Tsink Zn terases – omadused, mõju terasele ja kasutamine

Tsink (Zn) on terasetööstusele väga oluline metall, kuid selle roll erineb põhimõtteliselt tüüpilistest legeerelementidest, näiteks chrom, nikkel, MOLYBDEEN või mangaanTsinki ei lisata sulale terasele tavaliselt tahtlikult selle mehaaniliste omaduste parandamiseks. Selle peamine tähtsus tuleneb selle kasutamisest metallilise kaitsekattena, mis kaitseb terast ... korrosioon.
Tsingi kõige levinum kasutusala on terase tsinkimine. Tsingikiht mitte ainult ei eralda terast keskkonnast, vaid pakub ka elektrokeemilist (ohverduslikku) kaitset. See võimaldab terasel jääda kaitstuks isegi siis, kui kate on vaid kergelt kahjustatud.
Samal ajal nõuab tsingi olemasolu terase tootmisel, keevitamisel, kuumtöötlemisel ja ringlussevõtul tehnoloogilist kontrolli. Zn madal sulamistemperatuur ja suhteliselt madal keemistemperatuur võrreldes metallurgiliste protsesside temperatuuridega põhjustavad selle käitumise täielikku erinevust tavapäraste legeerelementide käitumisest.

Tsink – põhiteave

Kas tsink on terase legeerelement?

Tüüpilistes konstruktsiooniterastes Zn ei ole klassikaline legeerelement.
Elemendid, näiteks Cr, Ni, Mo, V, Mn või Si lisatakse terase keemilisse koostisse, et muuta selle mikrostruktuuri ja omadusi.
Tsingi peamine ülesanne on välispinna kaitse.
Tsingitud terase puhul tuleb eristada:

• teras – alusmaterjal,
• tsink – kaitsev kattematerjal.

See ei tähenda, et Zn-i ei võiks kunagi sulas terases leida. See võib protsessi sattuda muuhulgas tsingitud metallijäätmete kaudu, kuid sellisel juhul käsitletakse seda pigem metallurgilise protsessi käigus kontrolli vajava elemendina kui soovitava legeeriva komponendina.

Miks kaitseb tsink terast korrosiooni eest?

Tsingi kõige olulisem kasutusala on kaitse raud ja teras korrosiooni eest.
Tsinkkate toimib samaaegselt kahel viisil:

• barjäär – eraldab terase pinna veest, hapnikust ja muudest keskkonnakomponentidest,
• elektrokeemiliselt – tsink on vähem väärismetalli kui raud ja võib toimida ohvrianoodina.

Teine mehhanism on tsingimise üks olulisemaid eeliseid.
Kui kate on lokaalselt kriimustatud ja paljastab väikese osa terasest, võib Zn olemasolu kahjustuse läheduses siiski pakkuda terase aluspinnale elektrokeemilist kaitset.

Terase ohverduslik kaitse tsingi abil

Elektrokeemilises aurus Zn–Fe tsingi elektrokeemiline potentsiaal on negatiivsem ja see oksüdeerub eelistatavalt raua suhtes.
Lihtsamalt öeldes saab anoodreaktsiooni esitada järgmiselt:

Terase pinnale voolavad elektronid piiravad selle oksüdeerumist.
Seega mängib tsink rolli ohvrianood ja kulub terasest aluspinna kaitsmiseks.
See on oluline erinevus võrreldes kattega, millel on ainult barjääriefekt.

Tsingi korrosioonitooted

Atmosfääriga kokkupuutel toimub tsingi söövitav reaktsioon. Selle pinnale võivad moodustuda tsinkoksiidi, tsinkhüdroksiidi ja atmosfääritingimustes aluseliste karbonaatühendite sisaldusega produktid.
Aja jooksul tekkiv korrosioonitoodete kiht võib Zn-i edasist korrosiooni aeglustada.
Tänu ühendusele:

• tõkkepuu kaitse,
• ohverdav kaitse,
• suhteliselt kaitsva korrosioonitoodete kihi moodustumine

Tsinkkatted on väga tõhus ja levinud meetod teraskonstruktsioonide kaitsmiseks.

Terase kuumtsinkimine

Üks olulisemaid terase kaitsmise meetodeid on kuumtsinkimine.
Pärast sobivat pinna ettevalmistust kastetakse teraselement vedela Zn vanni. Vanni temperatuur on tüüpilistes protsessides ligikaudu 450 ° C, kuigi täpsed parameetrid sõltuvad tehnoloogiast.
Protsessi käigus ei toimu ainult puhta tsingikihi mehaanilist sadestumist.
Terase ja tsingi vahelises faasis toimuvad reaktsioonid Fe ja Zn, mis viib moodustumiseni Fe-Zn süsteemi metallidevahelised kihid.
Tüüpiline kuumtsingitud kate võib seega sisaldada mitut kihti erineva Fe ja Zn sisaldusega ning tsingirikast väliskihti.

Fe-Zn metallidevahelised kihid

Kuumtsinkimise ajal toimuvad difusiooniprotsessid, mis viivad Fe-Zn metallidevaheliste faaside moodustumiseni.
Tsinkkatte klassikaline kirjeldus hõlmab muuhulgas kihte, mida nimetatakse järgmiselt:

• Γ – gamma,
• δ – delta,
• ζ – dzeeta,
• η – eta – välimine kiht on väga Zn-rikas.

Katte tegelik struktuur sõltub terase keemilisest koostisest, protsessi temperatuurist ja ajast ning jahutustingimustest.
Metallidevahelised kihid tagavad katte ja aluspinna vahel tugeva metallurgilise sideme, kuid nende kõvadus ja elastsus erinevad.

Räni mõju terase tsinkimisele

Üks olulisemaid elemente, mis mõjutavad kuumtsinkimisprotsessi, on räni Si.
Terase ränisisaldus võib oluliselt mõjutada Fe-Zn reaktsiooni kiirust ja sellest tulenevalt:

• katte paksus,
• metallidevaheliste kihtide struktuur,
• pinna välimus,
• Fe-Zn faaside osakaal,
• katte haprus ja funktsionaalsed omadused.

Teatud teraste reaktsioonivõime järsu suurenemise nähtus tsingimise ajal on seotud nn. Sandelini efekt.
Seetõttu on kuumtsinkimiseks mõeldud komponentide projekteerimisel oluline mitte ainult terase enda kvaliteet, vaid ka selle keemiline koostis.

Fosfori mõju tsinkimisele

Terase käitumist tsinkimise ajal võivad mõjutada ka fosfor P.
Terase tsinkimistundlikkuse hindamisel vaadeldakse räni ja fosfori sisaldust sageli koos, kuna mõlemad elemendid võivad mõjutada aluspinna reaktsioonivõimet vedelas tsingis ja Fe-Zn kihtide kasvu.
Sel põhjusel võivad sarnaste mehaaniliste omadustega terased tsingimise ajal käituda erinevalt, kui nende Si- ja P-sisaldus on erinev.

Elektrolüütiline tsinkimine

Teine meetod on elektrolüütiline tsinkimine, milles Zn sadestub elemendi pinnale elektrokeemilise protsessi käigus.
Võrreldes kuumtsinkimisega võimaldab see meetod tavaliselt:

• õhemad katted,
• väga ühtlane pind,
• hea paksuse kontroll,
• elemendi esteetiline viimistlus.

Elektrolüütilisi katteid kasutatakse muuhulgas kinnitusdetailidel, autoosadel, täppiskomponentidel ja terastoodetel, mis vajavad suhteliselt õhukest kaitsekihti.

Galvaaniline tsinkimine ja kuumtsinkimine

Muud tsingi terasele kandmise meetodid

Lisaks kuumtsinkimisele ja elektrolüütilisele tsinkimisele kasutatakse ka teisi tehnoloogiaid.
Teraspindade kaitsmise meetodid Zn abil hõlmavad muuhulgas järgmist:

• pihustustsinkimine – pihustusmetalliseerimine,
• mehaaniline tsinkimine,
• helveste kujul pealekantavad tsinkkatted,
• difusioonmeetodil pealekantavad tsinkkatted,
• suures koguses tsingitolmu sisaldavad värvimissüsteemid.

Tehnoloogia valik sõltub vajalikust kaitseperioodist, elemendi geomeetriast, töökeskkonnast, mõõtmetest, vajalikust katte paksusest ja edasistest tehnoloogilistest toimingutest.

Šerardiseerimine – terase difusioontsinkimine

Eriline meetod on šerardiseerimine, st teraspinna difusiooniküllastumine tsingiga.
Protsess viiakse läbi temperatuuril, mis on madalam kui Zn sulamistemperatuur, kasutades tavaliselt tsingitolmu ja sobivat protsessikeskkonda.
Difusiooni tulemusena moodustub Fe-Zn faase sisaldav kiht.
Šerardiseerimine on eriti kasulik järgmistel juhtudel:

• väikesed terasdetailid,
• kruvid,
• pähklid
• seibid,
• keerulise kujuga elemendid.

Selle eeliseks võib olla suhteliselt ühtlane kate isegi keeruka geomeetriaga elementidel.

Zn-Al ja Zn-Al-Mg katted

Terasekaitsetehnoloogia areng on viinud selliste katete laialdase kasutamiseni, milles tsink on kombineeritud teiste elementidega.
Oluliste rühmade hulka kuuluvad katted:

• Zn-Al,
• Zn-Al-Mg.

Lisamine alumiinium Ja magneesiumi lisamine tsinkkattele võib muuta korrosioonitoodete struktuuri ja suurendada kaitse vastupidavust teatud keskkondades.
Zn-Al-Mg katteid kasutatakse muuhulgas ehituses, energeetikas, fotogalvaanilistes süsteemides, õhukeseinalistes konstruktsioonides ja atmosfääri mõjutavates elementides.
Siin tuleks vahet teha Zn-Al-Mg kattekihis sisalduv magneesium magneesiumist, mida kasutatakse vedela terase väikese metallurgilise lisandina.

Tsingitud terase korrosioon

Tsinkimine on terase korrosiooni vähendamisel väga tõhus, kuid see ei taga materjali täielikku vastupidavust igale keskkonnale.
Katte kulumiskiirus sõltub muuhulgas järgmisest:

• niiskus,
• temperatuur,
• õhusaaste,
• kohalolek kloriidid,
• keskkonna pH,
• pinna niisutamise aeg,
• katte paksus ja tüüp.

Atmosfäärikeskkondades on kaitse vastupidavus seega tihedalt seotud korrodeerivuskategooria ja tegelike töötingimustega.

Valge tsingi korrosioon

Värskelt tsingitud elementidel võib olla iseloomulik valge kiht, mida tavaliselt nimetatakse valge korrosioon.
See tekib peamiselt siis, kui Zn pind püsib pikka aega niiske ning õhu juurdepääs ja kuivamisvõimalus on piiratud.
Probleem võib muuhulgas tekkida siis, kui värskelt tsingitud elemente hoitakse valesti väga lähestikku.
Valge korrosioon mõjutab peamiselt tsinkkatet ja see ei ole sama nähtus kui klassikaline punane rooste, mis tekib kaitsmata terasele.

Tsink ja tsingitud terase keevitamine

Zn-kattega terase keevitamisel tuleb arvestada tsingi madala keemistemperatuuriga – u. 907 ° C.
Keevituskaare temperatuur on palju kõrgem, seega võib keevisõmbluse lähedal olev Zn:

• sulavad ja aurustuvad,
• põhjustada tsingiühendeid sisaldavate aurude teket,
• mõjutada keevitusprotsessi stabiilsust,
• soodustada teatud keevitusdefektide teket,
• põhjustada kaitsekihi lokaalset hävimist.

Tsingitud elementide keevitamine nõuab sobivat tehnoloogiat, vuukide ettevalmistamist, tõhusat ventilatsiooni ja töötaja kaitsmist keevitusaurude eest.
Pärast ühenduse loomist võib kahjustatud kattekiht vajada korrosioonikaitse taastamist.

Tsingi ja vedela metalli pragunemine terases

Teatud tingimustel võib pinge all oleva terase kokkupuude vedela Zn-ga põhjustada selle nähtuse vedela metalli haprumine – ​​LME, st vedela metalli toimel tekkiv rabedus või pragunemine.
See probleem on eriti oluline mõnel juhul:

• ülitugevad terased,
• tsingitud lehtmetalli keevitusprotsessid,
• kõrge jääkpingega konstruktsioonide tsinkimisprotsessid,
• temperatuuri, pinge ja vedela Zn-ga kokkupuute ebasoodsad kombinatsioonid.

Tsinkkatte olemasolu üksi ei tähenda siiski automaatselt LME ohtu. Nähtus nõuab materjali, temperatuuri, pinge ja vedela metalli sobivat kombinatsiooni.

Tsink ja ülitugevad terased

Tsinkkatted on tänapäevaste ülitugevate teraste kaitsmisel väga olulised, eriti autotööstuses.
Samal ajal toimub ühendus:

• aluspinna kõrge tugevus,
• Zn-i sisaldav kate
• ühendusprotsessi kõrge temperatuur,
• suured lokaalsed pinged

nõuab keevitustehnoloogia kontrollimist LME esinemise võimaluse tõttu.
See on näide olukorrast, kus Zn on nii äärmiselt efektiivne kaitsematerjal kui ka element, mis vajab terase edasisel töötlemisel hoolikat kontrolli.

Tsink terase tootmisel vanarauast

Zn-kattega terasejäätmete suurenenud kasutamine muudab tsingi üha olulisemaks nii primaarses kui ka sekundaarses metallurgias.
Partii sisaldab muuhulgas:

• tsingitud autotööstuse lehed,
• ehituselemendid,
• kuumtsingitud tooted,
• seadmetest ja konstruktsioonidest pärit jäägid.

Terasetootmisprotsessi kõrgel temperatuuril läheb Zn kergesti gaasifaasi.
Seejärel võib see sattuda terasetootmise käigus tekkivasse tolmu.

Tsink terasetolmus

Eriti tsingitud vanametalli sulatamisel elektrikaarahjudes tekkiv tolm võib sisaldada märkimisväärses koguses Zn-i.
Ühelt poolt raskendab tsingi olemasolu jäätmekäitlust ja nõuab sobivaid tolmu eemaldamise seadmeid.
Teisest küljest võivad sellised tolmud moodustada tsingi taaskasutamise teisene tooraine.
See loob materjalivoo:

Seetõttu on tsingi ja terase ringlussevõtt ringmajanduse oluline element.

Tsink ja terase mehaanilised omadused

Kuna Zn esineb peamiselt kattekihina, ei tohiks pidada sellel klassikalist mõju terase mehaanilistele omadustele.

Seega võib tsink terasetoote töökindlust märkimisväärselt suurendada , isegi kui see otseselt maatriksi enda tugevusparameetreid ei suurenda.

Tsink ja terase kuumtöötlus

Kõrgendatud temperatuuridel läbiviidavate protsesside puhul tuleb arvestada Zn-katte olemasoluga.
Zn sulamistemperatuur on vaid umbes 419,5 °C, mistõttu paljud klassikalised protsessid terase kuumtöötlus toimub tsingi sulamistemperatuurist tunduvalt kõrgemal temperatuuril.
Protsessid, näiteks karastamine ja termiline parendamine nõuavad temperatuure, mille juures klassikalist tsinkkatet ei saa käsitleda stabiilse pinnakihina.
Sel põhjusel tuleb tehnoloogiliste toimingute järjestust hoolikalt planeerida. Paljudes rakendustes kantakse lõplik tsinkkaitse peale alles pärast komponendi põhilist termilist ja mehaanilist töötlemist.

Tsink, vesinik ja ülitugevad terased

Mõnedes ülitugevate teraste pinna ettevalmistamise ja katmise protsessides tuleb arvestada vesiniku imendumise ohuga.
Probleem ei tulene Zn-i olemasolust elemendina, vaid võib olla seotud tehnoloogiliste etappidega, näiteks:

• happe seedimine,
• elektrokeemiline pinna ettevalmistus,
• elektrolüütiline kate.

Kõrgtugevate teraste puhul võib vesiniku olemasolu suurendada hilinenud pragunemise ohtu. Seetõttu peab selliste komponentide tsingimise tehnoloogia arvestama vesinikuhapruse ohu vähendamise nõuetega.

Tsink ja roostevaba teras

chrom annab roostevabadele terastele võime moodustada õhuke, Cr-ühenditest rikas passiivne kiht, samas kui tsink kaitseb tavalisi teraseid peamiselt eraldi metallilise kattekihina.
Need on kaks erinevat kaitsemehhanismi:

Sel põhjusel ei tohiks tsingitud terase korrosioonikindlust segi ajada roostevaba terase korrosioonikindlusega.

Tsingitud terase kasutamine

Zn-kaitstud terast kasutatakse praktiliselt kõigis tööstusharudes.
Tüüpilised rakendused hõlmavad järgmist:

• teraskonstruktsioonid,
• reelingud ja balustraadid,
• mastid ja postid,
• teekonstruktsioonid,
• raudteeinfrastruktuuri elemendid,
• katuse- ja fassaadiplekid,
• ventilatsioonikanalid,
• auto komponendid,
• kruvid, mutrid ja kinnitusdetailid,
• aiad
• fotogalvaanilised konstruktsioonid,
• masinate ja seadmete elemendid,
• õues töötavad konstruktsioonid.

Tsink Zn ja muud terastes kasutatavad elemendid

Tsink Zn terases

Tsink Zn on terasetööstusele väga oluline, kuid see ei ole tüüpiline terase legeerelement. Selle kõige olulisem ülesanne on kaitsta teraspinda korrosiooni eest.
Zn-kate toimib nii barjäär, mis eraldab terast keskkonnast, ja ohverdusanoodSee võimaldab kaitsta aluspinda isegi katte väiksemate lokaalsete kahjustuste korral.
Kõige olulisem Zn-i kasutav protsess on kuumtsinkimine, mille käigus moodustuvad terase ja vedela tsingi vahelisele piirile Fe-Zn metallidevahelised kihid. Kasutatakse ka elektrolüütilist, pihustus- ja difusioontsinkimist, samuti kaasaegseid Zn-Al ja Zn-Al-Mg katteid.
Tsinkimisprotsessi mõjutab terase keemiline koostis, eriti tsingisisaldus räni i fosfor.
Zn vajab tähelepanu ka keevitamise, kuumtöötluse ja ringlussevõtu ajal. Sobivates tingimustes võib vedel tsink osaleda LME nähtuses ning tsingitud vanametalli sulatamisel muundub see terasetolmuks, millest seda saab seejärel eraldada.
Terase puhul tuleks tsingi olulisust seega käsitleda eelkõige korrosioonikaitse, pinnatehnoloogia ja ringlussevõtu kontekstis, mitte klassikalise terase legeerimise kontekstis.

Raud Kivisüsi chrom Nikkel Vanaadium Mangaan Räni molübdeeni Wolfram Vask Titaan Alumiinium Kobalt Niob fosfor Väävel Hapnik lämmastik Magneesium Tsink