AČSZ – Křemík v oceli – důležitý prvek při žárovém zinkování

• Foto

O žárovém zinkování a o ovlivňujících faktorech tohoto procesu bylo napsáno nespočet článků a publikací. V každém z těchto materiálů je informace o vlivu obsahu křemíku v základním materiálu na konečnou tloušťku a vzhled povlaku zinku, tak jako například v Příručce žárového zinkování (do češtiny přeložená publikace švédských autorů), ze které uvádím několik informací.

Když se ocel dostane do kontaktu s roztaveným zinkem, dojde k reakci mezi oběma kovy a na povrchu oceli se tvoří slitina železo – zinek. Tato slitina je tvořena různými fázemi zinek – železo s klesajícím obsahem železa směrem k vnějšímu povrchu. Po vytažení ze zinkové lázně ztuhne vrstva čistého zinku na vnější vrstvě slitinové fáze. Tloušťka povlaku a vzhled povrchu jsou dány reakcí mezi ocelí a zinkem a tím, jak rychle tuhne vnější zinková vrstva. Průběh reakce závisí na mnoha parametrech. Největší význam má složení a stav povrchu oceli (mimo jiné struktura, velikost zrna, napětí a povrchová drsnost). Dále mají vliv i složení taveniny a její teplota, stejně jako doba ponoru. Průběh reakce je velmi komplikovaný a dosud ne zcela vyjasněný.

Při výrobě oceli se přidává křemík nebo hliník jako dezoxidační činidlo a ocel se stává uklidněnou. Ocel odlitá bez těchto přísad se nazývá neuklidněnou. Obsah křemíku (Si) a v některých případech i fosforu (P) má pro reakce při žárovém zinkování velký význam.

NEUKLIDNĚNÉ NEBO HLINÍKEM UKLIDNĚNÉ OCELI
Do této skupiny se počítají ty oceli, které mají společný obsah křemíku a fosforu pod 0,04 %. Při žárovém zinkování těchto ocelí se krystaly železo – zinek ve slitinové vrstvě vytvářejí těsně na sobě (obr. 1). Tím slitinová vrstva brání roztavenému zinku dosáhnout povrchu oceli. K reakci může proto dojít pouze mezi zinkem a železem, které prodifunduje slitinovou vrstvou. Výsledkem je, že rychlost reakce, a tím rychlost růstu vrstvy s časem klesá a povlak zůstane relativně tenký. Když zinek na povrchu povlaku ztuhne, je vrstva hladká a má lehce namodralý kovový lesk (obr. 5). V některých případech, zvláště u tenkého plechu, může zinek ztuhnout ve tvaru náhodně orientovaných krystalů, které povrchu dávají vzhled „květu“. Přídavky bismutu, olova nebo cínu do zinkové lázně mají vliv na tvorbu a velikost zinkového „květu“ při kusovém zinkování. Tvorba „květu“ je jen jedna z forem tvorby krystalů, která kromě jiného závisí na rychlosti tuhnutí zinkové vrstvy. Tvorba „květu“ není známkou špatné nebo dobré kvality zinkování a také nemá žádný význam z hlediska korozní odolnosti povlaku.

Při kontinuálním žárovém zinkování širokého pásu je možné velikost „květu“ řídit, což při kusovém pozinkování není možné.

ČÁSTEČNĚ UKLIDNĚNÉ OCELI (SANDELINOVY OCELI)
Částečně uklidněné oceli s celkovým obsahem křemíku a fosforu v oblasti 0,04 až 0,14 % se v souvislosti se žárovým zinkováním nazývají Sandelinovy oceli (podle Roberta W. Sandelina, který se této problematice věnoval). Tyto oceli vyžadují zvláštní složení lázně. V běžné zinkovací lázni je reakce mezi ocelí a zinkem velmi rychlá a vytvořený povlak je nevzhledný, tlustý, často postižený stečeninami, ale má poměrně dobrou přilnavost. Rozvolněné relativně jemné krystaly zetafáze, tvoří vnější slitinovou vrstvu. Zinek v tavenině snadno proniká mezi zrny a růst vrstvy probíhá velmi rychle. Pokud není k dispozici vhodně legovaná zinková tavenina, je třeba se tomuto typu ocelí při zinkování vyhnout.

KŘEMÍKEM UKLIDNĚNÉ OCELI
Oceli uklidněné křemíkem mají obsah Si nad 0,15 %. Zeta-fáze se tvoří v podobě dlouhých sloupcovitých krystalů (obr. 3).

Tato struktura je – podobně jako u Sandelinových ocelí – rozvolněná a umožňuje zinku z lázně v roztavené podobě pronikat mezi krystaly. Reakce se nebrzdí jako u neuklidněné nebo hliníkem uklidněné oceli a zůstává rychlá po celou dobu, kdy se zboží nachází v zinkové lázni. Tloušťka povlaku roste rychle s rostoucí dobou ponoru a vrstva je obecně relativně tlustá. Povlak s obsahem křemíku nad cca 0,22 % se vyznačuje významným podílem fáze ζ tvoření velmi hrubými nepravidelně uspořádanými krystaly s četnými vakancemi na fázovém rozhraní mezi fází δ1 a ζ. Takový povlak může vykazovat sníženou přilnavost. Tloušťka povlaku není přímo úměrná obsahu křemíku, avšak sleduje křivku, která je uvedena na obr. 4.

Mezi různými ocelemi se stejným obsahem křemíku, ale z různých šarží, mohou být velké rozdíly. Mohou nastat i odchylky v rámci jedné šarže. Rozdíly mohou nastat i proto, že přes stejný celkový obsah křemíku u různých ocelí může být určitý podíl křemíku vázaný na kyslík v souvislosti s tepelným zpracováním oceli. Určité množství volného křemíku je rozpuštěno v oceli, což je to množství, které ovlivňuje reakci. To je dále komplikováno tím, že k reakci mezi železem a zinkem dochází až do hloubky několika mikrometrů od povrchu oceli. Křemík může být kromě toho v povrchové vrstvě oceli nerovnoměrně rozptýlen. To platí i pro další prvky jako jsou síra a fosfor, které také ovlivňují reakční rychlost soustavy železo – zinek.

Vlivem vysoké reaktivity pokračuje reakce železo – zinek, i když zboží opustí zinkovou lázeň, a to tak dlouho, dokud je teplota nad 225 °C. Vrstva čistého zinku se tak může zcela přeměnit na zeta-fázi, a povrch zinkové vrstvy se tak stane matně šedý (obr. 5). Barva je dána podílem krystalů železo – zinek, které jsou rozptýleny v čistém zinku ve vnější vrstvě povlaku. Barva se mění od světlé, lesklé (čistý zinek) po šedý, matný povrch (železo – zinek).

Často není povrch pouze šedý, ale má žíhaný vzhled s některými oblastmi matnými, šedými a jinými světlými a lesklými. Důvodů může být více. Především koncentrace křemíku, ale také fosforu a síry, jakož i dalších prvků v povrchové vrstvě oceli, napětí a struktura povrchové vrstvy a také tepelné zpracování mohou ovlivnit reakční rychlost. Na vzhled má vliv také rychlost chladnutí oceli po zinkování.

Drsnost povrchu, zvláště u materiálu tvářeného za studena, hraje při růstu zinkové vrstvy také roli. Povrchová drsnost nesmí být příliš vysoká, ale povrch nesmí být ani příliš hladký. Krystaly zeta-fáze zpravidla rostou kolmo k povrchu. U konvexních nebo víceméně rovných povrchů rostou krystaly, aniž by jeden druhému překážel, a zinek může snadno pronikat mezi krystaly, což podporuje růst povlaku. U konkávních ploch a v prohlubních se krystaly vzájemně blokují, a tak růstu povlaku brání.

VOLBA OCELI
Protože volba oceli, zvláště obsah křemíku, do značné míry určuje tloušťku povlaku při žárovém zinkování, je důležité, aby konstruktér (respektive výrobce) byl o věci natolik informován, aby bylo možné dosáhnout požadovaného cíle.

Pokud je požadován povlak, který splní požadavky normy EN ISO 1461, je třeba volit ocel neuklidněnou nebo uklidněnou hliníkem. Křemíkem uklidněnou ocel je přirozeně možné zvolit také, avšak obsah křemíku by se pak měl pohybovat mezi 0,15 a 0,22 %. Získané povlaky se budou vyznačovat větší tloušťkou, než vyžaduje uvedená norma.

Pokud bude pozinkovaný výrobek použit v prostředí s vyšší korozní agresivitou než je běžné, EN ISO 1461 obsahuje doporučení, aby obsah křemíku byl větší než 0,22 %. Tloušťka povlaku je úměrná obsahu křemíku. V extrémních korozních podmínkách může být tlustý zinkový povlak zvolen alternativně ke kombinaci žárové zinkování a nátěr.

Pokud se vyžaduje lesklý povrch zinkového povlaku, je třeba zvolit neuklidněnou nebo hliníkem uklidněnou ocel (bez přídavku křemíku).

ZÁVĚR
Žárové zinkování se používá pro širokou paletu výrobků, které jsou vyráběny z různých druhů ocelí. Tato protikorozní ochrana je z převážné části prováděna jako služba a zinkovna – dodavatel této služby, má jen velmi omezené možnosti, jak ovlivnit volbu a používaní vhodného materiálu pro zinkování, nejpodstatnějšího faktoru, ovlivňujícího výsledek celého procesu. Zinkovna pracuje s materiálem, který mu zákazník předá k pokovení. Je proto nutné předat informace o vhodných a vhodnějších ocelích pro žárové zinkování osobám, zodpovědným za jejich volbu a požádat je, aby v případě pochybnosti o správnosti volby materiálu se neostýchaly kontaktovat zinkovny nebo kancelář Asociace českých a slovenských zinkoven.

Silicium in steel – an important element in zinc dipping
In the past and also quite often at present, the zinc works have to face a problem of galvanized materials of reactive steel, i.e. of steel, which encourages uncontrolled growth of zinc coating (the coating is thick, irregular and often with impaired adhesion). Suppliers of zinc and zinc alloys have been developing additives to galvanizing baths, which may reduce or directly eliminate these negative effects. But with development of hot dip galvanizing and zinc alloys metallurgy, there has also been development in steel industry. Steels with their chemical composition, until recently suitable for hot dip galvanizing, now contain almost no silicium, causing problems to zinc works and in some cases, they are almost “not suitable for galvanization” according to current standards. Steels, supplied for sheet production in automotive industry or in other sectors, where there is a demanding forming of materials, are not treated with silicium. Its lack in steel poses problems for zinc works, which they did not know a few years ago and that is to reach a minimum thickness of zinc coating, prescribed by the standard.

Autor

• Ing. Strzyž Petr