Порошковые смеси для термодиффузионного цинкования используются в качестве насыщающей среды при формировании защитного слоя на матричной основе изделия. Основным компонентом насыщающей композиции является цинковый порошок или пусеьру (цинковая пыль). В зависимости от метода нанесения поверхностного слоя:
• в стационарной камере (печи),
• в приспособлении с вращающейся ретортой,
используется различный композиционный состав порошковых смесей для диффузионного цинкования.
При нанесении покрытия в стационарных печах в качестве насыщающей среды может применяться:
1) цинковый порошок с массовым содержанием Zn до 100%,
2) цинковая смесь с содержанием:
• Zn — 75 ÷ 89%,
• ZnO (оксида цинка) и примесей — 25 ÷ 11%.
Метод термодиффузионной обработки в печах стационарного типа относительно прост и экономически выгоден, т.к. чаще всего порошок цинка, используемый в технологическом процессе, является побочным отходом производственной операции (дистилляции цинка) при извлечении Zn из руды (огневой способ обработки).
В печах с вращающимся рабочим пространством приоритетно используются композиционные порошкообразные смеси.
Виды порошковых смесей для диффузионного цинкования
Для улучшения процесса химико-термической обработки стальных и чугунных изделий и получения цинкового слоя с заданными технологическими характеристиками в производстве используют два вида порошковых, цинковых смесей:
1) композиционный состав из цинкового порошка (пыли) и активирующих элементов:
• аммония хлористого,
• аммония йодистого,
• цинка хлористого,
2) смесь цинкового порошка (пусеьра) с добавлением инертных, стимулирующих материалов:
• шамота,
• кварцевого (речного) песка,
• оксида алюминия.
Порошковые смеси для термодиффузионного цинкования с активаторами
Хлористый аммоний (хлористый цинк) вводится в смесь для цинкования в объеме 1÷2% от общей массы композиционного состава. Хлористый цинк добавляется в порошковую смесь
• в готовом виде,
• путем обработки цинкового порошка соляной кислотой.
Диффузионная смесь перед непосредственным применением сначала подвергается интенсивному перемешиванию, затем, полученный порошок тщательно просушивается в специальных герметичных приспособлениях (без доступа воздуха, при температурном режиме до 400°C).
Термодиффузионное цинкование в порошковых смесях при наличии активирующих элементов протекает в температурном диапазоне от 300 до 400°C. Процесс химико-термической обработки при t= 360°C характеризуется
• малой толщиной цинкового слоя,
• серебристым цветом готового покрытия,
• хорошими показателями пластичности сформированного слоя.
Увеличение температуры диффузионного цинкования (до 420 градусов) приводит к
• росту толщины цинкового слоя,
• образованию светло-серого покрытия, имеющего гладкую поверхность,
• ухудшению параметров пластичности, увеличению хрупкости.
Химико-термическая обработка при температурном режиме выше 420 градусов стимулирует
• образование толстого, шероховатого цинкового покрытия,
• процесс частичного оплавления порошковой композиции и цинковой составляющей (могут образовываться на обрабатываемом изделии наплывы большой толщины).
Цинковые диффузионные смеси с инертными материалами
Чтобы получить толстое цинковое покрытие с хорошими технологическими свойствами, в порошковую смесь для термодиффузионного цинкования вводят инертные материалы. Это позволяет производить химико-термическую обработку при температурном режиме выше точки плавления цинка (t_(пл.Zn) = 419,4°C), препятствуя спеканию цинковой смеси и образованию наплывов на готовом изделии.
Инертные добавки в диффузионной смеси цинкования составляют от 25 до 90% от общей массы композиции. Готовое изделие после обработки имеет гладкое, сплошное, светло-серое цинковое покрытие. Увеличение содержания в порошковой смеси инертного материала может привести к уменьшению толщины цинкового слоя и формированию крупно кристаллической микроструктуры покрытия.
Зернистость композиционных материалов в цинковой смеси
Эффективность процесса цинкования определяется размерами зерен составляющих компонентов порошковой смеси. Этот фактор является приоритетным при химико-термической обработке в стационарных, неподвижных печах. Для получения однородного по толщине и качественному составу покрытия порошковая взвесь в рабочем пространстве печи должна быть равномерна распределена. Чтобы достичь такого распыления, консистенция (размер зерен) рабочего порошка должна быть одинакова.
На основании практических результатов, цинковое покрытие с хорошими технологическими характеристиками получается при использовании диффузионного порошка с размером зерен от 0,15 до 0,2 мм. Увеличение зернистости насыщающей смеси приводит к
• росту толщины цинкового слоя,
• ухудшению пластичности,
• увеличению шероховатости.
Оптимальные размеры зернистости композиционных материалов подбирают, учитывая их плотности и концентрацию в рабочем пространстве.
Приготовление порошкового состава для диффузионного цинкования
1. Тщательно просушить цинковый порошок (пыль). Сушка производится в специальных приспособлениях (контейнерах) при t = 300 ÷ 400°C, время выдержки до 3 часов.
2. Инертный композиционный материал прокаливают при t = 600 ÷ 800°C, время выдержки – 2 часа.
3. Составляющие компоненты тщательно перемешиваются. Порошковая смесь готова к употреблению.
Хранение готовой цинковой композиции осуществляется в металлических, герметических емкостях. Допустимый процент влажности порошковой смеси – 1%.
Повторное использование порошковых смесей для термодиффузионного цинкования
Цинковые смеси после термодиффузионного цинкования можно использовать повторно. Однако следует учитывать, что каждое последующее применение приводит к уменьшению содержания цинковой составляющей, т. к.
• цинк расходуется на формирование цинкового слоя,
• цинк окисляется в процессе химико-термической обработки.
При повторном использовании насыщающей смеси увеличивается коэффициент жаростойкости рабочей цинковой композиции, что способствует
• увеличению температурного режима обработки,
• формированию толстых цинковых слоев,
• затруднению процесса оплавления и спекания порошковой рабочей смеси.
Для восстановления содержания цинковой составляющей в композициях для термодиффузионного цинкования и поддержания изначальной активности химико-термического процесса рабочая смесь периодически подвергается корректировке: цинковый порошок вводится в объеме 5 ÷10% от общей массы и тщательно перемешивается.
Показатель окисляемости цинка в порошковых смесях, содержащих активаторы, выше, чем в порошках, содержащих добавки инертных материалов, согласно приведенному рисунку. Это объясняет причину более длительного эксплуатационного периода порошковых смесей для термодиффузионного цинкования с инертными компонентами, чем с активаторами.