Автор перевода: Кравец А. Г.
Источник: Galvanizing of Silicon Containing Steels: Effect of Mechanical Surface Treatments on Sandelin Phenomenon
Известно, что содержание кремния в сталях влияет на характеристики оцинковки и вызывает реактивный тип процесса гальванизации при концентрации кремния близкой 0,8 % масс. Этот эффект был впервые отмечен исследователем Sandelin, поэтому известен как феномен Санделина. Реактивные покрытия создают ухудшения, как внешнего вида, так и механических свойств цинковых покрытий, что также увеличивает стоимость процесса цинкования. Чтобы избежать этих проблем, содержание кремния в сталях, которые подлежат цинкованию, должно находиться на определенном уровне 0,03 %. Тем не менее, низкое содержание кремния вызывает целый ряд проблем во время непрерывной разливки, в том числе, может проявиться и подобное реактивное поведение покрытия.
В работе исследовано влияние механической обработки поверхности на феномен Санделина. Для того чтобы определить какую-либо корреляцию между параметрами поверхности и реакционной способности процесса гальванизации, были сделаны различные поверхностные топографии с деформированными зонами и без них. Для этого были изготовлены поверхности стальных образцов с различным содержанием кремния, с применением механических способов обработки поверхности, такими как шлифование и полирование, которые, в дополнение к травлению, являются стандартным методами в практике промышленного цинкования.
Покрытия были исследованы с помощью поперечных сечений методом оптической микроскопии и SEM (сканирующая электронная микроскопия).
Результаты показали, что рельеф поверхности является основным фактором, регулирующим стабильность покрытия. Таким образом, топография поверхности стали, должна быть правильно определена с помощью надежных аналитических методов, предшествующих процессу цинкования.
По сравнению с результатами, полученными ранее, можно предположить, что промежуточная шероховатость и сформированные с помощью абразивных частиц размером от 100–270 мкм острые выступы получают в соответствующих оцинкованных покрытиях на сталях с различным содержанием кремния.
Горячее цинкование является широко используемым способом защиты материалов на основе железа от коррозии. Характеристики покрытия, такие как: устойчивость к коррозии, толщина, внешний вид и механические свойства, являются первичными параметрами в этом процессе. Эти параметры зависят от формы и толщины слоев из железоцинкового сплава, образующихся в процессе цинкования. Химический состав, геометрическая форма, состояние поверхности и время погружения деталей, а также состав и температура цинковой ванны влияют на формирование железоцинковых слоев сплава.
Когда содержание кремния в стали имеет решающее значение, т. е. с содержанием выше 0,03 %, он проявляет реактивное поведение, что ухудшает свойства цинкового покрытия. Такое поведение известно как феномен Санделина, который изменяет структуру стабильных слоев диффузии в покрытии в другую форму, которая состоит из тонких и дискретных Дзета кристаллов, окруженных Эта фазой. Это приводит к неконтролируемому росту слоев покрытия, которые достигают пикового значения при содержании кремния 0,08 %, как можно видеть на кривой Санделина. Быстрорастущие кристаллы Дзета формируют очень толстые слои покрытия, которые вызывают чрезмерное потребление цинка и образуют хрупкие покрытия с нерегулярной толщиной и плохими характеристиками поверхности.
В дополнение к композиции, поверхностные свойства стали также играют важную роль для показателей качества покрытия. Механическое формование стали может также изменять характеристики поверхности, которые впоследствии влияют на свойства покрытия.
Существуют различные объяснения того, как вышеуказанные параметры влияют на характеристики покрытий. Сложность параметров, которые включают шероховатость поверхности, деформированные слои и содержание кремния в подповерхностных областях, представляет трудности в обеспечении решения этой проблемы. В данном исследовании эти параметры были изолированы друг от друга, и была сделана попытка влияние каждого параметра на поведение покрытия объяснить отдельно.
Образцы были отделены от стальных листов, которые были изготовлены методом горячей прокатки. Стали были выбраны, чтобы иметь определенный диапазон содержания кремния, соответствующий указанным в кривой Санделина композициям с нормальной и реактивной формой поведения покрытия (таблица 1). Размеры образцов, использованных в гальванических опытах, были выбраны следующие: 3x30x70 мм.
| Номер образца | C, % масс. | Si, % масс. | Mn, % масс. | P, % масс. | S, % масс. | Al, % масс. |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0,050 | 0,010 | 0,280 | 0,018 | 0,013 | 0,049 |
| 2 | 0,055 | 0,115 | 0,340 | 0,018 | 0,035 | 0,074 |
| 3 | 0,050 | 0,210 | 0,370 | 0,017 | 0,017 | 0,041 |
| 4 | 0,160 | 0,320 | 1,310 | 0,014 | 0,013 | 0,034 |
Температуру в цинковой ванне выдерживали при 450 oC.
Образцы обрабатывали сначала раствором NaOH в 100 г/л при 70 oС в течение 10 минут, а затем с помощью 25 % об. НСl, содержащей ингибитор Rodine 50, при комнатной температуре в течение 10 минут для получения подходящих чистых поверхностей для процесса гальванизации. После обрабатывают щелочным и кислотным растворами. Мокрым измельчением 60 наждачной бумагой с карбидом кремния формировали поверхность с определенной степенью шероховатости. Другие образцы измельчали с 240 наждачной бумагой карбида кремния. И, наконец, полировали алмазной пастой 1 мкм, чтобы получить гладкие полированные поверхности с незначительной деформацией.
Рельеф поверхности образцов осматривали Jeol 5600 JSM сканирующим электронным микроскопом (SEM), шероховатости (Ra) обработанных поверхностей измеряли с использованием Mitutoyo Surftest 301 профилометра.
Для осмотра поперечного сечения подповерхностных областей, условные поверхности электролитически покрыты никелем, отполированы и, наконец, протравлены с Nital 3.
Шлифованные и полированные образцы обрабатывают раствором, содержащим 300 г/л флюса ZnCl2* 3NH4Cl, в течение 2 мин при 60 oС и сушат в потоке горячего воздуха при 125 oC.
Эксперименты цинкования были проведены погружением пробы в цинковую ванну в течение 10 минут. После погружения образцы гасили водой для того, чтобы изучить железоцинковые фазы, образованные в процессе цинкования.
Покрытые образцы были приготовлены в соответствии со способом Jordan и др. и рассмотрены с помощью оптического микроскопа и SEM.
Фазы Fe-Zn были идентифицированы полуколичественным анализом SEM-EDS, который выполняется по сечениям покрытий.
Поверхности состоят из долин и хребтов, образованных частицами карбида кремния на шлифовальной бумаге. Кроме того, некоторые искаженные слои были обнаружены на сечениях пластически деформированного зерна, протяженных на глубину до 6 мкм от поверхности. Ни маринованные, ни полированные поверхности, очевидно, не выявили каких-либо пластически деформированных областей в сечений. В маринованных поверхностях видны полости на поверхности, в то время как у полированных поверхностей гладкие плоскости с мелкими абразивными следами.
Следует отметить, что изменение толщины покрытия маринованных и полированных образцов с содержанием кремния дал общую форму кривой Санделина с максимумом приблизительно 0,115 % кремния. Такое поведение соответствует результатами, представленными в предыдущих исследованиях. Напротив, образцы поверхностей без существенного пика в диапазоне Санделина показали отличную кривую от ожидаемой.
Маринованные стали с низким содержанием кремния показывают однородную структуру покрытия, как и ожидалось. Лакокрасочные структуры, полученные в других кислых обработанных образцах, характерны кривой Санделина.
Полированные образцы вызвали более реактивное поведение даже в сталях, содержащих 0,010 % кремния, которые образуют устойчивые покрытия в других методах. В данном примере слои Дельта фазы стали тоньше за счет реактивного поведения. Считалось, что это такое реактивное поведение было вызвано в слоях, богатых кремнием, обнажающихся после удаления верхних слоев подложки. Сталь, содержащая 0,115 % кремния, показала выдающееся реактивное поведение по образованию очень толстого покрытия, которое в основном состоит из крупных кристаллов фазы Дзета, и окружающих фаз Эта.
ПШлифовка придает тонкую и компактную структуру покрытия для стали, содержащей 0010 % кремния, которая была такой же, полученной с травлением. Образец, содержащий 0,320 % кремния, получил более тонкое покрытие с этой концентрацией кремния.
Выяснилось, что поверхностные характеристики, разработанные 60 наждачной бумаги карбида кремни предотвращают дополнительное увеличение толщины покрытий из-за кремния. Покрытия получают с 60 наждачной бумаги карбида кремния, в том числе, частиц карбида кремния размером от 270 мкм, согласуются с результатами, полученными Peter с помощью дробеструйной обработки с использованием корунда в размере 100–200 мкм и Hansel с дробеструйной обработкой с использованием корунда, размером от 125–250 мкм.
В этом исследовании было определено, что даже полированные образцы с наименьшим содержанием кремния образуют реактивное покрытие. Однако образцы, содержащие деформированные слои, предотвратили реактивное поведение. Таким образом, можно было бы предложить, что рельеф поверхности, образованный вследствие различных обработок, был основным параметром управления устойчивостью покрытия.
Влияние рельефа поверхности на реакционную способность можно объяснить с помощью модели, предложенной Bablik и др. по разработке слоев сплава на вогнутых и выпуклых поверхностей сталей без кремния. Согласно этой модели, выпуклые поверхности производят различные слои сплава, в то время как вогнутые поверхности способствуют росту железа, производящее к более компактным и непрерывным слоям. Таким образом, кристаллы дисперсной фазы Дзета на выпуклых поверхностях позволяют жидкому цинку проникнуть в промежуточные Дзета–Дельта области, которые вызывают быстрый рост кристаллов Дзета в соответствии со следующей реакцией:
Однако в вогнутых поверхностях, богатые железом компактные и непрерывные слои вызывают реакции диффузии. Это объясняет формирование устойчивых покрытий вогнутых внутренних поверхностей оцинкованных труб из-за блокирования передачи цинка и вызывая реакции диффузии более контролируемого типа.
В данном исследовании с маринованными и полированными образцами с различной поверхностной топографией не смогли у богатых железом компактных и непрерывных фаз Дельта слоев ингибировать перенос жидкого цинка в более химически активные области. Образцы заземления с 60 наждачной бумагой карбида кремния, напротив, производят характерный рельеф поверхности с образованием стабильных слоев с высоким содержанием сплава с плотной передачей железа от вогнутой поверхности, образуемой частицами карбида кремния.
Чтобы объяснить реактивное поведение в оцинкованных покрытиях, другая теория была предложена Vazquez, который называется теория реактивной зоны. По словам Vazquez, образование оксидных подповерхностных фаз в присутствии богатых кремнием зон в горячекатаном стальном листе влияет на развитие слоев сплава в процессе цинкования.
Наличие богатых кремнием зон считается эффективным для выращивания Дзета фазы. Тем не менее, параметры, контролирующие образование богатых кремнием зон не были четко определены, и их распределение требует дальнейшей детальной аналитической работы, которая будет сделана на увеличенных поверхностях.
Топография поверхности, т. е. степень шероховатости поверхности и форма поверхности, является основным фактором, определяющим стабильность покрытия. Таким образом, топография поверхности подвергаемой цинкованию стали, должна быть правильно определена надежными аналитическими методами, предшествующими процессу цинкования.
По сравнению с результатами, полученными ранее, можно предположить, что промежуточная шероховатость и образованные абразивными частицами размером 100–270 мкм острые выступы могут производить подходящие оцинкованные покрытия на сталях с различным содержанием кремния.