Wpływ składu chemicznego stali na przebieg cynkowania
Proces powstawania powłoki cynkowej został omówiony w jednym z poprzednich numerów „Lakiernictwa Przemysłowego” [7]. Jest on stosunkowo prosty, jednak zjawiska towarzyszące tworzeniu się powłoki na powierzchni stali są dość skomplikowane. Dużym problemem w cynkowniach jest też skład chemiczny pokrywanej stali, ponieważ przebieg powstawania powłoki cynkowej na stopach żelaza bardzo istotnie zależy nawet od niewielkich zmian składu podłoża. Pomimo obowiązującej w tym zakresie normy PN-EN ISO 1461 [8], wciąż występują przypadki dostarczania do cynkowania materiałów niespełniających warunków technicznych pod względem składu chemicznego. Dotyczy to głównie stali importowanej oraz elementów stalowych pochodzących z rynku wtórnego, przetwarzanych w małych zakładach produkcyjnych, często rzemieślniczych i później metalizowanych. W takich przypadkach trudno jest zapewnić odpowiednie właściwości powłoki cynkowej, także z punktu widzenia jej późniejszego malowania.
Oprócz żelaza, podstawowym pierwiastkiem chemicznym występującym w stali konstrukcyjnej zwykłej jakości jest węgiel. W zakresie 0,04-0,2% nie wpływa on niekorzystnie ani na przebieg reakcji zachodzących podczas cynkowania zanurzeniowego [1,9], ani na właściwości powierzchniowe otrzymanej powłoki cynkowej. Niekorzystny wpływ węgla uwidacznia się dopiero przy większej zawartości fosforu [9].
Dlaczego należy wystrzegać się krzemu w stali do cynkowania?
Pierwiastkiem szczególnie istotnie wpływającym na jakość powłoki cynkowej uzyskanej na stali konstrukcyjnej jest krzem dodawany w procesie wytwórczym stali w celu jej uspokojenia (odtlenienia) lub stosowany jako dodatek polepszający właściwości mechaniczne. Podczas cynkowania zanurzeniowego stali krzem wpływa niekorzystnie na przebieg tworzenia się powłoki cynkowej, prowadząc do nadmiernego rozrostu warstwy przejściowej, niejednorodności struktury oraz nieestetycznego wyglądu zewnętrznego powłoki. Wzrost grubości powłoki cynkowej oraz jej mikrostrukturę w zależności od zawartości krzemu w podłożu stali przedstawiono na rys. 1. Przy tradycyjnych warunkach cynkowania w temperaturze ok. 450°C obecność nawet niewielkiej zawartości krzemu w ilości powyżej 0,03% prowadzi do nadmiernego i niekontrolowanego rozrostu dyfuzyjnej warstwy przejściowej (głównie warstwy ζ) [7]. Wyjaśnienia złożonego oddziaływania krzemu w podłożu stopów żelaza podczas cynkowania zanurzeniowego podejmowali się liczni autorzy [10-16]. Krzem bardzo silnie intensyfikuje przebieg reakcji w układzie Fe-Zn. Już przy niewielkiej zawartości 0,03-0,12% Si tworzy się powłoka o nieprawidłowej grubości, osiągając maksimum przy ok. 0,07% Si, a kinetyka jej wzrostu zmienia swój charakter z parabolicznego na liniowy. Zjawisko to nosi nazwę efektu Sandelina od nazwiska badacza [10]. Oddziaływanie krzemu na proces cynkowania zanurzeniowego stali badane było już wcześniej przez Bablika [11], w związku z czym zjawisko to znane jest także pod nazwą efektu Bablika. Zawartość krzemu w zakresie 0,12-0,22% może powodować zmianę kierunku przebiegu reakcji Fe-Zn polegającą na tym, że przy niższej temperaturze tworzą się mało zwarte i grube powłoki, a przy wyższej temperaturze – cieńsze i szczelne powłoki cynkowe (efekt Sebisty’ego) [12]. Zjawisko zwiększenia reaktywności w układzie Fe-Zn zachodzi również, gdy koncentracja krzemu przekracza 0,4%. Wówczas występuje tzw. efekt Guttmana-Nissena [13], objawiający się wzrostem grubości i zdefektowaniem warstwy przejściowej z dużymi kryształami fazy ζ rozmieszczonymi w osnowie eutektyki ∆ [13]. Przykładowe obrazy topografii powierzchni powłoki cynkowej otrzymanej w procesie metalizacji w czystym cynku na stali o różnej zawartości krzemu przedstawiono na rys. 2. Klasyczna powłoka cynkowa posiada gładką powierzchnię, często z widocznymi ziarnami (a). W konsekwencji opisanych powyżej zjawisk może powstawać matowa, szara powłoka o niewystarczającej przyczepności do podłoża zbudowana w całości z faz międzymetalicznych Fe-Zn (b). W przypadku zaś nierównomiernego rozkładu krzemu powierzchnia powłoki cynkowej staje się nierówna i chropowata (zakres Sandelina c i wysokokrzemowy d). Tego typu powłoka cynkowa nie tylko nie nadaje się do malowania, ale również sama może pękać i odwarstwiać się od podłoża na skutek występowania defektów w strukturze oraz dużych naprężeń. Zanieczyszczenia fosforu i siarki jeszcze bardziej potęgują niekorzystne oddziaływanie krzemu. Pelerin stwierdził, że z punktu widzenia intensywności zachodzenia reakcji żelaza z cynkiem miarodajna jest łączna zawartość Si + 2,5P < 0,09% [16]. Oddziaływanie manganu obecnego w stali na przebieg tworzenia się powłoki cynkowej nie jest aż tak znaczące, jednak istnieją przesłanki do tego, by jednoznacznie zbadać wpływ i tego pierwiastka chemicznego na przebieg reakcji Fe-Zn [17].
Komentarze (0)