Основные виды и назначение металлопокрытий. Покрытие поверхности стальной проволоки другим металлом производится для защиты от коррозии.
Защита осуществляется механическим и электрохимическим способами. При механической защите покрытие должно надежно экранировать основной металл от окружающей среды за счет толщины покрытия, его сплошности и прочности сцепления с металлом основы.
При электрохимической защите металл покрытия по отношению к основе может быть анодом или катодом.
Катодными покрытиями, по отношению к стали, являются: кадмий (-0,403 В), кобальт (-0,27 В), никель (-0,25 В), олово (-0,136 В), свинец (-0,126 В) - (стандартный потенциал Ео, В, контактирующих металлических пар, в основном малый отрицательный).
Катодные покрытия защищают сталь только механическим способом. Наличие трещин, пор, механических повреждений приводит к образованию гальванических микропор, вследствие чего разрушается стальная основа.
Анодные покрытия (алюминий (-1,66 В), хром (-0,744 В), цинк (-0,763 В), титан (-1,63 В)) кроме механической защиты стали создают протекторный эффект, активно сохраняя стальную основу – вплоть до полного разрушения самого покрытия. (Ео – большой отрицательный).
Наряду с этим покрытия широко применяют для создания специальных свойств на поверхности проволоки:
1. Повышения адгезионных свойств поверхности металла с резиной при латунировании.
2. Паяемости при лужении.
3. Улучшение электроконтакта и повышения электропроводности при меднении.
Основные материалы металлопокрытий – цинк, олово, медь, алюминий, никель, латунь, кадмий, свинец и др. металлы. Наряду с металическими покрытиями используют полимерные и лакокрасочные покрытия.
Металлопокрытия наносят на проволоку горячим и электролитическим способами, а так же плакированием.
При горячем способе покрытия наносят прохождением проволоки с тщательно очищенной поверхностью через расплав наносимого металла. Благодоря относительной простоте технологии этот способ наиболее распространенный и широко применяемый при покрытии стали легкоплавкими металлами – цинком, оловом, свинцом, алюминием и сплавами.
Электролитический способ покрытия основан на катодном осаждении металлов на поверхность стали из водных и неводных растворов солей или их расплавов. Электролитическим способом наносят оловянное, цинковое, медное, кадмиевое, никелевое и хромовое покрытия. Это наиболее универсальный способ нанесения металлических покрытий на сталь.
Горячий и электролитический способы приводят к образованию на поверхности стали покрытия микронных размеров, когда его толщина намного меньше размеров поперечного сечение проволоки.
Изготовление двух- и многослойных композиций «металл-металл» с соизмеримым соотношением компонентов по площади поперечного сечения называется плакированием.
На практике используют две основные технологические схемы изготовления проволоки с металлопокрытием:
1) нанесение покрытия с готовым размере (после волочения, волочения и т/о)
2) покрытие передельной термообработанной заготовки с последующим волочением на готовый размер.
Нанесение покрытий любым способом требует тщательной очистки поверхности от оксидов, ржавчины, смазки и др. загрязнений.
Подготовка поверхности перед металлопокрытием состоит из обезжиревания, травления или декапирования, флюсования и промывки. Весь этот комплекс операций осуществляется на протяжных многониточных агрегатах.
Последнее время находят широкое применение комплексные поточные агрегаты, содержащие термообработку, подготовку поверхности и нанесение покрытий в единой технологической линии (т.е. дополнительно т/о).
Покрытие проволоки цинком. В волочильном производстве наиболее широко применяется покрытие цинком (цинкование). Цинк представляет собой анодное покрытие для стали и обладает высоким отрицательным электрическим потенциалом, благодаря чему хорошо защищает изделие от коррозии. Цинкованию подвергаются важнейшие стальные изделия.
Горячее цинкование осуществляют путем прямого соприкосновения изделия с расплавленным цинком. Процесс цинкования может быть успешным лишь при совершенно чистой поверхности изделия и в свободном от окислов цинке Поэтому весьма важно перед цинкованием тщательно подготовить поверхность стальных изделий путем обезжиривания, травления и нанесения флюсов.
Специальная операция обезжиривания необходима потому, что применяемые при травлении кислоты не растворяют жиров остатков мыльной смазки).
Обезжиривание осуществляют, обычно, путем химической или электро-химической обработки в подогретом растворе едкого натрия или соды.
Ввиду того, что щелочи растворяют не все виды жиров, на практике широко применяют "горячее обезжиривание" изделий в расплавленном свинце или расплавах солей и щелочи. При этом способе происходит полное удаление мыльно-жирового слоя, находящегося на поверхности изделия.
Температура обезжиривания должна быть не выше температуры горячего цинкования. После горячего обезжиривания в расплавах солей изделия тщательно промывают.
Обезжиренное изделие подвергают травлению в соляной или серной кислотах. При травлении происходит удаление окислов и образование шероховатой поверхности изделия, что способствует более прочному сцеплению стали с цинком.
После травления целесообразно промыть изделия водой для получения чистой поверхности и для того, чтобы остатки солей железа не попадали в оцинковочную ванну.
Назначение флюса - растворить неотмытые соли железа. Связывание этих солей производится, в частности, тогда, когда они под действием нагрева превращаются в окислы.
Главные составляющие флюсов: хлористый цинк ZnCl2 и хлористый амоний в водном растворе. При соприкосновении с расплавленным цинком флюсы образуют сложные соединения с выделением водорода и аммиака, которые легко улетучиваются. Рекомендуется применять отдельную ванну с раствором флюса перед оцинковочной ванной. Это обеспечивает сплошное покрытие флюсом поверхности изделий.
Температуру оцинковочной ванны с расплавленным цинком рекомендуется поддерживать возможно ниже для увеличения толщины чистого цинка, уменьшения окисления поверхности цинкового расплава и уменьшения влияния температуры на механические свойства наклепанного металла.
Расплавленный цинк способен растворять железо и поэтому постоянно разъедает стенки ванны (обычно железной или стальной). Кроме того, он растворяет некоторую часть железа изделий, поступающих для оцинкования. Вследствие этого образуется гартцинк, имеющий удельный вес больше, чем чистый цинк. Гартцинк постепенно осаждается на дно ванны. Для уменьшения разъедания ванны часто ее дно заливают расплавленным свинцом. Этот слой свинца облегчает удаление гартцинка из ванны. Однако применение свинцовой подушки при горячем цинковании имеет и недостатки: расплав цинка при этом обогащается свинцом, что ухудшает качество цинкового покрытия.
Ванна для цинкования должна иметь достаточный объем цинка, чтобы не происходило резкого уменьшения температуры при загрузке в нее холодных изделий. Однако слишком большие размеры ванны увеличивают количество угара цинка. Поэтому открытая поверхность ванны должна быть минимальной.
В качестве материала для ванн наиболее целесообразно применять низкоуглеродистую сталь, т.к. большое содержание углерода понижает их долговечность.
Обогрев ванн рекомендуется осуществлять электричеством или газом. В последние годы начал применяться индукционный нагрев токами низкой частоты.
При выходе изделий из оцинковочной ванны их обычно подвергают обтирке для выравнивания слоя покрытия.
Последними операциями после оцинкования изделий являются обычно охлаждение в воде или на воздухе, а иногда и нанесение защитного смазочного слоя.
Цинкование проволоки с тонким покрытием.На рисунке дана схема повременного агрегата для горячего цинкования стальной проволоки.
Проволока на фигурке I после горячего обезжиривания в специальной печи 2 или в ванне с расплавом свинца (соли), затем химического травления 3, промывки 4 и флюсования 5, высушенная на специальной плите 6, поступает в оцинковочную ванну 7.
Для защиты расплавленного цинка от окисления и для уменьшения потерь тепла поверхность его покрывают слоем измельченного древесного угля.
После оцинковочной ванны проволока проходит обычно через асбестовые обтиры. Затем охлаждается сначала на воздухе, потом водой или эмульсией до полного остывания. После этого смазывается защитной смазкой (парафином, воском) в ванне 8 и поступает на намоточные барабаны 9.
Цель интенсивного охлаждения водой состоит в том, чтобы остановить процесс диффузии железа в покрытие, который прекращается при температуре проволоки около 260°С.
Вид поверхности проволоки, структура и качество цинкового покрытия в значительной степени зависит от условий ее охлаждения:
1. При медленном охлаждении только на воздухе проволока получается матовой и все цинковое покрытие состоит из железо-цинковых фаз, т.е. происходит диффузия железа в цинковое покрытие.
2. Наиболее светлая проволока получается при охлаждении водой непосредственно после выхода из обтира (на расстоянии не более 150 мм). При этом поверхностный слой покрытия состоит из чистого цинка.
3. При охлаждении проволоки водой на расстоянии 2-3 м от обтиров получается глянцевая поверхность покрытия.
Таблица 6 - Характеристика агрегатов и технические режимы горячего цинкования канатной проволоки
| Параметры агрегатов и технологические операции | Диаметр проволоки, мм | ||||
| 0,2 - 0,31 | 1,0 - 1,4 | 1,8 - 3,0 | 3,5 - 5,0 | ||
| Число ниток | |||||
| Общая длина агрегатов, м | 16,5 | ||||
| Скорость цинкования, м/мин | 150-90 | 55-40 | 28-20 | ||
| Фактическая толщина покрытия, микрон | 1,8-4 | 5,-20 | 11-23 | 14-23 | |
| Обезжиривание | Длина ванны, м | 1,2 | 1,2 | 1,2 | 3,0 |
| В расплаве свинца | + | + | + | в расплаве соды 120 г/л | |
| Травление | Длина ванны, м | 1,4 | 3,5 | 6,0 | 6,0 |
| HCl, г/л | 150-180 | 150-180 | 180-200 | 180-200 | |
| Флюсование | Длина ванны, м | 1,2 | 1,2 | 1,2 | 2,6 |
| ZnCl2 | Концентрированный раствор | ||||
| Цинкование | Длина ванны, м | 2,0 | 2,5 | 4,0 | 4,0 |
| Температура, °С |
Фактически получаемая толщина покрытия зависит главным образом от длительности соприкосновения проволоки с цинком и от применяемого обтира. Необходимо отметить, что регулирование точной и равномерной толщины цинкового слоя при горячем цинковании практически неосуществимо.
Привод намоточных барабанов должен обеспечивать возможность широкого регулирования скорости прохождения проволоки.
Цинкование проволоки с толстым покрытием.Толстый слой цинка на проволоке может быть получен:
1. При безобтирочном выходе проволоки из оцинковочной ванны и обычных скоростях цинкования.
2. При обтирах и весьма малых скоростях цинкования.
Наиболее удовлетворительные результаты дает первый способ, т.к. при медленном цинковании возрастает опасность получения хрупкой проволоки с пониженными механическими свойствами.
Нанесение толстого слоя цинкового покрытия чаще всего применяют на заготовках, используемых для последующего изготовления из них оцинкованной проволоки более тонких диаметров.
Технология цинкования с толстый покрытием меняется в зависимости от группы размеров проволоки. Так, заготовку Æ 1,1-1,6 мм для оцинкованной канатной проволоки Æ 0,2-0,6 мм цинкуют при вертикальном выходе проволоки из расплава цинка и без применения обтира.
При вертикальном движении проволоки из ванны расплавленный цинк стекает вниз. При этом покрытие получается недостаточно гладким. С целью сглаживания поверхностного слоя цикла целесообразно обогревать проволоку, выходящую из цинковой ванны. Для этого применяют тлеющий слой древесного угля толщиной до 200 мм.
При цинковании проволоки Æ>2 мм можно ограничиться наклонным выходом ее из оцинковочной ванны.
Другие виды металлопокрытий проволоки
В сталепроволочном производстве, кроме цинка, применяют и другие металлы в качестве защитных покрытий. К ним относятся олово, кадмий, алюминий.
Покрытие оловом (лужение). Обычно лужению подвергают бандажную проволоку, проволоку, применяемую в аппаратуре для пищевой промышленности, а также некоторые сорта пружинной проволоки, когда хотят избежать значительного снижения механических свойств сильно наклепанной проволоки, вызываемого горячим цинкованием.
Следует отметить, что олово защищает сталь от коррозии только механически, пока полуда не повреждена. Олово в обычных условиях не оказывает защиты электрохимического характера, обеспечиваемой цинком.
Наиболее распространено горячее лужение. Оборудование и процессы при лужении аналогичны процессам и оборудованию при цинковании. Особенности:
В качестве обтира после оловянной ванны успешно применяются волоки с диаметром канала, несколько большим, чем диаметр проволоки.
Интенсивное водяное охлаждение при лужении не применяют - оно дает трещины в покрытии, поверхность становится шероховатой. Для увеличения коррозионной стойкости луженной проволоки при длительном хранении ее покрывают защитной смазкой из расплавленного стеарина. Пpи этом смазочная ванна монтируется в общем конвейере.
Скорость лужения проволоки Æ 0,3-0,4 мм доходит до 100 м/мин. Время пребывания стальной проволоки в оловянной ванне 1-2 сек. Обычная толщина олова составляет 15-35 г/м2 проволоки.
Покрытие кадмием (кадмирование). В ряде металлов, защищающих сталь – кадмий, как цинк, является анодным покрытием. Сравнительно низкая температура плавления (266°С); эвтектики Cd – Zn (83%Cd? 17%Zn) незначительно влияет на механические свойства стали, по сравнению с горячим цинкованием. Кроме того, кадмий придает металлу красивый внешний вид, нз разрушает ванну и не образует отходов, подобных гартцинку. Защитный слой кадмия отличается твердостью и хорошо сопротивляется износу.
Процесс горячего кадмирования проволоки аналогичен процессам горячего оцинкования и лужения.
Главной причиной ограниченного использования кадмирования является высокая стоимость и дефицитность кадмия.
Покрытие алюминием (алюминирование). Успешно применяться защитное покрытие стальной проволоки (канатной, телеграфной, сеточной, колючей и др.) алюминием. Он обеспечивает хорошую антикоррозионную стойкость и, кроме того, предохраняет (после специальной термической обработки) поверхность стали от окисления при температурах до 700°С.
Во влажной атмосфере алюминиевые покрытия защищают эффективнее, чем цинковые.
Процесс поточного горячего алюминирования во многом аналогичен описанному выше процессу горячего цинкования.
Температура алюминиевого расплава 675-760°С. Дри горячем алюминировании покрытие состоит из двух слоев: нижнего (сплав алюминия и стали), образующегося в результате диффузии и верхнего, состав которого незначительно отличается от состава ванны. Нижний слой твердый и хрупкий, верхний - мягкий и пластичный. Для получения прочного и вязкого покрытия желательно уменьшить толщину и твердость нижнего слоя на проволоке. Это достигается увеличенной скоростью прохождения проволоки в ванне, снижением температуры расплава, а также легированием алюминия кремнием или бериллием.
Для эффективной защиты проволоки алюминиевым покрытием при высоких температурах ее подвергают специальной диффузионной термической обработке, превращающей верхний слой в сплав, аналогичный нижнему (алитирование).
Неметаллические покрытия волоченых изделий. Покрытия защитными металлами применяют, главным образом, для наиболее ответственных видов изделий, находящихся в условиях, способствующих коррозии. Для большинства же видов изделий обычно применяют неметаллические покрытия и защитные смазки.
В качестве неметаллических покрытий применяют как органические, так и неорганические покрытия: олифование (покрытие металла тонким слоем вареного льняного масла с добавками для ускорения сушки на воздухе), эмалирование, окраска, промасливание и асфальтирование. Кроме того, широко применяют покрытия изделий защитными пленками: оксидирование, фосфатирование, хромирование.
Смазывание изделий осуществляют в ваннах с расплавленной смазкой.