Исследование влияния технологических параметров горячего цинкования на микроструктуру и толщину покрытия на крепежных изделиях

Метод горячего цинкования применяется для защиты стальных изделий от атмосферной, водной и почвенной коррозии и широко используется для нанесения защитного покрытия на крепежные изделия. Объектом данного исследования были болты общего назначения. Основным требованием к оцинкованным болтам является минимальная толщина и равномерность цинкового покрытия на резьбе. Это необходимо для легкого соединения пары «болт-гайка». Слиш ком толстое цинковое покрытие требует дополнительных операций по повторной нарезке резьбы, что приводит к скалыванию покрытия, потере коррозионной стойкости и, следовательно, к браку всего изделия.

Основные технологические фактор ы, оказывающие влияние на толщину и структуру покрытия – температура процесса и время выдержки в расплаве цинка. Согласно литературным данным, с ростом температуры цинкования до 500 оС толщина покрытия увеличивается, при дальнейшем росте температуры толщина покры тия уменьшается. Это связано с изменением фазового состава покрытия. При температурах выше 500 оС не образуется -фаза – основная составляющая цинкового покрытия [1]. При температурах до 490оС и выше 520оС на стали образуются плотные, однородные, хорошо сцепленные с ней железоцинковые слои. В интервале 490 – 520 оС на стали возникают пористые, плохо сцепленные с поверхностью, железоцинковые слои [2]. Время выдержки изделий в расплаве выбирается в зависимости от вида изделий.

Химический состав стали, особенно содержание кремния, оказывает существенное влияние на формирование цинкового покрытия. Большой ассортимент болтов производят из стали обыкновенного качества – Ст3пс. Основным недостатком данной стал и являет ся большой допуск по химическому составу, а именно по кремнию. Как показал многолетний опыт применения процесса горячего цинкования, при содержании кремния в стали 0,06-0,10% наблюдается аномальный рост толщины цинкового покрытия. Кроме того, такое покрытие может быть рыхлым и иметь нетоварный серый цвет [3-6].

Таким образом, поиск оптимальных технологических параметров процесса горячего цинкования для получения на резьбе метизов качественного покрытия минимальной толщины – актуальная задача для современной промышленности.

Целью данной работы было исследование влияния температуры процесса горячего цинкования и врем ени выдержки в распл аве цинка на микроструктуру и толщину покрытия на резь -бовой части болтов из стали Ст3пс, содержащей около 0,1% кремния.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для исследования были выбраны образцы с содержанием Si=0,10% и Р=0,04%. Химический состав образцов был определен на оптикоэмиссионном анализаторе Foundry-Master XPR. Образцы прошли предварительную химическую подготовку поверхности по обычной заводской технологии по схеме: обезжир ивание, промы в-ка, травление, промывка, флюсование, сушка. Цинкование происходило в экспериментальной ванне оцинкования. Для исследования были выбраны два интервала температур: стандартные температуры 450-470 оС и повышенные температуры 535-555 оС. Время выдержки составляло 40, 80 и 160 сек. Расплав цинка содержал добавку алюминия 0,002-0,005%.

Исследовалось поперечное сечение резьбовой части образцов. Толщина измерялась с помощью оптического микроскопа. На каждом из образцов были проведены замеры на вершинах, гранях и впадинах резьбы, по 10 замеров на каждом. Определение элементного состава покрытия по толщине проводилось на электронном растровом микроскопе TESCAN Vega SB с применением энергодисперсионного детектора INCAx-act.

АНАЛИЗ РЕ ЗУЛЬТАТОВ

Исследования на оптическом микроскопе при увеличении 200 крат показали, что толщина и микроструктура цинкового покрытия имеет большие различия в зависимости от режима цинкования. Для дефектного покрытия характерны наплывы на гранях и впадинах, большая раз- нотолщинность. Качественное покрытие более однородно по толщине. Наплывы во впадинах резьбы отсутствуют (рис. 1).

Исследования показали, что в интервале стандартных температур 450-470 оС толщина покрытия на грани и вершине резьбы постоянна, а толщина покрытия во впадине уменьшается с повышением температуры. Время выдержки в расплаве не влияет на толщину по крытия на вершине и грани резьбы, и она не превышает 100 мкм. Толщина покрытия во впадине увеличивается с ростом времени выдержки. В связи с этим оптимальные технологические параметры выбирали, ориентируясь на минимальные значения толщины покрытия во впадине резьбы.

Результаты эксперим ентов представлены на диаграмме зависимости толщины покрытия на впадинах резьбы от времени выдержки и тем -пературы расплава (рис. 2). Анализ результатов показал, что минимальная толщина покрытия (275 мкм) наблюдается при температуре 470 оС и выдержке 80 сек.

Рис. 1. а- дефектное покрытие; б- качественное покры тие

Рис. 2. Диаграмма зависимости толщины покрытия во впадинах резьбы от времени выдержки и температуры расплава в интер вале стандартных температур 450-470 ^оС

Можно предположить, что при данных технологических параметрах достигается оптимальное значение жидкотекучести расплава, позволяющее хорошо удалить излишки цинка из резьбы при операц ии «вибровстряхивание».

Анализ микроструктуры цинкового покрытия на вершине, грани и впадине резьбы показал, что при температуре 470^оС и времени 80 сек покрытие плотное, однородное, без пор и трещин. В покрытии наблюдаются все основные фазы, характерные для данной температуры цинкования: s , с , 77 . Фаза 5 имеет вид столбчатых кристаллов, фаза c, имеет дендритное строение. Отдельные кристаллиты -фазы выходят на поверхность покрытия (рис. 3). Данное строение является типичным для сталей с содержанием кремния 0,1%.

Тем не менее, полученная при данном режиме минимальная толщина покрытия во впадинах резьбы 275 мкм не обеспечивает удовлетворительную свинчиваем ость крепежных изделий.

В интервале повышенных температур 535-555

оС толщина покрытия на грани и вершине резьбы постоя нна, а толщина покрытия во впадине уменьшается с повышением температуры. Это объясняется изменением фазового состава покрытия – при температурах выше 530 С в покры -тии отсутствует -фаза. С увеличением времени выдержки толщина по крытия на вершине, грани и впадине резьбы растет.

В данном интер вале температур минимальная толщина покрытия во впадинах резьбы достигается при температуре 555 оС и времени выдержки 40 сек и составляет 120 мкм при минимальной разнотолщинности (рис. 4).

Исследования микроструктуры покрытия, полученного при температуре 555^оС и времени выдержки 40 сек, покрытие плотное, однородное. В покрытии наблюдается 5 -фаза и следующая за ней зона мелкодисперсной смеси фаз. Сколы и отслаивания покрытия отсутствуют (рис. 5).

Таким образом, анализ микроструктуры покрытия на резьбовой части крепежны х изделий показал, что наиболее качественное цинковое

a)

в)

Рис. 3. Микроструктура цинкового покрытия при температуре 470 о С, время выдержки 80 сек

Рис. 4. Диаграмма зависимости толщины покрытия во впадинах резьбы

-от времени выдержки и температуры расплава в интервал е повышенных температур 530-560 оС

a)

б)

в)

Рис. 5. Микроструктура цинкового покрытия при температуре 555 о С, время выдержки 40 сек

покрытие минимальной толщ ины формируется на стали Ст3пс при температуре цинкования 555 оС и времени выдержки 40 сек. Данные технологические пар аметры можно рекомендовать для корр ектировки произ водственного режима горячего цинкования метизов.