4 (73), 2013 / 107 УДК 669.58 Поступила 26.11.2013 в. М. КоНсТаНТиНов, Н. и. иваНиЦКий, Л. а. асТРейКо, БНТУ АНТИКОРРОЗИОННыЕ ЦИНКОВыЕ ПОКРыТИя НА СТАЛьНыХ ИЗДЕЛИяХ: ПЕРСПЕКТИВы ТЕРМОДИффУЗИОННыХ ПОКРыТИЙ выполнен анализ существующих цинковых покрытий на стальных деталях. освещены достигнутые результаты по разработке энерго-, ресурсосберегающих технологий термодиффузионного цинкования. The analysis of existing zinc coatings on steel details is carried out. The reached results on development of energy- resource- saving technologies of thermal-diffusion galvanization are reported. Защита стальных изделий и конструкций от коррозионного разрушения в настоящее время приобретает особую актуальность. Эксплуатируе- мые в строительстве, нефтепереработке, сельском хозяйстве изделия попадают в коррозионную сре- ду как низкой, так и высокой агрессивности. Это обусловливает значительные вложения средств, направленных на поддержание как эксплуатируе- мых, так и вновь создаваемых конструкций в рабо- чем состоянии. Выбор метода, используемого при нанесении защитного покрытия, является важным этапом обеспечения длительной эксплуатации узла или конструкции. Неправильный выбор вида защитного покрытия приводит к дополнительным эксплуатационным затратам. Для обеспечения ан- тикоррозионной защиты стальных изделий в ми- ровой практике активно используется нанесение специальных металлоподобных покрытий. Наибо- лее дешевыми и практичными являются цинксо- держащие покрытия. Возможно получение раз- личных по свойствам и характеристикам цинксо- держащих покрытий. Оцинкованная конструкция за весь срок службы (около 25 лет) не требует ре- монта покрытия, тогда как поверхность, окрашен- ная даже несколькими слоями, за тот же период потребует минимум одного, а то и трех перекра- шиваний. Таким образом, при длительном сроке эксплуатации сооружения более дешевое окраши- вание оказывается в дальнейшем существенно до- роже [1]. Мировой рынок производства и потребления цинка является динамично растущим. Постоянно создаются новые и модернизируются старые про- изводства, использующие в своем производствен- ном цикле как чистый цинк, так и его соединения. Среди «металлических» конкурентов цинка мож- но выделить никель и хром, однако они суще- ственно дороже цинка [2]. Основной потребитель цинка (см. рисунок) – это строительная индустрия: опоры ЛЭП, несущие каркасы зданий, опорные а б Схема потребления цинка в мире [2]: а – отрасли-потребители цинка в мире; б – сферы потребления 4 (73), 2013 108 / конструкции, фонарные столбы, крыши, водосточ- ные трубы, мосты, коммунальная инфраструтура и т. д. Важным потребителем является также автомо- билестроение. Современный автомобиль содержит до 15–20 кг цинка. Отсутствие собственных металлургичесих ре- сурсов цинка в условиях Беларуси требует взве- шенного, рационального подхода к выбору цинк- содержащих защитных покрытий с учетом техно- логических возможностей, рациональных обла- стей их применения, требований, предъявляемых к защитным покрытиям, в различных сферах про- изводства. Защитные цинковые покрытия можно разде- лить на две большие группы, различие которых состоит в механизме образования покрытия. Речь идет о диффузионных и не диффузионных цинксо- держащих покрытиях. Защитные покрытия, полученные не диффузи- онными методами (основываясь на технологиче- ском признаке), делятся на гальванические, напы- ленные, наплавленные и механически нанесенные. Механизм получения диффузионных покрытий позволяет получить защитные покрытия, состоя- щие из интерметаллических фаз, что дает преиму- щество в использовании такого рода покрытий в большинстве сфер [1, 3]. В настоящее время на предприятиях Респу- блики Беларусь широко применяются гальвани- ческий метод цинкования, а также цинкование в расплавленном цинке. По многим причинам их нельзя признать самыми эффективными и эколо- гически безопасными. С возрастанием значения экологического фактора используемых процессов полная или частичная замена данных методов цинкования другими является важной и актуаль- ной задачей. Каждый метод цинкования в связи с опреде- ленным комплексом свойств получаемых покры- тий, а также конфигурацией обрабатываемых из- делий имеет свою область применения. Цинкова- ния в расплаве обычно применяют в условиях мас- сового производства для простых по конфигура- ции изделий и заготовок (листы, проволока, ленты, трубы). Однако этот метод не обеспечивает каче- ственной защиты изделий сложной конфигурации с внутренними поверхностями. Гальваническое цинкование распространено для различного рода крепежных, конструкционных стальных элемен- тов, придает товарный вид продукции. Однако в ряде случаев (повышенная агрессивность среды, механическое воздействие на покрытие) гальвани- ческое покрытие не обеспечивает требуемый ком- плекс защитных свойств. Метод цинкования в по- рошковых средах (термодиффузионное цинкова- ние, ТДЦ) позволяет обрабатывать стальные изде- лия сложной конфигурации. Возможно цинкова- ние термообработанных деталей. Основными эксплуатационными характери- стиками защитных покрытий являются антикорро- зионные свойства, устойчивость к истиранию и высокая прочность сцепления покрытия с по- верхностью обрабатываемого изделия. Основным фактором, влияющим на комплекс получаемых свойств, является структура покрытия. Поэтому большой интерес вызывает взаимосвязь микро- структуры и свойств различных видов покрытий. Диффузионные цинковые покрытия по сравнению с гальваническими и металлизационными имеют более прочную (диффузионную) связь с защищае- мой сталью, а плавное изменение концентрации цинка по толщине покрытия обусловливает менее резкое изменение его свойств. Более высокая по сравнению с гальваническими и металлизацион- ными цинковыми покрытиями твердость диффу- зионных цинковых покрытий обеспечивает им бо- лее высокую сопротивляемость истиранию. Диф- фузионный способ нанесения покрытий обеспечи- вает получение беспористых цинковых покрытий, в связи с этим появляется возможность наносить на изделия коррозионностойкие диффузионные цинковые покрытия небольшой толщины, напри- мер, 25–30 мкм. При горячем цинковании при на- несении тонких покрытий (25–30 мкм) требуется тщательная подготовка поверхности изделия пе- ред цинкованием и, тем не менее (особенно при цинковании длинномерных изделий) возможно об- разование в покрытии различных несплошностей, что резко снижает защитную способность таких горячецинковых покрытий. Гальванические или металлизационные цинковые покрытия отличают- ся большой пористостью, особенно если слой этих покрытий небольшой толщины (30–50 мкм). Поэ- тому эти покрытия зачастую пропитывают различ- ными органическими составами, чтобы закупо- рить поры в покрытии. В тех случаях, когда диффузионно оцинкован- ные изделия предназначаются для работы в очень жестких коррозионных условиях, рекомендуется производить пассивацию. Эта операция исключает образование «белой ржавчины» или вредных цин- ковых солей на поверхности. После чего на по- крытии образуется пленка из стабилизированных солей цинка, которая препятствует воздействию влаги или конденсата на цинк [3]. Наиболее характерными областями примене- ния для различных видов цинковых покрытий яв- ляются следующие [3, 4]. 4 (73), 2013 / 109 1. Гальванические покрытия широко применя- ют в машиностроении, а также производстве бы- товой техники для защиты от коррозии и улучше- ния декоративного вида различных деталей и из- делий. 2. Металлизационные покрытия наносят на разные емкости, металлоконструкции, наружные поверхности трубопроводов, сварные швы трубо- проводов и др. 3. Горячеоцинкованные покрытия используют при производстве оцинкованного стального поло- сового проката, труб и проволоки при строитель- стве промышленных и гражданских объектов. Также применяют для защиты разных металлоиз- делий. 4. Диффузионные покрытия широко применя- ют в гражданском и промышленном строитель- стве, коксохимической и нефтедобывающей про- мышленности, судостроении и морском флоте, в первую очередь для защиты различных трубо- проводных систем и технологических аппаратов, а также для защиты крепежных изделий (болтов, гаек и др., особенно высокопрочных). Диффузион- ный способ цинкования находит все большее рас- пространение при цинковании длинномерных стальных изделий (труб, компонентов дорожных ограждений и линий электропередач, арматуры и др.), что обусловлено высокими химическими и физико-механическими свойствами диффузион- ных цинковых покрытий. Кафедра «Материаловедение в машинострое- нии» БНТУ длительное время успешно занимает- ся разработкой и внедрением цинксодержащих диффузионных покрытий на стальных и чугунных деталях [5–7]. Активно разрабатываются следую- щие направления: рекуперирование тепла за счет термостатирования обрабатываемых объемов де- талей [8]; совмещение некоторых операций терми- ческой обработки и ТДЦ [9, 10]; создание эффек- тивных синтетических импортозамещающих насы- щающих порошковых смесей с использованием цинксодержащих отходов [11]. Разработан термостат-рекуператор, предназна- ченный для рекуперирования тепла остывающего контейнера после ТДЦ и подогрева контейнеров перед следующим циклом термодиффузионного цинкования. Указанное устройство позволяет уменьшить время на нагрев и охлаждение обраба- тываемых деталей и насыщающей смеси, что в свою очередь обеспечивает повышение произво- дительности и экономию энергоресурсов. Приме- нение системы рекуперирования тепла при про- цессах термодиффузионного цинкования позволя- ет более эффективно использовать тепло от нагре- тых реторт, сократить время выдержки в печи по- следовательно используемых реторт в 1,6–2,0 раза, тем самым, сокращая затраты на общий цикл об- работки изделий. Температурный интервал процессов ТДЦ со- ставляет от 300 до 600 оС в зависимости от време- ни выдержки и ряда специфических технологиче- ских параметров процесса. Широкий интервал ра- бочих температур ТДЦ обеспечивает принципи- альную возможность совмещения операции отпу- ска закаленных стальных деталей с процессом ТДЦ. Проведенный теоретический анализ процес- сов и комплекс экспериментальных работ позво- лили разработать несколько вариантов включения диффузионного цинкования в общий цикл терми- ческой обработки стальных изделий. Разработан и внедрен в производство совмещенный техноло- гический процесс термической обработки и ТДЦ граверных шайб. После интегрированного цикла термической и антикоррозионной обработки экс- плуатационные характеристики данного типа из- делий соответствовали параметрам, регламентиру- емым соответствующей нормативно-технической документацией. Эффективным приемом снижения затрат на ТДЦ является использование отходов от произ- водств горячего цинкования (изгарь, дросс, зола и пыль) для приготовления синтетических цинксо- держащих порошковых сред, осуществления тер- модиффузионной обработки изделий. Проведен- ные исследования показывают, что диспергиро- ванные отходы эффективно применять в качестве самостоятельной синтетической насыщающей смеси для цинкования. Таким образом, рациональное применение раз- рабатываемых технологий термодиффузионного цинкования для антикоррозионной обработки сталь- ных деталей и элементов металлоконструкций по- зволяет существенно повысить эффективность, снизить затраты, расширить область рационально- го применения ТДЦ, повысив его конкурентоспо- собность. Литература 1. Обзор рынка цинка и оцинкованной продукции / В. И. Полькин, Н. Л. Пономарева. http://www.zdc.ru. Некоммерческое партнерство «Центр по развитию Цинка». 2. Обзор Российский цинк 27.04.2007 г. Сергей Кривохижин. ФК Открытие. 3. Защитные цинковые покрытия: сопоставительный анализ свойств, рациональные области применения / Е. Проскуркин // Оборудование. 2005. № 3, 4. 4 (73), 2013 110 / 4. Восстановление деталей машин: Справ. / Ф. И. Пантелеенко, В. П. Лялякин, В. П. Иванов, В. М. Константинов / Под ред. В. П. Иванова. М.: Машиностроение, 2003. 5. В о р о ш н и н Л. Г. Теория и практика получения защитных покрытий с помощью ХТО / Л. Г. Ворошнин, Ф. И. Панте- леенко, В. М. Константинов. 2-е изд., перераб. и доп. Минск: ФТИ; Новополоцк: ПГУ, 2001. 6. А с т р е й к о Л. А. Диффузионные цинковые покрытия, полученные в гидротермально обработанных порошковых сре- дах: Автореф. . .. дис. канд. техн. наук. Минск, БНТУ, 2006. 7. Г а л и н Р. Г., А с т р е й к о Л. А. Диффузионные цинковые покрытия, полученные в гидротермически обработанных порошковых средах // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 1. С. 28–32. 8. К о н с т а н т и н о в В. М., Б у л о й ч и к И. А., З д а н о в и ч О. В. Повышение эффективности процессов термодиф- фузионного цинкования за счет использования термостатирования // Металлургия. 2012. № 34. С. 121. 9. К о н с т а н т и н о в В. М., Б у л о й ч и к И. А. Анализ способов интенсификации диффузионных процессов при цин- ковании на различных стадиях ХТО // Металлургия. 2012. № 34. С. 96. 10. Заявка на получение патента РБ № а20130386 / В. М. Константинов, И. А. Булойчик, А. М. Скибарь. Способ термодиф- фузионного цинкования стальных упругих элементов: МКИ С 23С 10/36. 11. У р б а н о в и ч Н. И., Г е г е н я Д. В. Изучение возможности использования изгари в составе насыщающих смесей для активации процесса диффузионного насыщения // Металлургия. 2012. № 34. С. 168.