Sinkki Zn teräksessä – ominaisuudet, vaikutus teräkseen ja käyttö

Sinkki (Zn) on terästeollisuudelle erittäin tärkeä metalli, mutta sen rooli on perustavanlaatuisesti erilainen kuin tyypillisten seosaineiden, kuten chrom, nikkeli, molybdeeni czy manganSinkkiä ei yleensä lisätä sulaan teräkseen tarkoituksella sen mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi. Sen ensisijainen merkitys tulee sen käytöstä metallisena suojapinnoitteena, joka suojaa terästä korroosio.
Yleisin sinkin käyttötarkoitus on teräksen galvanointi. Sinkkikerros ei ainoastaan ​​toimi esteenä, joka erottaa teräksen ympäristöstä, vaan tarjoaa myös sähkökemiallisen (uhrautuvan) suojan. Tämä mahdollistaa teräksen suojauksen, vaikka pinnoite olisi vain hieman vaurioitunut.
Samaan aikaan sinkin läsnäolo teräksen valmistuksessa, hitsauksessa, lämpökäsittelyssä ja kierrätyksessä vaatii teknologista valvontaa. Sinkin alhainen sulamispiste ja suhteellisen alhainen kiehumispiste verrattuna metallurgisiin prosessilämpötiloihin aiheuttavat sen käyttäytymisen täysin erilaiseksi kuin perinteisten seosaineiden.

Sinkki – perustiedot

Onko sinkki teräksen seosaine?

Tyypillisissä rakenneteräksissä Zn ei ole klassinen seosaine.
Elementtejä, kuten Cr, Ni, Mo, V, Mn czy Si lisätään teräksen kemialliseen koostumukseen sen mikrorakenteen ja ominaisuuksien muuttamiseksi.
Sinkin päätehtävä on ulkopinnan suojaus.
Sinkityn teräksen tapauksessa on erotettava toisistaan:

• teräs – perusmateriaali,
• sinkki – suojaava pinnoitemateriaali.

Tämä ei tarkoita, etteikö sinkkiä voisi koskaan esiintyä sulassa teräksessä. Sitä voi päästä prosessiin muun muassa sinkityn romun mukana, mutta tällaisessa tapauksessa sitä käsitellään ensisijaisesti metallurgisen prosessin aikana säätöä vaativana alkuaineena eikä toivottuna seosaineena.

Miksi sinkki suojaa terästä korroosiolta?

Sinkin tärkein käyttötarkoitus on suojaus rauta- ja terästä korroosiota vastaan.
Sinkkipinnoite toimii kahdella tavalla samanaikaisesti:

• este – erottaa teräspinnan vedestä, hapesta ja muista ympäristön komponenteista,
• sähkökemiallisesti – sinkki on vähemmän jaloa kuin rauta ja voi toimia uhrautumisanodina.

Toinen mekanismi on yksi sinkityksen tärkeimmistä eduista.
Jos pinnoite naarmuuntuu paikallisesti ja paljastaa pienen osan teräksestä, vauriokohdan läheisyydessä oleva sinkki voi silti tarjota sähkökemiallisen suojan teräsalustalle.

Teräksen uhrautuva suojaus sinkillä

Sähkökemiallisessa höyryssä Zn–Fe sinkillä on negatiivisempi sähkökemiallinen potentiaali ja se hapettuu ensisijaisesti rautaan verrattuna.
Yksinkertaisesti sanottuna anodireaktio voidaan esittää seuraavasti:

Teräksen pintaan virtaavat elektronit rajoittavat sen hapettumista.
Sinkki on siis tärkeässä roolissa uhrautuva anodi ja kuluu suojatakseen teräsalustaa.
Tämä on merkittävä ero verrattuna pinnoitteeseen, jolla on vain suojavaikutus.

Sinkin korroosiotuotteet

Ilmakehään altistunut sinkki käy läpi syövyttäviä reaktioita. Sen pinnalle voi muodostua tuotteita, jotka sisältävät sinkkioksidia, sinkkihydroksidia ja – ilmakehän olosuhteissa – emäksisiä karbonaattiyhdisteitä.
Ajan myötä muodostuva korroosiotuotteiden kerros voi hidastaa Zn-korroosiota edelleen.
Yhteyden ansiosta:

• estesuojaus,
• uhrautuva suojelu,
• suhteellisen suojaavan korroosiotuotteiden kerroksen muodostuminen

Sinkkipinnoitteet ovat erittäin tehokas ja yleinen menetelmä teräsrakenteiden suojaamiseen.

Teräksen kuumasinkitys

Yksi tärkeimmistä teräksen suojausmenetelmistä on kuumasinkitys.
Asianmukaisen pinnan esikäsittelyn jälkeen teräselementti upotetaan nestemäiseen sinkkiin (Zn). Kylvyn lämpötila tyypillisissä prosesseissa on noin 450 ° Cvaikka tarkat parametrit riippuvatkin teknologiasta.
Prosessin aikana ei tapahdu ainoastaan ​​puhtaan sinkkikerroksen mekaanista kerrostumista.
Teräksen ja sinkin rajapinnassa reaktiot Fe ja Zn, mikä johtaa muodostumiseen Fe-Zn-järjestelmän metallien väliset kerrokset.
Tyypillinen kuumasinkitty pinnoite voi siksi sisältää useita kerroksia, joiden Fe- ja Zn-pitoisuudet vaihtelevat, sekä ulkokerroksen, jossa on runsaasti sinkkiä.

Fe–Zn-metallien väliset kerrokset

Kuumasinkityksen aikana tapahtuu diffuusioprosesseja, jotka johtavat Fe-Zn-metallien välisten faasien muodostumiseen.
Sinkkipinnoitteen klassinen kuvaus sisältää muun muassa seuraavat kerrokset:

• Γ – gamma,
• δ – delta,
• ζ – zeta,
• η – eta – ulkokerros erittäin runsas Zn-pitoisuus.

Pinnoitteen todellinen rakenne riippuu teräksen kemiallisesta koostumuksesta, prosessilämpötilasta ja -ajasta sekä jäähdytysolosuhteista.
Metallien väliset kerrokset tarjoavat vahvan metallurgisen sidoksen pinnoitteen ja substraatin välille, mutta niiden kovuus ja sitkeys vaihtelevat.

Piin vaikutus teräksen galvanointiin

Yksi tärkeimmistä kuumasinkitysprosessiin vaikuttavista tekijöistä on pii Si.
Teräksen Si-pitoisuus voi vaikuttaa voimakkaasti Fe–Zn-reaktion nopeuteen ja siten:

• pinnoitteen paksuus,
• metallien välisten kerrosten rakenne,
• pinnan ulkonäkö,
• Fe–Zn-faasien osuus,
• pinnoitteen hauraus ja toiminnalliset ominaisuudet.

Tiettyjen terästen reaktiivisuuden äkillinen lisääntyminen sinkityksen aikana liittyy ns. Sandelin-ilmiö.
Siksi kuumasinkittäviin komponentteihin suunniteltaessa ei ole tärkeää ainoastaan ​​teräksen laatu, vaan myös sen kemiallinen koostumus.

Fosforin vaikutus galvanointiin

Teräksen käyttäytymiseen sinkityksen aikana voivat vaikuttaa myös fosfori P.
Teräksen galvanointiherkkyyttä arvioitaessa pii- ja fosforipitoisuuksia tarkastellaan usein yhdessä, koska molemmat alkuaineet voivat vaikuttaa substraatin reaktiivisuuteen nestemäisessä sinkissä ja Fe-Zn-kerrosten kasvuun.
Tästä syystä samanlaisilla mekaanisilla ominaisuuksilla varustetut teräkset voivat käyttäytyä eri tavalla sinkityksen aikana, jos niiden pii- ja fosforipitoisuudet eroavat toisistaan.

Elektrolyyttinen sinkitys

Toinen menetelmä on elektrolyyttinen sinkitys, jossa Zn kerrostuu elementin pinnalle sähkökemiallisessa prosessissa.
Kuumasinkitykseen verrattuna tämä menetelmä mahdollistaa yleensä:

• ohuemmat pinnoitteet,
• erittäin tasainen pinta,
• hyvä paksuuden hallinta,
• elementin esteettinen viimeistely.

Elektrolyyttisiä pinnoitteita käytetään muun muassa kiinnittimissä, autonosissa, tarkkuuskomponenteissa ja terästuotteissa, jotka vaativat suhteellisen ohuen suojakerroksen.

Galvaaninen sinkitys ja kuumasinkitys

Muita sinkin levittämismenetelmiä teräkseen

Kuumasinkityksen ja elektrolyyttisen sinkityksen lisäksi käytetään myös muita tekniikoita.
Teräspintojen suojaamismenetelmiä Zn:llä ovat muun muassa:

• ruiskugalvanointi – ruiskumetallointi
• mekaaninen sinkitys,
• hiutaleina levitetyt sinkkipinnoitteet,
• diffuusiomenetelmillä levitetyt sinkkipinnoitteet,
• maalausjärjestelmät, jotka sisältävät suuria määriä sinkkipölyä.

Teknologian valinta riippuu vaaditusta suojausajasta, elementin geometriasta, työympäristöstä, mitoista, vaaditusta pinnoitteen paksuudesta ja muista teknologisista toimenpiteistä.

Sherdization – teräksen diffuusiosinkitys

Erityinen menetelmä on sherardisaatio, ts. teräspinnan diffuusiokyllästyminen sinkillä.
Prosessi suoritetaan Zn:n sulamispistettä alhaisemmassa lämpötilassa, yleensä käyttäen sinkkipölyä ja sopivaa prosessiympäristöä.
Diffuusion seurauksena muodostuu Fe-Zn-faaseja sisältävä kerros.
Sheradisointi on erityisen hyödyllistä:

• pienet teräselementit,
• ruuvit,
• pähkinät,
• pesukoneet,
• monimutkaisen muotoiset elementit.

Sen etuna voi olla suhteellisen tasainen pinnoite jopa monimutkaisen geometrian omaavilla elementeillä.

Zn-Al- ja Zn-Al-Mg-pinnoitteet

Teräksen suojausteknologian kehitys on johtanut sellaisten pinnoitteiden laajaan käyttöön, joissa sinkkiä yhdistetään muihin alkuaineisiin.
Tärkeitä ryhmiä ovat pinnoitteet:

• Zn-Al,
• Zn-Al-Mg.

liite alumiini Ja magnesiumin lisääminen sinkkipinnoitteeseen voi muuttaa korroosiotuotteiden rakennetta ja lisätä suojauksen kestävyyttä tietyissä ympäristöissä.
Zn-Al-Mg-pinnoitteita käytetään muun muassa rakentamisessa, energiateollisuudessa, aurinkosähköjärjestelmissä, ohutseinäisissä rakenteissa ja ilmakehään altistuvissa elementeissä.
Tässä pitäisi tehdä ero Zn-Al-Mg-pinnoitteen sisältämä magnesium magnesiumista, jota käytetään pienenä metallurgisena lisäaineena nestemäiseen teräkseen.

Sinkityn teräksen korroosio

Sinkitys on erittäin tehokas tapa vähentää teräksen korroosiota, mutta se ei takaa, että materiaali kestää täysin kaikkia ympäristöjä.
Pinnoitteen kulumisnopeus riippuu muun muassa seuraavista tekijöistä:

• kosteus,
• lämpötila,
• ilmansaasteet,
• läsnäolo kloridit,
• ympäristön pH,
• pinnan kostutusaika,
• pinnoitteen paksuus ja tyyppi.

Ilmakehäolosuhteissa suojauksen kestävyys liittyy siis läheisesti korroosioluokkaan ja todellisiin käyttöolosuhteisiin.

Valkoisen sinkin korroosio

Tuoreissa sinkityissä elementeissä voi olla tyypillinen valkoinen pinnoite, jota yleisesti kutsutaan ns. valkoinen korroosio.
Se muodostuu pääasiassa silloin, kun Zn-pinta pysyy pitkään kosteana ja ilman pääsy sekä kuivumismahdollisuudet ovat rajalliset.
Ongelma voi ilmetä muun muassa silloin, kun vasta sinkityt elementit varastoidaan väärin hyvin lähellä toisiaan.
Valkoinen korroosio vaikuttaa pääasiassa sinkkipinnoitteeseen, eikä se ole sama ilmiö kuin klassinen punainen ruoste, jota muodostuu suojaamattomaan teräkseen.

Sinkki ja galvanoidun teräksen hitsaus

Zn-pinnoitetun teräksen hitsauksessa on otettava huomioon sinkin alhainen kiehumispiste – noin. 907 ° C.
Hitsauskaaren lämpötila on paljon korkeampi, joten hitsin lähellä oleva sinkki voi:

• sulaa ja haihtuu,
• aiheuttaa sinkkiyhdisteitä sisältävien höyryjen muodostumista,
• vaikuttaa hitsausprosessin vakauteen,
• edistää tiettyjen hitsausvirheiden muodostumista,
• aiheuttaa paikallisen suojapinnoitteen tuhoutumisen.

Sinkittyjen elementtien hitsaus vaatii asianmukaista teknologiaa, liitosten valmistelua, tehokasta ilmanvaihtoa ja työntekijän suojaamista hitsaushöyryiltä.
Liitoksen tekemisen jälkeen pinnoitteen vaurioitumiskohta voi vaatia korroosiosuojauksen palauttamista.

Teräksen sinkin ja nestemäisen metallin halkeilu

Tietyissä olosuhteissa jännityksen alaisen teräksen kosketus nestemäisen sinkin kanssa voi johtaa ilmiöön nestemäisen metallin haurastuminen – ​​LME, eli nestemäisen metallin vaikutuksesta johtuva hauraus tai halkeilu.
Tämä ongelma on erityisen tärkeä joissakin tapauksissa:

• korkean lujuuden teräkset,
• sinkittyjen levyjen hitsausprosessit,
• suuria jäännösjännityksiä sisältävien rakenteiden sinkitysprosessit,
• epäsuotuisat lämpötilan, rasituksen ja nestemäisen sinkin kanssa kosketuksen yhdistelmät.

Pelkkä sinkkipinnoitteen läsnäolo ei kuitenkaan automaattisesti tarkoita LME-riskiä. Ilmiö vaatii sopivan materiaalin, lämpötilan, jännityksen ja nestemäisen metallin yhdistelmän.

Sinkki ja erikoislujat teräkset

Sinkkipinnoitteet ovat erittäin tärkeitä nykyaikaisten erikoislujuusterästen suojauksessa, erityisesti autoteollisuudessa.
Samaan aikaan yhteys:

• substraatin korkea lujuus,
• Zn-pitoinen pinnoite
• liitosprosessin korkea lämpötila,
• suuret paikalliset jännitykset

vaatii hitsaustekniikan hallintaa LME:n esiintymismahdollisuuden vuoksi.
Tämä on esimerkki tilanteesta, jossa Zn on sekä erittäin tehokas suojamateriaali että alkuaine, jota on valvottava huolellisesti teräksen jatkokäsittelyn aikana.

Sinkki teräksen tuotannossa romusta

Zn-pinnoitteella päällystetyn teräsromun lisääntynyt käyttö tekee sinkistä yhä tärkeämmän myös primaari- ja sekundaarimetallurgiassa.
Erä sisältää muun muassa:

• galvanoidut autolevyt,
• rakennuselementit,
• kuumasinkityt tuotteet,
• laitteista ja rakenteista peräisin olevaa romua.

Teräksenvalmistusprosessin korkeassa lämpötilassa Zn siirtyy helposti kaasufaasiin.
Se voi sitten päätyä teräksen tuotannon aikana syntyvään pölyyn.

Sinkki teräspölyssä

Erityisesti sinkityn romun sulatuksessa sähköuuneissa syntyvä pöly voi sisältää merkittäviä määriä sinkkiä.
Toisaalta sinkin läsnäolo vaikeuttaa jätehuoltoa ja vaatii asianmukaisia ​​pölynpoistolaitteita.
Toisaalta tällaiset pölyt voivat muodostaa sinkin talteenoton toissijainen raaka-aine.
Tämä luo materiaalivirran:

Sinkin ja teräksen kierrätys on siksi tärkeä osa kiertotaloutta.

Sinkki ja teräksen mekaaniset ominaisuudet

Koska sinkkiä esiintyy pääasiassa pinnoitteena, sillä ei pidä katsoa olevan klassinen vaikutus teräksen mekaanisiin ominaisuuksiin.

Sinkki voi siksi merkittävästi parantaa terästuotteen käyttökestävyyttä , vaikka se ei suoraan parannakaan itse matriisin lujuusparametreja.

Sinkin ja teräksen lämpökäsittely

Zn-pinnoitteen läsnäolo on otettava huomioon korotetuissa lämpötiloissa suoritettavissa prosesseissa.
Sinkin sulamispiste on vain noin 419,5 °C, minkä vuoksi monet klassiset prosessit teräksen lämpökäsittely tapahtuu selvästi sinkin sulamispisteen yläpuolella.
Prosessit, kuten kovettuminen ja lämpöparannus vaativat lämpötiloja, joissa klassista sinkkipinnoitetta ei voida käsitellä vakaana pintakerroksena.
Tästä syystä teknologisten toimenpiteiden järjestys on suunniteltava huolellisesti. Monissa sovelluksissa lopullinen sinkkisuojaus levitetään vasta komponentin peruslämpö- ja mekaanisen käsittelyn jälkeen.

Sinkki, vety ja erikoislujat teräkset

Joissakin lujuusterästen pinnan esikäsittely- ja pinnoitusprosesseissa on otettava huomioon vedyn imeytymisen riski.
Ongelma ei johdu Zn:n läsnäolosta alkuaineena, vaan se voi liittyä teknologisiin vaiheisiin, kuten:

• happaman ruoansulatuksen
• sähkökemiallinen pinnan esikäsittely,
• elektrolyyttinen pinnoite.

Erikoislujuusteräksissä vedyn läsnäolo voi lisätä viivästyneen halkeilun riskiä. Siksi tällaisten komponenttien sinkitysteknologian on otettava huomioon vetyhaurastumisen riskin vähentämiseen tähtäävät vaatimukset.

Sinkki ja ruostumaton teräs

kromi antaa ruostumattomille teräksille kyvyn muodostaa ohuen, Cr-yhdisteitä runsaasti sisältävän passiivikerroksen, kun taas sinkki suojaa tavallisia teräksiä ensisijaisesti erillisenä metallipinnoitteena.
Nämä ovat kaksi erilaista suojausmekanismia:

Tästä syystä sinkityn teräksen korroosionkestävyyttä ei pidä sekoittaa ruostumattoman teräksen korroosionkestävyyteen.

Sinkityn teräksen käyttö

Zn-suojattua terästä käytetään käytännössä kaikilla teollisuudenaloilla.
Tyypillisiä sovelluksia ovat:

• teräsrakenteet,
• kaiteet ja kaiteet,
• mastot ja pylväät,
• tierakenteet,
• rautatieinfrastruktuurin osat,
• katto- ja julkisivulevyt,
• ilmanvaihtokanavat,
• auton osia,
• ruuvit, mutterit ja kiinnikkeet,
• aidat,
• aurinkosähkörakenteet,
• koneiden ja laitteiden osat,
• ulkona toimivat rakenteet.

Sinkki Zn ja muut teräksissä käytetyt alkuaineet

Sinkki Zn teräksessä

Sinkki Zn on erittäin tärkeä terästeollisuudelle, mutta se ei ole tyypillinen teräksen seosaine. Sen tärkein tehtävä on suojata teräspintaa korroosiolta.
Zn-pinnoite toimii sekä teräksen ympäristöstä erottava este sekä uhrautuva anodiTämä mahdollistaa alustan suojaamisen jopa pinnoitteen pienten paikallisten vaurioiden sattuessa.
Tärkein Zn:ää käyttävä prosessi on kuumasinkitys, jonka aikana teräksen ja nestemäisen sinkin rajapinnalle muodostuu Fe-Zn-metallien välisiä kerroksia. Käytetään myös elektrolyyttistä, ruiskutus- ja diffuusiosinkitystä sekä nykyaikaisia ​​Zn-Al- ja Zn-Al-Mg-pinnoitteita.
Sinkitysprosessiin vaikuttaa teräksen kemiallinen koostumus, erityisesti sen pitoisuus pii i fosfori.
Myös sinkkiin on kiinnitettävä huomiota hitsauksen, lämpökäsittelyn ja kierrätyksen aikana. Sopivissa olosuhteissa nestemäinen sinkki voi osallistua LME-ilmiöön, ja sinkityn romun sulamisen aikana se muuttuu teräspölyksi, josta se voidaan sitten ottaa talteen.
Teräksen tapauksessa sinkin merkitystä tulisi siksi tarkastella ensisijaisesti korroosionestosuojauksen, pintakäsittelytekniikan ja kierrätyksen yhteydessä, ei klassisen terässeostuksen yhteydessä.

Rauta Hiili kromi Nikkeli Vanadiini Mangaani Pii molybdeeni volframi kupari- Titaani Alumiini koboltti niobium Fosfori Rikki Happi typpi Magnesium Sinkki