» » Влияние алюминия на свойства цинковых покрытий
10.02.2017

Алюминий является одной из добавок специально вводимых в расплав цинка, В практике цинкования давно было известно, что введение в расплав цинка небольших количеств алюминия улучшает процесс цинкования (повышается жидкотекучесть расплава цинка, уменьшается его окисление) и способствует получению равномерных блестящих цинковых покрытий, которые обладают хорошей пластичностью.
Расплав цинка, содержащий добавку алюминия, значительно меньше окисляется, так как на его поверхности образуется защитная пленка из Аl2O3, которая взаимодействуя с ZnO, образует шпинели, предохраняющие расплав от окисления. Возникновение такой пленки обусловлено большим сродством алюминия к кислороду, чем цинка.
Многочисленные исследования показали, что присутствие алюминия в расплаве цинка замедляет реакцию взаимодействия между сталью и жидким цинком и препятствует образованию промежуточного железоцинкового сплава.
Замедляющее действие добавки алюминия объясняется образованием на поверхности стали защитного слоя из соединения Fe2Al5 или FeAl3, который тормозит реакцию между сталью и жидким цинком. Этот защитный слой очень тонкий и его можно обнаружить с помощью специальных исследований, например, электронной микроскопии. На рис. 58 представлена микроструктура диффузионных слоев цинкового покрытия на стали 1 кп.
Влияние алюминия на свойства цинковых покрытий

Установлено, что замедляющее действие алюминия распространяется только на определенный промежуток времени, который В.3. Бугаков назвал «инкубационным периодом:», а Д. Хорстманн — «временем торможения». Инкубационный период — это период времени (считая с момента погружения изделия в расплавленный цинк), в течение которого не образуется слой железоцинковых соединений.
Зависимость содержания алюминия в расплаве цинка, необходимого для торможения образования и последующего роста железоцинкового слоя, от температуры приведена на рис. 59.
Влияние алюминия на свойства цинковых покрытий

Следует отметить, что действие защитного слоя кратковременно; с течением времени он разрушается и происходит реакция между сталью и жидким цинком. Есть сведения, что скорость реакции между сталью и цинком после инкубационного периода зависит от содержания алюминия в расплаве. При содержании в расплаве цинка 0,1 % Al реакция протекает интенсивнее, чем в расплаве, не содержащем алюминия.
При цинковании в легированном алюминием расплаве общая толщина покрытия уменьшается. По данным Редекера, Петерса и Фрие при цинковании в расплаве, содержащем 0,15—0,25 % Al толщина цинкового покрытия уменьшается примерно на 40%. Дальнейшее увеличение содержания алюминия в расплаве не оказывает существенного влияния на толщину покрытия.
Многие исследователи отмечают положительное влияние алюминия на пластичность цинкового покрытия. Однако в работе сообщается, что это свойство сохраняется при содержании в расплаве до 0,3 % Al.
На практике для легирования расплава цинка применяют различные количества алюминия (от 0,03 до 0,3 %). Например, цинкование стальной полосы в агрегатах непрерывного горячего цинкования (АНГЦ) производится в расплаве цинка, легированного алюминием (0,15—0,25 %) и свинцом (до 0,25 %). Кроме того, в зависимости от марки применяемого цинка Ц0 или Ц1 (ГОСТ 3640—79) в расплаве имеются различные примеси, общее содержание которых не превышает 0,05 %. Требования зарубежных стандартов к расплаву цинка, используемому для агрегатов горячего цинкования полосы, довольно различны, что обусловлено особенностями этих агрегатов. Так, согласно стандарту США ASTM А-525 для горячего цинкования полосы допускается применение расплава цинка следующего состава: >97,65 % Zn; 0,1—0,25 % Al; <1,0 %Р; <0,1 % Sb; <1,0 % Sn.
Добавка 0,15—0,25 % Al в расплав цинка сильно подавляет рост интерметаллического соединения, толщина которого в слое покрытия не превышает 1—2 мкм при общей толщине покрытия до 40 мкм.
По данным фирмы «Син ииппон сэйтэцу» (Япония) для получения покрытия с удовлетворительной адгезией содержание алюминия в расплаве цинка должно составить 0,15—0,18 % (рис. 60). Это подтверждается работой АНГЦ на HЛMK, на котором при цинковании спокойных и полуспокойных сталей в расплаве, с содержанием 0,15—0,24% Al при скорости движения полосы 2,15 м/с, прочность сцепления покрытия была удовлетворительной.
С увеличением концентрации алюминия в расплаве цинка (0—0,05—0,1—0,2—0,3% Al) толщина диффузионного слоя соответственно уменьшается и составляет 20; 14; 6; 1 и менее 1 мкм.
Толщина диффузионного слоя покрытия оказывает существенное влияние на прочность сцепления покрытия со стальной основой. В условиях непрерывного горячего цинкования прочность сцепления зависит также от температуры полосы и расплава цинка и продолжительности цинкования.
Влияние алюминия на прочность сцепления покрытия Роберт объясняет следующим образом. Вследствие более высокого термодинамического сродства алюминия к железу по сравнению с цинком на поверхности полосы образуется слой железоалюминиевого соединения. Образующиеся вслед за этим железоцинковые соединения имеют большую способность к диффузии, так как температура плавления цинка по сравнению с алюминием ближе к температуре цинкового расплава. Поэтому цинк или железоцинковые соединения диффундируют в алюминий, содержащий промежуточный слой, или образуют этот слой вместе с железоалюминием. При этом скопления железоалюминиевых и железоцинковых соединений срастаются в один слой или смесь фаз. После выхода полосы из расплава цинка процесс диффузии железоцинковых соединений в алюминийсодержащий промежуточный слой под влиянием температуры продолжается во времени. Это сопровождается ростом толщины диффузионного слоя и снижением концентрации алюминия в расплаве цинка. Если способность алюминийсодержащего промежуточного слоя растворять цинк или железоцинковые соединения превысит определенный предел, то инкубационный период заканчивается, тормозящее действие алюминия прекращается, рост железоцинкового слоя ускоряется. При этом прочность сцепления покрытия снижается.
При повышении температуры полосы (385—550 °С) на входе в расплав цинка в слое покрытия растет зона железоцинковых соединений и увеличивается содержание алюминия в виде соединений Fe2Al5 и FeAl3.
Следует отметить, что о содержании алюминия в слое покрытия нет единого мнения. По данным Хорстманна происходит уменьшение алюминия в слое покрытия, в то время как японские исследователи наблюдали обратное явление.
Вследствие высокой активности алюминия, его содержание в покрытии всегда больше, чем в расплаве цинка. С увеличением толщины полосы и ее температуры на входе в расплав этот эффект выражен более сильно, что обусловлено увеличением продолжительности пребывания полосы в расплаве цинка.
Прочность сцепления покрытия со стальной основой растет с увеличением температуры полосы и содержания алюминия в железоалюминиевом соединении.