Cink Zn u čeliku – svojstva, utjecaj na čelik i primjena

Cink (Zn) je metal od velike važnosti za industriju čelika, ali njegova uloga se fundamentalno razlikuje od uloge tipičnih legirajućih elemenata kao što su krom, nikl, molibden ili manganCink se obično ne dodaje namjerno rastaljenom čeliku radi poboljšanja njegovih mehaničkih svojstava. Njegova primarna važnost proizlazi iz upotrebe kao metalnog zaštitnog premaza koji štiti čelik od korozija.
Najčešća upotreba cinka je pocinčavanje čelika. Sloj cinka ne služi samo kao barijera koja odvaja čelik od okoline, već i pruža elektrokemijsku (žrtvenu) zaštitu. To omogućuje da čelik ostane zaštićen čak i tamo gdje je premaz samo neznatno oštećen.
Istovremeno, prisutnost cinka tijekom proizvodnje čelika, zavarivanja, toplinske obrade i recikliranja zahtijeva tehnološku kontrolu. Nisko talište Zn-a i relativno nisko vrelište u usporedbi s temperaturama metalurškog procesa uzrokuju da se njegovo ponašanje potpuno razlikuje od ponašanja konvencionalnih legirajućih elemenata.

Cink – osnovne informacije

Je li cink legirajući element u čeliku?

U tipičnim konstrukcijskim čelicima Zn nije klasični legirajući element..
Elementi kao što su Cr, Ni, Mo, V, Mn ili Si uvode se u kemijski sastav čelika kako bi se modificirala njegova mikrostruktura i svojstva.
Glavna funkcija cinka je zaštita vanjske površine.
Kod pocinčanog čelika treba razlikovati:

• čelik – osnovni materijal,
• cink – zaštitni premazni materijal.

To ne znači da se Zn nikada ne može naći u rastaljenom čeliku. Može ući u proces, između ostalog, putem pocinčanog otpada, ali u takvom slučaju se tretira prvenstveno kao element koji zahtijeva kontrolu tijekom metalurškog procesa, a ne kao poželjna legirajuća komponenta.

Zašto cink štiti čelik od korozije?

Najvažnija upotreba cinka je zaštita Želaza i čelika protiv korozije.
Cinkov premaz djeluje istovremeno na dva načina:

• barijera – odvaja površinu čelika od vode, kisika i ostalih komponenti okoliša,
• elektrokemijski – cink je manje plemenit od željeza i može djelovati kao žrtvena anoda.

Drugi mehanizam je jedna od najvažnijih prednosti pocinčavanja.
Ako je premaz lokalno ogreban i otkrije mali dio čelika, prisutnost Zn u blizini oštećenja i dalje može pružiti elektrokemijsku zaštitu čeličnoj podlozi.

Žrtvena zaštita čelika cinkom

U elektrokemijskoj pari Zn-Fe Cink ima negativniji elektrokemijski potencijal i oksidira se preferencijalno u odnosu na željezo.
Jednostavno rečeno, anodna reakcija se može prikazati kao:

Elektroni koji teku na površinu čelika ograničavaju njegovu oksidaciju.
Cink stoga igra ulogu žrtvena anoda i troši se kako bi zaštitio čeličnu podlogu.
To je značajna razlika u usporedbi s premazom koji ima samo barijerni učinak.

Proizvodi od korozije cinka

Cink izložen atmosferi podliježe korozivnim reakcijama. Na njegovoj površini mogu se formirati produkti koji sadrže cinkov oksid, cinkov hidroksid i - pod atmosferskim uvjetima - bazične karbonatne spojeve.
Sloj produkata korozije koji se stvara tijekom vremena može usporiti daljnju koroziju Zn.
Zahvaljujući vezi:

• zaštitna barijera,
• žrtvena zaštita,
• stvaranje relativno zaštitnog sloja produkata korozije

Cinkovi premazi su vrlo učinkovita i uobičajena metoda zaštite čeličnih konstrukcija.

Vruće pocinčavanje čelika

Jedna od najvažnijih metoda zaštite čelika je vruće pocinčavanje.
Nakon odgovarajuće pripreme površine, čelični element se uranja u kupku tekućeg Zn. Temperatura kupke u tipičnim procesima je približno 450 ° C, iako točni parametri ovise o tehnologiji.
Tijekom procesa ne dolazi samo do mehaničkog taloženja sloja čistog cinka.
Na granici čelika i cinka, reakcije između Fe i Zn što dovodi do stvaranja intermetalni slojevi Fe-Zn sustava.
Tipičan vruće pocinčani premaz stoga može uključivati ​​nekoliko slojeva s različitim udjelom Fe i Zn te vanjski sloj bogat cinkom.

Fe-Zn intermetalni slojevi

Tijekom vrućeg pocinčavanja odvijaju se difuzijski procesi koji dovode do stvaranja intermetalnih faza Fe-Zn.
Klasični opis cinkovog premaza uključuje, između ostalog, slojeve koji se nazivaju:

• Γ – gama,
• δ – delta,
• ζ – zeta,
• η – eta – vanjski sloj vrlo bogat Zn.

Stvarna struktura premaza ovisi o kemijskom sastavu čelika, temperaturi i vremenu procesa te uvjetima hlađenja.
Intermetalni slojevi pružaju snažnu metaluršku vezu između premaza i podloge, ali se razlikuju po tvrdoći i duktilnosti.

Utjecaj silicija na galvanizaciju čelika

Jedan od najvažnijih elemenata koji utječu na proces vrućeg pocinčavanja je silicij Si.
Sadržaj silicija u čeliku može snažno utjecati na brzinu reakcije Fe-Zn i posljedično:

• debljina premaza,
• struktura intermetalnih slojeva,
• izgled površine,
• udio Fe-Zn faza,
• krhkost i funkcionalna svojstva premaza.

Fenomen naglog povećanja reaktivnosti određenih čelika tijekom pocinčavanja povezan je s tzv. Sandelinov učinak.
Stoga, prilikom projektiranja komponenti namijenjenih vrućem pocinčavanju, nije važna samo kvaliteta samog čelika, već i njegov kemijski sastav.

Utjecaj fosfora na pocinčavanje

Na ponašanje čelika tijekom pocinčavanja također može utjecati fosfor P.
Prilikom procjene osjetljivosti čelika na cinčanje, sadržaj Si i P često se razmatra zajedno, jer oba elementa mogu utjecati na reaktivnost podloge u tekućem cinku i rast Fe-Zn slojeva.
Zbog toga se čelici sa sličnim mehaničkim svojstvima mogu ponašati drugačije tijekom pocinčavanja ako se njihov sadržaj Si i P razlikuje.

Elektrolitičko pocinčavanje

Druga metoda je elektrolitičko pocinčavanje, u kojem se Zn taloži na površini elementa elektrokemijskim procesom.
U usporedbi s vrućim pocinčavanjem, ova metoda obično omogućuje:

• tanji premazi,
• vrlo ravna površina,
• dobra kontrola debljine,
• estetska završna obrada elementa.

Elektrolitički premazi se koriste, između ostalog, na pričvršćivačima, automobilskim dijelovima, preciznim komponentama i čeličnim proizvodima koji zahtijevaju relativno tanki zaštitni premaz.

Galvansko pocinčavanje i vruće pocinčavanje

Druge metode nanošenja cinka na čelik

Osim vrućeg pocinčavanja i elektrolitičkog pocinčavanja, koriste se i druge tehnologije.
Metode zaštite čeličnih površina pomoću Zn uključuju, između ostalog:

• pocinčavanje raspršivanjem – metalizacija raspršivanjem,
• mehaničko pocinčavanje,
• cinkovi premazi naneseni u ljuskicama,
• cinkovi premazi naneseni difuzijskim metodama,
• sustavi za bojanje koji sadrže velike količine cinkove prašine.

Izbor tehnologije ovisi o potrebnom zaštitnom razdoblju, geometriji elementa, radnom okruženju, dimenzijama, potrebnoj debljini premaza i daljnjim tehnološkim operacijama.

Šerardizacija – difuzijsko pocinčavanje čelika

Posebna metoda je šerardizacija, tj. difuzijsko zasićenje površine čelika cinkom.
Proces se provodi na temperaturi ispod tališta Zn, obično korištenjem cinkove prašine i odgovarajućeg procesnog okruženja.
Kao rezultat difuzije, formira se sloj koji sadrži Fe-Zn faze.
Šerardizacija je posebno korisna za:

• mali čelični elementi,
• vijci,
• orašasti plodovi,
• podloške,
• elementi složenog oblika.

Njegova prednost može biti relativno ujednačen premaz čak i na elementima složene geometrije.

Zn-Al i Zn-Al-Mg premazi

Razvoj tehnologije zaštite čelika doveo je do široke upotrebe premaza u kojima se cink kombinira s drugim elementima.
Važne skupine uključuju premaze:

• Zn-Al,
• Zn-Al-Mg.

Dodatak aluminijum i magnezija u cinkovom premazu može promijeniti strukturu produkata korozije i povećati trajnost zaštite u određenim okruženjima.
Zn-Al-Mg premazi se koriste, između ostalog, u građevinarstvu, energetici, fotonaponskim sustavima, tankostijenim konstrukcijama i elementima izloženim atmosferi.
Ovdje treba napraviti razliku magnezij sadržan u Zn-Al-Mg premazu od magnezija koji se koristi kao mali metalurški dodatak do tekućeg čelika.

Korozija pocinčanog čelika

Pocinčavanje je vrlo učinkovito u smanjenju korozije čelika, ali ne jamči da je materijal potpuno otporan na sve uvjete okoline.
Brzina trošenja premaza ovisi, između ostalog, o:

• vlažnost,
• temperatura,
• zagađenje atmosfere,
• prisutnost kloridi,
• pH vrijednosti okoline,
• vrijeme vlaženja površine,
• debljina i vrsta premaza.

U atmosferskim okruženjima, trajnost zaštite je stoga usko povezana s kategorijom korozivnosti i stvarnim radnim uvjetima.

Korozija bijelog cinka

Svježe pocinčani elementi mogu pokazivati ​​karakterističan bijeli premaz, obično nazvan bijela korozija.
Nastaje prvenstveno kada površina Zn ostane dugo vlažna, a pristup zraka i mogućnost sušenja su ograničeni.
Problem se može pojaviti, između ostalog, kada se svježe pocinčani elementi nepravilno skladište vrlo blizu jedan drugome.
Bijela korozija uglavnom utječe na cinkov premaz i nije ista pojava kao klasična crvena hrđa koja se stvara na nezaštićenom čeliku.

Cink i zavarivanje pocinčanog čelika

Zavarivanje čelika obloženog Zn zahtijeva uzimanje u obzir niske točke vrelišta cinka – cca. 907 ° C.
Temperatura zavarivačkog luka je mnogo viša, pa Zn u blizini zavara može:

• rastopiti se i ispariti,
• uzrokuju stvaranje para koje sadrže cinkove spojeve,
• utjecati na stabilnost procesa zavarivanja,
• potiču stvaranje određenih nesavršenosti zavarivanja,
• uzrokovati lokalno uništavanje zaštitnog premaza.

Zavarivanje pocinčanih elemenata zahtijeva odgovarajuću tehnologiju, pripremu spoja, učinkovitu ventilaciju i zaštitu radnika od isparenja nastalih zavarivanjem.
Nakon što je spoj uspostavljen, područje gdje je premaz oštećen može zahtijevati obnovu antikorozivne zaštite.

Pucanje čelika cinkom i tekućim metalom

Pod određenim uvjetima, kontakt čelika pod naprezanjem s tekućim cinkom može dovesti do pojave krhkost tekućeg metala – LME, tj. krhkost ili pucanje uzrokovano djelovanjem tekućeg metala.
Ovaj problem je posebno važan u nekim slučajevima:

• visokočvrsti čelici,
• postupci zavarivanja pocinčanih limova,
• procesi pocinčavanja konstrukcija s visokim zaostalim naprezanjima,
• nepovoljne kombinacije temperature, naprezanja i kontakta s tekućim Zn.

Međutim, sama prisutnost cinkovog premaza ne ukazuje automatski na rizik od LME-a. Fenomen zahtijeva odgovarajuću kombinaciju materijala, temperature, naprezanja i tekućeg metala.

Cink i čelici visoke čvrstoće

Cinkovi premazi su vrlo važni u zaštiti modernih visokočvrstih čelika, posebno u automobilskoj industriji.
Istovremeno, veza:

• visoka čvrstoća podloge,
• premaz koji sadrži Zn,
• visoka temperatura procesa spajanja,
• velika lokalna naprezanja

zahtijeva kontrolu tehnologije zavarivanja zbog mogućnosti pojave LME-a.
Ovo je primjer situacije u kojoj je Zn istovremeno izuzetno učinkovit zaštitni materijal i element koji zahtijeva pažljivu kontrolu tijekom daljnje obrade čelika.

Cink u proizvodnji čelika iz otpadnog materijala

Povećana upotreba čeličnog otpada prekrivenog Zn premazima čini cink sve važnijim i za primarnu i sekundarnu metalurgiju.
Serija uključuje, između ostalog:

• pocinčani automobilski limovi,
• građevinski elementi,
• proizvodi od vrućeg pocinčavanja,
• otpad od opreme i konstrukcija.

Na visokoj temperaturi procesa proizvodnje čelika, Zn lako prelazi u plinovitu fazu.
Zatim može završiti u prašini koja nastaje tijekom proizvodnje čelika.

Cink u čeličnoj prašini

Prašina koja nastaje, posebno tijekom taljenja pocinčanog otpada u elektrolučnim pećima, može sadržavati značajne količine Zn.
S jedne strane, prisutnost cinka komplicira gospodarenje otpadom i zahtijeva odgovarajuće instalacije za uklanjanje prašine.
S druge strane, takva prašina može predstavljati sekundarna sirovina za dobivanje cinka.
To stvara protok materijala:

Recikliranje cinka i čelika stoga je važan element kružnog gospodarstva.

Cink i mehanička svojstva čelika

Budući da se Zn javlja prvenstveno kao premaz, ne treba ga smatrati klasičnim utjecajem na mehanička svojstva čelika.

Cink stoga može značajno povećati operativnu trajnost čeličnog proizvoda , iako ne povećava izravno parametre čvrstoće same matrice.

Toplinska obrada cinka i čelika

Prisutnost Zn premaza mora se uzeti u obzir tijekom procesa koji se provode na povišenim temperaturama.
Talište Zn je samo oko 419,5 °C, zbog čega mnogi klasični procesi toplinska obrada čelika odvija se znatno iznad točke taljenja cinka.
Procesi kao što su očvršćavanje i toplinsko poboljšanje zahtijevaju temperature na kojima se klasični cinkov premaz ne može tretirati kao stabilan površinski sloj.
Zbog toga se slijed tehnoloških operacija mora pažljivo planirati. U mnogim primjenama, završna zaštita cinkom nanosi se tek nakon osnovne toplinske i mehaničke obrade komponente.

Cink, vodik i čelici visoke čvrstoće

U nekim procesima pripreme površine i premazivanja čelika visoke čvrstoće, mora se uzeti u obzir rizik apsorpcije vodika.
Problem nije zbog prisutnosti Zn kao elementa, već može biti povezan s tehnološkim koracima kao što su:

• probava kiseline,
• elektrokemijska priprema površine,
• elektrolitički premaz.

U čelicima visoke čvrstoće, prisutnost vodika može povećati rizik od odgođenog pucanja. Stoga tehnologija pocinčavanja takvih komponenti mora uzeti u obzir zahtjeve za smanjenje rizika od vodikove krhkosti.

Cink i nehrđajući čelik

krom pruža nehrđajućim čelicima sposobnost stvaranja tankog pasivnog sloja bogatog spojevima Cr, dok cink štiti obične čelike prvenstveno kao zaseban metalni premaz.
To su dva različita mehanizma zaštite:

Zbog toga se otpornost pocinčanog čelika na koroziju ne smije miješati s otpornošću nehrđajućeg čelika na koroziju.

Upotreba pocinčanog čelika

Čelik zaštićen Zn-om koristi se u gotovo svim industrijama.
Tipične primjene uključuju:

• čelične konstrukcije,
• ograde i balustrade,
• jarboli i stupovi,
• cestovne konstrukcije,
• elementi željezničke infrastrukture,
• krovne i fasadne ploče,
• ventilacijski kanali,
• automobilske komponente,
• vijci, matice i pričvršćivači,
• ograde,
• fotonaponske strukture,
• elementi strojeva i uređaja,
• konstrukcije koje rade na otvorenom.

Cink, Zn i drugi elementi koji se koriste u čelicima

Cink Zn u čeliku

Cink Zn je od velike važnosti za industriju čelika, ali nije tipičan legirajući element čelika. Njegova najvažnija funkcija je zaštita čelične podloge od korozije.
Zn premaz djeluje i kao barijera koja odvaja čelik od okoline, kao i žrtvena anodaTo omogućuje zaštitu podloge čak i u slučaju manjih lokalnih oštećenja premaza.
Najvažniji proces koji koristi Zn je vruće pocinčavanje, tijekom kojeg se na granici između čelika i tekućeg cinka formiraju intermetalni slojevi Fe-Zn. Koriste se i elektrolitičko, prskajuće i difuzijsko pocinčavanje, kao i moderni Zn-Al i Zn-Al-Mg premazi.
Na proces pocinčavanja utječe kemijski sastav čelika, posebno sadržaj silicij i fosfor.
Zn također zahtijeva pažnju tijekom zavarivanja, toplinske obrade i recikliranja. Pod odgovarajućim uvjetima, tekući cink može sudjelovati u LME fenomenu, a tijekom taljenja pocinčanog otpada pretvara se u čeličnu prašinu, iz koje se zatim može dobiti.
U slučaju čelika, važnost cinka stoga treba prvenstveno razmatrati u kontekstu antikorozivne zaštite, tehnologije površina i recikliranja, a ne klasičnog legiranja čelika.

Željezo Węgiel krom Nikal Vanadij Mangan Silicij molibden volfram bakar Titanij Aluminij Kobalt niobij fosfor Sumpor Kisik dušik Magnezij Cinkov