Способ изготовления проволоки с цинк-алюминиевым покрытием и высокопрочная проволока с цинк-алюминиевым покрытием, изготовленная данным способом Российский патент 2025 года по МПК C23C2/06 C23C2/12 C22C38/42 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области нанесения металлических покрытий, в частности нанесению цинк-алюминиевого покрытия расплавленным металлом металлических тел большой длины, таких как проволока. Расплавленный металл затвердевает, образуя покрытие на металлических телах. В частности изобретение относится к покрытию расплавленным цинк-алюминием длинных отрезков металлической проволоки или полосы и затвердеванию расплавленного алюминия в виде покрытия на проволоке или полосе.

Уровень техники

Известен процесс производства изделий из стальной проволоки методом горячего цинкования из алюминиевого сплава подходит для оборудования для производства изделий из стальной проволоки, как указано в.1, и характеризуется тем, что: способ состоит из следующих этапов: первый этап, раскатка и расстановка проволоки с использованием I-образного колеса из стальной проволоки с большим весом в рулоне; Шаг второй, ультразвуковая очистка стальной проволоки; в-третьих, выполнение температурно-регулируемой комплексной окислительно-восстановительной комплексной предварительной обработки стальной проволоки с использованием печи окислительно-восстановительного отжига трубчатой стальной проволоки; Шаг четвертый, выполнение контроля температуры с помощью устройства контроля температуры стальной проволоки, горячее покрытие печью горячего цинкования стальной проволоки, протирка стальной проволоки, охлаждение стальной проволоки, активация стальной проволоки для облегчения покрытия, горячее покрытие в печи горячего цинкования стальной проволоки из алюминиевого сплава, воздушная протирка стальной проволоки и охлаждение стальной проволоки в последовательности, чтобы выполнить горячее покрытие по крайней мере одним легированным покрытием на поверхности стальной проволоки; и пятый шаг, перемотка стальной проволоки в перевернутом виде (CN 112111701 A, опубл. 22.12.2020).

Недостатками аналога является высокая ресурсоемкостью, определяющаяся необходимостью для обеспечения производства проволоки двух ванн для нанесения покрытия, оборудования расположенного между ваннами и осуществлением дополнительной подготовки проволоки перед опусканием в каждую ванну и после нее. При этом перед ваннами с цинковым и цинк-алюминиевым расплавами допускается контакт с внешней средой, что снижает механические характеристики проволоки и ухудшает качество нанесения покрытия и его стойкость.

Наиболее близким техническим решением является способ нанесения алюминиевого покрытия при котором осуществляет нагрев проволоки электричеством путем пропускания ее через трехфазную цепь «треугольник», в которой проволока образует соединение между тремя фазами при воздействии водорода, проходящего обратно движению проволоки, далее проволока переворачивается для движения вертикально вниз, при этом перпендикулярно к ней подают водород, после проволока проходит через печь с алюминиевым расплавом, который продолжает стекать по ней после выхода из упомянутой печи, перпендикулярно проволоке после печи с расплавом снова подают водород, после чего также вертикально проволоку для охлаждения направляют в ванну с водой (GB1105708A, опубл. 13.03.1968).

Недостатком прототипа является низкая технологичность, вызванная во-первых, большим количеством ресурсов, необходимых для осуществления способа (большой объем водорода, большое количество устройств, электричества для работы устройств, времени на ремонт и поддержание в рабочем состоянии устройств), выраженных в создании трехфазной цепи «треугольник» для реализации нагрева проволоки, необходимостью тройной подачи водорода, где первый при нагреве обратно направлению проволоки, второй перед печью с алюминиевым расплавом перпендикулярно проволоке и третий после печи с алюминиевым расплавом перпендикулярно проволоке; во-вторых, не прогнозируемостью выходных параметров проволоки с покрытием, по тем причинам, что расплав в прямом смысле стекает по проволоке после прохождения ванны с расплавом после чего проволока сразу погружается в воду, где наплывшее покрытие застывает, что неизбежно приводит к образованию на проволоке неравномерного покрытия и дефекта «наплыв»; в-третьих, данный способ не пригоден для производства высокопрочной проволоки, по той причине, что весь процесс осуществляется в водородной среде, где происходят восстановительные процессы в оксидах, что может привести к снижению механических свойств проволоки (например, ее временному сопротивлению разрыву).

Раскрытие сущности изобретения

Задачей заявляемого изобретения является создание более технологичного способа изготовления проволоки с цинк-алюминиевым покрытием, то есть менее ресурсоемкого способа изготовления проволоки с цинк-алюминиевым покрытием, пригодного для изготовления, в том числе, высокопрочной проволоки с высокими механическими характеристиками.

Поставленная задача решается тем, что способ изготовления проволоки, включает нагрев стальной проволоки в среде водорода, нанесение на нее цинк-алюминиевого расплава и охлаждение до застывания цинк-алюминиевого покрытия на проволоке, отличающийся тем, что нагрев указанной проволоки осуществляют в диапазоне температур 400-500°С в муфельной печи в среде водорода с его содержанием не менее 97%, а нанесение на стальную проволоку цинк-алюминиевого расплава осуществляют опусканием упомянутой проволоки в цинк-алюминиевый расплав без контакта с внешней средой.

В другом предпочтительном варианте изобретения применяют цинк-алюминиевый расплав температурой 410-490°С.

В другом предпочтительном варианте изобретения применяют цинк-алюминиевый расплав с содержанием цинка 89-97 мас.% и алюминия 3-11 мас.%.

В другом предпочтительном варианте изобретения наносят цинк-алюминиевое покрытие массой на площадь 50-450 г/м².

В другом предпочтительном варианте изобретения перемещение проволоки через муфель печи и/или цинк-алюминиевый расплав осуществляют со скоростью 28-70 м/мин.

В другом предпочтительном варианте изобретения подачу водорода в муфель печи осуществляют под давлением.

В другом предпочтительном варианте изобретения высокопрочная проволока включает углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

С 0,5-0,9 Si 0,13-0,42 Mn 0,3-1,2 Сr не более 0,25 Ni не более 0,30 Сu не более 0,30 S не более 0,025 P не более 0,025 при необходимости V 0,04-0,15 Fe и неизбежные примеси остальное,

а также содержит цинк-алюминиевое покрытие массой на площадь 50-450 г/м².

В другом предпочтительном варианте изобретения высокопрочная проволока выполнена диаметром 1,0-10,0 мм.

В другом предпочтительном варианте изобретения временное сопротивление разрыву высокопрочной проволоки находится в диапазоне 1800-2500 Н/мм².

Осуществление изобретения

Процесс изготовления проволоки начинается со стандартных процедур таких как, волочение, очистка и т.д., которые осуществляются известными метода.

После этого согласно изобретению проволоку нагревают в муфеле печи в диапазоне температур 400-500°С. В муфельной печи нагрев осуществляют газом, который нагревает муфель печи, через который в свою очередь пропускают проволоку, нагревая ее. Муфельная печь в данном способе выбрана не случайно, так как она позволяет избежать сложных с точки зрения конструктива и ремонтопригодности установок, нагревающих проволоку электричеством или индукцией, которые применяются в аналогах, а также позволяет осуществлять нагрев проволоки в среде водорода, обеспечивая необходимую подготовку поверхности проволоки для нанесения цинк-алюминиевого покрытия, тем самым обеспечивая повышение технологичности заявленного способа.

Температура нагрева определена опытным путем, при температуре менее 400°С цинк-алюминиевое не ложиться на стальную проволоку, что приводит к снижению ее механических свойств, стойкости, как следствие ее негодности для эксплуатации под заданные цели, а температура более 500°С приводит к снижению ее механических свойств, стойкости, как следствие ее негодности для эксплуатации под заданные цели.

Нагрев в муфеле печи осуществляют в среде водорода с его содержанием не менее 97%. Целью нагрева в водороде является реакция с пленкой оксида, которая присутствует на поверхности проволоки, для восстановления оксида железа или металлического железа. Когда проволока становится достаточно горячей, оксидная пленка восстанавливается до железа под действием водорода. Содержание водородной среды в муфеле печи с концентрацией водорода менее 97% приводит к снижению качества и скорости восстановительного процесса, что приводит к ухудшению механических свойств проволоки, и к тому, что цинк-алюминиевое покрытие может не лечь на проволоку.

Применение водородной среды при нагреве позволяет исключить применение флюсов, применяющихся при изготовлении проволоки, потому что, восстановление окислов и активация проволоки происходит в среде водорода.

Предпочтительно подачу водорода в муфель печи осуществляют под давлением.

После этого проволоку опускают без контакта с внешней средой в цинк-алюминиевый расплав. Это обуславливается тем, что если проволока с восстановленным на ней железным покрытием после среды водорода соприкоснется с внешней средой (которая как правило включает кислород и другие газы), то ее поверхность начнет окисляться, что приведет к ухудшению адгезии между проволокой и цинк-алюминиевым расплавом, вследствие чего покрытие не ляжет на проволоку.

Следует отметить, что именно для этих целей в массе аналогов сначала применяется цинковая ванна и проволоку только с первым цинковым покрытием опускают в цинк-алюминиевый расплав, так именно благодаря промежуточному цинковому покрытие обеспечивается адгезия с цинк-алюминиевым покрытием.

Описанный же способ благодаря полному исключению контакта проволоки с внешней средой после прохождения муфельной печи позволяет избежать применения дополнительной цинковой ванны, не требует создания водородной среды до и после цинк-алюминиевой ванны, а также не требует подачи водорода в определенном направлении, что позволяет избежать сложных с точки зрения конструктива и ремонтопригодности установок и получить проволоку с заданными механическими характеристиками, тем самым повысить технологичность заявленного способа.

После прохождения цинк-алюминиевого расплава проволоку поднимают из него и охлаждают до застывания цинк-алюминиевого покрытия на ней. Поднятие проволоки из расплава обеспечивает стекание с нее излишков цинк-алюминиевого расплава назад в ванну с указанным расплавом, после чего проволоку охлаждают до застывания нанесенного на нее покрытия. При необходимости могут применены дополнительные средства для снятия толщины покрытия, например электромагнитный или газовый обтир.

Поднятие проволоки из ванны позволяет стекать излишкам расплава с неё под силой тяжести, что упрощает процесс по сравнению с наиболее близким аналогом, не требует применения на выходе из ванной сложных устройств для пропускания проволоки вниз да ещё и так, чтобы расплав продолжал стекать по ней, ровно как и позволяет избежать наплывов расплава, которые неизбежно образуются на проволоке, если ее направлять вниз из ванны, так чтобы расплав стекал по ней, тем самым повышая технологичность заявленного способа.

Предпочтительно применяют цинк-алюминиевый расплав температурой 410-490°С, который находится по диапазону температур примерно схожих диапазону температуры в муфеле печи.

Для способа берется цинк-алюминиевый расплав с содержанием цинка 89-97 мас. % и алюминия 3-11 мас. %, наносят его массой на площадь 50-450 г/м². Конкретная концентрация и толщина цинк-алюминиевого покрытия определяется исходя из потребностей заказчика под его цели эксплуатации проволоки.

Проволоку перемещают через муфель печи и/или цинк-алюминиевый расплав предпочтительно со скоростью 28-70 м/мин.

Высокопрочная проволока с цинк-алюминиевым покрытием включает углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

С 0,5-0,9 Si 0,13-0,42 Mn 0,3-1,2 Сr не более 0,25 Ni не более 0,30 Сu не более 0,30 S не более 0,025 P не более 0,025 при необходимости V 0,04-0,15 Fe и неизбежные примеси остальное,

а также содержит цинк-алюминиевое покрытие массой на площадь 50-450 г/м².

Такой состав обусловлен требованиям к подбору механических свойств продукта, обеспечение более высоких механических свойств для компенсации падения механических свойств при прохождении через агрегат нанесения цинк-алюминиевого покрытия.

Содержание неизбежных примесей в составе, как правило не превышает 1%, в качестве них возможно присутствие Ti, Mo, B, As, N, Al и т.д.

Данный состав применяемый для проволоки с цинк-алюминиевым покрытием позволяет получать необходимые для высокопрочной проволоки диаметром 1,0-10,0 мм механические характеристики, выраженные в первую очередь временным сопротивлением разрыву в диапазоне 1800-2500 Н/мм². При этом для получения цинк-алюминиевого покрытия не используется кислотное травление и флюсование, так как подготовку поверхности проволоки перед цинк-алюминиевым покрытием осуществляет нагретый водород, подаваемые в муфеля печи. Обеспечивается стабильное нанесение цинк-алюминиевого покрытия массой на площадь 50-450 г/м² и получения его требуемых характеристик.

Примеры реализации

При осуществлении способа изготовления проволоки с цинк-алюминиевым покрытием производили нагрев проволоки в муфеле печи в среде водорода, после чего проволоку опускали без контакта с внешней средой в цинк-алюминиевый расплав, поднимали из него и охлаждали до застывания цинк-алюминиевого покрытия на ней. В табл. 1 приведены производственные режимы, применявшиеся при способе изготовления проволоки с цинк-алюминиевым покрытием.

Таблица 1 № способа 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Температура в муфеле печи, °С 399 400 400 420 440 460 480 500 500 502 Концентрация водорода в муфели печи, % 97 96 97 98 99 99 98 97 96 97 Температура цинк-алюминиевого расплава, °С 410 410 410 420 440 460 480 490 490 490 Скорость проволоки, м/мин 28 28 28 37 45 52 60 70 70 70 Масса на площадь цинк-алюминиевого покрытия, г/м² 80 60 50 90 150 350 380 450 420 400

Испытания способа проводились, как на высокопрочной проволоке (с высоким временным сопротивлением разрыву), так и на проволоке обычной с обычным временным сопротивлением разрыву. По результатам испытаний по способам 1, 2, 9, 10 наблюдалось, снижение адгезии между проволокой и цинк-алюминиевым покрытием, которое проявлялось либо в виде частичного отсутствия покрытия. В способах 4-7, а также смежных результатах по способам 3 и 8 цинк-алюминиевое покрытие полностью легко на проволоку без натеков и без зон, где отсутствовало покрытие.

Химический состав применявшийся при изготовлении высокопрочной проволоки с полученными значения временного сопротивления разрыву и массой цинк-алюминиевого покрытия приведены в табл. 2. Образцы 1 и 2 изготавливался способом 3 табл. 1, образцы 3, 4 изготавливались способом 4 табл. 1, образцы 5 и 6 изготавливался способами 5 и 6 табл. 1 соответственно, образцы 7 и 8 изготавливались способом 7 табл. 1, а образцы 9 и 10 изготавливались способом 8 табл. 1.

Таблица 2 № образца 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 С 0,4 0,5 0,58 0,65 0,6 0,67 0,74 0,83 0,9 0,91 Si 0,12 0,13 0,24 0,31 0,2 0,42 0,15 0,29 0,34 0,38 Mn 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,5 0,3 0,2 Сr 0,05 0,11 0,17 0,04 0,1 0,23 0,14 0,08 0,25 0,3 Ni 0,07 0,12 0,09 0,22 0,17 0,1 0,24 0,19 0,3 0,35 Сu 0,32 0,3 0,27 0,25 0,24 0,2 0,15 0,1 0,09 0,09 S 0,025 0,018 0,02 0,015 0,01 0,011 0,017 0,012 0,023 0,025 P 0,025 0,017 0,012 0,023 0,015 0,01 0,016 0,018 0,02 0,025 Fe и неизбежные примеси ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. Масса на площадь цинк-алюминиевого покрытия, г/м² 50 50 90 90 150 350 380 380 450 450 Временное сопротивление разрыву, Н/мм² 1500 1800 1823 1836 1946 1962 2000 2100 2150 2153 V 0,03 0,04 0,05 0,07 0,09 0,1 0,11 0,13 0,15 0,15 Временное сопротивление разрыву, Н/мм² 1770 1900 1934 1956 1987 2000 2100 2200 2500 2520

Из табл. 2 наглядно видны, полученные результаты изготовления высокопрочной проволоки с ванадием или без него. По столбцу 1 не были достигнуты необходимые механические свойства высокопрочной проволоки, изготовленной заявленным способом, а по столбцу 10 получена низкая технологичность, вызванная высокой обрывностью (излому) высокопрочной проволоки во время изготовления, что вызывало прерывание технологического процесса изготовления по причине необходимости периодического заправки оборвавшейся часть проволоки в оборудование.

Из приведенных результатов испытаний следует, что заявленный способ изготовления проволоки с цинк-алюминиевым покрытием является менее ресурсоемким, потому как позволяет отказаться от сложного индуктивного и/или фазного оборудования, а также другого сопровождающего процесс оборудования, снизить количество потребляемого в процессе изготовления проволоки водорода в три раза по сравнению с прототипом, снизить ресурсы на обслуживание и ремонт упомянутого оборудования, при этом позволяет наносить качественное цинк-алюминиевое покрытие без наплывов и без зон с отсутствием покрытия, как на проволоку с небольшим временным сопротивлением разрыву, так и на высокопрочную проволоку, при изготовление которой, к тому же, позволяет снизить количество используемых при изготовлении флюсов, не снижая ее временное сопротивлению разрыву, тем самым решая поставленную задачу, заключающуюся в повышении технологичности.

Изобретение относится к способу изготовления стальной проволоки с цинк-алюминиевым покрытием. Проводят нагрев указанной проволоки в диапазоне температур 400-500°С в муфельной печи в среде водорода с его содержанием не менее 97%. Наносят на стальную проволоку цинк-алюминиевый расплав опусканием упомянутой проволоки в цинк-алюминиевый расплав без контакта с внешней средой. Осуществляют охлаждение стальной проволоки с нанесенным цинк-алюминиевый расплавом до застывания цинк-алюминиевого покрытия на проволоке. В частном случае осуществления используют стальную проволоку при следующем соотношении компонентов, мас. %: С - 0,5-0,9, Si - 0,13-0,42, Mn - 0,3-1,2, Сr - не более 0,25, Ni - не более 0,30, Сu - не более 0,30, S - не более 0,025, P - не более 0,025, при необходимости V - 0,04-0,15, Fe и неизбежные примеси - остальное. Обеспечивается получение высокопрочной проволоки с цинк-алюминиевым покрытием. 7 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ изготовления стальной проволоки с цинк-алюминиевым покрытием, включающий нагрев стальной проволоки в среде водорода, нанесение на нее цинк-алюминиевого расплава и охлаждение до застывания цинк-алюминиевого покрытия на проволоке, отличающийся тем, что нагрев указанной проволоки осуществляют в диапазоне температур 400-500°С в муфельной печи в среде водорода с его содержанием не менее 97%, а нанесение на стальную проволоку цинк-алюминиевого расплава осуществляют опусканием упомянутой проволоки в цинк-алюминиевый расплав без контакта с внешней средой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют стальную проволоку, включающую углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор, при необходимости ванадий, железо и неизбежные примеси, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

С 0,5-0,9 Si 0,13-0,42 Mn 0,3-1,2 Сr не более 0,25 Ni не более 0,30 Сu не более 0,30 S не более 0,025 P не более 0,025 при необходимости V 0,04-0,15 Fe и неизбежные примеси остальное

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу водорода в муфельную печь осуществляют под давлением.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют цинк-алюминиевый расплав температурой 410-490°С.

5. Способ по п. 1 или 4, отличающийся тем, что используют цинк-алюминиевый расплав с содержанием цинка 89-97 мас. % и алюминия 3-11 мас. %.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наносят цинк-алюминиевый расплав с получением покрытия массой на площадь 50-450 г/м².

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получают проволоку диаметром 1,0-10,0 мм.

8. Способ по п. 2, отличающийся тем, что получают проволоку с временным сопротивлением разрыву, находящимся в диапазоне 1800-2500 Н/мм².