Antykorozja

Jak powstaje powłoka cynkowa w procesie wysokotemperaturowym?

W zakresie temperatury 490-520°C występuje znaczny wzrost rozpuszczalności żelaza w ciekłym cynku. Zjawisko to badane przez Dietricha Horstmanna przyspiesza zużycie stalowych wanien cynkowniczych i z tego też powodu nie prowadzi się procesu technologicznego w tym zakresie temperatury (rys. 5) [3]. Podwyższenie temperatury kąpieli powyżej 520°C powoduje zmniejszenie intensywności rozpuszczania żelaza do wartości tylko nieznacznie przewyższających zakres niskotemperaturowy, a tworząca się na powierzchni stopów żelaza powłoka jest bardziej jednorodna i posiada prostszą budowę niż przy procesie tradycyjnym. Otrzymywane w procesie wysokotemperaturowym powłoki charakteryzują się bardziej rozbudowaną warstwą dyfuzyjną kosztem zmniejszenia grubości zewnętrznej warstwy cynku. Daje to w rezultacie większą odporność korozyjną przy mniejszej całkowitej grubości powłoki [4].

Model powłoki cynkowej wytwarzanej w procesie tradycyjnym oraz wysokotemperaturowym przedstawiono na rys. 5. Powłoka otrzymana w temperaturze 540°C zbudowana jest z warstw faz międzymetalicznych: trawiącej się na ciemno warstwy fazy G1, jasnej i jednolitej warstwy fazy d1 oraz warstwy mieszaniny faz d1 i cynku h. Stwierdzono, że w strukturze powłok nie występuje faza z, która traci stabilność termodynamiczną począwszy od temperatury 480°C, a całkowicie przestaje powstawać powyżej temperatury 530°C [5]. Powierzchnia wyrobów cynkowanych wysokotemperaturowo ma zabarwienie jasnoszare do metalicznego i jest szorstka w porównaniu z gładką i posiadającą metaliczny połysk powierzchnią ocynkowaną w temperaturze ok. 450°C. Dla porównania obok przedstawiono strukturę powłoki cynkowej powstałej w temperaturze 450°C, składającą się ze wszystkich faz występujących w układzie Fe-Zn: G, G1, d1, z, cynk h.
Na strukturę powłok wysokotemperaturowych w większym stopniu niż powłok otrzymanych w tradycyjnym procesie cynkowania wpływa szybkość chłodzenia elementów ocynkowanych po wyjęciu z kąpieli. Stwierdzono, że tworzenie się faz międzymetalicznych w powłoce zachodzi głównie w okresie zanurzenia w kąpieli, ale zjawiska te przebiegają również po wynurzeniu, podczas wolnego chłodzenia powłok na powietrzu. Szybkie oziębianie powłok po wyjęciu z kąpieli w wodzie powoduje zatrzymanie procesu dyfuzji, przez co powstaje grubsza zewnętrzna warstwa cynku h [6]. Brak występowania zewnętrznej warstwy cynku może być również efektem odwirowywania elementów cynkowanych zastosowanego bezpośrednio po operacji zanurzania w kąpieli. 
Przykłady struktury powłoki cynkowej na stali oraz odlewniczych stopach żelaza przedstawia fot. 6. Zastosowanie wyższej temperatury kąpieli 540°C powoduje, że otrzymywana powłoka jest bardziej równomierna i zbudowana prawie w całości z faz międzymetalicznych Fe-Zn. Powłoka taka charakteryzuje się prawie dwukrotnie większą odpornością korozyjną w porównaniu z powłoką otrzymaną w tradycyjnej temperaturze cynkowania [5]. Struktura i grubość powłok otrzymanych w wysokiej temperaturze w mniejszym stopniu zależy od składu chemicznego stali i odlewniczych stopów żelaza. Szczególnie dotyczy to niekorzystnych z punktu widzenia procesu cynkowania dodatków występujących w stali, takich jak krzem, zanieczyszczeń z udziałem fosforu i siarki obecnych w strukturze żeliwa. Oddziaływanie wyższej temperatury objawia się stabilizacją struktury i grubości powłoki. Niezależnie od zawartości krzemu w stali powłoka ma podobną budowę i składa się głównie z fazy d1 oraz mieszaniny faz d1+h. Cynkowanie odlewów żeliwnych stwarza znacznie więcej problemów niż metalizacja stali w kąpieli cynkowej. Najlepsze powłoki uzyskuje się podczas cynkowania odlewów powierzchniowo odwęglonych.