ТЕРМОДИФФУЗИОННОЕ ЦИНКОВОЕ ПОКРЫТИЕ
THERMODIFFUSION ZINC COATING

Изобретение относится к области защитных металлических покрытий, а именно цинковых покрытий на поверхности стальных изделий, выполненных в порошковых смесях термодиффузионным методом, и может быть использовано в различных отраслях промышленности: строительстве, машиностроении, нефтедобывающей, судостроении и других отраслях.
В качестве наиболее близкого аналога заявленного покрытия заявителем принято термодиффузионное цинковое покрытие на поверхности стального изделия, содержащее последовательно расположенные слои альфа-, гамма- и дельта-фаз (см. Проскуркин Е. Защитные цинковые покрытия: сопоставительный анализ свойств, рациональные области применения. Оборудование, №3, 2005, с.67-75).
Альфа-фаза является переходной фазой от основного металла к слою покрытия с растворимостью в ней цинка до 4,5 вес.%.
Гамма-фаза находится непосредственно на поверхности покрываемого изделия и представляет собой тонкий (2-4 мкм) слой интерметаллического соединения с содержанием в нем железа до 28 вес.%.
Дельта-фаза также является слоем интерметаллического соединения с содержанием в нем железа от 7 до 11,5 вес.%. Структура дельта-фазы (на травленном шлифе) может иметь вид вытянутых (столбчатых) кристаллов.
Термодиффузионное цинковое покрытие имеет прочную (диффузионную) связь с металлом изделия вследствие диффузии цинка в металл. А постепенное изменение концентрации цинка по толщине покрытия обуславливает менее резкое изменение его свойств, что благоприятно влияет на механические, технологические и защитные свойства покрытия. Высокая твердость термодиффузионного цинкового покрытия обеспечивает им достаточно высокую износостойкость.
Однако коррозионная стойкость стальных изделий (даже с термодиффузионным цинковым покрытие), подвергшихся атмосферной коррозии, остается важной проблемой в различных отраслях промышленности: строительстве, машиностроении, нефтедобывающей, судостроении и других отраслях.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение коррозионной стойкости термодиффузионного цинкового покрытия и стальных изделий в целом за счет структурных изменений, происходящих в его поверхностном слое.
Поставленный технический результат изобретения достигается за счет того, что известное термодиффузионное цинковое покрытие на поверхности стального изделия, содержащее последовательно расположенные слои альфа-, гамма- и дельта-фаз, согласно изобретению, оно дополнительно содержит на поверхности слоя дельта-фазы железоцинковый слой толщиной от 1 мкм до 20 мкм с орторомбической структурой и с содержанием железа 5-7 вес.%.
Предлагаемое изобретение обеспечивает повышение коррозионной стойкости термодиффузионного цинкового покрытия и стальных изделий в целом за счет структурных изменений в поверхностном слое. Благодаря метастабильности орторомбической фазы, происходит ее быстрое окисление с образованием пассивной пленки, которая существенно уменьшает скорость коррозии.
Проведенные патентные исследования не выявили сходных технических решений, что позволяет сделать вывод о новизне и изобретательском уровне заявляемого технического решения.
Отечественная промышленность располагает всеми средствами (материалами, оборудованием и технологиями), необходимыми для широкого использования предлагаемого изобретения для термодиффузионного цинкового покрытия на поверхности стальных изделий, находящихся в особо жестких условиях эксплуатации и подвергающихся атмосферной коррозии, например, в строительстве и машиностроении, в нефтедобывающей отрасли и судостроении.
Сущность заявляемого изобретения поясняется проведенными испытаниями, результаты которых представлены в таблице.
Для проведения испытаний были изготовлены образцы с предлагаемым термодиффузионным цинковым покрытием поверхности слоя дельта-фазы: железоцинковый слой толщиной от 1 мкм до 20 мкм с орторомбической структурой и с содержанием железа 5-7 вес.%.
Термодиффузионное цинковое покрытие выполняли на образцах из стали 20. Способ нанесения термодиффузионного цинкового покрытия на стальные образцы включал нагрев и выдержку вращаемого контейнера - рабочей камеры (реторты), предварительно загруженного стальными образцами и модифицированным порошком цинка.
Для получения предлагаемого термодиффузионного цинкового покрытия на поверхности стальных образцов был использован модифицированный порошок цинка по патенту RU №2170643 с содержанием цинка до 99 мас.%, имеющий поверхностную пленку из частиц оксида цинка мелкозернистой структуры. Фракционный состав модифицированного порошка цинка находился в пределах 20-90 мкм, а размер частиц активного оксида цинка в поверхностной пленке составляет от 0,03 до 0,1 мкм.
Термодиффузионное цинкование проводилось в вакууме с остаточным давлением 0,1-0,2 атм.
Диаметр рабочей камеры (реторты) 300 мм, длина - 1000 мм.
Образцы имели диаметр 30 мм, толщину 4 мм. Общий вес образцов 20 кг.
Термодиффузионное цинкование проводилось при температуре 440°C в течение 60-90 мин с выходом на заданный режим.
Получаемую толщину железоцинкового слоя с орторомбической структурой на образцах регулировали путем изменения количества модифицированного порошка цинка (от 10 до 50 кг) и скорости вращения рабочей камеры (реторты) (от 2 до 8 об/мин).
Толщину железоцинкового слоя с орторомбической структурой получили в предлагаемом диапазоне от 1 до 20 мкм. Был изготовлен для испытания образец (№1) с толщиной железоцинкового слоя с орторомбической структурой 0,5 мкм, т.е. менее 1 мкм.
Для сравнения результатов испытаний образцов с предлагаемым покрытием был изготовлен образец (№7) с покрытием, выполненным с использованием порошка для термодиффузионного цинкования стальных изделий по патенту №2016139, содержащего парооксидированный порошок цинка и магний (при соотношении компонентов, мас.%: парооксидированный порошок цинка 80-96, магний 4-20).
Результаты испытания образцов №1-7 приведены в таблице. В таблице приведены средние стационарные скорости коррозии образцов изделий с термодиффузионным цинковым покрытием различного фазового состава в 3% растворе NaCl.
Скорость коррозии определялась согласно ГОСТ 9.908-85 (СТ СЭВ 4815-84).
Таблица
№ образцов испытаний
Толщина слоя орторомбической фазы, мкм
Средняя скорость коррозии, мкм/год
Образцы с предлагаемым термодиффузионным покрытием
1
0,5
13,60
2
1
9,0
3
3
8,8
4
5
8,0
5
10
7,0
6
20
7,0
7 - Образец, использующий для покрытия порошок по патенту №2016139
0
15,0
Содержание железа в железоцинковом слое с орторомбической структурой испытуемых образцов составляет от 5 до 7 вес.%.
Как видно из приведенных данных, предлагаемое термодиффузионное цинковое покрытие на поверхности стальных изделий, содержащее на поверхности слоя дельта- фазы железоцинковый слой толщиной от 1 мкм до 20 мкм с орторомбической структурой и с содержанием железа 5-7 вес.% (образцы №2, №3, №4, №5 и №6), обладает коррозионной стойкостью в 1,6-2,1 раза превышающей стойкость по сравнению с покрытием, использующим лучший известный порошок для термодиффузионного цинкования стальных изделий по патенту №2016139.
При толщине железоцинкового слоя с орторомбической структурой менее 1 мкм коррозионные свойства ухудшаются, по-видимому, из-за несплошности железоцинкового слоя с орторомбической структурой. Получение слоя более 20 мкм технически трудно реализуемо.