Цынк Zn у сталі — уласцівасці, уплыў на сталь і прымяненне

Цынк (Zn) гэта метал, які мае вялікае значэнне для сталеліцейнай прамысловасці, але яго роля прынцыпова адрозніваецца ад ролі тыповых легіруючых элементаў, такіх як хром, нікель, малібдэн або марганецЦынк звычайна не дадаюць наўмысна ў расплаўленую сталь для паляпшэння яе механічных уласцівасцей. Яго асноўнае значэнне заключаецца ў выкарыстанні ў якасці ахоўнага металічнага пакрыцця, якое абараняе сталь ад карозія.
Найбольш распаўсюджаным спосабам выкарыстання цынку з'яўляецца ацынкаванне сталі. Цынкавы пласт не толькі служыць бар'ерам, які аддзяляе сталь ад навакольнага асяроддзя, але і забяспечвае электрахімічную (ахвярную) абарону. Гэта дазваляе сталі заставацца абароненай нават там, дзе пакрыццё пашкоджана нязначна.
Адначасова, прысутнасць цынку падчас вытворчасці сталі, зваркі, тэрмічнай апрацоўкі і перапрацоўкі патрабуе тэхналагічнага кантролю. Нізкая тэмпература плаўлення і адносна нізкая тэмпература кіпення цынку ў параўнанні з тэмпературамі металургічнага працэсу прыводзяць да таго, што яго паводзіны цалкам адрозніваюцца ад паводзін звычайных легіруючых элементаў.

Цынк – асноўная інфармацыя

Ці з'яўляецца цынк легіруючым элементам у сталі?

У тыповых канструкцыйных сталях Zn не з'яўляецца класічным легіруючым элементам.
Такія элементы, як Cr, Ni, Mo, V, Mn або Si ўводзяцца ў хімічны склад сталі для змены яе мікраструктуры і ўласцівасцей.
Асноўная функцыя цынку — абарона вонкавай паверхні.
У выпадку ацынкаванай сталі трэба адрозніваць:

• сталь – асноўны матэрыял,
• цынк — ахоўны пакрывальны матэрыял.

Гэта не азначае, што Zn ніколі не можа быць знойдзены ў расплаўленай сталі. Ён можа трапіць у працэс, сярод іншага, праз ацынкаваны лом, але ў такім выпадку ён разглядаецца ў першую чаргу як элемент, які патрабуе кантролю падчас металургічнага працэсу, а не як пажаданы легіруючы кампанент.

Чаму цынк абараняе сталь ад карозіі?

Найважнейшае прымяненне цынку — абарона жалеза і сталь ад карозіі.
Цынкавае пакрыццё працуе адначасова двума спосабамі:

• бар'ер – аддзяляе сталёвую паверхню ад вады, кіслароду і іншых кампанентаў навакольнага асяроддзя,
• электрахімічна – цынк менш высакародны, чым жалеза, і можа служыць ахвярным анодам.

Другі механізм — адна з найважнейшых пераваг ацынкавання.
Калі пакрыццё падрапана лакальна і агаляе невялікую частку сталі, прысутнасць Zn паблізу пашкоджання ўсё яшчэ можа забяспечваць электрахімічную абарону сталёвай падкладкі.

Ахвярная абарона сталі цынкам

У электрахімічнай пары Zn–Fe Цынк мае больш адмоўны электрахімічны патэнцыял і акісляецца пераважней за жалеза.
Простымі словамі, анодную рэакцыю можна прадставіць наступным чынам:

Электроны, якія паступаюць на паверхню сталі, абмяжоўваюць яе акісленне.
Такім чынам, цынк гуляе ролю ахвярны анод і зношваецца, каб абараніць сталёвую падкладку.
Гэта істотнае адрозненне ў параўнанні з пакрыццём, якое мае толькі бар'ерны эфект.

Прадукты ад карозіі цынку

Цынк, які падвяргаецца ўздзеянню атмасферы, падвяргаецца каразійным рэакцыям. На яго паверхні могуць утварацца прадукты, якія змяшчаюць аксід цынку, гідраксід цынку і — ва ўмовах атмасферы — асноўныя карбанатныя злучэнні.
Слой прадуктаў карозіі, які ўтвараецца з цягам часу, можа запаволіць далейшую карозію цынку.
Дзякуючы сувязі:

• бар'ерная абарона,
• ахвярная абарона,
• утварэнне адносна ахоўнага пласта прадуктаў карозіі

Цынкавыя пакрыцці - вельмі эфектыўны і распаўсюджаны метад абароны сталёвых канструкцый.

Гарачае ацынкаванне сталі

Адзін з найважнейшых метадаў абароны сталі — гарачае ацынкаванне.
Пасля адпаведнай падрыхтоўкі паверхні сталёвы элемент апускаюць у ванну з вадкім цынкам. Тэмпература ванны ў тыповых працэсах складае прыблізна 450 ° C, хоць дакладныя параметры залежаць ад тэхналогіі.
Падчас працэсу не адбываецца толькі механічнае адкладванне пласта чыстага цынку.
На мяжы сталі і цынку адбываюцца рэакцыі паміж Fe і Zn, што прыводзіць да ўтварэння міжметалічных слаёў сістэмы Fe–Zn.
Такім чынам, тыповае гарачацынкаванае пакрыццё можа ўключаць некалькі слаёў з розным утрыманнем жалеза і цынку, а таксама вонкавы пласт, багаты цынкам.

Інтэрметалідныя пласты Fe-Zn

Падчас гарачага ацынкавання адбываюцца працэсы дыфузіі, якія прыводзяць да ўтварэння інтэрметалідных фаз Fe-Zn.
Класічнае апісанне цынкавага пакрыцця ўключае, сярод іншага, пласты, якія называюцца:

• Γ – гама,
• δ – дэльта,
• ζ – дзета,
• η – эта – вонкавы пласт вельмі багаты на цынк.

Фактычная структура пакрыцця залежыць ад хімічнага складу сталі, тэмпературы і часу працэсу, а таксама ўмоў астуджэння.
Інтэрметалідныя пласты забяспечваюць трывалую металургічную сувязь паміж пакрыццём і падкладкай, але адрозніваюцца па цвёрдасці і пластычнасці.

Уплыў крэмнію на ацынкаванне сталі

Адным з найважнейшых элементаў, якія ўплываюць на працэс гарачага цынкавання, з'яўляецца крэмній Si.
Утрыманне крэмнію ў сталі можа моцна ўплываць на хуткасць рэакцыі Fe-Zn і, адпаведна:

• таўшчыня пакрыцця,
• структура міжметалічных слаёў,
• знешні выгляд паверхні,
• доля фаз Fe–Zn,
• далікатнасць і функцыянальныя ўласцівасці пакрыцця.

З'ява раптоўнага павелічэння рэакцыйнай здольнасці некаторых сталей падчас ацынкавання звязана з т.зв. Эфект Сандэліна.
Таму пры праектаванні кампанентаў, прызначаных для гарачага ацынкавання, важная не толькі якасць самой сталі, але і яе хімічны склад.

Уплыў фосфару на ацынкаванне

На паводзіны сталі падчас ацынкавання таксама можа паўплываць фосфар P.
Пры ацэнцы ўспрымальнасці сталі да ацынкоўвання ўтрыманне Si і P часта разглядаецца разам, паколькі абодва элементы могуць уплываць на рэакцыйную здольнасць падкладкі ў вадкім цынку і рост слаёў Fe-Zn.
Па гэтай прычыне сталі з падобнымі механічнымі ўласцівасцямі могуць паводзіць сябе па-рознаму падчас ацынкавання, калі ў іх адрозніваецца ўтрыманне Si і P.

Электралітычнае ацынкаванне

Іншы метад - гэта электралітычнае ацынкаванне, у якім Zn наносіцца на паверхню элемента ў выніку электрахімічнага працэсу.
У параўнанні з гарачым ацынкаваннем, гэты метад звычайна дазваляе:

• больш тонкія пакрыцці,
• вельмі роўная паверхня,
• добры кантроль таўшчыні,
• эстэтычная аздабленне элемента.

Электралітычныя пакрыцці выкарыстоўваюцца, сярод іншага, на крапежных элементах, аўтамабільных дэталях, дакладных кампанентах і сталёвых вырабах, якія патрабуюць адносна тонкага ахоўнага пакрыцця.

Гальванічнае ацынкаванне і гарачае ацынкаванне

Іншыя спосабы нанясення цынку на сталь

Акрамя гарачага ацынкавання і электралітычнага ацынкавання, выкарыстоўваюцца і іншыя тэхналогіі.
Метады абароны сталёвых паверхняў з выкарыстаннем цынку ўключаюць, сярод іншага:

• распыляльнае ацынкаванне — распыляльная металізацыя,
• механічнае ацынкаванне,
• цынкавыя пакрыцці, якія наносяцца ў выглядзе лускавінак,
• цынкавыя пакрыцці, нанесеныя дыфузійным метадам,
• сістэмы афарбоўкі, якія змяшчаюць вялікую колькасць цынкавага пылу.

Выбар тэхналогіі залежыць ад неабходнага тэрміну абароны, геаметрыі элемента, працоўнага асяроддзя, памераў, неабходнай таўшчыні пакрыцця і далейшых тэхналагічных аперацый.

Шэрардызацыя — дыфузійнае ацынкаванне сталі

Спецыяльны метад — гэта шэрардызацыя, г.зн. дыфузійнае насычэнне паверхні сталі цынкам.
Працэс праводзіцца пры тэмпературы ніжэй за тэмпературу плаўлення Zn, звычайна з выкарыстаннем цынкавага пылу і адпаведнага тэхналагічнага асяроддзя.
У выніку дыфузіі ўтвараецца пласт, які змяшчае фазы Fe-Zn.
Шэрардызацыя асабліва карысная для:

• дробныя сталёвыя элементы,
• шрубы,
• арэхі,
• шайбы,
• элементы са складанай формай.

Яго перавагай можа быць адносна раўнамернае пакрыццё нават на элементах са складанай геаметрыяй.

Пакрыцці Zn-Al і Zn-Al-Mg

Развіццё тэхналогій абароны сталі прывяло да шырокага выкарыстання пакрыццяў, у якіх цынк спалучаецца з іншымі элементамі.
Важныя групы ўключаюць пакрыцці:

• Zn-Al,
• Zn-Al-Mg.

дадатак алюміній і магній у цынкавым пакрыцці можа змяніць структуру прадуктаў карозіі і павялічыць трываласць абароны ў пэўных асяроддзях.
Пакрыцці Zn-Al-Mg выкарыстоўваюцца, сярод іншага, у будаўніцтве, энергетыцы, фотаэлектрычных сістэмах, тонкасценных канструкцыях і элементах, якія падвяргаюцца ўздзеянню атмасферы.
Тут варта рабіць адрозненне магній, які змяшчаецца ў пакрыцці Zn-Al-Mg ад магнію, які выкарыстоўваецца ў якасці невялікай металургічнай дабаўкі, да вадкай сталі.

Карозія ацынкаванай сталі

Ацынкаванне вельмі эфектыўна зніжае карозію сталі, але не гарантуе, што матэрыял будзе цалкам устойлівы да ўсіх умоў асяроддзя.
Хуткасць зносу пакрыцця залежыць, сярод іншага, ад:

• вільготнасць,
• тэмпература,
• забруджванне атмасферы,
• прысутнасць хларыды,
• pH навакольнага асяроддзя,
• час змочвання паверхні,
• таўшчыня і тып пакрыцця.

Такім чынам, у атмасферных умовах даўгавечнасць абароны цесна звязана з катэгорыяй каразійнай актыўнасці і рэальнымі ўмовамі эксплуатацыі.

Карозія белага цынку

Свежаацынкаваныя элементы могуць мець характэрны белы налёт, які звычайна называюць белая карозія.
Ён утвараецца ў асноўным тады, калі паверхня Zn застаецца вільготнай на працягу доўгага часу, а доступ паветра і магчымасць высыхання абмежаваныя.
Праблема можа ўзнікнуць, сярод іншага, калі свежаацынкаваныя элементы няправільна захоўваюцца вельмі блізка адзін да аднаго.
Белая карозія ў асноўным уплывае на цынкавае пакрыццё і не з'яўляецца такой жа з'явай, як класічная чырвоная іржа, якая ўтвараецца на неабароненай сталі.

Цынк і зварка ацынкаванай сталі

Зварка сталі з цынкавым пакрыццём патрабуе ўліку нізкай тэмпературы кіпення цынку — прыбл. 907 ° C.
Тэмпература зварачнай дугі значна вышэйшая, таму Zn паблізу зварнога шва можа:

• растапіць і выпарацца,
• выклікаць утварэнне пароў, якія змяшчаюць злучэнні цынку,
• уплываць на стабільнасць працэсу зваркі,
• спрыяюць утварэнню некаторых дэфектаў зваркі,
• выклікаць лакальнае разбурэнне ахоўнага пакрыцця.

Зварка ацынкаваных элементаў патрабуе адпаведнай тэхналогіі, падрыхтоўкі стыкаў, эфектыўнай вентыляцыі і абароны работніка ад зварачных выпарэнняў.
Пасля выканання злучэння ўчастак, дзе пашкоджана пакрыццё, можа запатрабаваць аднаўлення антыкаразійнай абароны.

Расколіны сталі цынкам і вадкім металам

Пры пэўных умовах кантакт сталі пад напружаннем з вадкім цынкам можа прывесці да з'явы вадкаметалічнае охрупненне – ​​LME, г.зн. далікатнасць або расколіны, выкліканыя дзеяннем вадкага металу.
Гэтая праблема асабліва важная ў некаторых выпадках:

• высокатрывалыя сталі,
• працэсы зваркі ацынкаваных лістоў,
• працэсы ацынкавання канструкцый, якія змяшчаюць высокія рэшткавыя напружанні,
• неспрыяльныя спалучэнні тэмпературы, напружання і кантакту з вадкім цынкам.

Аднак сама па сабе наяўнасць цынкавага пакрыцця не азначае аўтаматычна рызыку ЛМЭ. Для гэтай з'явы патрабуецца адпаведнае спалучэнне матэрыялу, тэмпературы, напружання і вадкага металу.

Цынк і высокатрывалыя сталі

Цынкавыя пакрыцці вельмі важныя для абароны сучасных высокатрывалых сталей, асабліва ў аўтамабільнай прамысловасці.
Адначасова, злучэнне:

• высокая трываласць падкладкі,
• пакрыццё, якое змяшчае Zn,
• высокая тэмпература працэсу злучэння,
• вялікія лакальныя напружанні

патрабуе кантролю тэхналогіі зваркі з-за магчымасці ўзнікнення ЛМЭ.
Гэта прыклад сітуацыі, калі Zn з'яўляецца адначасова надзвычай эфектыўным ахоўным матэрыялам і элементам, які патрабуе ўважлівага кантролю падчас далейшай апрацоўкі сталі.

Цынк у вытворчасці сталі з металалому

Пашыранае выкарыстанне сталёвага лому, пакрытага цынкавымі пакрыццямі, робіць цынк усё больш важным як для першаснай, так і для другаснай металургіі.
У партыю, сярод іншага, уваходзяць:

• ацынкаваныя аўтамабільныя лісты,
• элементы будынка,
• вырабы, атрыманыя гарачым ацынкаваннем,
• лом ад абсталявання і канструкцый.

Пры высокай тэмпературы працэсу выплаўкі сталі Zn лёгка пераходзіць у газавую фазу.
Затым ён можа трапіць у пыл, які ўтвараецца падчас вытворчасці сталі.

Цынк у сталёвым пылу

Пыл, які ўтвараецца, асабліва падчас плаўлення ацынкаванага лому ў электрадугавых печах, можа ўтрымліваць значную колькасць цынку (Zn).
З аднаго боку, наяўнасць цынку ўскладняе кіраванне адходамі і патрабуе адпаведных установак для выдалення пылу.
З іншага боку, такі пыл можа ўяўляць сабой другасная сыравіна для здабывання цынку.
Гэта стварае матэрыяльны паток:

Такім чынам, перапрацоўка цынку і сталі з'яўляецца важным элементам цыркулярнай эканомікі.

Цынк і механічныя ўласцівасці сталі

Паколькі Zn сустракаецца ў асноўным у выглядзе пакрыцця, не варта лічыць, што ён мае класічны ўплыў на механічныя ўласцівасці сталі.

Такім чынам, цынк можа значна павялічыць эксплуатацыйную даўгавечнасць сталёвага вырабу , нават калі ён непасрэдна не павялічвае параметры трываласці самой матрыцы.

Тэрмічная апрацоўка цынку і сталі

Прысутнасць цынкавага пакрыцця неабходна ўлічваць падчас працэсаў, якія праводзяцца пры падвышаных тэмпературах.
Тэмпература плаўлення Zn складае ўсяго каля 419,5°C, таму многія класічныя працэсы тэрмічная апрацоўка сталі адбываецца значна вышэй за тэмпературу плаўлення цынку.
Такія працэсы, як зацвярдзенне і тэрмічнае паляпшэнне патрабуюць тэмператур, пры якіх класічнае цынкавае пакрыццё нельга разглядаць як стабільны павярхоўны пласт.
Па гэтай прычыне паслядоўнасць тэхналагічных аперацый павінна быць старанна спланавана. У многіх выпадках канчатковае цынкавае пакрыццё наносіцца толькі пасля асноўнай тэрмічнай і механічнай апрацоўкі кампанента.

Цынк, вадарод і высокатрывалыя сталі

Пры некаторых працэсах падрыхтоўкі паверхні і пакрыцця высокатрывалых сталей неабходна ўлічваць рызыку паглынання вадароду.
Праблема не звязана з прысутнасцю Zn як элемента, а можа быць звязана з такімі тэхналагічнымі этапамі, як:

• кіслотнае пераварванне,
• электрахімічная падрыхтоўка паверхні,
• электралітычнае пакрыццё.

У высокатрывалых сталях прысутнасць вадароду можа павялічыць рызыку запаволенага расколінавання. Таму тэхналогія ацынкавання такіх кампанентаў павінна ўлічваць патрабаванні па зніжэнні рызыкі вадароднай охрупненнасці.

Цынк і нержавеючая сталь

Chrom забяспечвае нержавеючым сталям здольнасць утвараць тонкі пасіўны пласт, багаты злучэннямі хрому, у той час як цынк абараняе звычайныя сталі ў асноўным як асобнае металічнае пакрыццё.
Гэта два розныя механізмы абароны:

Па гэтай прычыне каразійную ўстойлівасць ацынкаванай сталі не варта блытаць з каразійнай устойлівасцю нержавеючай сталі.

Выкарыстанне ацынкаванай сталі

Сталь, абароненая цынкам, выкарыстоўваецца практычна ва ўсіх галінах прамысловасці.
Тыповыя сферы прымянення ўключаюць:

• сталёвыя канструкцыі,
• парэнчы і балюстрады,
• мачты і слупы,
• дарожныя збудаванні,
• элементы чыгуначнай інфраструктуры,
• дахавыя і фасадныя лісты,
• вентыляцыйныя каналы,
• кампаненты аўтамабіля,
• шрубы, гайкі і крапежныя элементы,
• платы,
• фотаэлектрычныя канструкцыі,
• элементы машын і прылад,
• канструкцыі, якія працуюць на адкрытым паветры.

Цынк, Zn і іншыя элементы, якія выкарыстоўваюцца ў сталях

Цынк Zn у сталі

Цынк Zn мае вялікае значэнне для сталеліцейнай прамысловасці, але ён не з'яўляецца тыповым легіруючым элементам сталі. Яго найважнейшая функцыя — абарона сталёвай асновы ад карозіі.
Цынкавае пакрыццё дзейнічае як бар'ер, які аддзяляе сталь ад навакольнага асяроддзя, а таксама ахвярны анодГэта дазваляе абараніць падкладку нават у выпадку нязначных лакальных пашкоджанняў пакрыцця.
Найважнейшы працэс з выкарыстаннем Zn - гэта гарачае ацынкаванне, падчас якога на мяжы паміж сталлю і вадкім цынкам утвараюцца інтэрметалідныя пласты Fe-Zn. Таксама выкарыстоўваюцца электралітычнае, распыляльнае і дыфузійнае ацынкаванне, а таксама сучасныя пакрыцці Zn-Al і Zn-Al-Mg.
На працэс ацынкавання ўплывае хімічны склад сталі, асабліва ўтрыманне крэмній i фосфар.
Цынк таксама патрабуе ўвагі падчас зваркі, тэрмічнай апрацоўкі і перапрацоўкі. Пры адпаведных умовах вадкі цынк можа ўдзельнічаць у з'яве LME, а падчас плаўлення ацынкаванага лому ён ператвараецца ў сталёвы пыл, з якога яго затым можна атрымаць.
Такім чынам, у выпадку са сталлю важнасць цынку варта разглядаць у першую чаргу ў кантэксце антыкаразійнай абароны, тэхналогіі апрацоўкі паверхняў і перапрацоўкі, а не класічнага легіравання сталі.

Жалеза Вугаль Chrom Нікель Ванадый марганец Крэмній малібдэн вальфрам медзь Тытан Глін кобальт Ніоб фосфар сярка Кісларод азот магній Цынк