Cynkowanie zanurzeniowe wyrobów stalowych z zastosowaniem stali WEGAL

W artykule przedstawiono podsumowanie badań przemysłowego jednostkowego cynkowania zanurzeniowego próbek stalowych wykonanych z trzech gatunków stali: 08X, 55, St3S. Porównano grubości powłok utworzonych w kąpieli cynkowniczej ze stopu WEGAL i z zastosowaniem czystego cynku. Zaprezentowane wyniki dowodzą korzystnego oddziaływania stopu cynku WEGAL na redukcję grubości powłok na stalach reaktywnych.

Przedmiotem badań było przemysłowe cynkowanie zanurzeniowe wyrobów stalowych w kąpieli utworzonej ze stopu cynku wykonanego na bazie cynku elektrolitycznego w gatunku Z1 z czterema dodatkami stopowymi: ZnAl0, 1Ni0, 1 Mn0, 1Sn0 1 (WEGAL – patent nr PL 191938 B1). Na przykładzie trzech gatunków stali (08X, 55, St3S) przeanalizowano uzyskane powłoki cynkowe w procesie jednostkowego cynkowania zanurzeniowego. Stop WEGAL, a ściślej typoszereg nowych stopów cynku do cynkowania zanurzeniowego metodą ciągłą i jednostkową, opracowany został w Instytucie Metali Nieżelaznych w Gliwicach i wdrożony w krajowym przemyśle cynkowym oraz cynkowniczym w 2002 roku [1]. Partnerem przemysłowym wymienionego kilkuletniego procesu badawczego i jednocześnie producentem stopów od dwunastu lat są Zakłady Górniczo-Hutnicze Bolesław SA w Bukownie.

Charakterystyka procesu z zastosowaniem stali WEGAL

Wykonane w IMN w ostatnim czasie badania nad wpływem manganu w kąpieli cynkowniczej na strukturę i właściwości powłok [2] dowodzą celowości wzbogacenia stopu WEGAL w mangan z obecnej nominalnej ilości 0,1% do poziomu dwa razy większego, czyli 0,2%. Taka ilość manganu w stopie pozwala zachować taką samą grubość powłoki na stalach reaktywnych jak w przypadku stali predestynowanych do cynkowania przy użyciu czystego cynku z niewielkim dodatkiem aluminium (0,005%) oraz podczas wzrostu czasu cynkowania od 1 do 10 minut. Stop o zawartości 0,2% Mn pozwala także otrzymać powłoki gładkie, jasne i błyszczące, również po próbie zginania ocynkowanych próbek o kąt 180° na trzpieniu stalowym o promieniu 5 mm.

W stopie WEGAL mangan wespół z aluminium i niklem skutecznie przeciwstawiają się nadmiernemu wzrostowi powłoki na stalach reaktywnych, szczególnie w zakresie efektu Sandelina [3, 4]. Ponadto udział manganu w stopie sprzyja zwiększeniu odporności powłoki na korozję atmosferyczną, w tym opóźnieniu momentu ewentualnego wystąpienia białej korozji [3, 5]. Niewielka ilość cyny w stopie (≤ 0,1%) pozwala obniżyć napięcie powierzchniowe kąpieli i uzyskać kwiatowy wygląd powłoki (rys. 1).

Osiągnięcie kwiatowej powłoki łączy się z krystalizacją praktycznie dwuwymiarowych kryształów cynku, przypadkowo zorientowanych krystalograficznie i podnoszących walory estetyczne powłoki. Obecność kwiatu powłoki na wyrobach ze stali reaktywnych jest pośrednim potwierdzeniem zahamowania nadmiernego wzrostu grubości powłoki i obecności wierzchniej warstwy zbudowanej z fazy η (Zn) (rys. 3). Tak wyglądająca powłoka cynkowa prawidłowo zabezpieczy wyrób stalowy przed korozją, zwłaszcza w początkowym okresie jej eksploatacji. W takich warunkach dochodzi bowiem najłatwiej do utworzenia finalnego, wyjątkowo szczelnego w budowie, zasadowego węglanu cynku o wzorze sumarycznym Zn₄(OH)₆CO₃ lub Zn₅(OH)₆(CO₃)₂.

W zwykłych – coraz rzadziej spotykanych – warunkach przemysłowego cynkowania wyrobów stalowych z różnych gatunków stali, z wykorzystaniem jedynie czystego cynku wzbogaconego niewielkim udziałem Al (np. 0,006%) i ewentualnie ołowiem w różnych ilościach (np. 0,05-0,6%), otrzymujemy zdecydowanie odmienne w budowie i grubości powłoki. Wśród stali poddanych cynkowaniu znajdują się bowiem takie gatunki, które w swoim składzie zawierają krzem w ilości większej lub równej 0,04% oraz jednocześnie wykazują sumę zawartości krzemu i fosforu mnożonego przez 2,5 (równoważnik krzemu E = Si + 2,5P) równą od 0,09 do 0,2% [6]. Dla takich stali powłoki wykazują cechy znamienne dla tzw. efektu Sandelina [7-9]. Są szorstkie, kruche i wielokrotnie grubsze od uzyskanych na stalach nieuspokojonych krzemem (np. 08X), które to z kolei stale uważane są za predestynowane do cynkowania [10].

Korzyści

Korzyści wynikające ze stosowania opracowanej kąpieli cynkowej WEGAL przedstawione zostały przykładowo w pracy [11] oraz na rys. 2, który powstał na podstawie pracy [10].

Porównanie grubości powłok utworzonych w badanych warunkach i z zastosowaniem czystego cynku uwidaczniają korzyści ze stosowania stopu WEGAL w dwóch najbardziej niekorzystnych przedziałach cynkowanych gatunków stali (II i IV). Odnotowane w pracy [10] podwojenie grubości powłoki dla reaktywnych stali z efektem Sandelina (przedział II – 110 µm) w porównaniu do wyników cynkowania stali z I przedziału (50 µm) jest jednocześnie trzykrotnym polepszeniem w zakresie redukcji grubości powłoki (przedział II) i wynikającej z tego oszczędności cynku. Ponadto dla stali wysokokrzemowych z IV przedziału prędkość przyrostu grubości powłok ze wzrastającym poziomem krzemu w cynkowanej stali jest ponaddwukrotnie mniejsza aniżeli w przypadku kąpieli z czystego cynku.

Przebieg procesu

Dobrze prowadzone cynkowanie zanurzeniowe powinno bazować na gotowej kąpieli cynkowniczej. Sprzyja to bardzo potrzebnej stabilizacji parametrów cynkowania i umożliwia pełną kontrolę nad podstawowymi parametrami wytwarzanej powłoki (grubość, plastyczność, przyczepność dyfuzyjna, ciągłość). Przemysłowe jednostkowe cynkowanie przebiegało wg klasycznej technologii z wykorzystaniem stalowej wanny cynkowniczej, ogrzewanej gazem ziemnym, o wymiarach 7 x 1,5 x 3,1 m i pojemności ok. 210 t ciekłego cynku.

Galeria

Zobacz więcej