60. Как алюминий в расплавленном цинке влияет на горячее-цинкование погружением?

Алюминий (A1) — серебристый-белый металл с гранецентрированной кубической (FCC) кристаллической структурой. Его постоянная решетки составляет 404959,6 нм, атомная масса 26,8, температура плавления 658 градусов и температура кипения 2000 градусов. Коммерческие цинковые изделия не содержат алюминия, который намеренно добавляется при горячем-цинковании погружением. Этот процесс служит трем ключевым целям: усиление блеска поверхности оцинкованной стальной трубы, улучшение гибкости, изменение микроструктуры слоя железо-цинкового сплава и нейтрализация воздействия железа в расплавленном цинке. Подробности следующие: (1) Алюминий улучшает блеск поверхности и гибкость оцинкованных стальных труб.
Теоретически для достижения этой цели было бы достаточно содержания алюминия в цинковой ванне всего лишь 0,02%. Однако, поскольку алюминий легко окисляется на поверхности цинка, эмпирические данные показывают, что для поддержания необходимого уровня 0,02% необходимо добавлять примерно 0,2% алюминия. Сильное сродство между алюминием и кислородом образует слой оксида алюминия, который эффективно блокирует диффузию кислорода, защищая как нижележащие расплавленные алюминий, так и цинк от окисления. Этот защитный механизм также предотвращает окисление других металлических элементов в цинковой ванне. Как известно, при окислении цинка образуется желтый оксид цинка, а оксиды свинца и кадмия имеют сходные желтоватые оттенки. Без защитной роли алюминия оцинкованная поверхность покроется желтыми пятнами, что значительно ухудшит ее блеск. Поэтому добавление соответствующего количества алюминия необходимо при горячем-цинковании погружением, чтобы добиться блестящей поверхности. Более того, содержание алюминия в цинковой ванне в количестве 0,2% не только обеспечивает оптимальные декоративные узоры, но и обеспечивает исключительную гибкость оцинкованного слоя.
Однако Американское общество по испытанию материалов (ASTM) рекомендует не использовать алюминий в качестве придающей блеск металлической добавки, а в случае использования его содержание должно быть ограничено до уровня менее 0,01%.
(2) Изменение микроструктуры оцинкованных слоев Теоретически содержание алюминия 0,2-0,3% в расплавленном цинке достаточно для изменения микроструктуры оцинкованных слоев. Однако на практике алюминий легко вступает в реакцию с кислородом расплавленного цинка, что приводит к его расходованию. Для поддержания целевого содержания алюминия необходимо добавить примерно 1,5–3,5 % алюминия. Чтобы продемонстрировать, как содержание алюминия влияет на микроструктуру, мы проанализировали изменения от низкой к высокой концентрации алюминия: увеличение содержания алюминия на 0,05% увеличивает блеск поверхности оцинкованного слоя, но не влияет на его микроструктуру. Таким образом, оцинкованный слой сохраняет тот же состав, что и слой, полученный из чистой цинковой жидкости, состоящий из прилипшего слоя (Фаза а), промежуточного слоя (Фаза Y), слегка потрескавшегося решетчатого слоя (Фаза 81) и плавающего слоя (Фаза S) чистого цинка (Фаза n). Ключевое отличие заключается в отчетливой кристаллической морфологии фаз по сравнению с жидкостью из чистого цинка.
При содержании алюминия в цинковой жидкости 0,1% кристаллизация плавающего слоя (3 фазы) имеет вид крупного блока, причем это не сплошной слой, а своего рода отдельные включения.
При содержании алюминия в цинковой жидкости 0,15 % распределение плавающего слоя (фаза 5) представляет собой не сплошной слой, а несколько более крупных, отдельных кристаллических кластеров, и только сетчатый слой (фаза 81) представляет несколько более плотную структуру.
Когда содержание алюминия в цинковой ванне достигает 0,24%, эффект легирования становится весьма эффективным в предотвращении коррозии. Если в цинковой ванне поддерживать температуру 440 градусов в течение 1 часа нанесения покрытия, при снятии и осмотре реакции не наблюдается. Следовательно, оцинкованный слой на образце состоит исключительно из слоя чистого цинка. Это происходит потому, что алюминий вступает в реакцию со стальной трубой, образуя пленку соединения FeAl₃ (или Fe₂AlO), которая препятствует диффузии ионов железа к слою цинка.
Как показано выше, содержание алюминия является ключевым фактором в изменении микроструктуры оцинкованного слоя. Когда содержание алюминия фиксировано, другие параметры процесса,-включая время погружения цинка, текучесть (как показано на рисунке 3-5) и температуру-, также влияют на микроструктуру слоя цинка. Таким образом, при производстве горячего цинкования взаимодействие этих трех факторов определяется спецификациями процесса. Только строго придерживаясь заданных условий эксплуатации, можно добиться желаемого оцинкованного слоя.
(3) Влияние железа в цинковой ванне компенсируется, поскольку алюминий может соединяться с железом в цинковой ванне с образованием трех соединений, а именно FeAl, FeAl2 и FeAl3, что снижает воздействие на гальваническое покрытие.