Выбор материала для деталей мелкого крепежа и технологии их изготовления

     Подготовка поверхности перед нанесением Zinga такова: поверхность должна быть очищена от грязи, краски, масел, смазок, неорганических наслоений (минеральных солей) и рыхлой ржавчины для обеспечения электрохимического взаимодействия цинка и железа и иметь шероховатость 15 мкм для хорошего сцепления с металлом. Zinga может наноситься кистью, валиком, воздушным и безвоздушным распылением. Возможно нанесение аэрозольным распылением и окунанием [4].

    

     3.4 Термодиффузионное цинкование

 

     Диффузионное цинкование – это один из наиболее перспективных способов нанесения защитных покрытий на стальные, чугунные или медные изделия. Диффузионные цинковые покрытия состоят из слоев железо-цинк (от 7 до 20 % железа), образующихся путем термохимической диффузии цинка в поверхность изделий в процессе их нагревания в присутствии цинкового порошка.

     Покрытия имеют тускло-серую матовую поверхность, точно воспроизводят профиль изделий, в том числе полых и изделий сложной формы (резьбы, маркировка). Такое свойство покрытий, как равномерность, делают их очень удобными для защиты резьбовых поверхностей. Сопряженные детали не нужно механически обрабатывать (например, прорезать резьбу после нанесения покрытия).

     Слои сплавов покрытий, полученные в порошке цинка, имеют самую высокую твердость из всех известных цинковых покрытий и низкий коэффициент скольжения, поэтому покрытия хорошо противостоят абразивному износу и деформации, а гайки не ослабевают в процессе эксплуатации.

     Испытания, проведенные ведущими мировыми исследовательскими институтами, показали высокую коррозионную стойкость термодиффузионного цинкового покрытия. В сравнении с другими видами цинковых покрытий коррозионная стойкость термодиффузионного покрытия выше, чем у аналогичного показателя горячего цинкования в 1,5-2 раза, а гальванического в 3-5 раз при одинаковой толщине. А если учесть то, что толщина термодиффузионного цинкового покрытия при необходимости может достигать 100 мкм, а скорость коррозии диффузионного слоя ниже, чем у гальванического и горячего цинка, срок службы изделий, подвергнутых термодиффузионному цинкованию, увеличивается в десятки раз. Коррозионная стойкость железоцинковых фаз диффузионного цинкового покрытия даже выше, чем у чистого цинка, в первую очередь, за счет участия в пассивации покрытия ферратов цинка (ZnFeO₂, ZnFe₂CО₄) наряду с ZnO. Выводы термодинамики подтверждаются сравнительными коррозионными испытаниями гальванических, горячецинковых и диффузионных цинковых покрытий. Так, во всех случаях скорость коррозии убывает обратно пропорционально квадратному корню от времени выдержки, т.е. лимитируется диффузией кислорода через пассивационную пленку. Скорость коррозии для диффузионных цинковых покрытий минимальна. Сопоставление данных по времени, прошедшего до появления "красной" ржавчины и стационарного потенциала корродирующего образца показало, что защитные свойства цинкового покрытия определяются не только его электрохимическими свойствами, но и способностью покрытия к химическому растворению, а поскольку в диффузионном цинковом покрытии присутствуют интерметаллиды цинка, скорость растворения которых намного меньше, чем продуктов коррозии цинка, что и объясняет более высокую степень катодной защиты диффузионных цинковых покрытий (рис. 3.4) [3].

На рис.3.5, а и  3.5, б представлены результаты анализа гаек, покрытых методом горячего цинкования и термодиффузионным методом, соответственно, после 3-х лет пребывания в агрессивной солевой атмосфере. На рис. 3.5, а коррозия явно видна на гайках, на рис. 3.5, б коррозия не наблюдается.

 

 

Рис. 3.4 – График изменения толщины покрытия в камере соляного тумана

   

 

 

                                           

а                                        б

 

Рис. 3.5 – Гайки оцинкованные:

                        а – методом горячего цинкования;

                         б – термодиффузионным методом

 

 

 

Диффузионные цинковые покрытия по сравнению с гальваническими  и металлизационными имеют более  прочную (диффузионную) связь с защищаемым металлом вследствие диффузии цинка  в покрываемый металл, а постепенное  изменение концентрации цинка по толщине покрытия обуславливает менее резкое изменение его свойств. Структурная особенность диффузионных покрытий благоприятно сказывается на их механических, технологических и защитных свойствах. Такие покрытия позволяют создать надежный защитный барьер между агрессивной средой и металлической поверхностью детали (рис. 3.6) [9].

 

 

Рис. 3.6 – Микроструктура термодиффузионного цинкового покрытия

 

     Сам процесс цинкования происходит в барабанных печах или на специальных установках. В настоящее время выпускаются три модификации установок для термодиффузионного цинкования малогабаритных изделий, с размерами рабочего пространства 200х800 мм, 300х900 мм и 400х1200 мм, объемами загрузки 50-70 кг, 150-200 кг и 300-400 кг и максимальной потребляемой мощностью 12 кВт, 36 кВт и 50 кВт, соответственно. Продолжительность одного цикла цинкования составляет 2-4 часа. Расход цинкового порошка на формирование 1 мкм - 7 г на 1 м² поверхности изделия

     3.5 Газодинамическое напыление

 

     Одним из перспективных инновационных методов нанесения защитных покрытий является газодинамический метод, реализуемый оборудованием ДИМЕТ®. Метод разработан на основе открытого в 80-х годах прошлого столетия эффекта закрепления твердых частиц, движущихся со сверхзвуковой скоростью, на поверхности при соударении с ней. Технология является новой и ранее в промышленности не использовалась.  

     Данная технология нанесения покрытия включает в себя нагрев сжатого газа (воздуха), подачу его в сверхзвуковое сопло и формирование в этом сопле сверхзвукового воздушного потока, подачу в этот поток порошкового материала, ускорение этого материала в сопле сверхзвуковым потоком воздуха и направление его на поверхность обрабатываемого изделия (см. рис. 3.7).

         

Рис. 3.7 – Схема  нанесения покрытия газодинамическим методом

 

Основные свойства наносимых  покрытий: высокая адгезия (30-             100 МПа); высокая когезия (30-100 МПа); однородность покрытий; низкая пористость (1-3 %); плотное соединение покрытия с защищаемой основой без зазоров и полостей, с надежным электрогальваническим контактом покрытия и основы; шероховатость поверхности покрытий составляет R_z=20-40 и обеспечивает высокую прочность закрепления на них лакокрасочных материалов; толщина может быть любой и обеспечивается технологическим режимом нанесения; покрытия могут обрабатываться всеми известными способами механической обработки; при специальной термообработке некоторые покрытия могут приобретать дополнительные или новые свойства; покрытия могут наноситься на поверхности изделий из любых металлов, а также керамики и стекла.

В качестве порошковых материалов используются порошки металлов, сплавов или их механические смеси с керамическими порошками. При этом путем изменения режимов работы оборудования можно либо проводить эрозионную обработку поверхности изделия, либо наносить металлические покрытия требуемых составов. Изменением режимов можно также менять пористость и толщину напыляемого покрытия.

     В наиболее распространенных газотермических методах нанесения покрытий для формирования покрытий из потока частиц необходимо, чтобы падающие на подложку частицы имели высокую температуру, обычно выше температуры плавления материала. В газодинамической технологии напыления (которую на практике удобно называть "наращиванием" металла) это условие не является обязательным, что и обуславливает ее уникальность. В данном случае с твердой подложкой взаимодействуют частицы, находящиеся в нерасплавленном состоянии, но обладающие очень высокой скоростью. Ускорение частиц до нужных скоростей осуществляется сверхзвуковым воздушным потоком с помощью разработанных в ОЦПН оригинальных установок серии ДИМЕТ®, не имеющих аналогов в традиционных методах нанесения покрытий [5].

     Структура покрытий представляет собой однородный металлический слой (в случае чисто металлических покрытий, создаваемых из одного металла) или металлический слой, структурированный частицами другого металла или керамики. На рис. 3.8 изображена схема структуры металла и покрытия.

 

Рис. 3.8 – Схема соединения металла с покрытием

    

     Газодинамический метод нанесения металлических покрытий обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами. Эти преимущества состоят в следующем:              

     1) покрытие наносится в воздушной атмосфере при нормальном давлении, при любых значениях температуры и влажности атмосферного воздуха;

     2) при нанесении покрытий оказывается незначительное тепловое воздействие на покрываемое изделие;

     3) технология нанесения покрытий экологически безопасна (отсутствуют высокие температуры, опасные газы и излучения, нет химически агрессивных отходов, требующих специальной нейтрализации);

     4) не требуется подогрев покрываемого изделия;

     5) при отсутствии на подложках пластовой ржавчины или окалины на металлическом изделии не требуется тщательной подготовки поверхности (при воздействии высокоскоростного потока частиц происходит очистка поверхности от технических загрязнений, масел, красок и активация кристаллической решетки материала изделия);

     6) поток напыляемых частиц является узконаправленным и имеет небольшое поперечное сечение. Это позволяет, в отличие от традиционных газотермических методов напыления, наносить покрытия на локальные (с четкими границами) участки поверхности изделий;

     7) возможно нанесение многокомпонентных покрытий с переменным содержанием компонентов по его толщине;

     8) оборудование отличается компактностью, мобильностью, технически доступно практически для любого промышленного предприятия, может встраиваться в автоматизированные линии, не требует высококвалифицированного персонала для своей эксплуатации;

     9) путем простой смены технологического режима оборудование позволяет проводить микроэрозионную (струйно-абразивную) обработку поверхностей для последующего нанесения покрытий или достижения декоративного эффекта;

     10) возможно нанесение различных типов покрытий с помощью одной установки.

     Привлекательность технологии нанесения металла на поверхность деталей и изделий газодинамическим методом состоит в том, что оборудование и создаваемые с его помощью покрытия свободны от большинства недостатков, присущих другим методам нанесения металлических покрытий, и обладают рядом технологических, экономических и экологических преимуществ [10].

     Рабочее место и требования безопасности. К работе с оборудованием ДИМЕТ® допускается персонал, имеющий право работы с электроинструментом и сжатым воздухом (квалификационная группа по ТБ не ниже 3) и прошедший обучение у поставщика правилам и приемам работы.

Для обеспечения  пылезащиты персонала и окружающей среды при работе с оборудованием  ДИМЕТ® в закрытых помещениях необходима организация рабочего места с отсосом запыленного воздуха из рабочей зоны, где производится напыление покрытий, и последующей его очисткой. Примерная схема организации рабочего места представлена на рис. 3.9.

 

 

 

Рис. 3.9 – Схема организации рабочего места при напылении покрытий

 

Пылезащитная  камера должна обеспечивать возможность  размещения в ней обрабатываемых изделий при условии доступа  к нему соплом напылительного блока. Персонал должен быть защищен индивидуальными средствами пылезащиты (очки, респиратор). Фильтр должен обеспечивать очистку запыленного воздуха от пыли (не вошедшего в покрытие порошка).

Вытяжной  вентилятор должен обеспечивать эффективный  отсос запыленного воздуха из системы "пылезащитная камера - фильтр - воздуховоды". Производительность вентилятора, нагруженного на фильтр, должна быть не менее 2 куб.м/мин.

В качестве системы пылеочистки могут использоваться как готовые промышленные пылесосы с достаточной степенью фильтрации воздуха и производительностью, так и специально изготовленные устройства, которые могут включать циклоны, фильтры тонкой очистки и вытяжные вентиляторы.

 

Рис. 3.10 – Вариант устройства пылезащиты:

                   1 - камера для размещения детали, 2 - циклон, 3 - бункер циклона для собираемого порошка, 4 - воздуходувка.

 

    Исходя из вышерассмотренного можно сделать вывод, что технология термодиффузионного цинкования – наиболее подходящая для нанесения защитных покрытий на детали мелкого крепежа при массовом производстве этих деталей, поскольку может обеспечить высокое качество и механические свойства покрытий по сравнению с другими технологиями.

   В случае, когда к метизам предъявляются  повышенные требования по износостойкости  или необходимо восстановить покрытие целесообразно наряду с технологией ТДЦ применять на производстве технологию газодинамического напыления, которая будет служить как дополнительное средство для получения качественных покрытий. К тому же с помощью этого метода можно наносить не только цинковые покрытия, а также покрытия на основе меди, алюминия и никеля.

    

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ВЫБОР ОСНОВНОГО  ОБОРУДОВАНИЯ

 

     4.1 Оборудование для термодиффузионного  цинкования    

 

     Для нанесения цинкового покрытия по методу ТДЦ применим вращающиеся барабанные печи. Они обладают высокой производительностью и обеспечивают экономичность проведения данного технологического процесса. При этом предусмотрена механизация загрузки и разгрузки деталей из печи, что является необходимым для точного соблюдения процесса нанесения покрытия [3].