/ 99 3 (71), 2013 УДК 621.785.52 Поступила 18.06.2013 н. и. урБАнОВич, В. м. кОнстАнтинОВ, и. А. БАсАлАй, к. Э. БАрАнОВский, Бнту, Г. П. ГОрецкий, Фти нАн Беларуси, А. и. ГАрОст, БГту, Д. В. ГеГеня, Бнту ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПАРАМЕТРА И ЕГО ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ НА ТОЛЩИНУ ЦИНКОВОГО ПОКРЫТИЯ, СТРУКТУРУ ПРИ ТЕРМОДИФФУЗИОННОМ ЦИНКОВАНИИ В ПОРОШКОВЫХ СРЕДАХ НА ОСНОВЕ ЦИНСОДЕРЖАЩЕГО ОТХОДА – ГАРТЦИНКА установлено, что повышение температуры и продолжительности времени выдержки при термодиффузном цин- ковании в порошковой среде гартцинк–Al2O3 приводит к росту толщины слоя и размеров образцов. рост толщины по- крытия за счет δ1к-компактной фазы, имеющей мелкокристаллическую структуру, происходит в диапазоне 400–500 °с, при этом наиболее интенсивный рост слоя внутрь образца – за счет увеличения δ1к-компактной фазы после 3-часовой выдержки. It is showed that an increase of temperature and duration of holding time at termodiffuznom galvanizing in powder medium garttsink–Al2O3 leads to the layer thickness and the size of the samples growth. Coating thickness increases due to δ1k-compact phase having a fine crystalline structure, is in the range of 400–500 °C, with the most intensive growth of layer inside the sample due to the increase of δ1k-compact phase after 3 h-exposure. В промышленных масштабах процесс диффу- зионного цинкования осуществляют горячим (жид костенным) методом или в порошкообразных средах. Отметим, что из цинковых покрытий наи- лучшими антикоррозионными свойствами облада- ют покрытия, полученные термодиффузионным способом в порошковых средах. Они прекрасно выдерживают механические нагрузки, устойчивы к воздействию высоких температур [1]. Для термо- диффузионного цинкования в порошковых смесях используют порошок цинка, который относитель- но недорогой, но в Республике Беларусь он не про- изводится. В то же время на имеющихся участках по горячему цинкованию предприятий Республи- ки Беларусь образуется цинксодержащий отход – гартцинк, содержание цинка в котором составляет около 80%, остальное – оксиды кремния и кальция. В работах [2, 3] установлено, что измельченный гартцинк может быть использован вместо порошко- вого цинка для цинкования стальных изделий. Также представлены результаты исследования по влиянию количества гартцинка в насыщающей смеси на тол- щину цинкового слоя, изменения размеров и массы образцов после термодиффузионной обработки, ко- торые показали, что повышение содержания гарт- цинка в смеси приводит к увеличению толщины покрытия. Оно происходит несколько медленнее, но при этом формирование цинковых слоев идет внутрь образца, что имеет весьма важнее значение для сохранения геометрических размеров, особен- но для резьбовых поверхностей. Известно, что толщина и соотношение фазо- вых составляющих образующихся промежуточ- ных зон зависят главным образом не только от со- става насыщающей среды, но и температуры и вре- мени процесса цинкования. Целью данной работы являлось установление экспериментальных зависимостей температурного параметра процесса, его продолжительности на толщину цинкового покрытия и структуру. Исследовали влияние следующих температур оцинкования: 400 °С, 450, 500 и 550 °С. В опытах применяли диффузионную смесь, состоящую из 40% гартцинка, 59% оксида алюминия и 1% хло- ристого аммония. Опыты проводили на образцах в виде пластин из Ст. 3. Термическую обработку осуществляли в муфельной печи. Микроструктурный анализ цинковых слоев (рис. 1) показал, что покрытие, полученное при 400 °С, состоит из трех слоев, соответствующих 3 (71), 2013 100 / Г-, d1-, z-фазам, d1-фаза имеет равноосную струк- туру. С повышением температуры до 450 °С общая толщина покрытия увеличивается от 40 до 80 мкм. Слой также состоит из Г-, d1-, z-фаз, при этом тол- щина слоя увеличилась в основном за счет роста d1-фазы. d1-фаза имеет равноосную структуру, а толщина Г-фазы несколько уменьшилась. При 500 и 550 °С увеличивается толщина слоя до 135 мкм. В d1-фазе наблюдается зона столбча- той структуры d1п (зона полисадов), которая при- мыкает к компактной зоне с равноосной мелкокри- сталлической структурой d1к. Также наблюдаются две зоны Г-фазы: светлая, которая представляет собой Г1-слой, обозначается формулой Fe5Zn21, и темная, собственно Г-фаза, которая обозначается формулой Fe3Zn10 . Анализ исследований свидетельствует о том, что рост толщины слоя покрытия по мере повыше- ния температуры происходит неравномерно, рост толщины слоя в диапазоне температур 400–450 °С происходит за счет d1к-фазы, имеющей равноосную структуру, а в диапазоне температур 500–550 °С – за счет d1п (зоны полисадов). На рис. 2 представлена зависимость изменения общей толщины цинкового слоя от температуры химико-термической обработки. Следует отме- тить, что наращивание слоя в смеси, состоящей из 40% гартцинка, 59% Al2O3 и 1% NH4Cl, носит плавный характер. Менее интенсивный характер наращивания слоя происходит в диапазоне темпе- ратур 500–550 °С. На рис. 3 показана зависимость влияния тем- пературы на изменение размеров образцов. Из ри- сунка видно, что с увеличением температуры тер- а б в г Рис. 1. Микроструктура покрытий, полученных в смеси, состоящей из 40% гартцинка, 59% Al2O3 и 1% NH4Cl при различ- ных температурах цинкования: а – 400 °С; б – 450; в – 500; г – 550 °С. х200 Рис. 2. Влияние температуры насыщения на толщину диф- фузионного цинкового слоя 3 (71), 2013 / 101 модиффузионного цинкования размер образцов также увеличивается. Необходимо отметить, что при сопоставлении полученных зависимостей тол- щина цинкового слоя при всех температурах тер- модиффузионного цинкования в системе гартцинк– Al2O3 превышает увеличение размера образцов, что свидетельствует о росте слоя внутрь образца. Таким образом, результаты исследований по- казали, что повышение температуры термодиффу- зионного цинкования в системе гартцинк–Al2O3 приводит к увеличению толщины покрытия. Фор- мирующиеся слои состоят из Г-, d1- и z-фаз, кото- рые характерны и для цинковых слоев в порошко- вых средах на основе системы Zn–Al2O3 в диапа- зоне температур 400–550 °С. Установлено, что рост толщины покрытия про- исходит за счет d1-фазы, причем в диапазоне тем- ператур 500–550 °С – за счет зоны полисадов d1п- фазы, а в диапазоне 400–500 °С – за счет d1- компактной фазы. В опытах по определению влияния продолжи- тельности выдержки на толщину и структуру цин- ковых покрытий применяли состав диффузионной смеси такой же, как и в представленных выше экс- периментах. Продолжительность выдержки при оцинкова- нии составляла 1, 2, 3, 4 ч, температура – 450 °С. После соответствующей выдержки контейнер с об- разцами охлаждали на воздухе. Проведенные ис- следования показали, что длительность выдержки от 1 до 4 ч изменяет толщину цинкового слоя и способствует росту фаз. Зависимость роста толщины цинкового слоя от продолжительности процесса представлена на рис. 4. Из рисунка видно, что толщина слоя при выдержке в течение 1 ч составила 17 мкм, а при 4-часовой выдержке – 89 мкм. Данная зависимость носит экспоненциальный характер, при этом более интенсивный рост слоя происходит после 3-часо- вой выдержки. На рис. 5 показана зависимость увеличения размера образца от времени выдержки. Отмечено, что с увеличением времени выдержки происходит и увеличение размеров образцов. При сопоставлении полученных зависимостей наблюдается формирование слоев, толщина которых превышает увеличение размеров образца. Более ин- тенсивный рост слоя внутрь образца происходил после 3-часовой выдержки и составил 0,014 мкм, т. е. примерно 15% от толщины слоя. Следует от- метить, что формирование слоя внутрь образца имеет весьма важное значение для сохранения гео- метрических размеров, особенно для резьбовых поверхностей. Микроструктурный анализ цинковых покры- тий (рис. 6) показал, что цинковое покрытие со- стоит из слоев a-, Г-, d- и ξ-фаз. Рис. 3. Влияние температуры насыщения на увеличение раз- меров образцов Рис. 4. Влияние продолжительности выдержки при термо- диффузионном цинковании в системе гартцинк–Al2O3 на толщину цинкового слоя Рис. 5. Влияние продолжительности выдержки при термо- диффузионном цинковании в системе гартцинк–Al2O3 на увеличение размеров образцов а б Рис. 6. Влияние продолжительности выдержки при термо- диффузионном цинковании в системе гартцинк–Al2O3 на микроструктуру цинкового слоя: а – 1 ч; б – 3 ч. ×500 3 (71), 2013 102 / Следует отметить, что рост толщины покрытия с увеличением времени выдержки происходит в ос- новном за счет d1к-фазы, имеющей мелкокристал- лическую структуру, которая является наиболее благоприятной и способствует повышению защит- ных свойств. При этом столбчатые зоны d1п-фазы не наблюдаются. Таким образом, анализ результатов исследова- ний позволил установить, что повышение темпе- ратуры и продолжительности времени выдержки при термодиффузионном цинковании в порошко- вой среде гартцинк – Al2O3 приводит к росту тол- щины слоя и размеров образцов. Формирующиеся слои состоят из Г-, d1- и ξ-фаз, которые характер- ны и для цинковых слоев в порошковых средах на основе системы Zn–Al2O3. При этом установлено, что рост толщины покрытия происходит за счет d1-фазы, причем в диапазоне температур 500– 550 °С – за счет зоны полисадов d1п-фазы, а в диа- пазоне 400–500 °С – за счет d1к-компактной фазы. Показано, что наиболее интенсивный рост слоя внутрь образца происходит после 3-часовой выдержки. Установлено, что рост слоя происходит за счет увеличения d1к-фазы, имеющей мелкокристалли- ческую структуру. Литература 1. И с а к а е в Э. Х., М о р д ы н с к и й В. Б., С п е к т о р Н. О. Расширение технологических возможностей способа термодиффузионного цинкования // Сварочное производство. 2009. № 7. С. 46–50. 2. У р б а н о в и ч Н. И., К о м а р о в О. С., П р о в о р о в а И. Б., Н и с с В. С. Применение гартцинка для цинкования стальных изделий методом термодиффузионного насыщения // Материалы VIII МНТК «Наука – образованию, производству, экономике». Минск, 2010. Т. 1. С. 302. 3. У р б а н о в и ч Н. И., К о м а р о в О. С., В о л о с а т и к о в В. И., Л е ц к о А. И. Влияние содержания насыщающе- го компонента в системе гартцинк-Al2O3 на толщину покрытия, изменения размеров и массы образцов при термодиффузионном цинковании // Литье и металлургия. 2011. № 2. С. 54–55.