Antykorozja

Jak powstaje powłoka cynkowa w procesie wysokotemperaturowym?

W zakresie temperatury 490-520°C występuje znaczny wzrost rozpuszczalności żelaza w ciekłym cynku. Zjawisko to badane przez Dietricha Horstmanna przyspiesza zużycie stalowych wanien cynkowniczych i z tego też powodu nie prowadzi się procesu technologicznego w tym zakresie temperatury (rys. 5) [3]. Podwyższenie temperatury kąpieli powyżej 520°C powoduje zmniejszenie intensywności rozpuszczania żelaza do wartości tylko nieznacznie przewyższających zakres niskotemperaturowy, a tworząca się na powierzchni stopów żelaza powłoka jest bardziej jednorodna i posiada prostszą budowę niż przy procesie tradycyjnym. Otrzymywane w procesie wysokotemperaturowym powłoki charakteryzują się bardziej rozbudowaną warstwą dyfuzyjną kosztem zmniejszenia grubości zewnętrznej warstwy cynku. Daje to w rezultacie większą odporność korozyjną przy mniejszej całkowitej grubości powłoki [4].

Model powłoki cynkowej wytwarzanej w procesie tradycyjnym oraz wysokotemperaturowym przedstawiono na rys. 5. Powłoka otrzymana w temperaturze 540°C zbudowana jest z warstw faz międzymetalicznych: trawiącej się na ciemno warstwy fazy G1, jasnej i jednolitej warstwy fazy d1 oraz warstwy mieszaniny faz d1 i cynku h. Stwierdzono, że w strukturze powłok nie występuje faza z, która traci stabilność termodynamiczną począwszy od temperatury 480°C, a całkowicie przestaje powstawać powyżej temperatury 530°C [5]. Powierzchnia wyrobów cynkowanych wysokotemperaturowo ma zabarwienie jasnoszare do metalicznego i jest szorstka w porównaniu z gładką i posiadającą metaliczny połysk powierzchnią ocynkowaną w temperaturze ok. 450°C. Dla porównania obok przedstawiono strukturę powłoki cynkowej powstałej w temperaturze 450°C, składającą się ze wszystkich faz występujących w układzie Fe-Zn: G, G1, d1, z, cynk h.
Na strukturę powłok wysokotemperaturowych w większym stopniu niż powłok otrzymanych w tradycyjnym procesie cynkowania wpływa szybkość chłodzenia elementów ocynkowanych po wyjęciu z kąpieli. Stwierdzono, że tworzenie się faz międzymetalicznych w powłoce zachodzi głównie w okresie zanurzenia w kąpieli, ale zjawiska te przebiegają również po wynurzeniu, podczas wolnego chłodzenia powłok na powietrzu. Szybkie oziębianie powłok po wyjęciu z kąpieli w wodzie powoduje zatrzymanie procesu dyfuzji, przez co powstaje grubsza zewnętrzna warstwa cynku h [6]. Brak występowania zewnętrznej warstwy cynku może być również efektem odwirowywania elementów cynkowanych zastosowanego bezpośrednio po operacji zanurzania w kąpieli. 
Przykłady struktury powłoki cynkowej na stali oraz odlewniczych stopach żelaza przedstawia fot. 6. Zastosowanie wyższej temperatury kąpieli 540°C powoduje, że otrzymywana powłoka jest bardziej równomierna i zbudowana prawie w całości z faz międzymetalicznych Fe-Zn. Powłoka taka charakteryzuje się prawie dwukrotnie większą odpornością korozyjną w porównaniu z powłoką otrzymaną w tradycyjnej temperaturze cynkowania [5]. Struktura i grubość powłok otrzymanych w wysokiej temperaturze w mniejszym stopniu zależy od składu chemicznego stali i odlewniczych stopów żelaza. Szczególnie dotyczy to niekorzystnych z punktu widzenia procesu cynkowania dodatków występujących w stali, takich jak krzem, zanieczyszczeń z udziałem fosforu i siarki obecnych w strukturze żeliwa. Oddziaływanie wyższej temperatury objawia się stabilizacją struktury i grubości powłoki. Niezależnie od zawartości krzemu w stali powłoka ma podobną budowę i składa się głównie z fazy d1 oraz mieszaniny faz d1+h. Cynkowanie odlewów żeliwnych stwarza znacznie więcej problemów niż metalizacja stali w kąpieli cynkowej. Najlepsze powłoki uzyskuje się podczas cynkowania odlewów powierzchniowo odwęglonych. 

Podsumowanie

Technologia cynkowania wysokotemperaturowego jest uzasadniona ekonomicznie w odniesieniu do elementów o skomplikowanych kształtach, małych gabarytach i różnorodnym składzie chemicznym. Jedyny problem związany jest z potrzebą stosowania wanien ceramicznych, zamiast tradycyjnych wanien stalowych, a co za tym idzie – innego sposobu ogrzewania. W większości cynkowni wyrobów jednostkowych w Polsce wykorzystuje się wanny stalowe, których ze względu na zwiększoną rozpuszczalność żelaza w ciekłym cynku ok. 500°C nie można stosować w technologii wysokotemperaturowej. 
Wzrastające zapotrzebowanie na cynkowanie drobnych elementów stwarza konieczność modyfikacji klasycznego procesu cynkowania ogniowego. Dzięki zastosowaniu cynkowania wysokotemperaturowego z odwirowaniem można uzyskać nie tylko cieńszą powłokę cynkową o wyższej odporności korozyjnej, ale również uniknąć wad powierzchniowych w postaci sopli i nadlewów, co wpływa na polepszenie jakości powłok cynkowych. Brak obróbki wykańczającej obniża koszty wytwarzania zabezpieczenia korozyjnego. Prowadzenie procesu cynkowania ogniowego w wysokiej temperaturze pozwala również na uniezależnienie wzrostu powłoki od składu chemicznego podłoża. Powłoki mają bardziej równomierną grubość niż te otrzymywane w procesie tradycyjnym w temperaturze ok. 450°C. 
Czy pomimo wyższych początkowych kosztów, technologia wysokotemperaturowa jest bardziej praktycznym rozwiązaniem niż klasyczne cynkowanie ogniowe? Proces wysokotemperaturowy wiąże się z wyższymi kosztami energii oraz przyspieszonym zużyciem osprzętu wykorzystywanego w procesie technologicznym. Wydaje się jednak, że lepsza możliwość kontroli procesu tworzenia się powłoki cynkowej oraz jakość powłok czyni metodę wysokotemperaturową bardziej uniwersalną nie tylko dla drobnych elementów.          

Dr inż. Adam Tatarek
FAM Spółka Akcyjna, Zakład Rawa Mazowiecka