Горячее цинкование (цинкование в расплаве цинка) (стр. 5 из 8)

Как известно, цинковые покрытия, полученные в расплаве цинка, состоят из слоя железоцинковых соединений, расположенных непосредственно на стальном основании, и слоя чистого цинка (n-фаза). Последняя фаза возникает при извлечении изделия из расплава цинка.

В слое цинкового покрытия, полученного на стали СтЗ при 460 °С имеются все структурные составляющие: а-, Г-, 6₁, £-, n-фазы. С увеличением температуры цинкования до 480 °С интенсивно растет £-фаза, которая в этом случае занимает большую часть покрытия. При этом увеличивается общая его толщина. Интенсивный рост £-фазы приводит к тому, что часть £-кристаллов внедряется в тонкий слой чистого цинка и иногда выходит на поверхность покрытия. Отделяющиеся или ветвеобразно расположенные £-кристаллы значительно уменьшают его пластичность. Коррозионная стойкость таких покрытий также снижается.

Таким образом, при 440—460 °С структура полученных цинковых покрытий более компактна, чем при 470—480 °С.

Кинетика изменения структурных составляющих цинкового покрытия на стали СтЗ представлена на рис. 10. В интервале температур 440—480 °С с увеличением продолжительности цинкования толщина Г-фазы увеличивается незначительно и составляет примерно 1-3 мкм.

Рис. 10. Кинетика изменения структурных составляющих цинкового покрытия, полученного в расплаве цинка при температуре, °С:

а — 440; б — 450; в—460; г —470; д

С увеличением продолжительности цинкования происходит постоянное увеличение толщины 6 -фазы. Так, при 440 °С толщина 6₁ - фазы увеличивается от 2 мкм при выдержке 15 с до 17 мкм при выдержке 10 мин, а при 480 °С—от 3 мкм при выдержке 15 с до 27 мкм при выдержке 10 мин. С увеличением температуры от 440 до 480 °С при выдержке 10 мин толщина Г-фазы увеличивается от 17 до 27 мкм. Таким образом, определяющим фактором роста Г-фазы в интервале температур 440—480 °С является продолжительность цинкования.

При температуре 440—460 °С и времени выдержки от 1 до 5 мин слой £-фазы увеличивается от 15 до 30 мкм. С увеличением продолжительности цинкования от 5 до 10 мин толщина слоя £-фазы остается постоянной, а при 470- 480 °С — несколько уменьшается (на 2—3 мкм).

Толщина n -фазы составляет 20—30 мкм и с увеличением температуры цинкования и уменьшения скорости извлечения уменьшается. Продолжительность цинкования не влияет на рост n -фазы.

Таким образом, толщина покрытия для сталей подобного химического состава при одинаковом состоянии их пoверхности зависит от температуры расплава цинка, его состава, продолжительности цинкования, а также от скорости извлечения при условии одинакового способа извлечения.

Если в расплаве отсутствуют добавки, подавляющие рост интерметаллических соединений, то толщина слоя железоцинковых соединений зависит от температуры этого расплава и продолжительности пребывания в нем изделия и не зависит от скорости извлечения. Толщина слоя чистого цинка обусловлена скоростью извлечения изделия из расплава, температурой расплава и не зависит от продолжительности цинкования. С повышением температуры расплава и уменьшением скорости извлечения изделия из него слои чистого цинка уменьшается.

С изменением температуры цинкования резко изменяется структура покрытия и на низколегированных сталях.

Таким образом, повышение температуры цинкования и увеличение продолжительности выдержки изделия в расплаве цинка приводят к получению толстых покрытий. Пластичность таких покрытий низкая и при изгибе, ударе они легко откалываются. Включения железоцинковых кристаллов в слое чистого цинка ухудшают также коррозионную стойкость покрытия.

3. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РАСПЛАВА ЦИНКА НА СВОЙСТВА ЦИНКОВЫХ ПОКРЫТИЙ

Химический состав расплава цинка оказывает большое влияние на процесс цинкования и свойства образующихся покрытий.

Обычно в промышленных условиях цинкование осуществляют в расплаве цинка, содержащем примеси различных металлов. Примеси могут попадать в расплав цинка несколькими путями:

1) с цинком, используемым для приготовления расплава (примеси Pb, Fe, Си, Cd и др.); 2) в процессе цинкования из-за частичного растворения цинкуемых стальных изделий и применяемого погружного оборудования (примеси, Fe, Si, Mn, Си и др.); 3) в результате специального введения в расплав различных элементов (Al, Mg, Ni, Sn, Pb и др.) с целью улучшения процесса цинкования и свойств образующихся покрытий.

Присутствие в расплаве цинка различных элементов может по-разному влиять на физико-химические свойствакак расплава цинка (температуру плавления, вязкость, поверхностное натяжение), так и получаемых цинковых покрытий (толщину, структуру, коррозионную стойкость).

Из всего многообразия элементов, которые могут присутствовать в расплаве цинка на промышленных агрегатах цинкования, следует выделить прежде всего алюминий и железо. Именно содержание этих элементов в расплаве цинка во многом определяет структуру и качество образующихся покрытий, их прочность сцепления со стальной основой. Технико-экономические показатели процесса цинкования также зависят от содержания, своевременной и правильной корректировки расплава цинка по этим элементам.

Влияние алюминия

«Алюминий является одной из добавок специально вводимых в расплав цинка. В практике цинкования давно было известно, что введение в расплав цинка небольших количеств алюминия улучшает процесс цинкования (повышается жидкотекучесть расплава цинка, уменьшается его окисление) и способствует получению равномерных блестящих «цинковых покрытий, которые обладают хорошей пластичностью.

Расплав цинка, содержащий добавку алюминия, значительно меньше окисляется, так как на его поверхности образуется защитная пленка из Аl₂ Оз, которая взаимодействуя с ZnO, образует шпинели, предохраняющие расплав от окисления. Возникновение такой пленки обусловлено большим сродством алюминия к кислороду, чем цинка.

Многочисленные исследования показали, что присутствие алюминия в расплаве цинка замедляет реакцию взаи|модействия между сталью и жидким цинком и препятствует образованию промежуточного железоцинкового сплава.

Замедляющее действие добавки алюминия объясняется образованием на поверхности стали защитного слоя из соединения Fe₂Al₅ или FeAl₃, который тормозит реакцию между сталью и жидким цинком. Этот защитный слой очень тонкий и его можно обнаружить с помощью специальных исследований, например, электронной микроскопии.

Следует отметить, что действие защитного слоя кратковременно; с течением времени он разрушается и происходит реакция между сталью и жидким цинком. Есть сведения, что скорость реакции между сталью и цинком после инкубационного периода зависит от содержания алюминия в расплаве. При содержании в расплаве цинка 0,1 % А1 реакция протекает интенсивнее, чем в расплаве, не содержащем алюминия.

При цинковании в легированном алюминием расплаве общая толщина покрытия уменьшается. По данным Редекера, Петерса и Фрие при цинковании в расплаве, содержащем 0,15—0,25 % А1 толщина цинкового покрытия уменьшается примерно на 40 % • Дальнейшее увеличение содержания алюминия в расплаве не оказывает существенного влияния на толщину покрытия.

Многие исследователи отмечают положительное влияние алюминия на пластичность цинкового покрытия. Однако в работе сообщается, что это свойство сохраняется при содержании в расплаве до 0,3 % А1.

С увеличением концентрации алюминия в расплаве цинка (0—0,05—0,1—0,2—0,3 % А1) толщина диффузионного слоя соответственно уменьшается и составляет 20; 14; 6; 1 и менее

1 мкм.

Толщина диффузионного слоя покрытия оказывает существенное влияние на прочность сцепления покрытия со стальной основой. В условиях непрерывного горячего цинкования прочность сцепления зависит также от температуры полосы и расплава цинка и продолжительности цинкования.

Влияние алюминия на прочность сцепления покрытия Роберт объясняет следующим образом. Вследствие более высокого термодинамического сродства алюминия к железу по сравнению с цинком на поверхности полосы образуется слой железоалюминиевого соединения. Образующиеся вслед за этим железоцинковые соединения имеют большую способность к диффузии, так как температура плавления цинка по сравнению с алюминием ближе к температуре цинкового расплава. Поэтому цинк или железоцинковые соединения диффундируют в алюминий, содержащий промежуточный слой, или образуют этот слой вместе с железоалюминием. При этом скопления железо-алюминиевых и железоцинковых соединений срастаются в один слой или смесь фаз. После выхода полосы из расплава цинка процесс диффузии железоцинковых соединений в алюминийсодержащий промежуточный слой под влиянием температуры продолжается во времени. Это сопровождается ростом толщины диффузионного слоя и снижением концентрации алюминия в расплаве цинка. Если способность алюминийсодержащего промежуточного слоя растворять цинк или железоцинковые соединения превысит определенный предел, то инкубационный период заканчивается, тормозящее действие алюминия прекращается, рост железоцинкового слоя ускоряется. При этом прочность сцепления покрытия снижается.

При повышении температуры полосы (385—550 °С) на входе в расплав цинка в слое покрытия растет зона железоцинковых соединений и увеличивается содержание алюминия в виде соединений Fe2Al5 и FeAl₃.

Следует отметить, что о содержании алюминия в слое покрытия нет единого мнения. По данным Хорстманна происходит уменьшение алюминия в слое покрытия, в то время как японские исследователи наблюдали обратное явление.