60. Kako aluminij u rastaljenom cinku utječe na vruće-cinčanje?

Aluminij (A1) je srebrnasto-bijeli metal s-kubičnom (FCC) kristalnom strukturom. Konstanta njegove rešetke iznosi 404959,6 nm, atomska masa je 26,8, talište 658 stupnjeva, a vrelište 2000 stupnjeva. Komercijalni proizvodi od cinka ne sadrže aluminij, koji se namjerno dodaje tijekom vrućeg-cinčanja. Ovaj proces ima tri ključne svrhe: povećanje sjaja površine pocinčane čelične cijevi, poboljšanje fleksibilnosti, modificiranje mikrostrukture sloja legure željeza-cinka i neutraliziranje učinaka željeza u rastaljenom cinku. Pojedinosti su sljedeće: (1) Aluminij poboljšava površinski sjaj i fleksibilnost pocinčanih čeličnih cijevi.
Teoretski, samo 0,02% sadržaja aluminija u cinčanoj kupki bilo bi dovoljno za postizanje ovog cilja. Međutim, budući da aluminij lako oksidira na površini cinka, empirijski dokazi upućuju na to da je dodavanje približno 0,2% aluminija potrebno za održavanje potrebne razine od 0,02%. Snažan afinitet između aluminija i kisika stvara sloj aluminijevog oksida koji učinkovito blokira difuziju kisika, štiteći i ispod rastaljeni aluminij i cink od oksidacije. Ovaj zaštitni mehanizam također sprječava oksidaciju drugih metalnih elemenata u cinčanoj kupki. Kao što je dobro poznato, oksidacija cinka proizvodi žuti cinkov oksid, a olovni i kadmijev oksid pokazuju slične žućkaste nijanse. Bez zaštitne uloge aluminija, pocinčana bi se površina jako zaprljala žutim spojevima, što bi značajno ugrozilo njezin sjaj. Stoga je dodavanje odgovarajuće količine aluminija ključno kod vrućeg-cinčanja kako bi se postigla svijetla završna obrada. Štoviše, sadržaj aluminija od 0,2% u cinčanoj kupki ne samo da daje optimalne ukrasne uzorke, već također osigurava iznimnu fleksibilnost u pocinčanom sloju.
Međutim, Američko društvo za ispitivanje materijala (ASTM) preporučuje da se aluminij ne koristi kao metalni dodatak za posvjetljivanje, a ako se koristi, njegov sadržaj treba biti ograničen na manje od 0,01%.
(2) Promjena mikrostrukture pocinčanih slojeva Teoretski, sadržaj aluminija od 0,2-0,3% u rastaljenom cinku dovoljan je za modifikaciju mikrostrukture pocinčanih slojeva. Međutim, u praktičnoj proizvodnji, aluminij lako reagira s kisikom u rastaljenom cinku, što dovodi do njegove potrošnje. Za održavanje ciljanog sadržaja aluminija potrebno je dodati približno 1,5%-3,5% aluminija. Da bismo pokazali kako sadržaj aluminija utječe na mikrostrukturu, analiziramo promjene od niskih do visokih koncentracija aluminija: Povećanje sadržaja aluminija od 0,05% povećava površinski sjaj pocinčanog sloja, ali nema utjecaja na njegovu mikrostrukturu. Prema tome, pocinčani sloj zadržava isti sastav kao i onaj proizveden od čiste tekućine cinka, koji se sastoji od prianjajućeg sloja (faza a), međusloja (faza Y), blago napuknutog sloja rešetke (faza 81) i plutajućeg sloja (faza S) čistog cinka (faza n). Ključna razlika leži u jasnoj kristalnoj morfologiji faza u usporedbi s čistom cinkovom tekućinom.
Kada je sadržaj aluminija u tekućini od cinka 0,1%, kristalizacija plutajućeg sloja (3 faze) je u obliku velikog bloka, a to nije kontinuirani sloj, već vrsta odvojenih inkluzija.
Kada je sadržaj aluminija u cink tekućini 0,15%, raspodjela plutajućeg sloja (faza 5) nije kontinuirani sloj, već neki veći, odvojeni kristalni klasteri, a samo rešetkasti sloj (faza 81) predstavlja nešto gušću strukturu.
Kada sadržaj aluminija u cinčanoj kupelji dosegne 0,24%, učinak legiranja postaje vrlo učinkovit u sprječavanju korozije. Ako se cinkova kupka održava na 440 stupnjeva tijekom 1 sata presvlačenja, ne opaža se reakcija nakon uklanjanja i pregleda. Posljedično, pocinčani sloj na uzorku sastoji se isključivo od sloja čistog cinka. To se događa jer aluminij reagira s čeličnom cijevi stvarajući film spoja FeAl₃ (ili Fe₂AlO), koji inhibira difuziju iona željeza prema sloju cinka.
Kao što je gore pokazano, sadržaj aluminija ključni je faktor u mijenjanju mikrostrukture pocinčanog sloja. Kada je sadržaj aluminija fiksan, drugi procesni parametri-uključujući vrijeme uranjanja cinka, fluidnost (kao što je prikazano na slici 3-5) i temperaturu-također utječu na mikrostrukturu sloja cinka. Stoga je u proizvodnji vrućeg pocinčavanja međudjelovanje ova tri čimbenika regulirano specifikacijama procesa. Samo striktnim pridržavanjem navedenih radnih uvjeta može se postići željeni pocinčani sloj.
(3) Učinak željeza u cinčanoj kupelji je kompenziran jer se aluminij može kombinirati sa željezom u cinčanoj kupki u tri spoja, naime FeAl, FeAl2 i FeAl3, što smanjuje učinak na pocinčanu prevlaku.