Алюминий (Al), который выглядит серебристо-белым, принадлежит к гранецентрированной кубической структуре с постоянной решетки 404959,6 нанометров, относительной атомной массой 26,8, температурой плавления 658 градусов и температурой кипения 2000 градусов. Алюминий в природе не встречается в промышленном цинке. Однако алюминий намеренно добавляется в расплавленный цинк во время горячего цинкования. Целью является усиление блеска цинкового покрытия стальных труб, повышение его гибкости, изменение структуры слоя железо-цинкового сплава, противодействие влиянию железа в расплавленном цинке. Подробная разбивка выглядит следующим образом:
(1) Алюминий улучшает блеск и гибкость оцинкованных стальных труб.
Теоретически для этого достаточно всего {{0}}.02% алюминия в расплавленном цинке. Однако, поскольку алюминий легко окисляется на поверхности расплавленного цинка, согласно опыту, необходимо добавлять примерно 0,2% алюминия, чтобы поддерживать содержание алюминия в расплавленном цинке на уровне 0,02%. Благодаря высокому сродству между алюминием и кислородом, образующему слой оксида алюминия, этот слой эффективно предотвращает диффузию кислорода, защищая нижележащий расплавленный цинк и расплавленный цинк от окисления. Аналогично, другие металлические элементы в расплавленном цинке также защищены от окисления. Как известно, оксид цинка, образующийся при окислении расплавленного цинка, имеет желтый цвет, оксиды свинца и кадмия также имеют желтый цвет. Без влияния алюминия поверхность оцинкованного слоя была бы значительно запятнана желтыми компонентами, что сильно повлияло бы на ее блеск. Поэтому при горячем цинковании добавляется определенное количество алюминия для получения блестящего оцинкованного слоя. Между тем, когда расплавленный цинк содержит 0,2% алюминия, можно получить наилучший 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 величиной ниже 0,01%.
(2) Изменение структуры оцинкованного слоя
Теоретически для достижения цели модификации структуры оцинкованного слоя достаточно содержания алюминия от {{0}},2 до 0,3% в расплавленном цинке. Однако в реальном производстве алюминий в расплавленном цинке легко вступает в реакцию с кислородом и расходуется. Следовательно, чтобы поддерживать содержание алюминия в расплавленном цинке на уровне 0,2–0,3%, необходимо добавить примерно от 1,5% до 3,5% алюминия. Чтобы проиллюстрировать влияние содержания алюминия на изменение структуры оцинкованного слоя, давайте посмотрим на изменения в структуре оцинкованного слоя по мере постепенного увеличения содержания алюминия от низкого к высокому:
Увеличение содержания алюминия до 0,05 % в расплавленном цинке призвано повысить блеск поверхности оцинкованного слоя, но не влияет на его структуру. Поэтому структура оцинковки такая же, как и у покрытия из чистого расплавленного цинка, состоящая из адгезионного слоя (фаза а), промежуточного слоя (фаза ), слегка растрескавшегося слоя (фаза δ₁), дрейфующего слоя (фаза S), и слой чистого цинка (фаза η). Отличие от оцинкованного слоя, нанесенного из чистого расплавленного цинка, заключается в кристаллических формах фаз.
При содержании алюминия в расплавленном цинке 0,1% кристаллы дрейфующего слоя (фаза δ₁) существуют крупными блоками и располагаются уже не сплошным слоем, а в виде отдельных включений.
При содержании алюминия в расплавленном цинке 0,15% распределение дрейфующего слоя (фаза δ₁) также не является сплошным, а состоит из более крупных, взаимно разделенных кристаллических кластеров, причем только слой (фаза δ₁) демонстрируя несколько более плотную структуру.
При содержании алюминия в расплавленном цинке 0,24% ингибирующее воздействие на травление (легирование) является сильным. Если цинкование погружением выдерживается при температуре 440 градусов в течение 1 часа в этом расплавленном цинке, а затем проверяется, никакой реакции не обнаружено. Следовательно, на оцинкованном слое образца существует только слой чистого цинка. Это связано с тем, что в результате реакции между алюминием и стальной трубой образуется тонкая пленка соединений FeAl₃ (или Fe₂Al₅ согласно некоторым источникам), препятствующая диффузии ионов железа к цинку.
Из вышеизложенного видно, что количество алюминия является важным фактором изменения структуры оцинкованного слоя. Когда содержание алюминия фиксировано, такие параметры процесса, как время погружения, текучесть (как показано на рисунке 3-5) и температура погружения, также влияют на изменение структуры слоя цинка. Поэтому в производстве горячего цинкования соотношение этих трех факторов обусловлено технологическими условиями, и только при строго регламентированных условиях эксплуатации можно получить желаемый оцинкованный слой.
(3) Противодействие влиянию железа в расплавленном цинке
Алюминий реагирует с железом в расплавленном цинке с образованием трех соединений: FeAl, FeAl₂ и FeAl₃, тем самым уменьшая его воздействие на оцинкованный слой.
