» » Влияние алюминия, введенного в расплав цинка, на толщину, структуру и свойства покрытия
12.12.2014

Алюминий — это одна из наиболее часто специально вводимых в расплав цинка добавок.
Баблик показал, что введение в расплав цинка небольших количеств алюминия (0,1—0,3%) приводит к уменьшению вязкости этого расплава. Того же мнения придерживается и Суске, который установил, что при длительной работе ванны цинкования без добавки алюминия при 450° С значительно уменьшается жидкотекучесть расплава и затрудняется процесс цинкования. При добавлении 0,5% Al жидкотекучесть расплавленного цинка быстро увеличивается.
На рис. 52 приведен график зависимости жидкотекучести расплавленного цинка при 450° С от добавки алюминия.
При введении алюминия значительно уменьшается окисление цинка на поверхности ванны, так как на зеркале ванны возникает защитная окисная пленка из А12О3. Соединение Al2O3, взаимодействуя с ZnO, образует шпинели, предохраняющие расплав цинка от дальнейшего окисления.
Присутствие алюминия в ванне способствует получению равномерного блестящего покрытия. Это, видимо, связано с тем, что на его поверхности также образуется тонкая окисная пленка из А12О3. Возникновение такой пленки обусловлено большим сродством алюминия к кислороду, чем цинка. Теплота образования Al2O3 составляет 798 кдж/г-атом (190 ккал/г-атом), a ZnO 357 кдж1г-атом (85 ккал/г-атом).
Многочисленные работы, выполненные различными авторами, показали, что присутствие алюминия в расплаве значительно замедляет реакцию взаимодействия железа с жидким цинком, т. е. образование железоцинковых сплавов.
В. З. Бугаков установил, что при кратковременных погружениях железа в расплав цинка, содержащий добавку алюминия (0,1% и более), в покрытии отсутствуют железоцинковые фазы. Однако при более длительных выдержках их слои появляются. Для некоторых случаев автор определил минимальную продолжительность цинкования, необходимую для возникновения слоя железоцинковых соединений. Это время он назвал «инкубационным периодом».
На рис. 53 приведена зависимость инкубационного периода от содержания алюминия в расплаве цинка. При данной температуре цинкования этот период тем больше, чем больше алюминия в расплаве. При одинаковом количестве алюминия инкубационный период уменьшается с повышением температуры. Для каждой данной температуры цинкования существует определенное содержание алюминия, превышение которого не вызывает увеличения инкубационного периода. Это предельное количество алюминия тем меньше, чем выше температура цинкования.
Влияние алюминия, введенного в расплав цинка, на толщину, структуру и свойства покрытия

В. Бугаков пришел к выводу, что при использовании расплава цинка с добавкой алюминия структура покрытий не изменяется, но увеличивается время до образования железоцинковых соединений.
Эффект торможения роста железоцинковых сплавов при добавлении алюминия также исследовал Хорстманн. Промежуток времени от начала цинкования и до появления железоцинковых фаз Хорстманн назвал «временем торможения» (по В. З. Бугакову — «инкубационный период»).
Влияние алюминия, введенного в расплав цинка, на толщину, структуру и свойства покрытия

На рис. 54 приведена зависимость продолжительности торможения от количества алюминия в расплаве цинка при различных температурах цинкования. Как видно из рисунка, при данной температуре с увеличением содержания алюминия в расплаве цинка время торможения возрастает. Рост температуры цинкования ведет к резкому сокращению этого времени. Следовательно, Хорстманн пришел к тем же выводам, что и В. Бугаков.
Для определения «времени торможения» при различном содержании алюминия в расплаве цинка Хорстманн предложил следующее уравнение:
Влияние алюминия, введенного в расплав цинка, на толщину, структуру и свойства покрытия

где с — содержание алюминия в расплаве цинка;
с0 — минимальное содержание алюминия в расплаве цинка, вызывающее торможение; величина с0 зависит от температуры;
а— постоянная для данной температуры.
Баблик объясняет замедляющее действие алюминия адсорбцией на поверхности изделия тонкого слоя окиси алюминия Al2O3, тормозящего диффузию железа в цинк. По-видимому, адсорбция происходит в момент погружения железа в расплавленный цинк.
Согласно другой точке зрения, на поверхности железных изделий, погруженных в расплав цинка, возникает тончайший слой соединения FeAl3, и некоторое торможение образования слоя железоцинковых сплавов связано с его возникновением. Это подтверждается тем, что железоалюминиевые сплавы образуются с большей скоростью, чем железоцинковые.
Д. Я. Глускин, изучая структуру цинковых покрытий, полученных из расплава с добавкой алюминия, обнаружил фазу FeAl3, которая, по его мнению, образуется в первую очередь, так как теплота образования этого соединения больше теплот образования Г- и δ1-фаз. Однако соединение FeAl3 удалось наблюдать только при содержании в расплаве цинка 3% Al и более.
Хьюге в результате рентгенографических исследований установил наличие слоя FeAl3 в цинковых покрытиях, полученных в расплаве с добавкой алюминия. Однако с течением времени указанный слой, сплавляясь с цинком, становится рыхлым, что приводит к увеличению скорости взаимодействия железа с расплавленным цинком.
Хорстманн, Хотон, Редекер и др. объясняют замедляющее действие добавки алюминия образованием на поверхности железа защитного слоя из Fe2Al5. Это соединение препятствует реакции между железом и расплавленным цинком и тем самым затрудняет образование промежуточных железоцинковых соединений. Этот разделительный слой настолько тонкий, что обычными металлографическими методами исследований его обнаружить нельзя.
Хотон установил, что слой Fe2Al5 очень однороден по толщине и образуется в результате диффузии алюминия в сталь. Этот слой способствует образованию участков новой фазы в местах повышенной пористости стального образца. Новая фаза, возникающая под слоем Fe2Al5, приводит к его отслаиванию, что способствует проникновению цинкового расплава к поверхности железа.
Влияние алюминия, введенного в расплав цинка, на толщину, структуру и свойства покрытия

Следует, однако, отметить, что действие пленок, замедляющих реакцию между железом и расплавленным цинком, кратковременно и при выдержке изделий в расплаве в течение нескольких минут (как это часто бывает в практике цинкования крупногабаритных изделий) диффузия железа и цинка все же происходит и образуются промежуточные железоцинковые фазы (Г, δ1 и ζ). Правда, в этом случае толщина возникших фаз значительно меньше, чем в покрытии, полученном из расплава цинка без добавки алюминия. При добавке в расплав цинка до 0,05% Al заметно не изменяется структура покрытия, а только увеличивает его блеск. На рис. 55 приведена структура цинковых покрытий, образовавшихся в расплаве цинка с различным содержанием алюминия. Цинкование проводили при 465° С.
Данные о влиянии продолжительности выдержки в расплаве цинка с различными добавками алюминия на потери железа приведены в табл. 17.
Влияние алюминия, введенного в расплав цинка, на толщину, структуру и свойства покрытия

Таким образом, покрытия, полученные в расплаве цинка с добавкой алюминия, состоят в основном из слоя чистого цинка (η-фаза) и небольшого слоя промежуточных железоцинковых фаз.
Общая толщина покрытия при добавке алюминия в расплав цинка значительно уменьшается. Так, по данным Редекера, Петерса и Фрие, при введении 0,15—0,25% Al толщина покрытия сокращается примерно на 40%- Дальнейшее увеличение содержания алюминия в расплаве цинка существенного влияния на толщину покрытия не оказывает. На рис. 56 приведен график зависимости массы покрытия от добавок различных металлов.
Влияние алюминия, введенного в расплав цинка, на толщину, структуру и свойства покрытия

Зависимость толщины слоя сплава в покрытии от содержания алюминия в расплаве цинка при различной продолжительности погружения характеризуется рис. 57. Как видно из рисунка, с увеличением содержания алюминия слой сплава уменьшается практически в случае любой длительности (область I). При малых концентрациях алюминия толщина слоя также значительно уменьшается, особенно при кратковременных погружениях (область II). При среднем содержании алюминия (0,08%) образование слоя сплава усиливается только при сравнительно длительном погружении (область III).
Себисти и Эдвардс, изучавшие влияние алюминия на толщину цинковых покрытий, установили, что при содержании в расплаве цинка 0,1 % Al покрытие утолщается с увеличением длительности погружения. В связи с этим они не рекомендуют выдерживать изделия в расплаве длительное время.
Влияние алюминия, введенного в расплав цинка, на толщину, структуру и свойства покрытия

Покрытия, полученные в расплаве цинка с добавкой алюминия, более пластичны и лучше поддаются деформации. Однако, по данным Редекера, алюминий положительно влияет на пластичность покрытия только при содержании его в ванне до 0,3%, если же его содержание в расплаве цинка больше 0,4%, то способность цинковых покрытий к деформации ухудшается.
Добавка алюминия в расплав цинка, по мнению большинства исследователей, отрицательно сказывается на коррозионной стойкости цинковых покрытий в промышленной атмосфере. Коррозия таких покрытий протекает более интенсивно, чем покрытий, полученных из расплава цинка без добавки алюминия.
Проведенные авторами многочисленные коррозионные испытания цинковых покрытий в движущейся (3 м/сек) морской воде, а также в переменной среде «3%-ный раствор NaCl — воздух» показали, что добавка 0,1—0,2% Al в расплав цинка уменьшает коррозионную стойкость цинкового покрытия примерно в 1,3—1,4 раза. Однако при испытании покрытий в проточной горячей (60° С) водопроводной воде не было обнаружено заметного влияния добавки алюминия на их коррозионную стойкость.