Алюминий (Al) серебристо-белого цвета и гранецентрированной кубической структуры имеет постоянную решетки 404959,6 нанометров, относительную атомную массу 26,8, температуру плавления 658 градусов и температуру кипения 2000 градусов. Алюминий в природе не присутствует в коммерческом цинке; скорее, его намеренно добавляют во время процессов горячего цинкования. Целью добавления алюминия является усиление блеска цинкового покрытия стальных труб, улучшение их гибкости, изменение структуры слоя железо-цинкового сплава и противодействие воздействию железа в расплавленном цинке. Подробно они описаны ниже:
(1) Алюминий улучшает блеск и гибкость оцинкованных стальных труб.
Теоретически для достижения этих целей достаточно содержания алюминия всего лишь {{0}}.02% в расплавленном цинке. Однако из-за склонности алюминия к окислению на поверхности расплавленного цинка для поддержания содержания алюминия в расплавленном цинке на уровне 0,02% необходима эмпирическая добавка алюминия в количестве около 0,2%. Алюминий имеет высокое сродство к кислороду, образуя слой оксида алюминия, который эффективно предотвращает диффузию кислорода, защищая нижележащий расплавленный цинк и расплавленный цинк от окисления. Аналогично, другие металлические элементы в расплавленном цинке также защищены от окисления. Окисленные цинк, свинец и кадмий имеют желтый цвет, а без алюминия оцинкованный слой будет содержать значительное количество желтых компонентов, отрицательно влияющих на его блеск. Поэтому при горячем цинковании добавляется определенное количество алюминия для получения блестящего оцинкованного слоя. Кроме того, когда расплавленный цинк содержит 0,2% алюминия, получается лучший рисунок, а гибкость оцинкованного слоя особенно хороша.
Однако Американское общество по испытаниям и материалам рекомендует не использовать алюминий в качестве придающей блеск металлической добавки, а если и используется, то его количество должно быть ограничено до уровня ниже 0,01%.
(2) Изменение структуры оцинкованного слоя
Теоретически для изменения структуры оцинкованного слоя достаточно содержания алюминия от {{0}},2 до 0,3% в расплавленном цинке. Однако на практике алюминий легко вступает в реакцию с кислородом расплавленного цинка и расходуется, поэтому для поддержания содержания алюминия на уровне 0,2–0,3% необходима добавка алюминия примерно от 1,5% до 3,5%. Чтобы проиллюстрировать влияние содержания алюминия на структуру оцинкованного слоя, рассмотрим изменения в структуре оцинкованного слоя по мере увеличения содержания алюминия:
Увеличение содержания алюминия до 0,05 % в расплавленном цинке усиливает блеск поверхности оцинкованного слоя, но не влияет на его структуру. Поэтому оцинкованная структура такая же, как и полученная из чистого расплавленного цинка, состоящая из адгезионного слоя (фаза а), промежуточного слоя (фаза ), слегка потрескавшегося слоя (фаза δ₁), плавающего слоя (фаза S), и слой чистого цинка (фаза η). Отличие от оцинкованного слоя, выплавленного из чистого расплавленного цинка, заключается в кристаллической форме фаз.
При содержании алюминия в расплавленном цинке 0,1% кристаллы плавающего слоя (фаза S) существуют крупными блоками и располагаются уже не сплошным слоем, а в виде отдельных включений.
Когда содержание алюминия в расплавленном цинке составляет 0,15%, распределение плавающего слоя (фаза S) также не является непрерывным, а состоит из более крупных, взаимно разделенных кристаллических кластеров, причем только слой (фаза δ₁) демонстрируя несколько более плотную структуру.
Когда содержание алюминия в расплавленном цинке составляет 0,24%, эффект ингибирования травления (легирования) является сильным. Если цинкование производить при температуре 440 градусов в течение 1 часа в этом расплавленном цинке, а затем осмотреть, никакой реакции не обнаружено. Следовательно, на оцинкованном образце существует только слой чистого цинка. Это связано с тем, что в результате реакции между алюминием и сталью образуется тонкая пленка FeAl₃ (или Fe₂Al₅ согласно некоторым источникам), которая препятствует диффузии ионов железа к цинку.
Исходя из вышесказанного, важным фактором изменения структуры оцинкованного слоя является количество алюминия. Когда содержание алюминия фиксировано, такие параметры процесса, как время цинкования, текучесть (как показано на рисунке 3-5) и температура цинкования, также влияют на изменение структуры слоя цинка. Поэтому в производстве горячего цинкования соотношение этих трех факторов определяется технологическими условиями, и только при строго контролируемых условиях эксплуатации можно получить желаемый оцинкованный слой.
(3) Противодействие воздействию железа в расплавленном цинке
Алюминий реагирует с железом в расплавленном цинке с образованием трех соединений: FeAl, FeAl₂ и FeAl₃, тем самым уменьшая свое воздействие на оцинкованный слой.
