روی در فولاد - خواص، تأثیر بر فولاد و کاربرد

روی (Zn) فلزی است که برای صنعت فولاد از اهمیت زیادی برخوردار است، اما نقش آن اساساً با عناصر آلیاژی معمولی مانند ... متفاوت است. کروم, نیکل, مولیبدن یا منگنزروی معمولاً عمداً برای بهبود خواص مکانیکی فولاد مذاب به آن اضافه نمی‌شود. اهمیت اصلی آن از کاربرد آن به عنوان یک پوشش محافظ فلزی ناشی می‌شود که فولاد را از ... محافظت می‌کند. خوردگی.
رایج‌ترین کاربرد روی، گالوانیزه کردن فولاد است. لایه روی نه تنها به عنوان مانعی برای جدا کردن فولاد از محیط عمل می‌کند، بلکه محافظت الکتروشیمیایی (قربانی) نیز ایجاد می‌کند. این امر به فولاد اجازه می‌دهد حتی در جایی که پوشش فقط کمی آسیب دیده است، محافظت شده باقی بماند.
در عین حال، وجود روی در طول تولید فولاد، جوشکاری، عملیات حرارتی و بازیافت نیاز به کنترل تکنولوژیکی دارد. نقطه ذوب پایین روی و نقطه جوش نسبتاً پایین آن در مقایسه با دماهای فرآیند متالورژیکی باعث می‌شود رفتار آن کاملاً متفاوت از عناصر آلیاژی مرسوم باشد.

روی - اطلاعات اولیه

آیا روی یک عنصر آلیاژی در فولاد است؟

در فولادهای سازه‌ای معمولی روی (Zn) یک عنصر آلیاژی کلاسیک نیست..
عناصری مانند Cr, Ni, Mo, V, Mn یا Si به ترکیب شیمیایی فولاد وارد می‌شوند تا ریزساختار و خواص آن را تغییر دهند.
وظیفه اصلی روی (زینک) محافظت از سطح خارجی.
در مورد فولاد گالوانیزه، باید بین موارد زیر تمایز قائل شد:

• فولاد - ماده پایه،
• روی - ماده پوشش محافظ.

این بدان معنا نیست که روی هرگز در فولاد مذاب یافت نمی‌شود. این فلز می‌تواند از طریق قراضه گالوانیزه، از جمله موارد دیگر، وارد فرآیند شود، اما در چنین حالتی، در درجه اول به عنوان عنصری که نیاز به کنترل در طول فرآیند متالورژی دارد، به جای یک جزء آلیاژی مطلوب، در نظر گرفته می‌شود.

چرا روی از فولاد در برابر خوردگی محافظت می‌کند؟

مهمترین کاربرد روی، محافظت است اهن و فولاد در برابر خوردگی.
پوشش روی به طور همزمان به دو روش عمل می‌کند:

• مانع - سطح فولاد را از آب، اکسیژن و سایر اجزای محیطی جدا می‌کند،
• به روش الکتروشیمیایی روی از آهن نجیب‌تر است و می‌تواند به عنوان آند فداشونده عمل کند.

مکانیسم دوم یکی از مهمترین مزایای گالوانیزه است.
اگر پوشش به صورت موضعی خراشیده شود و بخش کوچکی از فولاد را نمایان کند، وجود روی در مجاورت آسیب ممکن است همچنان محافظت الکتروشیمیایی را برای زیرلایه فولادی فراهم کند.

محافظت فداشونده از فولاد توسط روی

در بخار الکتروشیمیایی روی-آهن روی پتانسیل الکتروشیمیایی منفی‌تری دارد و نسبت به آهن ترجیحاً اکسید می‌شود.
به عبارت ساده، واکنش آند را می‌توان به صورت زیر نشان داد:

الکترون‌هایی که به سطح فولاد جریان می‌یابند، اکسیداسیون آن را محدود می‌کنند.
بنابراین روی (زینک) نقش دارد آند قربانی و برای محافظت از زیرلایه فولادی ساییده می‌شود.
این یک تفاوت قابل توجه در مقایسه با پوششی است که فقط اثر مانع دارد.

محصولات خوردگی روی

روی در معرض جو واکنش‌های خورنده نشان می‌دهد. محصولاتی حاوی اکسید روی، هیدروکسید روی و - تحت شرایط جوی - ترکیبات کربنات پایه می‌توانند روی سطح آن تشکیل شوند.
لایه محصولات خوردگی که به مرور زمان تشکیل می‌شود، می‌تواند خوردگی بیشتر روی را کندتر کند.
به لطف ارتباط:

• محافظت از موانع،
• محافظت فداکارانه،
• تشکیل یک لایه نسبتاً محافظ از محصولات خوردگی

پوشش‌های روی یک روش بسیار مؤثر و رایج برای محافظت از سازه‌های فولادی هستند.

گالوانیزه گرم فولاد

یکی از مهمترین روش‌های محافظت از فولاد، گالوانیزه گرم.
پس از آماده‌سازی سطح مناسب، عنصر فولادی در حمامی از روی مایع غوطه‌ور می‌شود. دمای حمام در فرآیندهای معمول تقریباً ... 450 ° Cاگرچه پارامترهای دقیق به فناوری بستگی دارند.
در طول فرآیند، تنها رسوب مکانیکی لایه‌ای از روی خالص رخ نمی‌دهد.
در فصل مشترک فولاد-روی، واکنش‌های بین Fe و روی (Zn) که منجر به تشکیل لایه‌های بین فلزی سیستم آهن-روی.
بنابراین، یک پوشش گالوانیزه گرم معمولی ممکن است شامل چندین لایه با محتوای آهن و روی متفاوت و یک لایه بیرونی غنی از روی باشد.

لایه‌های بین فلزی آهن-روی

در طول گالوانیزه گرم، فرآیندهای نفوذ رخ می‌دهند که منجر به تشکیل فازهای بین فلزی Fe-Zn می‌شوند.
توصیف کلاسیک پوشش روی، از جمله لایه‌هایی که به آنها اشاره می‌شود، شامل موارد زیر است:

• Γ – گاما،
• δ – دلتا،
• ζ – زتا،
• η – اتا - لایه بیرونی بسیار غنی از روی (Zn).

ساختار واقعی پوشش به ترکیب شیمیایی فولاد، دما و زمان فرآیند و شرایط خنک‌سازی بستگی دارد.
لایه‌های بین فلزی پیوند متالورژیکی قوی بین پوشش و زیرلایه ایجاد می‌کنند، اما از نظر سختی و شکل‌پذیری متفاوت هستند.

تاثیر سیلیکون بر گالوانیزه کردن فولاد

یکی از مهمترین عوامل مؤثر بر فرآیند گالوانیزه گرم ... سیلیکون سی.
مقدار سیلیسیم در فولاد می‌تواند به شدت بر سرعت واکنش آهن-روی و در نتیجه موارد زیر تأثیر بگذارد:

• ضخامت پوشش،
• ساختار لایه‌های بین فلزی،
• ظاهر سطحی،
• سهم فازهای آهن-روی،
• شکنندگی و خواص عملکردی پوشش.

پدیده افزایش ناگهانی واکنش‌پذیری برخی از فولادها در طول گالوانیزه مربوط به اصطلاح ... اثر سندلین.
بنابراین، هنگام طراحی قطعاتی که برای گالوانیزه گرم در نظر گرفته شده‌اند، نه تنها کیفیت خود فولاد مهم است، بلکه ترکیب شیمیایی آن نیز اهمیت دارد.

تاثیر فسفر بر گالوانیزه

رفتار فولاد در طول گالوانیزه نیز می‌تواند تحت تأثیر قرار گیرد. فسفر P.
هنگام ارزیابی حساسیت فولاد به گالوانیزه، محتوای Si و P اغلب با هم در نظر گرفته می‌شوند، زیرا هر دو عنصر می‌توانند بر واکنش‌پذیری زیرلایه در روی مذاب و رشد لایه‌های Fe-Zn تأثیر بگذارند.
به همین دلیل، فولادهایی با خواص مکانیکی مشابه، در صورت متفاوت بودن میزان Si و P، ممکن است در طول گالوانیزه رفتار متفاوتی داشته باشند.

گالوانیزه الکترولیتی

روش دیگر این است که گالوانیزه الکترولیتیکه در آن روی (Zn) در یک فرآیند الکتروشیمیایی روی سطح عنصر رسوب می‌کند.
در مقایسه با گالوانیزه گرم، این روش معمولاً موارد زیر را امکان‌پذیر می‌سازد:

• پوشش‌های نازک‌تر،
• سطح بسیار صاف،
• کنترل ضخامت خوب،
• اتمام زیبایی شناسی عنصر.

پوشش‌های الکترولیتی، از جمله موارد دیگر، روی بست‌ها، قطعات خودرو، اجزای دقیق و محصولات فولادی که به یک پوشش محافظ نسبتاً نازک نیاز دارند، استفاده می‌شوند.

گالوانیزه گرم و گالوانیزه گالوانیک

روش‌های دیگر اعمال روی به فولاد

علاوه بر گالوانیزه گرم و گالوانیزه الکترولیتی، از فناوری‌های دیگری نیز استفاده می‌شود.
روش‌های محافظت از سطوح فولادی با استفاده از روی (Zn) شامل موارد زیر است:

• گالوانیزه اسپری - فلزکاری اسپری،
• گالوانیزه مکانیکی،
• پوشش‌های روی که به صورت پولک اعمال می‌شوند،
• پوشش‌های روی اعمال شده با روش‌های انتشار،
• سیستم‌های رنگ‌آمیزی حاوی مقادیر زیادی گرد و غبار روی.

انتخاب فناوری به دوره حفاظت مورد نیاز، هندسه المان، محیط کار، ابعاد، ضخامت پوشش مورد نیاز و عملیات فنی بعدی بستگی دارد.

شراردیزاسیون - گالوانیزه نفوذی فولاد

یک روش خاص است شراردیزاسیونیعنی اشباع نفوذی سطح فولاد با روی.
این فرآیند در دمایی زیر نقطه ذوب روی (Zn) و معمولاً با استفاده از گرد روی و یک محیط فرآیندی مناسب انجام می‌شود.
در نتیجه نفوذ، لایه‌ای حاوی فازهای Fe-Zn تشکیل می‌شود.
شراردیزاسیون به ویژه برای موارد زیر مفید است:

• عناصر فولادی کوچک،
• پیچ‌ها،
• آجیل،
• واشرها،
• عناصر با شکل پیچیده.

مزیت آن می‌تواند پوشش نسبتاً یکنواخت حتی روی عناصر با هندسه پیچیده باشد.

پوشش‌های Zn-Al و Zn-Al-Mg

توسعه فناوری حفاظت از فولاد منجر به استفاده گسترده از پوشش‌هایی شده است که در آنها روی با عناصر دیگر ترکیب می‌شود.
گروه‌های مهم شامل پوشش‌ها می‌شوند:

• روی-آلومینیوم،
• روی-آلومینیم (Zn-Al-Mg).

اضافه کردن آلومینیوم و منیزیم به پوشش روی می‌تواند ساختار محصولات خوردگی را تغییر داده و دوام محافظت را در محیط‌های خاص افزایش دهد.
پوشش‌های Zn-Al-Mg از جمله در ساخت و ساز، انرژی، سیستم‌های فتوولتائیک، سازه‌های جدار نازک و عناصر در معرض جو استفاده می‌شوند.
اینجا باید تفکیک قائل شد منیزیم موجود در پوشش Zn-Al-Mg از منیزیم به عنوان یک افزودنی متالورژیکی کوچک به فولاد مایع استفاده می‌شود.

خوردگی فولاد گالوانیزه

گالوانیزه کردن در کاهش خوردگی فولاد بسیار مؤثر است، اما تضمین نمی‌کند که این ماده در برابر همه محیط‌ها کاملاً مقاوم باشد.
میزان سایش پوشش، از جمله به موارد زیر بستگی دارد:

• رطوبت،
• دما،
• آلودگی جوی،
• حضور کلریدها,
• pH محیط،
• زمان خیس شدن سطح،
• ضخامت و نوع پوشش.

بنابراین، در محیط‌های اتمسفری، دوام محافظت ارتباط نزدیکی با رده‌بندی خوردگی و شرایط عملیاتی واقعی دارد.

خوردگی روی سفید

عناصر تازه گالوانیزه شده ممکن است یک پوشش سفید مشخصه نشان دهند که معمولاً به آن گفته می‌شود خوردگی سفید.
این حالت عمدتاً زمانی تشکیل می‌شود که سطح روی برای مدت طولانی مرطوب بماند و دسترسی هوا و امکان خشک شدن محدود باشد.
این مشکل، از جمله موارد دیگر، ممکن است زمانی رخ دهد که عناصر تازه گالوانیزه شده به طور نامناسب و بسیار نزدیک به یکدیگر انبار شوند.
خوردگی سفید عمدتاً پوشش روی را تحت تأثیر قرار می‌دهد و با زنگ قرمز کلاسیک که روی فولاد محافظت نشده تشکیل می‌شود، یکسان نیست.

روی و جوشکاری فولاد گالوانیزه

جوشکاری فولاد پوشش داده شده با روی نیاز به در نظر گرفتن نقطه جوش پایین روی دارد - تقریباً. 907 ° C.
دمای قوس جوشکاری بسیار بالاتر است، بنابراین روی (Zn) نزدیک جوش می‌تواند:

• ذوب شدن و تبخیر شدن،
• باعث تشکیل بخارات حاوی ترکیبات روی می‌شوند،
• بر پایداری فرآیند جوشکاری تأثیر می‌گذارند،
• ایجاد برخی عیوب جوشکاری را تشدید می‌کنند،
• باعث تخریب موضعی پوشش محافظ شود.

جوشکاری عناصر گالوانیزه نیاز به فناوری مناسب، آماده‌سازی محل اتصال، تهویه مؤثر و محافظت از کارگر در برابر دود جوشکاری دارد.
پس از برقراری اتصال، ناحیه‌ای که پوشش آن آسیب دیده است ممکن است نیاز به ترمیم پوشش ضد خوردگی داشته باشد.

ترک خوردگی روی و فلز مایع فولاد

تحت شرایط خاص، تماس فولاد تحت تنش با روی مذاب می‌تواند منجر به پدیده ... شود. شکنندگی فلز مایع – LMEیعنی شکنندگی یا ترک خوردگی ناشی از عمل فلز مایع.
این مشکل به ویژه در برخی موارد اهمیت دارد:

• فولادهای با استحکام بالا،
• فرآیندهای جوشکاری ورق‌های گالوانیزه
• فرآیندهای گالوانیزه سازه‌های حاوی تنش‌های پسماند بالا،
• ترکیبات نامطلوب دما، تنش و تماس با روی مایع.

با این حال، صرف وجود پوشش روی به طور خودکار خطر LME را نشان نمی‌دهد. این پدیده نیاز به ترکیب مناسبی از مواد، دما، تنش و فلز مایع دارد.

روی و فولادهای با استحکام بالا

پوشش‌های روی در محافظت از فولادهای مدرن با استحکام بالا، به ویژه در صنعت خودرو، بسیار مهم هستند.
در عین حال، ارتباط:

• استحکام بالای زیرلایه،
• پوشش حاوی روی،
• دمای بالای فرآیند اتصال،
• تنش‌های موضعی بزرگ

به دلیل احتمال وقوع LME، نیاز به کنترل فناوری جوشکاری دارد.
این نمونه‌ای از وضعیتی است که در آن روی (Zn) هم یک ماده محافظ بسیار مؤثر و هم عنصری است که نیاز به کنترل دقیق در طول پردازش بیشتر فولاد دارد.

روی در تولید فولاد از قراضه

افزایش استفاده از قراضه فولاد پوشیده شده با پوشش‌های روی، روی را به طور فزاینده‌ای برای متالورژی اولیه و ثانویه نیز مهم می‌کند.
این مجموعه شامل موارد زیر است:

• ورق های گالوانیزه خودرو، ورق های گالوانیزه خودرو,
• عناصر ساختمانی،
• محصولات گالوانیزه گرم،
• ضایعات تجهیزات و سازه‌ها.

در دمای بالای فرآیند فولادسازی، روی (Zn) به راحتی به فاز گازی تبدیل می‌شود.
سپس می‌تواند در گرد و غبار تولید شده در طول تولید فولاد قرار گیرد.

روی در گرد و غبار فولاد

گرد و غبار تولید شده به ویژه در حین ذوب قراضه گالوانیزه در کوره‌های قوس الکتریکی ممکن است حاوی مقادیر قابل توجهی روی باشد.
از یک طرف، وجود روی، مدیریت پسماند را پیچیده می‌کند و نیاز به تأسیسات مناسب برای حذف گرد و غبار دارد.
از سوی دیگر، چنین گرد و غبارهایی ممکن است تشکیل شوند ماده اولیه ثانویه برای بازیابی روی.
این یک جریان مواد ایجاد می‌کند:

بنابراین بازیافت روی و فولاد عنصر مهمی از اقتصاد چرخشی است.

روی و خواص مکانیکی فولاد

از آنجایی که روی (Zn) عمدتاً به عنوان یک پوشش وجود دارد، نباید آن را به عنوان یک تأثیر کلاسیک بر خواص مکانیکی فولاد در نظر گرفت.

بنابراین، روی می‌تواند دوام عملیاتی یک محصول فولادی را به طور قابل توجهی افزایش دهد ، حتی اگر به طور مستقیم پارامترهای استحکام خود ماتریس را افزایش ندهد.

روی و عملیات حرارتی فولاد

وجود پوشش روی (Zn) باید در طول فرآیندهایی که در دماهای بالا انجام می‌شوند، در نظر گرفته شود.
نقطه ذوب روی (Zn) تنها حدود ۴۱۹.۵ درجه سانتی‌گراد است، به همین دلیل است که بسیاری از فرآیندهای کلاسیک عملیات حرارتی فولاد خیلی بالاتر از نقطه ذوب روی اتفاق می‌افتد.
فرآیندهایی مانند سخت‌کاری و بهبود حرارتی به دماهایی نیاز دارند که در آنها نمی‌توان یک پوشش روی کلاسیک را به عنوان یک لایه سطحی پایدار در نظر گرفت.
به همین دلیل، توالی عملیات تکنولوژیکی باید با دقت برنامه‌ریزی شود. در بسیاری از کاربردها، حفاظت نهایی روی تنها پس از عملیات حرارتی و مکانیکی اولیه قطعه اعمال می‌شود.

فولادهای روی، هیدروژن و فولادهای با استحکام بالا

در برخی از فرآیندهای آماده‌سازی سطح و پوشش‌دهی برای فولادهای با استحکام بالا، خطر جذب هیدروژن باید در نظر گرفته شود.
این مشکل به دلیل وجود عنصر روی (Zn) نیست، بلکه ممکن است مربوط به مراحل تکنولوژیکی زیر باشد:

• هضم اسیدی،
• آماده‌سازی سطح الکتروشیمیایی،
• پوشش الکترولیتی.

در فولادهای با استحکام بالا، وجود هیدروژن می‌تواند خطر ترک خوردگی تأخیری را افزایش دهد. بنابراین، فناوری گالوانیزه برای چنین قطعاتی باید الزامات کاهش خطر تردی هیدروژنی را در نظر بگیرد.

روی و فولاد ضد زنگ

کروم فولادهای ضد زنگ را قادر می‌سازد تا یک لایه نازک غیرفعال غنی از ترکیبات کروم تشکیل دهند، در حالی که روی از فولادهای معمولی در درجه اول به عنوان یک پوشش فلزی جداگانه محافظت می‌کند.
این دو مکانیسم محافظتی متفاوت هستند:

به همین دلیل، مقاومت خوردگی فولاد گالوانیزه نباید با مقاومت خوردگی فولاد ضد زنگ اشتباه گرفته شود.

استفاده از فولاد گالوانیزه

فولاد محافظت شده با روی تقریباً در تمام صنایع استفاده می‌شود.
کاربردهای معمول عبارتند از:

• سازه‌های فولادی،
• نرده‌ها و حفاظ‌های چوبی،
• دکل‌ها و تیرک‌ها،
• سازه‌های جاده‌ای،
• عناصر زیرساخت راه آهن،
• ورق‌های سقف و نما،
• کانال‌های تهویه،
• اجزای خودرو،
• پیچ، مهره و بست،
• نرده‌ها،
• سازه‌های فتوولتائیک،
• عناصر ماشین آلات و دستگاه ها،
• سازه‌هایی که در فضای باز کار می‌کنند.

روی، روی و سایر عناصر مورد استفاده در فولادها

روی در فولاد

روی (Zn) برای صنعت فولاد از اهمیت زیادی برخوردار است، اما یک عنصر آلیاژی معمول در فولاد نیست. مهمترین وظیفه آن محافظت از زیرلایه فولادی در برابر خوردگی است.
پوشش روی هم به عنوان ... عمل می‌کند. یک مانع که فولاد را از محیط جدا می‌کند، و همچنین یک آند فداشوندهاین امر به آن اجازه می‌دهد تا حتی در صورت آسیب جزئی موضعی به پوشش، از زیرلایه محافظت کند.
مهمترین فرآیند با استفاده از روی (Zn) گالوانیزه گرمکه در طی آن لایه‌های بین فلزی Fe-Zn در فصل مشترک بین فولاد و روی مایع تشکیل می‌شوند. گالوانیزه الکترولیتی، اسپری و نفوذی، و همچنین پوشش‌های مدرن Zn-Al و Zn-Al-Mg نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.
فرآیند گالوانیزه تحت تأثیر ترکیب شیمیایی فولاد، به ویژه محتوای ... سیلیکون i فسفر.
روی همچنین در حین جوشکاری، عملیات حرارتی و بازیافت نیاز به توجه دارد. در شرایط مناسب، روی مایع می‌تواند در پدیده LME شرکت کند و در حین ذوب قراضه گالوانیزه، به گرد فولاد تبدیل می‌شود که از آن می‌توان آن را بازیابی کرد.
بنابراین، در مورد فولاد، اهمیت روی باید در درجه اول در زمینه حفاظت در برابر خوردگی، فناوری سطح و بازیافت در نظر گرفته شود، و نه آلیاژسازی کلاسیک فولاد.

اهن وگیل کروم نیکل وانادیوم منگنز سیلیکون مولیبدنوم ولفرام مس تیتانیوم آلومینیوم کبالت نیوب فسفر گوگرد اکسیژن نیتروژن منیزیم فلز روی