Регион:

Механическое воздействие на оцинкованный и неоцинкованный металл


Современные знания о процессах цинкования погружением в расплав цинка позволяют утверждать, что те сплавы железа, которые официально разрешены к защите таким методом, не изменяют  своих  прочностных  характеристик  в  результате кратковременного нагревания до 450-470°С. Области изменения механических свойств материалов в результате термического воздействия находятся значительно выше по температурной шкале.

Напомним, что разрешается оцинковывать низкоуглеродистые стали с содержанием углерода менее 0,25%, не содержащие значительных количеств легирующих элементов и с определенными ограничениями по содержанию кремния. Однако такие стали обладают недостаточными для современного строительного комплекса механическими и иными (например, морозостойкостью) свойствами, поэтому строители стремятся давать на цинкование стали, официально выходящие по химическому составу за пределы разрешенных, а оцинковщики в большинстве случаев получают удовлетворительные покрытия. В частности, сообщается, что удовлетворительному цинкованию удается подвергнуть стали с высоким (более 1%) содержанием кремния, а также некоторые низколегированные стали.

Вместе с тем в ряде случаев отмечаются проблемы, связанные с разрушением оцинкованных конструкций как в результате подготовительных операций по подготовке поверхности перед цинкованием, так и в результате самого процесса погружения. Отдельные примеры были уже показаны ранее.

Перед оцинковщиками поэтому встает главный вопрос – где тот предел по характеристикам металлов, выше которого гарантированно получаются неприемлемые результаты?

Проведенные (отрывочные) исследования показали, что имеются три значимых типа разрушения сталей, которые связаны с процессом горячего цинкования. Эти типы разрушения включают:

  • водородное охрупчивание;
  • разрушение под напряжением;
  • разрушения в жидком металле.

Наиболее значимой из них является проблема разрушения изделий, в которых те или иные части находятся под напряжением. Эти напряжения являются результатом обработки стали в холодном состоянии под воздействием таких технологических операций, как гибка, холодная штамповка, вытягивание и.т.п. Отмечено, что данного типа разрушения не происходят, если такого рода процессы на изделии не производятся. Особенно опасна гибка изделий ниже определенного радиуса, измеренного в толщинах материала (менее трех толщин, см. рис. 11.64).

Другой причиной разрушения является водородное охрупчивание. Оно не происходит на изделиях, изготовленных из низкоуглеродистых сталей с прочностью на растяжение ниже 160000 psi, но на более прочных сталях этот процесс становится вероятным. Почему это происходит? Если неправильно подобран ингибитор, его концентрация недостаточна или он разложился в ходе процесса, начинается выделение водорода (а он в момент выделения является атомарным) на поверхности металла, этот водород проникает в структуру металла и делает металл более хрупким (примеры подобного разрушения показан выше, на рис. 11.5 и 11.6). Но наиболее часто этот эффект встречается при оцинковании высокопрочных болтов (класса 10,9 и выше). Из-за повышенного содержания углерода в этих болтах процесс диффузии водорода из изделий замедляется, и при сборке изделий или чуть позже происходит разрыв болтов, часто с серьезными последствиями.

Для уменьшения риска разрушения цинкуемых сталей по этому механизму нужно удалить процесс кислотного травления, заменив его методами механической очистки поверхности (с использованием абразивных материалов).

Когда требуется добавочная гарантия (например, для болтов класса 10,9 или выше, очищенных методом кислотного травления), болты должны быть прогреты при температуре 200 - 210°С либо в течение 30 минут до цинкования, либо в течение 4 часов после цинкования.

Наконец, третьей причиной разрушения конструкций является охрупчивание металла в процессе контакта его с жидким цинком (охрупчивание при контакте с жидким металлом - Liquid Metal Assisted Cracking, LMAC) . На этой причине мы остановимся более подробно. В качестве канвы обсуждения используем одну из работ Кинстлера, который, по-видимому, впервые обобщил разрозненные результаты в достаточно стройную модель, позволяющую оцинковщикам оценивать возможные последствия цинкования проблемных сталей.

Неудовлетворительная гибки арматуры перед цинкованием

Удовлетворительная гибки арматуры перед цинкованием

Рис. 11.64. Примеры неудовлетворительной (сверху) и удовлетворительной (снизу)гибки арматуры с прочностью 500 Мра.

В основе модели лежит факт того, что ряд сталей при контакте с жидким металлом (это не обязательно должен быть цинк) приобретает дополнительную хрупкость, в результате чего механические характеристики стали изменяются существенным образом (рис. 11.65).

Показано, что вероятность появления дополнительной хрупкости обусловлена предысторией данного конкретного образца, то есть факторами, которые были созданы в результате изготовления конкретной детали. Эти факторы объединены в четыре группы и продемонстрированы на рис. 11.66.

Первая группа включает факторы, связанные с механической обработкой металла (остаточные напряжения, связанные с формообразованием, возможности концентрирования напряжений в определенных частях изделия, градиенты температуры). Еще Санделин отмечал важность учета этих факторов, в частности, он отметил, что нельзя осуществлять гибку радиусом менее трех диаметров изделия. Последнее очень важно при изготовлении изделий из прямоугольных труб, где углы гибки могут оказаться критичным фактором (рис. 11.67). Рекомендуется также не осуществлять пробивку отверстий на сталях толщиной более определенной величины.

Различия в поведении образца стали при механических испытаниях в отсутствии и при наличии контакта образца с жидким цинком

Рис. 11.65. Различия в поведении образца стали при механических испытаниях в отсутствии и при наличии контакта образца с жидким цинком.

Вторая группа включает факторы, связанные с составом стали, условиями предварительной термообработки и механической обработки (методы резки, сварки и т.п.). Важность выбора способов сварки и последующей термической обработки для снятия напряжений, а также выбора легирующих элементов для изменения свойств стали доказана многочисленными работами. Показано, что существует определенная прочность стали, связанная с ее химическим составом, выше которой резко возрастает способность к саморазрушению изделия.

Схема возникновения LMAC

Рис. 11.66. Схема возникновения LMAC.

Наличие разрывов на всех четырех углах квадратного профиля из-за несоответствия свойств стали требованиям

Рис. 11.67. Экстремальный пример наличия разрывов на всех четырех углах квадратного профиля из-за несоответствия свойств стали требованиям, предъявляемым со стороны технологий горячего цинкования.

Третья группа включает температуру расплава, а также конкретные добавки, так или иначе воздействующие на вероятность разрушения изделия после оцинкования. Показано, в частности, что свинец в ванне увеличивает вероятность разрушения изделия, никель, наоборот, уменьшает такую вероятность. Наличие в ванне олова и висмута выше определенных пределов увеличивает величину трещин в изделиях.

Наконец, четвертая группа включает время нахождения изделия при повышенной температуре.

Для того, чтобы определить, какой состав стали является границей, которая отделяет цинкуемые стали от нецинкуемых, были проведены многочисленные исследования, которые позволили получить некоторую полуколичественную картину, связывающую данную способность стали к трещинообразованию с химическим составом стали.

Разные исследователи, в зависимости от состава исследуемых образцов, дают несколько разные картинки, в целом согласующиеся между собой. Одно из них приведено ниже.

CEZ (химический эквивалент углерода) = C + Si/17 + Mn/7.5 + Cu/13 + Ni/17 + Cr/4.5 + Mo/3 + V/1.5 + Nb/2 + Ti/4.5 + 420B ≤ 0.44

Таким образом, зная химический состав стали, можно предположить, что с ней произойдет при погружении в расплавленный металл. А далее дело оцинковщика – рисковать или нет. Обращаем внимание на то, что малые добавки такого элемента, как бор (он в обычных сталях не входит в число анализируемых элементов, но может попадать в сталь из металлического лома) могут существенно исказить получаемую картину.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

comments powered by HyperComments