5. Алюминирование

Алюминий — серебристо-белый металл, устойчивый против коррозии. Плотность алюминия — 2,7 г/см³, температура плавления — 660 °С. Среди металлов алюминий по распространенности в природе занимает первое место, по практическому использованию — второе (после железа).

Алюминий имеет более отрицательный (-1,676 В) по сравнению с цинком (-0,76 В) нормальный электродный потенциал и в гальванической паре с железом (-0,44 В) должен разрушаться быстрее цинка. Однако из-за способности алюминия к самопт роизвольной пассивации в присутствии атмосферного и растворенного в воде кислорода и других пассиваторов алюминиевое покрытие имеет в несколько раз большую коррозионную стойкость, чем цинковое.

Отмечается высокая стойкость алюминированной стали против воздействия серы и хлора. В промышленной атмосфере стойкость алюминированной стали по сравнению с оцинкованной больше в 10 раз, а в морской воде еще больше. Очень высокая стойкость покрытия в горячей воде. По данным исследований, алюминиевое покрытие в среднем в 6 раз устойчивее цинкового при равной массе покрытия и в 2,5 раза устойчивее цинкового при одинаковой толщине. По сравнению с цинковым алюминиевое покрытие обладав! более высокой жаростойкостью.

Для коррозионной защиты алюминиевое покрытие наносят толщиной 20—50 мкм (75—150 г/м²).

Наиболее распространенный способ нанесения алюминиевого покрытия микронных размеров — погружение проволоки в расплав алюминия.

Кинетика образования алюминиевого покрытия во многом аналогична процессам при горячем цинковании. При погружении стали в жидкий алюминий за счет диффузионных процессов образуются тонкий граничный слой твердого раствора алюминия в железе (содержание алюминия по массе - до 33 %) И хрупкий слой интерметаллических соединений, состоящий из комплексного карбида Fe₃AIC_x(содержание алюминия по массе — 9%), фазы ν—FeAl₃ (41% железа по массе), фазы ξ—FeAl₂ (49% железа по массе) и фазы η - Fe₂Al₅ (52—55% алюминия по массе). При выходе проволоки из ванны алюминирования над слоем и н тер металл и то в обра зуется слой расплава, соответствующий суммарному химическому составу ванны.

С увеличением температуры расплава и времени обработки скорость образования хрупких фаз, преобладающей из которых является Fe₂Al₅ заметно увеличивается. С увеличением температуры ванны толщина слоя сплава растет по степенному закону (рис. 44), а с увеличением продолжительности погружения - по параболическому закону в зависимости оn времени (рис. 45). Поэтому температура ванны алюминирования (680—700 ⁰C) и продолжительность погружения должны соответствовать нижнему технически возможному пределу.

В качестве легирующего элемента, эффективно снижающего скорость роста интерме-таллитов, применяют кремний в количестве до 10% (рис. 45).

Из-за высокой температуры алюминирования (680— 720 °С) при его нанесении горячим способом предел прочности холоднотянутой проволоки снижается на 50% с увеличением относительного удлинения до 14— 17%.

Во ВНИИМЕТИЗ разработаны два различных технологических процесса алюминирования проволоки из низко- и среднеуглеродистых сталей.

Рис. 44. Зависимость толщины слоя сплава Fe — Al от температуры ванны для алюминирования при различных продолжительностях погружения

Рис. 45. Зависимость толщины слоя сплава Fe — Al от продолжительности погружения и содержания кремния (цифры у кривых) при постоянной температуре ванны

Алюминирование проволоки из низкоуглеродистой стали проводится на готовом размере. Проволоку предварительно обезжиривают и затем нагревают до 720— 740 °С в расплаве солей состава 50% KCl, 30% NaCl и 20% Na₃AlF₆. В алюминиевый расплав проволоку вводят через слой флюса того же состава, находящегося на поверхности ванны алюминирования. Состав ванны - 97-98% чистого алюминия и 2-3% кремния. При температуре ванны 680—700 ⁰C происходит отжиг с одновременным нанесением алюминиевого покрытия. Выход проволоки из ванны вертикальный, продолжительность процесса отжиг алюминирование -- около 3 с.

Проволоку из углеродистых сталей (типа канатной) алюминируют по следующей схеме. Холоднотянутую проволоку обезжиривают химическим или электрохимическим способом по обычной технологии, промывают в горячей воде, травят в растворе соляной кислоты концентрацией 150—200 г/л и снова тщательно промывают в горячей воде. Затем проволоку нагревают до 850— 870 "С для аустенизации в расплаве флюса, состоящего из 30— 40% KCl, 40—60% NaCl и 10—20% Na3AlF6 и алюминируют при температуре 800— 850 °С в течение 9 с в расплаве 96— 97% чистого алюминия и 3—4% кремния. Изотермическое охлаждение алюминированной заготовки происходит в селитровой ванне при температуре 480 — 530 °С с последующим охлаждением на воздухе и в горячей воде для отмывки селитры. Для подготовки поверхности перед волочением заготовку известкуют в 3— 8% растворе извести, сушат горячим воздухом с температурой 100— 170 "С и наматывают на катушки. Ванну алюминирования обогревают погруженными электродами или индукционным способом. Полученную заготовку подвергают волочению на готовый размер.

Расплавленный алюминий гораздо сильнее, чем цинк, реагирует со сталью. Поэтому ванны для алюминирования должны быть полностью изготовлены из неметаллических материалов (фарфор, керамика).

Сталеалюминиевую проволоку с содержанием алюминия более 15% по сечению изготавливают двумя способами: опрессованием стального сердечника алюминиевой оболочкой и накаткой алюминиевого порошка на стальной сердечник. Полученную по обоим способам сталеалюминиевую заготовку подвергают волочению на готовый размер.

Сталеалюминиевую проволоку с толстым плакирующим покрытием изготавливают способом опрессования по такой технологической схеме (рис. 46). Нагретые до 450-500 ⁰C алюминиевые слитки цилиндрической формы из алюминия марок А7, А8 закладываются в контейнер 2 пресса, из которого алюминий напрессовывается на стальной сердечник 4 через зазор между дорном 3 и рабочим отверстием матрицы 1 под действием щтоков гидроцилиндров 5, установленных в корпусе прессовой головки. Процесс опрессования циклический, продолжительность

цикла зависит от массы алюминиевых слитков и скорости наложения оболочки, которая изменяется от нуля в начале цикла, достигает 3—4 м/с и снова снижается до нуля в конце цикла прессования. При этом штоки гидроцилиндров поднимаются, в контейнер пресса загружается новая порция нафетых алюминиевых слитков и процесс прессовании повторяется.

В качестве сердечника в зависимости от назначения готовой сталеалюминиевой проволоки применяют отожженную низкоуглеродистую сталь (типа марки 15Г) или патентированную заготовку из углеродистой стали (марок 50— 70).

Стальной сердечник после термообработки подвергают горячему цинкованию для создания металлического сцепления между компонентами биметалла.

Однако в процессе наложения оболочки не возникает условий для развития реакционной диффузии компонентов через цинковый подслой; сцепление на границе раздела имеет механический характер, что и определяет свойство готовой сталеалюминиевой проволоки (табл. 43, вариант 1).

Для создания металлического сцепления применяют механическую зачистку иглофрезами для активации поверхности оцинкованной заготовки и электроконтактный нагрев сердечника до температуры 350 400 "С непосредственно в потоке перед опрессованием. В процессе наложения оболочки происходят подплавлеще подслоя пинка на стальном сердечнике и его активное диффузионное взаимодействие с алюминиевой оболочкой с образованием прочного металлического сцепления между компонентами.

Промышленный способ изготовления сталеалюминиевой проволоки накаткой алюминиевого порошка на стальной сердечник разработан фирмой "Когшервелд Стил" (США) - "Aiumoweld".

Рис. 46. Схема наложения алюминиевой оболочки способом опрессования

Таблица 43 Свойства сталеалюминиевой проволоки, изготовленной различными способами

Вариант изготовления	Диаметр биметаллической проволоки, мм	Содержание алюминия,%	оцепления компонентов	Механические свойства			Электросопротивление, Ом/км, не более	Суммарная деформация при волочении, %
				σв, Н/мм:	δ200, %	Число перегибов*
1	5,10 4,30 2,80	48 48 48	Механическое	770 820 1000	2,0 1,5 1,0	7/9 9/13 14/29	2,85 3,71 9,65	42 60 79
2	5,10 4,30 2,80	48 48 48	Металлическое	780 820 1020	2,0 1,5 1,0	9/9 12/12 28/28	2,9 3,16 9,65	42 60 79
3	5,10 4,30 2,80	45 45 45	То же	850 830 970	1,5 1,5 1,0	7/7 8/8 18/18	2,92 3,9 9,9	50 48 69
Alumoweld, США	5,20 4,12 2,60	40 40 25		1090 1190 1370	0,5 0,5 0,5	—	4,02 6,35 16,0	—

Рис. 47. Схема получения биметаллической заготовки способом накатки порошка

Стальной сердечник 1 (рис. 47) из стали марок 40— 70 после патентирования и горячего цинкования с размоточного устройства 2 подвергается электроконтактному нагреву 3 до температуры 300 350 °С. Формирование оболочки накаткой происходит в пер вой черновой клети 5, в очаг деформации которой одновременно поступают стальной сердечник и самотеком из вертикально расположенного бункера 4 алюминиевый порошок (алюминиевая крупка первичная АКП из алюминия марок А7 —А9). Полученная биметаллическая заготовка 6 в потоке подвергается вторичному электроконтактному нагреву 7 до температуры 500 °С и уплотняющей прокатке в первой 8 и второй 9 чистовых клетях, где обеспечивается металлическое сцепление компонентов биметалла. При выходе из второй чистовой клети происходят обрезка "усов" алюминия в скальпирующей волоке 10 и смотка заготовки на катушку 11. Скорость прокатки при выходе из второй чистовой клети составляет 25— 30 м/мин. Скорости прокатки и нагрева сердечника постоянны и поддаются регулировке в широком диапазоне, что позволяет вести процесс в оптимальном режиме. Для получения гарантированною металлического сцепления компонен-

тов оцинкованный сердечник перед накаткой необходимо подвергнуть механической зачистке иглофрезами. Прокатные клети могут быть двух - или четырехвалковыми с калибровкой валков по системе "круг—круг". В качестве чистовых клетей могут применяться четырехроликовые волоки. Свойства сталеалюминиевой проволоки, изготовленной этим способом, приведены в табл. 43 (вариант 3).

Волочение сталеалюминиевой заготовки на готовый размер следует вести в режиме гидродинамического трения с применением трубок-насадок на станах прямоточного типа.

Гидродинамическое трение с созданием достаточного давления смазки перед волокой необходимо для принудительного подавления передней внеконтактной деформации алюминиевой оболочки и исключения налипания алюминия на рабочую поверхность инструмента. Для этих целей требуется интенсивное охлаждение волок, барабанов и проволоки, поскольку перегрев смазки снижает вязкость мыльного порошка, что приводит к падению давления, развиваемого трубкой-насадкой.

Волочение ведут с частными обжатиями 15— 25%. Применение более высоких обжатий приводит к интенсивному нагреву проволоки и инструмента, обжатия менее 15% к потерям производительности основного оборудования.