Регион:

Дефекты горячего цинкования из-за неправильного выбора стали


При выборе стали при проектировании конкретных изделий, которые могут быть конструктивно достаточно сложными, конструктор чаще всего руководствуется не принципами, налагаемыми особенностями технологии горячего цинкования, а некоторыми другими, более важными с его точки зрения.

Этими факторами могут быть:

  • необходимая морозостойкость стали (например, при работе изделий в условиях крайнего севера);
  • высокая прочность стали (для уменьшения конечной массы изделия или при работе в напряженных условиях);
  • отсутствие достаточного ассортимента некоторых типов полуфабрикатов (трубы, швеллеры и т.п.) на предприятии и невозможность их быстрого приобретения.

Кроме того, поскольку конструкторы чаще всего не знают о наличии проблемы сталей Санделина, при конструировании изделий обычно не оговариваются особенности приобретения таких сталей.

Как уже указывалось ранее, правильный выбор типа стали является одним из условий успешного цинкования. Цинкуются удовлетворительно лишь малоуглеродистые стали (с содержанием углерода менее 0,25%) с ограничением по содержанию кремния в 0,3%, однако именно эти стали используются в 99% оцинкованных изделий. Выход за эти пределы, а также за пределы содержания некоторых других элементов вызывают определенные проблемы с качеством покрытия, а если сталь вообще не пригодна к горячему цинкованию, то результаты могут быть драматическими – либо в результате цинкования произойдет разрушение материала сразу после проведения процесса, как это показано на рис. 11.5 для изделий из высокопрочной стали, либо в процессе эксплуатации, когда используются оцинкованные изделия из сталей такого типа (крепежные изделия и цепи) (рис. 11.6). Причина такого разрушения, на первый взгляд неожиданная, была много лет тому назад подробно исследована и обсуждается далее в конце статьи.

Еще одна причина получения  неудовлетворительных покрытий – использование сварных изделий из проблемных сталей. На рис. 11.7 приведен пример такого неудовлетворительного покрытия.

Однако даже на успешно цинкуемых сталях могут получаться покрытия, к качеству которых могут быть претензии со стороны некоторых заказчиков, а в ряде случаев – и со стороны контролера.

Водородное охрупчивание и пятнистость

Водородное охрупчивание (растрескивание)

Рис. 11.5 Пример водородного растрескивания толстостенных буровых труб. При этом трубы могут растрескаться как на стадии кислотного травления (неоцинкованная труба), так и в результате проведения операции окунания в расплав. Прочность стали 1500 Мпа.

Разрушение из-за водородного охрупчивания стали

Рис. 11.6. Это звено цепи разрушилось сразу после проведения операции цинкования. Разрушение также вызвано водородным охрупчиванием стали. Анализ образца показал, что эта сталь имеет прочность 1200 мПа, однако заказчик дал неверные сведения о данном металле.

Отслаивание цинкового покрытия после цинкования

Рис. 11.7. Эта высокопрочная высококремнистая сталь в результате цинкования получила покрытие толщиной свыше 500 мкм. В области сварного шва покрытие частично отслоилось.

Прежде всего, отметим, что среди удовлетворительных наблюдаются покрытия трех типов:

  • гладкие блестящие, с толщиной покрытия менее 100 мкм;
  • матовые серые (чаще всего, структурированные) с толщиной покрытия 120-140 мм;
  • матовые гладкие (часто пятнистые) с толщиной покрытия 180 мкм и более.

К последним двум типам покрытий иногда возникают претензии со стороны потребителей (особенно только начинающих заниматься использованием оцинкованных конструкций) относительно цвета и структуры покрытия – претензии, за счет которых можно попытаться получить уменьшение цены, заявив о не слишком высокой квалификации технологов конкретного производства.

Но вот что пишется в ISO 1461:

«Существование более темных или более светлых серых поверхностей (например, пятнистая структура более темных областей) или некоторая неоднородность (неровность) поверхности не может быть причиной бракования; также пятна в результате мокрого хранения (продукты белой или черной коррозии - в основном оксид цинка) - образовавшиеся в результате хранения во влажной атмосфере после горячего цинкования) не могут быть причиной бракования, при условии, что толщина покрытия остается выше специфицированного минимального».

Примерно о том же говорится в ГОСТ 9.307-89:

“Цвет покрытия от серебристо-блестящего до матового темно-серого... Рябизна поверхности, светло-серые пятна и цвета побежалости ... не являются дефектами”.

В ASTM A385 «Структурное воздействие этих элементов (из контекста - кремния, фосфора, углерода и марганца-прим. автора) выражается в ускоренном росте составных слоев.... Внешне этот процесс проявляется как появление серого матового покрытия вместо обычного яркого и гладкого гальванизированного покрытия. Иногда большая поверхность может иметь прилегающие области матового и яркого цветов, образующие пятнистую поверхность».

И общий вывод: “В целом гальванизированные покрытия классифицируются по степени сопротивления коррозии, а не по внешнему виду. Относительное сопротивление коррозии нормального и дефектного покрытия практически одинаково”.

Вместе с тем, после проведения операций цинкования внешний вид изделий с покрытием может оказаться весьма непрезентабельным (рис. 11.8). На стальной  поверхности могут проявляться выступы и впадины в виде полос. Это – результат нахождения данной стали по химическому составу вблизи границы зоны Санделина. В результате прокатки на поверхности соседствуют зоны, отвечающие химическому составу как неактивных, так и реакционно-активных сталей, то есть в результате цинкования будут соседствовать области с малой и большой толщиной покрытия. За рубежом такое сочетание чередующихся активных и неактивных поверхностей получило название tree bark effect, в русском языке эквивалента пока не существует.

Данная оцинкованная поверхность не обладает архитектурными свойствами. Переоцинковка изделий с такой поверхностью не достигает требуемого результата: поверхность становится еще более грубой и менее эстетичной. Поэтому претензии по вопросу качества покрытия необходимо предъявлять в первую очередь изготовителю или владельцу давальческой продукции и предлагать ему более серьезно относиться к выбору стали для производства конкретного изделия, с учетом сведений о сталях, пригодных для горячего цинкования. В случае повышенного времени нахождения цинкуемых изделий из такой стали поверхность изделия может быть еще более неоднородной, что наглядно демонстрируется на рис. 11.9 и 11.10.

Неоднородная поверхность оцинкованного изделия

Рис. 11.8 Пример оцинкованного изделия с существенной неоднородностью поверхности (tree bark effect),которая, по предположению, обусловлена повышенной концентрацией фосфора в стали.

Цинковое покрытие в разрезе

Рис. 11.9. Внешний вид цинкового покрытия для стали с брутто-содержанием 0,1% кремния (содержание фосфора неизвестно).

Еще одним неприятным следствием для конечного вида продукции является использование в одном изделии сталей с различающимся химическим составом. На рис. 11.11 показано сочленение методом сварки в одном изделии двух типов стали –  в  результате наблюдаются два различающихся по цвету покрытия. Эти различия, как уже говорилось, обусловлены различным химическим составом сталей свариваемых элементов. Поэтому желательно конструкции изготавливать из материала одной партии, однако надо иметь в виду, что по мере образования патины цвет изделия будет более однородным. Дефект не является браковочным признаком, поскольку не оказывает влияния на длительность службы изделия.

Различия во внешнем виде оцинкованных изделий

Рис. 11.10. Различия во внешнем виде оцинкованных изделий с повышенным содержанием фосфора (слева) и кремния (справа).

 Разный цвет цинкового покрытия

Рис. 11.11. Разный цвет покрытия в одном изделии.

На рис. 11.12 показан другой пример разнооттеночного покрытия – на этот раз на одном материале изделия. Наблюдается этот дефект на сталях с высоким содержанием кремния. Серая поверхность состоит из сплава, выходящего на поверхность; более светлые места имеют свободный цинк на поверхности. Чем медленнее охлаждение, тем будет больше доля серой поверхности для этого типа стали, отсюда вывод – охлаждать изделие так быстро, как это возможно. Серые покрытия всегда толще, превышают требования стандартов и будут иметь повышенный срок службы.

Еще раз отметим, что пятнистое покрытие на изделии не является браковочным признаком, поскольку цинковое покрытие является техническим, а не архитектурным, что демонстрируется успешным использованием изделия с такими особенностями на практике (рис. 11.13). Исключение составляют лишь случаи, когда между потребителем и оцинковщиком заключено специальное соглашение о недопустимости разнооттеночности изделия. Но в этом случае необходимо проведение серьезной работы по выбору  типа стали, причем сталь подбирается из одной партии или, если это невозможно по ассортименту, с одного завода-поставщика.

Пятнистое покрытие при горячем цинковании

Рис. 11.12. Пятнистое покрытие на изделии.

Пятнистые покрытия наиболее часто обнаруживаются на толстостенных изделиях, которые охлаждаются медленно, на определенных типах сталей, у которых наблюдается высокое содержание кремния и/или фосфора, или на некоторых холодно- катаных сталях, все из которых могут проявлять ненормально быстрый рост сплавов.

Когда такие условия вызваны самой природой стали, оцинковщик не может контролировать процесс оцинковки. Оцинковщики обычно не знают состава цинкуемой стали. Более низкая температура цинкования и более короткие времена погружения (если конструкция изделия позволяет сделать это) и быстрое охлаждение в воде, чтобы остановить рост сплавов, могут быть успешными лишь в крайних случаях. Однако такие меры не всегда эффективны, и пятнистых покрытий не избежать.

Покрытия этого типа обеспечивают время жизни изделия пропорционально увеличенной толщине. Однако через некоторое время работы на природе эти покрытия могут приобретать цвет от слабо-желтого до коричневого вследствие окрашивания поверхности железом, находящимся на поверхности, что, однако, не может считаться причиной прекращения эксплуатации изделия.

Разнооттеночность изделия может наблюдаться и в нескольких других случаях. Например, если изделие изготовлено из сталей различной толщины или различных методов обработки (например, часть деталей, входящих в состав изделия, обрабатывалась ковкой, а часть – фрезерованием). Но это претензии значительно меньшего порядка, и они, как правило, не выставляются.

Мы уже говорили о том, что взаимодействие цинка с железом (образование сплавов различного состава) идет как со стороны железа (за счет очень быстрой диффузии кремния), так и со стороны цинка. При наличии большого количества кремния в стали реакция быстро диффундирующего кремния с цинком оказывается столь высокой, что за время извлечения изделия из расплава сплав «съедает» тонкий слой η-фазы на поверхности, и относительно гладкий и блестящий слой заменяется на матовый (рис. 11.14). Этот эффект, как правило, наблюдается на спокойных сталях и тех полуспокойных сталях, содержание кремния в которых приближается к верхнему пределу, допустимому для сталей этого типа.

Пятнистое покрытие оцинкованного железнодорожного столба

Рис. 11.13. Использование изделия с пятнистым покрытием в качестве коррозионностойкого на железнодорожном транспорте.

Особый, хотя в настоящее время сравнительно редкий случай получения некачественного по эстетике покрытия – использование в одном изделии сталей различного срока хранения. Дело в том, что если сталь долгое время хранилась на складе, ее поверхность подвергается заметной коррозии, вплоть до язвенной. А деталь, сделанная из такого металла, по необходимости должна травиться заметно дольше, чтобы удалить продукты коррозии из каждой ямочки на поверхности. В результате часть изделия, изготовленная из заметно прокорродировавшей стали, имеет непрезентабельный внешний вид (рис. 11.15), остальные детали изделия, изготовленные из недавно изготовленной стали, подвергаются перетраву, их поверхность становится грубой, и толщина покрытия на них возрастает.

Очевидно, что решение всех вышеупомянутых  проблем лежит на поверхности. Если мы применим технологию, которая ограничивает толщину покрытия (а уже говорилось, что на данном этапе развития технологии цинкования погружением такой технологией может быть только «Технигальва»), то основные проблемы разнооттеночности покрытия для большинства изделий могут быть решены.

Цинковое покрытие на нереактивной и реакционно-активной сталях

Рис. 11.14. Поперечное сечение образцов покрытия на нереактивной (слева) и реакционно-активной (справа) сталях. Видно, что на левом образце на поверхности находится η-фаза (практически чистый цинк), в то время как на правом образце кристаллы сплава выходят на поверхность.

Между тем практика показывает, что предприятия, которые «плывут по воле волн» и заказывают стали не по ГОСТ 380, а по ГОСТ 1050, чаще всего попадают в сложную ситуацию, поскольку условия получения стали в процессе ее непрерывной разливки неизбежно приводят к получению значительного количества продукции с содержанием кремния, соответствующим зоне Санделина. На рис. 11.16 показана частотность закупки полуспокойной стали с конкретным содержанием кремния в ней в течение квартала одного из прошлых годов. Видно, что максимум закупленных партий соответствует его самой неблагоприятной концентрации.

Отслаивание и чешуйчатость

Отслаивание (delamination) цинковых покрытий (рис. 11.17) из-за низкой адгезии покрытия к подложке. Наблюдается, как правило, на сталях с высоким содержанием фосфора, не пригодных для горячего цинкования. Исправить данный дефект невозможно. В ряде случаев, когда данные изделия в дальнейшем не подвергаются меняющимся механическим нагрузкам, их можно с большой осторожностью поставить на место их функционирования, но, как правило, единственным методом решения проблемы является замена стали на более соответствующую требованиям горячего цинкования.

Цинкование бу трубы

Рис. 11.15 Характер покрытия на изъеденной коррозией стали.

Частотность закупки полуспокойных сталей непрерывной разливки в один из кварталов

Рис. 11.16. Частотность закупки полуспокойных сталей непрерывной разливки в один из кварталов.

Отслаивание (деламинация) в процессе цинкования

Рис. 11.17. Отслаивание (деламинация).

Чешуйчатость покрытия/отслаивание (flaking/delamination) (рис.11.18). Несколько похож на предыдущий эффект, но имеет другую природу. На данной микрофотографии видно, что отслаивание идет по Г-фазе. Связано это с тем, что реакционноактивные стали  при большой толщине металла производят очень толстое (более 200 мкм) покрытие. Медленное охлаждение изделия создает большие внутренние напряжения на границе «сталь-покрытие».

Чешуйчатое отслаивание после оцинкования

Рис. 11.18. Чешуйчатое отслаивание покрытия.

Основные методы борьбы – минимизировать  время погружения (чтобы уменьшить толщину покрытия) и охладить как можно быстрее. Желательно, однако, подобрать другую сталь. При вероятности такого дефекта на уже изготовленной конструкции подготовить отдельное соглашение на применение ремонтных действий; при отказе посоветовать заменить сталь.

Хотя как в отечественном, так и в иностранных стандартах допустимы черные пятна непроцинковки размером порядка 5 мм2, поскольку соседние участки с нормальным покрытием адекватно защищают металл в этих местах, лишь незначительно изменяя срок службы изделий, такие участки все же следует подвергать ремонтным операциям (как правило, с  помощью  цинк-содержащих  красок).  Однако  при  наличии неоцинкованных участков большой площади изделие необходимо цинковать повторно.

Имеется несколько причин возникновения черных пятен. Они включают в себя следующие причины.

Пересушивание. Если временной промежуток между операциями флюсования и погружения в расплав слишком велик или температура сушки слишком велика, барьерная защита, обеспечиваемая флюсом, может быть разрушена. На это указывает наличие коррозионных участков на поверхности неоцинкованного офлюсованного изделия, что и может привести к разрывам покрытия при последующей операции цинкования.

Избыточное содержание алюминия в расплаве. Аналогичные участки непроцинковки могут возникать и в том случае, когда содержание алюминия в расплаве слишком велико. Но если концентрация флюса достаточна, а содержание алюминия менее 0,007%, непроцинковки по этим причинам не должно быть.

Другие причины обычно связаны с недостатками процесса цинкования, такими, как механическое разрушение покрытия, нанесение краски или адгезионных пленок, дефектами металла (наличием песка или ржавчины на поверхности) и т.п.

Внешний вид дефектного покрытия этого типа дан на рис. 11.19. 

Рыбий скелет (fish boning)/ Волдыри и ручейки (Lumpiness and runs).

Хотя эти дефекты в Интернете обзываются различными авторами по-разному, все они, вероятно, имеют одинаковую природу.

Непроцинковка изделий при цинковании

Рис. 11.19. Внешний вид дефекта с неоцинкованными участками металлической поверхности – левая; правая.

Однородность покрытия на поверхности контролируется стеканием цинка по мере того, как изделие покидает ванну с расплавом. Бугорчатое и неровное покрытие получается, когда скорость извлечения изделия слишком велика или когда температура слишком низка, чтобы позволить расплавленному цинку стекать обратно в ванну по мере того, как изделие извлекается (рис. 11.20). Избыточный цинк может также существовать из-за задержки стекания из отверстий для болтов, различных складок, пазов, где цинк собирается, и является прямым следствием неудовлетворительного дизайна изделия.

Аналогичные результаты могут наблюдаться, когда изделия могут соприкасаться друг с другом.

Дефект - ручеек на металле

Рис. 11.20. Характер поверхности при дефекте «Lumpiness and runs».

В отличие от вышеизложенного, дефект «Рыбий скелет (fish boning)», на поверхности наблюдается при оцинковании труб большого диаметра. Этот тип дефекта связан с изменением химического состава труб по длине последних и приводит к появлению такого специфического эффекта (рис. 11.21).

Наблюдается очень редко по сравнению с другими дефектами; немного ухудшает внешний вид изделия, но не оказывает влияния на продолжительность жизни изделия. Не является бракующим фактором.

Труба с дефектом рыбий скелет

Рис. 11.21. Вид трубы с дефектом «Рыбий скелет / (fish boning)»

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

comments powered by HyperComments