Способ получения защитных покрытий
Изобретение относится к антикоррозионной обработке, к частности к термодиффузионному цинкованию изделий из ферромагнитных материалов, и может быть использовано в любой отрасли машиностроения и в других отраслях промышленности, где требуется защита металлических изделий от коррозии и старения. Осуществляют загрузку изделий в индуктор нагревательной установки, затем проводят нагрев и выдержку изделий, контактирующих с насыщающей цинксодержащей смесью до образования термодиффузионного цинкового покрытия требуемой толщины, а также последующую выгрузку и охлаждение оцинкованных изделий. В качестве насыщающей смеси используют цинксодержащую суспензию на полимерной основе при следующем содержании компонентов в мас.%: порошок цинка - 17-95, летучие вещества - 3-1 и раствор полимерного связующего - остальное, которую в количестве 0,5-3,0% от массы цинкуемых изделий предварительно наносят на поверхность изделий ровным слоем, затем после отверждения полимера изделия загружают в металлическую емкость, предварительно размещенную внутри индуктора нагревательной установки и разогретую до температуры, превышающей 250°С. Затем осуществляют нагрев изделий вихревыми токами до температуры 350-600°С и выдерживают в индукторе не более 30 мин. После этого изделия выгружают из индуктора. Обеспечивается создание высококачественных покрытий на массивных крупногабаритных изделиях. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к антикоррозионной обработке, в частности к термодиффузионному цинкованию изделий из ферромагнитных материалов, и может быть использовано в любой отрасли машиностроения и в других отраслях промышленности, где требуется защита металлических изделий от коррозии и старения.
Среди известных методов антикоррозионной защиты металлических изделий термодиффузионное цинкование представляет наибольший интерес, поскольку позволяет получить качественное покрытие при обеспечении экологической безопасности производства. Известные способы термодиффузионного цинкования различаются по составу применяемой насыщающей смеси, методу нагрева изделий, температурному и временному режимам процесса цинкования и технической реализации.
Известен способ получения цинковых покрытий, описанный в патенте РФ №2174159, кл. С23С 10/36, 27.09.2001. По указанному способу нанесения цинкового покрытия путем термодиффузионного цинкования производят загрузку изделий в реторту поворотной электрической печи, засыпку насыщающей смеси, содержащей 80-90% цинка, причем для формирования цинкового покрытия толщиной 1 мкм засыпная масса насыщающей смеси составляет 7,8-8,2 г на 1 м2, герметизацию реторты, нагрев ее до заданной температуры, выдержку при этой температуре, непрерывный сброс избыточного давления в реторте в течение всего времени процесса цинкования, выгрузку изделий из реторты, их мойку и пассивацию.
К недостаткам известного способа относится его низкая эффективность, связанная с большой продолжительностью цикла цинкования каждой партии деталей, со значительным расходованием цинка и с непроизводительными затратами времени и электроэнергии. Кроме того, он не обеспечивает качества покрытий при обработке крупноразмерных изделий, что связано с неравномерностью распределения порошка насыщающей смеси по всей их поверхности.
Известен также способ диффузионного покрытия цинком поверхности металлических изделий (WO №2010086151 (А), С23С 10/0, 05.08 2010), включающий нанесение на поверхность изделий суспензии, содержащей порошок цинка и/или цинкового сплава и жидкость, в состав которой входят связующие вещества, в качестве которых используют неорганические соли (сульфаты и хлориды цинка, хлорид натрия), смачивающие вещества (спирты), диспергаторы и воду. После сушки полученного на поверхности изделий продукте производят термообработку изделий при температуре от 200 до 500°С. Связующие вещества не принимают участия в термодиффузии, остаются стабильными при температуре 250-500°С и смываются водой после термической обработки. Термообработку проводят в атмосфере защитного (инертного) газа или в вакууме, что требует применения герметически закрытых сосудов, системы обеспечения вакуума и снабжения инертным газом. Использование галогенидов, особенно хлоридов цинка, приводит к интенсивной коррозии изделий и оборудования на этапах сушки и термообработки. Свеженанесенное влажное покрытие является крайне непрочным, что требует дополнительного специального оборудования для подвешивания изделий при их сушке и ведет к удорожанию процесса. Сухое покрытие также является непрочным и требует применения подвесов в процессе термообработки. В связи с этим известный способ является непригодным для цинкования крупногабаритных изделий массой более 100 кг.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является известный по патенту РФ №2424351, кл. С23С 10/36, 20.07.2011 способ термодиффузионного цинкования изделий из ферромагнитных материалов, включающий загрузку изделий в реторту индукционной нагревательной установки, равномерную засыпку в реторту насыщающей цинксодержащей смеси в количестве 8-16% от массы цинкуемых изделий, при следующем содержании компонентов в % (мас.): порошка цинка - 20-25 и глинозема - 75-80, герметизацию реторты, размещение ее внутри индуктора нагревательной установки и нагрев вихревыми токами при вращении реторты до температуры 300-400°С, а также выдержку реторты с изделиями внутри нагревательной установки в течение периода времени, необходимого для образования требуемой толщины покрытия, для чего осуществляют от одного до восьми колебаний температуры изделий в зоне температуры магнитных превращений материалов, приводящих к магнитострикционным эффектам, путем попеременного охлаждения и нагрева реторты до указанной температуры за счет отключения и включения индуктора, при этом в процессе цинкования осуществляют непрерывный сброс избыточного давления в реторте, последующее извлечение реторты из индуктора и ее принудительное охлаждение до температуры, не превышающей 250°С, при ее вращении на технологическом столе, а также выгрузку изделий из реторты.
Однако в процессе нанесения покрытий на крупноразмерные изделия, обладающие массой более 100 кг и превышающие по длине 2 м, известным способом проявляется ряд недостатков. При вращении реторты, загруженной массивными изделиями, имеющими нецилиндрическую форму, происходят их соударения, приводящие к образованию сколов, насечек и других повреждений поверхности, что не позволяет обеспечить качество покрытий и требует повышенного расхода цинкового порошка и потребления электроэнергии. Кроме того, при нанесении покрытий на такие изделия возникают трудности реализации известного способа, связанные с использованием цинксодержащих порошковых смесей, обусловленные высокой трудоемкостью процессов засыпки и распределения порошковой насыщающей смеси, а также с применением вращающейся реторты, испытывающей большие ударные механические нагрузки при вращении и перемещении изделий внутри нее.
Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в устранении указанных недостатков, а также в создании высококачественных защитных покрытий на массивных и крупногабаритных изделиях путем формирования интерметаллидных слоев.
Технический результат достигается за счет того, что в известный способ получения защитных покрытий на изделиях из ферромагнитных материалов путем термодиффузионного цинкования, включающий загрузку изделий в индуктор нагревательной установки, нагрев и выдержку изделий, контактирующих с насыщающей цинксодержащей смесью, в течение периода времени, необходимого для образования термодиффузионного цинкового покрытия требуемой толщины, а также последующую выгрузку и охлаждение оцинкованных изделий, внесены изменения и дополнения. Так, перед загрузкой изделий в индуктор на их поверхности формируют слой насыщающей смеси, в качестве которой используют цинксодержащую суспензию на полимерной основе при следующем содержании компонентов в % (мас.): порошок цинка - 17-95, летучие вещества 3-1 и раствор высокомолекулярного термопластичного полимерного связующего - остальное. Насыщающую суспензию в количестве 0,5-3,0% от массы цинкуемых изделий предварительно наносят на поверхность изделий ровным слоем. После отверждения полимера изделия загружают в металлическую емкость, предварительно размещенную внутри индуктора нагревательной установки и разогретую до температуры, превышающей 250°С. Затем осуществляют нагрев изделий вихревыми токами до температуры 350-600°С и выдерживают в индукторе не долее 30 минут, затем изделия выгружают из индуктора.
Изделия, выдерживаемые в индукторе после нагрева, подвергают термоциклированию путем по крайней мере однократного возвратно-поступательного перемещения за пределы индуктора до остывания на 20-30°С.
После охлаждения изделий, извлеченных из индуктора, их орошают водой, формируя защитную пленку над слоем образованного интерметаллида.
В результате формирования слоя насыщающей смеси на поверхности изделия из ферромагнитного материала путем предварительного нанесения цинксодержащей суспензии на полимерной основе и отверждения полимера на поверхности цинкуемого изделия образуется полимерная пленка, в которой происходит осаждение частиц цинка с усилением их концентрации в слое, непосредственно прилегающем к поверхности изделия. При помещении такого изделия внутрь индуктора и нагревании вихревыми токами происходит преимущественно нагрев его поверхности до температуры от 350 до 600°С. В то же время температура прилегающего к поверхности изделия слоя полимерной пленки с частичками цинка достигает в десятки раз меньших значений, поскольку полимер имеет несравнимо меньшую магнитную проницаемость, чем металл изделия. В процессе выдержки изделий в индукторе нагревательной установки за счет теплопередачи с поверхности изделия происходит постепенный нагрев прилегающего к ней слоя полимерной пленки с частичками цинка и начинаются процессы деструкции полимера. В результате возрастает осаждение частичек цинка. При этом активные частички цинка адсорбируют на поверхность металла, происходит их диффузия во внутренние слои изделия и формирование интерметаллидных слоев. Размещение изделий в предварительно нагретой металлической емкости, изготавливаемой из стали аустенитного класса, приводит к уменьшению вязкости полимера и к усилению процесса осаждения частичек цинка. Процесс заканчивают при достижении температурой прилегающего к поверхности изделия слоя полимерной пленки значений, близких к температуре полной деструкции полимера, но не превышающих ее. По завершении процесса формирования требуемой толщины покрытия изделия извлекают из индуктора. Таким образом, происходит формирование равномерного по всей поверхности металла интерметалидного слоя требуемой толщины в качестве защитного покрытия изделия. Полученное защитное покрытие обладает высокой коррозионной стойкостью, а также высокой ударной вязкостью и износостойкостью.
Заявляемое техническое решение обладает новизной, так как при проведении поиска по источникам патентной и научно-технической информации заявителем не выявлены технические решения, аналогичные предлагаемому изобретению.
Введены новые существенные признаки, а именно:
формирование равномерного слоя насыщающей смеси на поверхности изделия путем предварительного нанесения используемой в качестве насыщающей смеси цинксодержащей суспензии на полимерной основе при следующем содержании компонентов в % (мас.): порошок цинка - 17-95, летучие вещества - 3-1 и раствор полимерного связующего - остальное, которую в количестве 0,5-3,0% от массы цинкуемых изделий предварительно наносят на поверхность изделий ровным слоем,
после отверждения полимера изделия загружают в металлическую емкость, предварительно размещенную внутри индуктора нагревательной установки и разогретую до температуры, превышающей 250°С, после чего осуществляют их нагрев вихревыми токами до температуры 350-600°С и выдерживают в индукторе не долее 30 минут, затем изделия выгружают,
изделия, выдерживаемые в индукторе после нагрева, подвергают термоциклированию путем по крайней мере однократного возвратно-поступательного перемещения за пределы индуктора до остывания на 20-30°С,
после охлаждения изделий, извлеченных из индуктора, их орошают водой, формируя защитную пленку над слоем образованного на поверхности интерметаллида,
благодаря которым совокупность всех существенных признаков обеспечивает достижение нового технического результата, проявляющегося в формировании равномерного по всей поверхности массивного крупногабаритного изделия интерметаллидного слоя требуемой толщины, служащего высококачественным защитным покрытием изделия. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый способ получения защитных покрытий применим в машиностроении и других отраслях промышленности, обеспечивается несложными и надежными в работе оборудованием и средствами управления., не требующими больших материальных затрат. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость».
Конкретным примером реализации предлагаемого изобретения служит процесс получения защитного покрытия на крупноразмерных изделиях из ферромагнитного материала - шпунтовых сваях (шпунт Ларсена), предназначенных для строительства гидротехнических или иных сооружений. На цинкование поступила партия свай в количестве 10 штук, длиной 24 м и массой 1,2 т каждая, материал - углеродистая спокойная сталь класса прочности С255 с химическим составом по ГОСТ 27772-88. Приготовлено 360 кг суспензии цинка в растворе высокомолекулярного термопластичного полимера следующего состава: порошок цинка - 342 кг, полистирол - 10,8 кг и в качестве летучего вещества ксилол - 7,2 кг. На предварительно очищенную от окалины и продуктов коррозии поверхность свай приготовленную цинксодержащую суспензию наносят ровным слоем одним из известных способов, например, методом безвоздушного распыления и сушат до отверждения полимера. Металлическую емкость, изготовленную из стали аустенитного класса, например, ст.0,8Х18Н10, нагревают в индукторе до 250°С, и с помощью транспортного конвейера в ней размещают подготовленную партию свай, закрывая с двух сторон крышками, оснащенными гидрозатворами. Затем включают индуктор и вихревыми токами нагревают металл свай до температуры 600°С, по достижении которой индуктор отключают и выдерживают в нем изделия в течение 30 минут до образования требуемой толщины покрытия. При этом изделия подвергают термоциклированию путем перемещения свай за пределы емкости. В данном случае осуществляют двухкратное выдвижение конвейера со сваями из емкости до остывания их поверхности на 30°С с последующим возвратом в емкость, находящуюся в индукторе. Затем сваи выгружают из индуктора и охлаждают. Таким образом, получено защитное покрытие равномерное по всей поверхности крупногабаритных массивных изделий. Полученное покрытие обладает высокой коррозионной стойкостью и износостойкостью. Качество защитного покрытия подтверждено лабораторными металлографическими исследованиями.
1. Способ получения защитных покрытий на изделиях из ферромагнитных материалов путем термодиффузионного цинкования, включающий загрузку изделий в индуктор нагревательной установки, нагрев и выдержку изделий, контактирующих с насыщающей цинксодержащей смесью до образования термодиффузионного цинкового покрытия требуемой толщины, а также последующую выгрузку и охлаждение оцинкованных изделий, отличающийся тем, что в качестве насыщающей смеси используют цинксодержащую суспензию на полимерной основе при следующем содержании компонентов в мас.%: порошок цинка - 17-95, летучие вещества - 3-1 и раствор полимерного связующего - остальное, которую в количестве 0,5-3,0% от массы цинкуемых изделий предварительно наносят на поверхность изделий ровным слоем, затем после отверждения полимера изделия загружают в металлическую емкость, предварительно размещенную внутри индуктора нагревательной установки и разогретую до температуры, превышающей 250°С, после чего осуществляют их нагрев вихревыми токами до температуры 350-600°С и выдерживают в индукторе не более 30 мин, затем изделия выгружают из индуктора.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изделия, выдерживаемые в индукторе после нагрева, подвергают термоциклированию путем их по крайней мере однократного возвратно-поступательного перемещения за пределы индуктора до остывания на 20-30°С.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после охлаждения изделий, извлеченных из индуктора, их орошают водой для формирования защитной пленки над слоем образованного интерметаллида.
