СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
METHOD OF PRODUCING PROTECTIVE COATINGS

Предлагаемое изобретение относится к антикоррозионной обработке металлических изделий, в частности к термодиффузионному цинкованию, и может быть использовано в любой отрасли машиностроения и в других отраслях промышленности, где требуется защита металлических изделий от коррозии и старения.
Известен способ получения цинковых покрытий путем термодиффузионного цинкования, включающий загрузку изделия или партии изделий в реторту поворотной электрической печи, засыпку насыщающей смеси, содержащей 100% цинка, нагрев до температуры цинкования и.выдержку при этой температуре (см. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. - М., 1965, с.248-250).
Недостатком известного способа является высокая стоимость покрытия, а также необходимость предварительной очистки поверхности изделий от ржавчины, масляных пятен и других загрязнений, без чего невозможно обеспечение качественного покрытия.
2
Известен также способ получения цинковых покрытий, описанный в патенте РФ №2174159, кл. C23C 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 м, 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 на повторный нагрев корпуса печи и реторты перед каждым циклом процесса цинкования, а также невозможность обеспечения качества покрытий, толщина которых превышает 100 мкм.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является известный по патенту РФ №2401320, кл. C23C 10/36, 10.10.2010 способ, согласно которому осуществляют загрузку изделий в реторту нагревательной установки, засыпку насыщающей смеси, содержащей цинк, нагрев и выдержку изделий при температуре 360-450°C, используют насыщающую смесь, содержащую (мас.%) цинка в виде высокодисперсного порошка, 2-5 хлористого алюминия в качестве активатора и окись алюминия или шамот или кварцевый песок в качестве инертного наполнителя.
Однако при нанесении покрытий на крупноразмерные изделия массой более 100 кг данный способ не обеспечивает требуемого качества покрытий и характеризуется высокой трудоемкостью процессов загрузки и засыпки порошковой насыщающей смеси, не обеспечивая равномерности ее распределения вдоль реторты, а также коротким сроком службы привода и станины нагревательной установки, подвергающихся большим ударным механическим нагрузкам при вращении и перемещении изделий внутри реторты.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в устранении указанных недостатков, а также в создании возможности получения высококачественного покрытия металлических изделий в расширенном диапазоне габаритов цинкуемых изделий и толщин наносимых покрытий за счет обеспечения равномерного нанесения цинксодержащей насыщающей смеси на всю поверхность изделий до начала их термической обработки, осуществляемой при исключения процесса вращения реторты с изделиями.
Для этого в известном способе получения защитных покрытий, включающем загрузку изделий в нагревательную установку, их нагрев и выдержку в контакте с цинксодержащей насыщающей смесью при температуре, необходимой для образования требуемой толщины покрытия, и последующую выгрузку и охлаждение изделий, согласно изобретению формируют слой насыщающей смеси на поверхности изделия, а в качестве насыщающей смеси используют цинксодержащую суспензию на полимерной основе при следующем содержании компонентов в % (мас): порошка цинка - 40-95 и раствора полимерного связующего 60-5, которую в количестве 0,5-3,0% от массы цинкуемых изделий предварительно наносят на поверхность изделий одним или несколькими ровными слоями. После отверждения полимера изделия размещают внутри нагревательной установки, нагрев осуществляют до температуры, превышающей 250°C, и выдерживают для обеспечения образования требуемой толщины покрытия.
В результате формирования слоя насыщающей смеси на поверхности изделия путем предварительного нанесения цинксодержащей суспензии на полимерной основе и отверждения полимера на поверхности изделия образуется полимерная пленка. При нагреве происходит изменение ее вязкости, что приводит к уменьшению сил, удерживающих частицы цинка, распределенные в объеме полимера, и к их осаждению на поверхности металлического изделия. После чего начинается диффузия цинка в структуру металла, в результате которой атомы цинка замещают атомы железа в его кристаллической решетке с образованием твердого раствора цинка в железе и железа в цинке, т.е. происходит образование интерметаллидных фаз. По мере увеличения температуры и выдержки изделий при этой температуре скорость образования фаз возрастает. Изменяя температуру и время выдержки, формируют требуемую толщину и желаемый состав интерметаллидных фаз. Подбор полимера осуществляют таким образом, чтобы его полная деструкция была достигнута при температуре, равной 0,8-1,4 от температуры выдержки, а время полной деструкции выбирают в пределах от 0,8 до 1,1 времени выдержки. Таким образом при температуре, превышающей 250°C, происходит полное «выгорание» полимера и формирование интерметалидного слоя требуемой толщины в качестве защитного покрытия изделия. Полученное защитное покрытие обладает высокой коррозионной стойкостью, а также высокой ударной вязкостью и износостойкостью. В случаях, когда по условиям эксплуатации изделий требуется повышенная коррозионная стойкость при относительно небольших значениях ударной вязкости и износостойкости, обеспечивают неполную деструкцию полимера. В результате на поверхности интерметаллидного слоя формируется слой, представляющий собой пленку, состоящую из смеси полимера и частичек цинка.
Заявляемое техническое решение обладает новизной и изобретательским уровнем, 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): порошка цинка - 40-95 и раствора полимерного связующего 60-5, которую в количестве 0,5-3,0% от массы цинкуемых изделий предварительно наносят на поверхность изделий одним или несколькими ровными слоями и после отверждения полимера изделия размещают непосредственно внутри нагревательной установки, нагрев осуществляют до температуры, превышающей 250°C, - благодаря которым совокупность всех существенных признаков обеспечивает достижение нового технического результата, проявляющегося в получении высококачественных защитных покрытий в расширенном диапазоне габаритов цинкуемых изделий и толщин наносимых покрытий, 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».
Реализация предлагаемого изобретения показана на примере способа получения защитного покрытия для крупноразмерных изделий, например, профиль (шпунт), длиной до 12 м, материал ст.10. Партия предназначенных для цинкования изделий имеет массу 3,8 т. Поверхность изделий предварительно очищают от окалины и продуктов коррозии до степени 2 согласно ГОСТ 9.402-2004. Суспензию, содержащую 90% высокодисперсного порошка цинка и 10% раствора высокомолекулярного синтетического термопластичного полимера, например поливинилбутираль, изготавливают в количестве 14,4 кг и наносят на всю поверхность профиля ровным слоем толщиной 150 мкм, например, методом безвоздушного распыления. Затем производят отверждение полимера путем получасовой сушки при температуре 20°C до образования на поверхности профиля полимерной пленки. Затем, транспортируя изделия с помощью конвейера, их размещают внутри нагревательной установки, например печи сопротивления, и производят нагрев до 420°C, измеряя температуру теплоносителя непосредственно у поверхности изделий с помощью лазерного пирометра. При этой температуре выдерживают изделия в течение 1 часа для образования защитного покрытия толщиной 100 мкм. После этого следуют выгрузка изделий и их охлаждение. Таким образом, по всей поверхности каждого изделия сформировано равномерное высококачественное защитное покрытие одинаковой толщины. Это подтверждают результаты металлографических исследований, проведенных в лабораторных условиях с использованием растрового электронного микроскопа (РЭМ) и рентгеновского микроанализатора (РМА).