление аргона 0,2÷0,6атм, которое контролируют по мановакуумметру на газораспределительной системе.

3.10. После выхода контейнера из печей охлаждают контейнер до температуры окружающей среды.

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 стального проката в интервале температур 400-600^oС, включающий укладку уголков в контейнер с последующей загрузкой их в печь, отличающийся тем, что способ осуществляют в условиях ступенчатого, преимущественно четырехэтапного, понижения температуры процесса в указанном интервале, при наличии избыточного давления в контейнере.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют четыре печи, нагретые до температур соответственно: T₁=450^oС, Т₂=500^oС, Т₃=550^oС, Т₄=580^oС.

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