Парофазное термодиффузионное цинкование — сложный комплекс химико-физических процессов. Формирование поверхностного слоя происходит в результате диффундирования насыщаемого элемента (цинка) в металлическую матрицу изделия посредством паровой фазы. При парофазном термодиффузионном цинковании порошок цинка переходит в парообразное состояние в результате высокотемпературного нагрева.
Чем выше температура паровой фазы цинка, тем интенсивнее давление паров и возможность внедрения атомов цинка в межкристаллическую решетку обрабатываемого изделия.
Способы парофазного термодиффузионного цинкования
Парофазное диффузионное цинкование (насыщение) может происходить двумя способами:
• контактным,
• неконтактным.
Контактное парофазное термодиффузионное цинкование протекает в зоне непосредственной близости (зоне контакта) элемента внедрения-насыщения (цинкового порошка) с обрабатываемой стальной поверхностью детали.
Неконтактный способ цинкового насыщения происходит в бесконтактном рабочем пространстве, где обрабатываемая деталь находится на определенном расстоянии от диффундирующего элемента. Данная технология позволяет получить наиболее качественное защитное покрытие. Глубина цинкового внедрения значительно ниже, чем при контактной технологии, однако технологические характеристики – выше.
Парофазное термодиффузионное цинкование. Структура цинкового покрытия
Микроструктура слоя после парофазного диффузионного насыщения резко отличается от строения покрытия после любого другого вида цинкования. В результате термодиффузионной обработки защитное покрытие представляет собой сплав из элементов насыщения (цинка) и матричной основы (железа). По глубине железоцинковый слой неоднороден, концентрация цинковой составляющей по мере внедрения в стальную поверхность уменьшается, что определяет изменение микроструктуры.
Состав диффузионных слоев, формирующихся в процессе термодиффузионного цинкования, можно определить исходя из диаграммы состояния железо – цинк по линии температурной обработки. Промежуточные фазы, согласно диаграмме Fe – Zn, могут отсутствовать в микроструктуре полученного слоя, т. к. их окончательное превращение происходит при медленном охлаждении от температуры насыщения (623°C) до комнатной температуры.
Стандартный температурный режим парофазного термодиффузионного цинкования находится в диапазоне от 450 до 500°C. Основными фазами, формирующими микроструктуру цинкового слоя, в этом диапазоне температур являются
• α-фаза,
• Г-фаза,
• δ_1-фаза.
α-фаза — зона перехода от стальной матричной основы к слою формирования покрытия. Эта область представляет собой твердый раствор Zn в цинковом феррите (α-железе). Концентрация цинка в этой зоне ~ 10%, при t = 20°C ~ 6%. Цинковый феррит на микрошлифах проявляется в виде осветленного прямого участка в микроструктуре металлической матрицы.
Г-фаза начинает зарождаться в α-зоне и представляет собой мелкодисперсные включения, которые обнаруживаются лишь при охлаждении сформированного цинкового слоя до 20°C. За счет дисперсионного затвердевания Г-фазные вкрапления увеличивают микротвердость α-фазы.
Содержание цинковой составляющей в Г-фазе ~ 28%. Эта межфазовая область определяется как зона интерметаллического соединения, граничащая с одной стороны с α-фазой твердого раствора Zn в Fe, с другой стороны с областью δ_1-фазы. Зона, ярко выраженная, и хорошо просматривается на исследуемом шлифе под микроскопом.
δ_1-фаза – интерметаллическое соединение Fe и Zn, содержание цинка в этой зоне находится в диапазоне от 88,5 до 93%. Высокая твердость микрослоя – 500 кГ/мм2 не сказывается на параметре пластичности. δ_1-фаза имеет столбчатое строение микроструктуры.
ᵹ-фазу можно обнаружить в микроструктуре железоцинкового сплава при высокой концентрации цинкового ингридиента в нем (около 94%). Микротвердость фазы – 270кГ/мм2. Она хрупкая. Строение микрослоя моноклинное.
ƞ-фаза в сформированном покрытии после парофазного термодиффузионного цинкования определяется незначительным объемом. Эта фаза четко определяется в цинковом слое после процесса горячего цинкования.
• от технологии образования межфазных областей,
• возникновения фазовых зон в определенной последовательности,
• приоритетного развития отдельных структурных составляющих.
Парофазное термодиффузионное цинкование. Механизм образования фазовых зон
Нагрев рабочей зоны, где находятся в контакте обрабатываемые детали и железо-цинковый порошок, до 300°C стимулирует активность цинковых атомов. Атомы внедряются в кристаллическую решетку матрицы, образуя твердый раствор Zn в цинковом феррите (α-Fe). Повышение температуры приводит к возникновению встречной диффузии − α-фаза перенасыщается цинковым ингредиентом.
В результате флуктуации начинает формироваться
• со стороны матричной основы − Г-фаза,
• со стороны парообразной порошковой смеси – ƞ-фаза (твердый раствор Fe в Zn).
Повышение температурного режима приводит к формированию железо-цинковых фаз (δ_1 и ᵹ), которые образуются вследствие флуктуации.
Готовое цинковое покрытие после парофазной термодиффузионной обработки состоит из образовавшихся железо- цинковых фаз, которые четко соответствуют однофазным зонам диаграммы состояния Fe−Zn.