الزنك في الفولاذ - الخصائص، والتأثير على الفولاذ، والتطبيقات

الزنك (الزنك) يُعدّ معدنًا ذا أهمية كبيرة لصناعة الصلب، لكن دوره يختلف جوهريًا عن دور عناصر السبائك النموذجية مثل الكروم, نيكل, الموليبدينوم czy المنغنيزلا يُضاف الزنك عادةً إلى الفولاذ المنصهر عمدًا لتحسين خواصه الميكانيكية. تكمن أهميته الأساسية في استخدامه كطبقة واقية معدنية تحمي الفولاذ من تآكل.
يُعدّ جلفنة الفولاذ الاستخدام الأكثر شيوعًا للزنك. لا تقتصر وظيفة طبقة الزنك على كونها حاجزًا يفصل الفولاذ عن البيئة المحيطة فحسب، بل توفر أيضًا حماية كهروكيميائية تضحية. وهذا ما يسمح للفولاذ بالبقاء محميًا حتى في حال تعرض الطلاء لتلف طفيف.
في الوقت نفسه، يتطلب وجود الزنك أثناء إنتاج الصلب واللحام والمعالجة الحرارية وإعادة التدوير تحكمًا تقنيًا دقيقًا. فدرجة انصهار الزنك المنخفضة ودرجة غليانه المنخفضة نسبيًا مقارنةً بدرجات حرارة العمليات المعدنية تجعل سلوكه مختلفًا تمامًا عن سلوك عناصر السبائك التقليدية.

الزنك - معلومات أساسية

هل يُعد الزنك عنصرًا من عناصر السبائك في صناعة الصلب؟

في الفولاذ الإنشائي النموذجي الزنك ليس عنصرًا كلاسيكيًا من عناصر السبائك.
عناصر مثل Cr, Ni, Mo, V, Mn czy Si يتم إدخالها في التركيب الكيميائي للفولاذ لتعديل بنيته المجهرية وخصائصه.
تتمثل الوظيفة الرئيسية للزنك في حماية السطح الخارجي.
في حالة الفولاذ المجلفن، يجب التمييز بين:

• الفولاذ - المادة الأساسية،
• الزنك – مادة طلاء واقية.

لا يعني هذا أنه لا يمكن العثور على الزنك في الفولاذ المنصهر. يمكن أن يدخل في العملية من خلال، من بين أمور أخرى، الخردة المجلفنة، ولكن في هذه الحالة، يُعامل في المقام الأول كعنصر يتطلب التحكم أثناء العملية المعدنية، وليس كمكون سبائك مرغوب فيه.

لماذا يحمي الزنك الفولاذ من التآكل؟

أهم استخدام للزنك هو الحماية حديد والفولاذ ضد التآكل.
يعمل طلاء الزنك بطريقتين في آن واحد:

• حاجز – يفصل سطح الفولاذ عن الماء والأكسجين والمكونات البيئية الأخرى،
• كهروكيميائياً - الزنك أقل نبلاً من الحديد ويمكن أن يعمل كقطب تضحية.

الآلية الثانية هي إحدى أهم مزايا الجلفنة.
إذا تعرض الطلاء للخدش موضعياً وكشف عن جزء صغير من الفولاذ، فإن وجود الزنك في محيط الضرر قد يوفر حماية كهروكيميائية للركيزة الفولاذية.

الحماية التضحية للصلب بواسطة الزنك

في البخار الكهروكيميائي الزنك والحديد يتمتع الزنك بجهد كيميائي كهربائي أكثر سلبية ويتأكسد بشكل تفضيلي على الحديد.
ببساطة، يمكن تمثيل تفاعل المصعد على النحو التالي:

تساهم الإلكترونات المتدفقة إلى سطح الفولاذ في الحد من أكسدته.
لذلك يلعب الزنك دورًا مصعد تضحية ويتآكل لحماية الركيزة الفولاذية.
وهذا فرق كبير مقارنة بالطلاء الذي له تأثير حاجز فقط.

منتجات تآكل الزنك

يتعرض الزنك للهواء الجوي ويتعرض لتفاعلات تآكلية. ويمكن أن تتشكل على سطحه منتجات تحتوي على أكسيد الزنك، وهيدروكسيد الزنك، ومركبات الكربونات القاعدية في ظل الظروف الجوية.
يمكن لطبقة منتجات التآكل التي تتشكل بمرور الوقت أن تبطئ من تآكل الزنك بشكل أكبر.
بفضل هذا الاتصال:

• الحماية الحاجزة،
• الحماية التضحوية،
• تكوين طبقة واقية نسبياً من نواتج التآكل

تعتبر طبقات الزنك طريقة فعالة وشائعة للغاية لحماية الهياكل الفولاذية.

الجلفنة بالغمس الساخن للصلب

إحدى أهم طرق حماية الفولاذ هي الجلفنة بالغمس الساخن.
بعد تحضير السطح بشكل مناسب، يُغمر العنصر الفولاذي في حمام من الزنك السائل. تبلغ درجة حرارة الحمام في العمليات النموذجية حوالي 450 درجة مئوية، على الرغم من أن المعايير الدقيقة تعتمد على التكنولوجيا.
خلال هذه العملية، لا يحدث الترسيب الميكانيكي لطبقة من الزنك النقي.
عند سطح التماس بين الفولاذ والزنك، تحدث تفاعلات بين Fe والزنك مما يؤدي إلى تكوين الطبقات المعدنية البينية لنظام الحديد والزنك.
لذلك قد يتضمن الطلاء المجلفن بالغمس الساخن النموذجي عدة طبقات ذات محتوى متفاوت من الحديد والزنك وطبقة خارجية غنية بالزنك.

طبقات بين فلزية من الحديد والزنك

أثناء عملية الجلفنة بالغمس الساخن، تحدث عمليات الانتشار مما يؤدي إلى تكوين أطوار بين فلزية من الحديد والزنك.
يتضمن الوصف الكلاسيكي لطلاء الزنك، من بين أمور أخرى، طبقات يشار إليها باسم:

• غاما (Γ)،
• دلتا – دلتا،
• ζ – زيتا،
• η – إيتا – الطبقة الخارجية غنية جداً بالزنك.

يعتمد التركيب الفعلي للطلاء على التركيب الكيميائي للفولاذ، ودرجة حرارة العملية ووقتها، وظروف التبريد.
توفر الطبقات المعدنية رابطة معدنية قوية بين الطلاء والركيزة، ولكنها تختلف في الصلابة والليونة.

تأثير السيليكون على جلفنة الفولاذ

أحد أهم العناصر المؤثرة في عملية الجلفنة بالغمس الساخن هو السيليكون Si.
يمكن أن يؤثر محتوى السيليكون في الفولاذ بشكل كبير على معدل تفاعل الحديد والزنك، وبالتالي:

• سمك الطلاء،
• بنية الطبقات بين الفلزية،
• المظهر السطحي،
• نسبة أطوار الحديد والزنك،
• الهشاشة والخصائص الوظيفية للطلاء.

ترتبط ظاهرة الزيادة المفاجئة في تفاعل بعض أنواع الفولاذ أثناء عملية الجلفنة بما يسمى تأثير ساندلين.
لذلك، عند تصميم المكونات المخصصة للجلفنة بالغمس الساخن، لا تكون جودة الفولاذ نفسه مهمة فحسب، بل تركيبه الكيميائي أيضًا.

تأثير الفوسفور على الجلفنة

يمكن أيضًا التأثير على سلوك الفولاذ أثناء عملية الجلفنة بواسطة الفوسفور P.
عند تقييم قابلية الفولاذ للجلفنة، غالبًا ما يتم النظر في محتوى السيليكون والفوسفور معًا، لأن كلا العنصرين يمكن أن يؤثر على تفاعل الركيزة في الزنك السائل ونمو طبقات الحديد والزنك.
ولهذا السبب، قد تتصرف أنواع الفولاذ ذات الخصائص الميكانيكية المتشابهة بشكل مختلف أثناء عملية الجلفنة إذا اختلفت محتوياتها من السيليكون والفوسفور.

الجلفنة الكهربائية

طريقة أخرى هي الجلفنة الكهربائية، حيث يتم ترسيب الزنك على سطح العنصر في عملية كهروكيميائية.
بالمقارنة مع الجلفنة بالغمس الساخن، تسمح هذه الطريقة عادةً بما يلي:

• طبقات أرق،
• سطح مستوٍ للغاية،
• تحكم جيد في السماكة،
• اللمسة الجمالية النهائية للعنصر.

تُستخدم الطلاءات الإلكتروليتية، من بين أمور أخرى، على أدوات التثبيت، وقطع غيار السيارات، والمكونات الدقيقة، والمنتجات الفولاذية التي تتطلب طبقة واقية رقيقة نسبيًا.

الجلفنة الجلفانية والجلفنة بالغمس الساخن

طرق أخرى لتطبيق الزنك على الفولاذ

بالإضافة إلى الجلفنة بالغمس الساخن والجلفنة الإلكتروليتية، يتم استخدام تقنيات أخرى أيضًا.
تشمل طرق حماية الأسطح الفولاذية باستخدام الزنك، من بين أمور أخرى:

• الجلفنة بالرش - التمعدن بالرش،
• الجلفنة الميكانيكية،
• طلاءات الزنك المطبقة على شكل رقائق،
• طلاءات الزنك المطبقة بطرق الانتشار،
• أنظمة الطلاء التي تحتوي على كميات كبيرة من غبار الزنك.

يعتمد اختيار التكنولوجيا على فترة الحماية المطلوبة، وهندسة العنصر، وبيئة العمل، والأبعاد، وسماكة الطلاء المطلوبة، والعمليات التكنولوجية الأخرى.

عملية الشيرارديزيشن - الجلفنة الانتشارية للفولاذ

هناك طريقة خاصة التجزئةأي تشبع سطح الفولاذ بالزنك عن طريق الانتشار.
تتم العملية عند درجة حرارة أقل من نقطة انصهار الزنك، وعادة ما يتم ذلك باستخدام مسحوق الزنك وبيئة عملية مناسبة.
ونتيجة للانتشار، تتشكل طبقة تحتوي على أطوار Fe-Zn.
يُعدّ التجزئة مفيدًا بشكل خاص لما يلي:

• عناصر فولاذية صغيرة،
• براغي،
• المكسرات،
• غسالات،
• عناصر ذات شكل معقد.

قد تتمثل ميزته في الحصول على طبقة طلاء متجانسة نسبياً حتى على العناصر ذات الأشكال الهندسية المعقدة.

طلاءات الزنك والألومنيوم والزنك والألومنيوم والمغنيسيوم

أدى تطوير تكنولوجيا حماية الفولاذ إلى الاستخدام الواسع النطاق للطلاءات التي يتم فيها دمج الزنك مع عناصر أخرى.
تشمل المجموعات المهمة الطلاءات:

• الزنك والألومنيوم،
• Zn-Al-Mg.

Dodatek الألومنيوم ويمكن أن يؤدي إضافة المغنيسيوم إلى طلاء الزنك إلى تغيير بنية منتجات التآكل وزيادة متانة الحماية في بيئات معينة.
تُستخدم طلاءات الزنك والألومنيوم والمغنيسيوم، من بين أمور أخرى، في البناء والطاقة وأنظمة الخلايا الكهروضوئية والهياكل ذات الجدران الرقيقة والعناصر المعرضة للغلاف الجوي.
ينبغي التمييز هنا المغنيسيوم الموجود في طلاء الزنك-الألومنيوم-المغنيسيوم من المغنيسيوم المستخدم كمادة مضافة معدنية صغيرة للفولاذ السائل.

تآكل الفولاذ المجلفن

تعتبر عملية الجلفنة فعالة للغاية في الحد من تآكل الفولاذ، ولكنها لا تضمن أن تكون المادة مقاومة تمامًا لجميع البيئات.
يعتمد معدل تآكل الطلاء، من بين أمور أخرى، على ما يلي:

• رطوبة،
• درجة حرارة،
• التلوث الجوي،
• حضور الكلوريدات,
• درجة حموضة البيئة،
• زمن ترطيب السطح،
• سمك ونوع الطلاء.

في البيئات الجوية، ترتبط متانة الحماية ارتباطًا وثيقًا بفئة التآكل وظروف التشغيل الفعلية.

تآكل الزنك الأبيض

قد تظهر العناصر المجلفنة حديثًا طبقة بيضاء مميزة، يشار إليها عادةً باسم تآكل أبيض.
يتشكل بشكل أساسي عندما يظل سطح الزنك رطباً لفترة طويلة ويكون وصول الهواء وإمكانية التجفيف محدودين.
قد تحدث المشكلة، من بين أمور أخرى، عندما يتم تخزين العناصر المجلفنة حديثًا بشكل غير صحيح بالقرب من بعضها البعض.
يؤثر التآكل الأبيض بشكل رئيسي على طبقة الزنك، وهو ليس نفس ظاهرة الصدأ الأحمر الكلاسيكي الذي يتشكل على الفولاذ غير المحمي.

الزنك ولحام الفولاذ المجلفن

يتطلب لحام الفولاذ المطلي بالزنك مراعاة انخفاض درجة غليان الزنك - تقريبًا. 907 درجة مئوية.
تكون درجة حرارة قوس اللحام أعلى بكثير، لذا يمكن أن يتسبب الزنك بالقرب من اللحام في:

• تذوب وتتبخر،
• تسبب في تكوين أبخرة تحتوي على مركبات الزنك،
• يؤثر على استقرار عملية اللحام،
• تعزيز تكوين بعض عيوب اللحام،
• تسبب في تدمير موضعي للطبقة الواقية.

يتطلب لحام العناصر المجلفنة تقنية مناسبة، وإعدادًا جيدًا للوصلات، وتهوية فعالة، وحماية العامل من أبخرة اللحام.
بعد إجراء التوصيل، قد تتطلب المنطقة التي تضررت فيها الطبقة الواقية استعادة الحماية من التآكل.

تكسير الفولاذ بالزنك والمعادن السائلة

في ظل ظروف معينة، يمكن أن يؤدي تلامس الفولاذ تحت الضغط مع الزنك السائل إلى حدوث ظاهرة هشاشة المعادن السائلة – بورصة لندن للمعادنأي الهشاشة أو التشقق الناتج عن تأثير المعدن السائل.
تُعد هذه المشكلة ذات أهمية خاصة في بعض الحالات:

• الفولاذ عالي المقاومة،
• عمليات لحام الصفائح المجلفنة،
• عمليات الجلفنة للهياكل التي تحتوي على إجهادات متبقية عالية،
• مزيج غير مواتٍ من درجة الحرارة والإجهاد والتلامس مع الزنك السائل.

مع ذلك، فإن مجرد وجود طبقة من الزنك لا يشير بالضرورة إلى خطر حدوث تآكل المعادن السائلة. تتطلب هذه الظاهرة مزيجًا مناسبًا من المواد ودرجة الحرارة والإجهاد والمعدن السائل.

الزنك والفولاذ عالي القوة

تعتبر طبقات الزنك مهمة للغاية في حماية الفولاذ عالي القوة الحديث، وخاصة في صناعة السيارات.
وفي الوقت نفسه، العلاقة:

• قوة عالية للركيزة،
• طلاء يحتوي على الزنك،
• ارتفاع درجة حرارة عملية الربط،
• ضغوط موضعية كبيرة

يتطلب الأمر التحكم في تكنولوجيا اللحام بسبب احتمال حدوث ظواهر مناخية غير مستقرة.
هذا مثال على حالة يكون فيها الزنك مادة واقية فعالة للغاية وعنصرًا يتطلب تحكمًا دقيقًا أثناء المعالجة اللاحقة للصلب.

الزنك في إنتاج الصلب من الخردة

إن زيادة استخدام خردة الصلب المغطاة بطبقات الزنك تجعل الزنك ذا أهمية متزايدة أيضاً في علم المعادن الأولي والثانوي.
تتضمن الدفعة، من بين أمور أخرى:

• صفائح السيارات المجلفنة،
• عناصر البناء،
• منتجات مجلفنة بالغمس الساخن،
• الخردة من المعدات والهياكل.

في درجات الحرارة العالية لعملية صناعة الصلب، ينتقل الزنك بسهولة إلى الحالة الغازية.
ثم يمكن أن ينتهي به المطاف في الغبار الناتج أثناء إنتاج الصلب.

الزنك في غبار الصلب

قد يحتوي الغبار المتولد خاصة أثناء صهر الخردة المجلفنة في أفران القوس الكهربائي على كميات كبيرة من الزنك.
من ناحية أخرى، فإن وجود الزنك يعقد إدارة النفايات ويتطلب تركيبات مناسبة لإزالة الغبار.
من ناحية أخرى، قد تشكل هذه الأتربة مادة خام ثانوية لاستخلاص الزنك.
وهذا يُنشئ تدفقًا للمواد:

لذلك، تعد إعادة تدوير الزنك والصلب عنصراً مهماً في الاقتصاد الدائري.

الزنك والخواص الميكانيكية للفولاذ

بما أن الزنك يوجد بشكل أساسي كطبقة طلاء، فلا ينبغي اعتباره ذا تأثير كلاسيكي على الخواص الميكانيكية للفولاذ.

وبالتالي، يمكن للزنك أن يزيد بشكل كبير من متانة المنتج الفولاذي أثناء التشغيل ، على الرغم من أنه لا يزيد بشكل مباشر من معايير قوة المادة الأساسية نفسها.

الزنك والمعالجة الحرارية للصلب

يجب أخذ وجود طبقة الزنك في الاعتبار أثناء العمليات التي تتم في درجات حرارة مرتفعة.
تبلغ درجة انصهار الزنك حوالي 419,5 درجة مئوية فقط، ولهذا السبب فإن العديد من العمليات الكلاسيكية المعالجة الحرارية للصلب يحدث ذلك عند درجة حرارة أعلى بكثير من درجة انصهار الزنك.
عمليات مثل التصلب والتحسين الحراري تتطلب درجات حرارة لا يمكن عندها اعتبار طبقة الزنك التقليدية طبقة سطحية مستقرة.
لهذا السبب، يجب التخطيط بعناية لتسلسل العمليات التقنية. في العديد من التطبيقات، لا تُطبَّق طبقة الحماية النهائية بالزنك إلا بعد المعالجة الحرارية والميكانيكية الأساسية للمكون.

الزنك والهيدروجين والفولاذ عالي القوة

في بعض عمليات تحضير الأسطح وطلاء الفولاذ عالي القوة، يجب أخذ خطر امتصاص الهيدروجين في الاعتبار.
لا تعود المشكلة إلى وجود عنصر الزنك، ولكنها قد تكون مرتبطة بخطوات تكنولوجية مثل:

• الهضم الحمضي،
• تحضير السطح الكهروكيميائي،
• طلاء إلكتروليتي.

في الفولاذ عالي المقاومة، قد يزيد وجود الهيدروجين من خطر التصدع المتأخر. لذلك، يجب أن تراعي تقنية الجلفنة لهذه المكونات متطلبات الحد من خطر التقصف الهيدروجيني.

الزنك والفولاذ المقاوم للصدأ

الكروم يمنح الفولاذ المقاوم للصدأ القدرة على تكوين طبقة خاملة رقيقة غنية بمركبات الكروم، بينما يحمي الزنك الفولاذ العادي بشكل أساسي كطبقة معدنية منفصلة.
هاتان آليتان مختلفتان للحماية:

ولهذا السبب، لا ينبغي الخلط بين مقاومة التآكل للفولاذ المجلفن ومقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ.

استخدام الفولاذ المجلفن

يُستخدم الفولاذ المحمي بالزنك في جميع الصناعات تقريباً.
تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:

• الهياكل الفولاذية،
• الدرابزينات والحواجز،
• الصواري والأعمدة،
• هياكل الطرق،
• عناصر البنية التحتية للسكك الحديدية،
• ألواح التسقيف والواجهات،
• قنوات التهوية،
• مكونات السيارات،
• البراغي والصواميل والمثبتات،
• الأسوار،
• الهياكل الكهروضوئية،
• عناصر الآلات والأجهزة،
• الهياكل العاملة في الهواء الطلق.

الزنك وعناصر أخرى تستخدم في صناعة الفولاذ

الزنك في الفولاذ

يُعد الزنك (Zn) ذا أهمية كبيرة لصناعة الصلب، ولكنه ليس عنصرًا نموذجيًا من عناصر السبائك المستخدمة في صناعة الصلب. تتمثل وظيفتها الأكثر أهمية في حماية الركيزة الفولاذية من التآكل.
يعمل طلاء الزنك كـ حاجز يفصل الفولاذ عن البيئة، بالإضافة إلى قطب تضحيةوهذا يسمح بحماية الركيزة حتى في حالة حدوث تلف موضعي طفيف للطلاء.
أهم عملية تستخدم الزنك هي الجلفنة بالغمس الساخنخلال هذه العملية، تتشكل طبقات بين فلزية من الحديد والزنك عند السطح الفاصل بين الفولاذ والزنك السائل. كما تُستخدم أيضًا تقنيات الجلفنة الكهربائية، والرش، والانتشار، بالإضافة إلى الطلاءات الحديثة من الزنك والألومنيوم والزنك والألومنيوم والمغنيسيوم.
تتأثر عملية الجلفنة بالتركيب الكيميائي للفولاذ، وخاصة محتواه من المواد. السيليكون i الفوسفور.
يتطلب الزنك أيضًا عناية خاصة أثناء عمليات اللحام والمعالجة الحرارية وإعادة التدوير. في ظل ظروف مناسبة، يمكن للزنك السائل أن يشارك في ظاهرة المعادن السائلة المعدنية، وأثناء صهر الخردة المجلفنة، يتحول إلى غبار فولاذي، يمكن استخلاصه منه لاحقًا.
في حالة الفولاذ، ينبغي بالتالي النظر إلى أهمية الزنك في المقام الأول في سياق الحماية من التآكل، وتكنولوجيا الأسطح وإعادة التدوير، وليس في سياق سبائك الفولاذ التقليدية.

حديد فحم الكروم النيكل الفاناديوم المنغنيز كرزيم الموليبدينوم التنجستين عنصر فلزي النحاس التيتانيوم جلين KOBALT النيوبيوم الفوسفور كبريت الأكسجين نتروجين المغنيسيوم الزنك