60. Як алюміній у розплавленому цинку впливає на гаряче-цинкування?

Алюміній (A1) — це сріблясто-білий метал із гране{2}}кубічною (FCC) кристалічною структурою. Його постійна решітки становить 404959,6 нм, атомна маса 26,8, температура плавлення 658 градусів і температура кипіння 2000 градусів. Комерційні цинкові вироби не містять алюмінію, який навмисно додають під час гарячого-цинкування. Цей процес служить трьом ключовим цілям: посилення блиску поверхні оцинкованої сталевої труби, покращення гнучкості, зміна мікроструктури шару залізо-цинкового сплаву та нейтралізація впливу заліза в розплавленому цинку. Деталі такі: (1) Алюміній покращує поверхневий блиск і гнучкість оцинкованих сталевих труб.
Теоретично для досягнення цієї мети було б достатньо лише 0,02% вмісту алюмінію в цинковій ванні. Однак, оскільки алюміній легко окислюється на цинковій поверхні, емпіричні дані свідчать про необхідність додавання приблизно 0,2% алюмінію, щоб підтримувати необхідний рівень 0,02%. Сильна спорідненість між алюмінієм і киснем утворює шар оксиду алюмінію, який ефективно блокує дифузію кисню, захищаючи розплавлений алюміній і цинк від окислення. Цей захисний механізм також запобігає окисленню інших металевих елементів у цинковій ванні. Як відомо, при окисленні цинку утворюється жовтий оксид цинку, а оксиди свинцю і кадмію мають схожі жовтуваті відтінки. Без захисної ролі алюмінію оцинкована поверхня сильно забарвилася б жовтими сполуками, що значно погіршило б її блиск. Тому додавання відповідної кількості алюмінію має важливе значення під час гарячого-цинкування для досягнення яскравого покриття. Крім того, 0,2% вміст алюмінію в цинковій ванні не тільки дає оптимальні декоративні малюнки, але й забезпечує виняткову гнучкість оцинкованого шару.
Однак Американське товариство випробувань матеріалів (ASTM) рекомендує не використовувати алюміній як відбілюючу металеву добавку, а якщо він використовується, то його вміст має бути меншим ніж 0,01%.
(2) Зміна мікроструктури оцинкованих шарів Теоретично вміст алюмінію 0,2-0,3% у розплавленому цинку є достатнім для зміни мікроструктури оцинкованих шарів. Однак у практичному виробництві алюміній легко реагує з киснем у розплавленому цинку, що призводить до його споживання. Щоб підтримувати цільовий вміст алюмінію, необхідно додати приблизно 1,5%-3,5% алюмінію. Щоб продемонструвати, як вміст алюмінію впливає на мікроструктуру, ми аналізуємо зміни від низьких до високих концентрацій алюмінію: збільшення вмісту алюмінію на 0,05% посилює поверхневий блиск оцинкованого шару, але не впливає на його мікроструктуру. Таким чином, оцинкований шар зберігає той самий склад, що й шар, виготовлений із чистої цинкової рідини, що складається з адгезійного шару (фаза a), проміжного шару (фаза Y), злегка потрісканого шару решітки (фаза 81) і плаваючого шару (фаза S) чистого цинку (фаза n). Ключова відмінність полягає в чіткій кристалічній морфології фаз порівняно з чистою цинковою рідиною.
Коли вміст алюмінію в цинковій рідині становить 0,1%, кристалізація плаваючого шару (3 фаза) відбувається у вигляді великого блоку, і це не суцільний шар, а свого роду окремі включення.
Коли вміст алюмінію в цинковій рідині становить 0,15%, розподіл плаваючого шару (фаза 5) є не безперервним шаром, а деякими більшими, розділеними кристалічними кластерами, і лише шар сітки (фаза 81) має дещо більш щільну структуру.
Коли вміст алюмінію в цинковій ванні досягає 0,24%, ефект легування стає дуже ефективним у запобіганні корозії. Якщо цинкову ванну підтримувати при температурі 440 градусів протягом 1 години покриття, ніякої реакції не спостерігається після видалення та огляду. Отже, оцинкований шар на зразку складається виключно з шару чистого цинку. Це відбувається через те, що алюміній реагує зі сталевою трубою, утворюючи плівку сполуки FeAl₃ (або Fe₂AlO), яка перешкоджає дифузії іонів заліза до шару цинку.
Як показано вище, вміст алюмінію є ключовим фактором зміни мікроструктури оцинкованого шару. Коли вміст алюмінію фіксований, інші параметри процесу-включаючи час занурення цинку, текучість (як показано на малюнку 3-5) і температуру-також впливають на мікроструктуру цинкового шару. Таким чином, у виробництві гарячого цинкування взаємодія між цими трьома факторами регулюється специфікаціями процесу. Тільки при суворому дотриманні зазначених умов експлуатації можна отримати бажаний оцинкований шар.
(3) Ефект заліза в цинковій ванні компенсується, оскільки алюміній може поєднуватися із залізом у цинковій ванні з утворенням трьох сполук, а саме FeAl, FeAl2 і FeAl3, що зменшує вплив на оцинковане покриття.