Powłoki Zn-55Al
W latach 70. ubiegłego wieku, koncern Bethlehem Steel Co. rozpoczął produkcję blach z powłoką o handlowej nazwie Galvalume metalizowanych metodą ciągłą w kąpieli o składzie 55%Al, 43,4%Zn i 1,6%Si. Blacha wytwarzana tą metodą jest nadal produkowana zgodnie z normą ASTM A 792 w dwóch rodzajach: AZ50 i AZ55. Powłokę Galvalume wytwarza się na blachach o grubości od 0,25 do 2,00 mm na liniach podobnych, jak stosowane do konwencjonalnego procesu cynkowania z procesem przygotowania powierzchni polegającym na wysokotemperaturowym utlenianiu i redukcji [3]. W trakcie zanurzania wyrobu w kąpieli wysoka reaktywność aluminium w stosunku do żelaza powoduje gwałtowną egzotermiczną reakcję pomiędzy podłożem a kąpielą. Reakcja ta kontrolowana jest jedynie dyfuzją aluminium do podłoża. Do kąpieli dodawany jest także krzem w ilości ok. 1,6%, który ogranicza szybkość dyfuzji aluminium, a tym samym stabilizuje przebieg tworzenia się powłoki. Temperatura kąpieli Zn-55Al wynosi ok. 600°C. Standardowa grubość powłoki to 20-25 µm. Dzięki bardzo dobrej przyczepności do podłoża, powłoki te bardzo dobrze nadają się do przeróbki plastycznej, w której występuje bardzo duże odkształcenie materiału [6]. Ponadto, powłoki Galvalume, zwane również w zależności od producenta Aluzinc lub Zincalume, wykazują większą odporność na działanie wysokiej temperatury niż klasyczne powłoki cynkowe.
Powłoki Zn-Al o składzie okołoeutektycznym
Inną odmianą powłok cynkowo-aluminiowych są powłoki Zn-5Al, w których zawartość cynku i aluminium mieści się w zakresie występowania eutektyki. Technologia ciągłej metalizacji blach w kąpieli cynkowej z dodatkiem aluminium ok. 5% została opracowana w latach 80. w Belgii na zlecenie International Lead Zinc Research Organization [7, 8]. Powłoka tego typu nosi nazwę Galfan lub Superzinc. Aktualnie, zgodnie z normą ASTM A 875, do kąpieli Galfan dodawane jest aluminium w ilości od 4,2 do 7,2%, metale ziem rzadkich (miszmetal) od 0,03 do 0,10% oraz wymagane jest ograniczenie obecności w kąpieli takich pierwiastków jak Fe, Si, Pb, Cd, Cu i Ti. Ograniczenia te mają głównie na celu poprawę właściwości technologicznych kąpieli stopowej, a w konsekwencji uzyskanie odpowiedniej jakości powłoki ochronnej. Powłoki o nazwie handlowej Superzinc, oprócz dodatku eutektycznego aluminium i 0,1% miszmetalu, zawierają 0,1% magnezu [3]. Powłoka Zn-5Al posiada zwykle grubość 15-20 mm.
Możliwości wytwarzania powłok Zn-Al metodą indywidualnego zanurzania
W ostatnich latach obserwuje się wzrost zapotrzebowania na elementy ocynkowane metodą indywidualnego zanurzania o podwyższonej odporności korozyjnej. Powłoki cynkowo-aluminiowe posiadają ok. 2-krotnie lepszą odporność korozyjną w atmosferze przemysłowej niż powłoki cynkowe. Ze względu na specyficzne właściwości kąpieli cynkowo-aluminiowej (utlenianie się powierzchni, zmniejszona zwilżalność), uzyskanie w niej ciągłych powłok metodą jednostkową jest procesem trudnym i nie gwarantuje powtarzalności. W procesie przygotowania powierzchni wyrobów zwartych wymagane jest stosowanie substancji topnikujących.
Rys. 1. Mikrostruktura przekroju poprzecznego powłoki uzyskanej w kąpieli Zn-55Al [5].
Dotychczasowe prace badawcze w Katedrze Technologii Stopów Metali i Kompozytów Politechniki Śląskiej doprowadziły do opracowania technologii otrzymywania powłok cynkowo-aluminiowych metodą jednostkową.
W przypadku powłoki Zn-55Al zaproponowano nowy skład topników, zapewniających zwilżanie powierzchni stali przez ciekły stop metaliczny, zaś do otrzymywania powłoki Zn-5Al zastosowano metodę podwójnego zanurzania. Strukturę powłoki Zn-55Al otrzymaną metodą indywidualnego zanurzania przedstawia rys. 1. Powłoka zbudowana jest z cienkiej warstwy przejściowej faz międzymetalicznych Fe2Al5-FeAl3, znajdującej się przy podłożu i z dwufazowej dendrytycznej warstwy zewnętrznej stopu Zn-Al.
Rys. 2. Mikrostruktura przekroju poprzecznego powłoki uzyskanej w kąpieli Zn-5Al [9].
Metodą pozwalającą na otrzymywanie ciągłych i pozbawionych wad powłok Zn-5Al jest technologia podwójnego zanurzania (Double Batch Hot Dip Galvanizing). Strukturę powłoki Zn-5Al otrzymaną omawianą metodą na stali przedstawiono na rys. 2. Powłoka zbudowana jest z warstwy zewnętrznej o składzie eutektycznym z widocznymi wydzieleniami roztworu aluminium w cynku i ciągłej warstwy dyfuzyjnej, przylegającej do podłoża, złożonej z potrójnych faz międzymetalicznych Al-Fe-Zn.
Rys. 3. Zależność zmiany masy próbek z powłoką cynkową i cynkowo-aluminiową w trakcie badań korozyjnych przyspieszonych w obojętnej mgle solnej (NSS test).
Odporność korozyjna powłok cynkowo-aluminiowych
Powłoki cynkowo-aluminiowe charakteryzują się znacznie lepszą odpornością korozyjną w porównaniu z klasycznymi powłokami cynkowymi. Efekt ten uzyskuje się dzięki połączeniu ochrony barierowej aluminium, zapewnionej przez tworzącą się pasywną warstewkę Al2O3, ze zdolnością do protektorowej ochrony podłoża stalowego charakterystyczną dla cynku. Zależność zmian masy próbek stalowych zabezpieczonych przed korozją za pomocą powłoki cynkowej oraz cynkowo-aluminiowej w trakcie trwania standardowego testu korozyjnego
