Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Нанесение сплава алюминия с цинком при производстве полосового проката с покрытием «гальвалюм» и «гальфан» осуществляют на агрегатах, состав оборудования которых аналогичен применяемому на агрегатах непрерывного горячего цинкования или алюминирования. Чаще всего для этого реконструируют действующие агрегаты и реже строят специализированные, как например агрегат, построенный в 1982 г. фирмой «Гальваланже», Бельгия и Люксембург. Основным объектом при реконструкции является узел нанесения покрытия с погружным оборудованием. Отличительными особенностями технологии производства продукции с покрытием «гальвалюм» является: более высокая температура расплава (595—610°C), чем при цинковании (450°С); более интенсивное охлаждение покрытой полосы после выхода ее из ванны для подавления сильной экзотермической реакции, вызывающей рост слоя интерметаллического соединения; применение для ванны специальной керамической футеровки с целью уменьшения потерь тепла и разрушения корпуса ванны.
Скорость охлаждения полосы с покрытием «гальвалюм» в период его кристаллизации в области температур 585— 375 °С должна быть не менее 11 °C и даже 22°С/с. Покрытия, охлажденные с меньшей скоростью (11 °С/с), остаются нестабилизированными в переходной зоне от слоя интерметаллида к слою сплава и склонны к так называемому «коррозионному отслаиванию» без деформации материала,
В агрегате фирмы «Гальваланже» для ванн нанесения покрытия используют керамические тигли: 2 тигля для предварительного плавления слитков Al и Zn с определенной их дозировкой имеют внутренний диаметр 1360 мм, глубину 2750 мм и 2 тигля для нанесения покрытия емкостью 55 т каждый с внутренним диаметром 3500 мм и глубиной 2100 мм. Все ванны оборудованы индукторами без сердечника. Ванны для нанесения покрытия передвижные. Расплав из ванны предварительного плавления поступает в ванну нанесения покрытия по обогреваемому желобу на мере выгорания и расхода на покрытие.
При нанесении покрытия типа «гальфан» температура расплава составляет 438—465 °C или 430—500 °С. Температура отжига полосы в печи 492—825 °C, содержание Н2 в восстановительной атмосфере печи 10—40 %, точка росы минус 20—35 °C. В этом процессе применяют ванны или керамические, или из литого чугуна. Поэтому организация производства стальной полосы с покрытием «гальфан» требует значительно меньших затрат на реконструкцию действующих линий цинкования, по сравнению с реконструкцией для нанесения покрытия «гальвалюм».
Масса покрытия «гальвалюм» на полосовой стали составляет 150—200 г/м2, а покрытия «гальфан» — 120—400 г/м2.
Добавки в расплавах Zn—Al. При нанесении покрытий из цинкалюминиевых сплавов в расплав вводят различные добавки. Кратко рассмотрим их назначение.
Для покрытия «гальвалюм» основными металлами сплава являются Al и Zn. Добавка в расплав 1,5—2,0 % (па массе) Si снижает температуру плавления сплава, тормозит рост слоя интерметаллидов и ускоряет взаимную диффузию Fe, Al и Zn. Добавки Sn, Na, Cd, Pb являются сопутствующими и необязательными. По данным добавки Cd и Pb не оказывают влияния на внешний вид и качество покрытия, но добавка Sn способствует образованию блесток, а Na — увеличивает смачиваемость стали расплавом.
При производстве продукции с покрытием «гальфан» введение в расплав добавок элементов церий-лангановой группы способствует повышению смачиваемости, исключает или значительно сокращает образование на изделиях дефекта в виде неоцинкованных участков. Сообщается, что при наличии в расплаве дополнительных добавок 0,01 % Sn и 0,007 % Pb качество покрытия ухудшается (снижается его коррозионная стойкость). При введении в расплав добавок Mg, Sb, Si незначительно повышаются защитные свойства покрытия.
В Японии разработаны тройные сплавы Zn—Al—Sn, Zn—Al—Na и Zn—Al—Mg и технология их нанесения на стальные изделия. По данным сплав на основе цинка (84 % Zn) содержит добавки алюминия (15,3 % Al); олова (0,5 % Sn) и кремния (0,2 % Si). Покрытия на основе тройных сплавов имеют более высокую коррозионную стойкость (например, в атмосфере соляного тумана), чем покрытия из чистого цинка. Также сообщается, что покрытия из сплава Zn—Al—Na и Zn—Al—Mg имеют хорошее сцепление с основой, лучшие равномерность по толщине и внешний вид, чем традиционные цинковые покрытия.
Цинкалюминиевые покрытия с добавками натрия и магния под названием «Супер Гальва» разработаны фирмой «Мицуи майнинг энд смелтинг ко, лтд», Япония.
Изделия с покрытием «Супер Гальва» хорошо поддаются деформации и окрашиваются.
Структура покрытий Zn—Al. Обычно цинкалюминиевые покрытия состоят из тонкого, прилегающего к стальному основанию, слоя интерметаллических соединений Al—Fe—Si—Zn и основного слоя, обогащенного алюминием и цинком. В соответствии с диаграммой состояния системы Zn—Аl в основном слое наблюдается две фазы: α-фаза (матрица), обогащенная алюминием (до 80 %), и диспергированная эвтектоидная β-фаза, обогащенная цинком. Объемное отношение матрицы к эвтектоидной фазе составляет 4:1 (рис. 91).
При быстром охлаждении, характерном для непрерывного нанесения покрытия «гальвалюм», микроструктура образующегося покрытия находится в неравновесном состоянии. Первой кристаллизуется α-фаза, имеющая дендритную структуру, прослойки которой обогащены цинком. Микроструктура дендритной прослойки, в которой наблюдаются также мелкие включения кремниевой фазы, очень мелкозернистая и выявляется не в полной мере.
Структура покрытия «гальфан» состоит из доэвтектических частиц цинка, вкрапленных в эвтектический сплав (матрицу) Zn—Al. При быстром охлаждении покрытий происходит подавление образования богатых цинком частиц и возникновение вследствие этого тонкой эвтектической структуры. Отличительной особенностью покрытия «гальфан» является отсутствие интерметаллического диффузионного слоя, что обеспечивает изделиям с таким покрытием высокую степень деформируемости без нарушения сплошности и прочности сцепления покрытия.
Структура покрытия из тройного сплава Zn—Al—Sn состоит из двух смешанных фаз: α-фазы белого цвета и β-фазы черного цвета. Рентгеноструктурный анализ поверхности такого покрытия показал, что в α-фазе содержание алюминия составляет 27—37 %, в то время как в β-фазе всего 3—5 %. Олово в обеих фазах распределяется практически одинаково равномерно.
Свойства покрытий Zn—Al. По данным фирмы «Бетлехем стил корп.», с увеличением до 4—7 % Al а расплаве цинка коррозионная стойкость покрытия в атмосферных условиях увеличивается (рис. 92). С ростом содержания алюминия (до 21 % Al) коррозионная стойкость покрытия понижается, а затем снова увеличивается пропорционально повышению массовой доли алюминия (до 70 % Al) в расплаве цинка. В табл. 42 приведены данные о коррозионных потерях цинковых, алюминиевых и цинкалюминиевых покрытий в различных атмосферных условиях.
Исследования показали, что коррозия покрытия «гальвалюм» протекает в две стадии. На первой стадии преимущественно растворяется богатая цинком часть пoкрытия. Междендритные промежутки постепенно заполняются продуктами коррозии цинка и алюминия. В течение всего периода обрезная кромка листовой стали в результате протекторной защиты покрытия не ржавеет даже в промышленных атмосферах. На второй стадии коррозия цинкалюминиевого покрытия протекает пассивно, аналогично поведению алюминиевого покрытия.
Таким образом, общая начальная скорость коррозии у цинкалюминиевого покрытия ниже, чем у чисто цинкового, вследствие меньшей площади активной поверхности цинка в сплаве. Испытания в условиях автомобильных дорог показали, что средняя скорость коррозии сплава Zn—Al составляет 0,45 мкм/г, а покрытия из цинка — 1,81 мкм/г.
Покрытие «гальвалюм» характеризуется также высокой термостойкостью и выдерживает воздействие повышенных (более 350°С) температур без существенного изменения его отражательной способности и окисления поверхности (табл. 43).
Термостойкость покрытия «гальвалюм» значительно выше, чем у покрытий «гальфан» или из чистого цинка. По данным максимальная рабочая температура для «гальфана» составляет 230°C, для обычного цинкового покрытия 315°С, в то время как для покрытия «гальвалюм» она составляет 650°C.
Другие характеристики покрытия «гальвалюм» и «гальфан», в том числе такие, как окрашиваемость, свариваемость, способность к профилированию, по своим показателям находятся на уровне или превышают показатели для обычных цинковых покрытий.
Покрытие «гальфан» характеризуется лучшей свариваемостью и протекторной защитой обрезных кромок, чем «гальвалюм», но по защитной способности уступает последнему.
Механические свойства листов с покрытием «гальвалюм» эквивалентны показателям оцинкованной стали и для продукции обычного качества составляют: σт = 262—365 МПа, σв = 345—448 МПа, δ = 20—36 % и HRB=50-65 ед. Для сталей повышенной прочности σв достигает 620 МПа, σт — более 550 МПа, HRB>82 ед., а относительное удлинение 6 всего 3—6 %.
Адгезионные свойства покрытия «гальвалюм» (изгиб на 180°) близки по значениям к аналогичным свойствам обычного цинкового покрытия.