Регион:

Причины повышения реактивности сталей в зоне Санделина


Основной причиной повышения в технологиях горячего цинкования процентного содержания сталей с неудобным содержанием кремния (и частично фосфора) современные исследователи справедливо считают переход сталелитейной промышленности на более дешевую непрерывную разливку стали. Однако возврат к прежним способам получения стали невозможен, и поэтому необходимо искать способы нейтрализации (хотя бы и частичной) этого негативного эффекта. А для того, чтобы предпринять эти контрмеры, нужно хотя бы представлять причины эффекта Санделина. Ниже мы попытаемся суммировать представления, которые являются общепринятыми в настоящее время.

Эффект Санделина

Как мы уже говорили выше, Санделин в 1940 году обнаружил участки с оптимальной толщиной покрытия (при содержании кремния менее 0,05%), с неприемлемой толщиной (причем некачественного) покрытия и участки с несколько меньшей толщиной покрытия (но с удовлетворительным качеством). Позднее исследователи истории процесса цинкования погружением обнаружили, что ряд производственников отмечали еще до Санделина, что иногда получались толстые некачественные покрытия, но объяснить их природу не смогли. Санделин, по-видимому, был первым, кто связал этот эффект с кремнием.

Последующие работы Пелерина позволили ввести еще один мешающий компонент – фосфор, причем его активность оказалась выше, чем у кремния, примерно в два с половиной раза.

Делались попытки определить, какие фазы в фелезо-цинковых сплавах, образующихся на поверхности железо-цинкового изделия, отвечают за общую толщину покрытия и, в частности, за избыточную его толщину. Как известно, процесс взаимодействия железного изделия с расплавленным цинком – не что иное, как коррозия, а именно, коррозия железа в расплаве цинка. За счет взаимной диффузии железа, элементов железного сплава и цинка навстречу друг другу образуются слои железо-цинковых сплавов различного состава. Типы сплавов в железо-цинковом покрытии легко определить из диаграммы состояния «железо – цинк» (рис. 7.15). Если рассматривать образующиеся железо-цинковые фазы от поверхности вглубь железного изделия, то они будут располагаться следующим образом: на поверхности будет наиболее богатая цинком η-фаза, затем ζ-фаза, затем δ1- фаза, наконец, Г1-фаза . За исключением Г1-фазы, все остальные фазы не имеют четкой границы, а разделены участками, где имеется смесь сосуществующих фаз, соответственно, с меняющимся составом по концентрации элементов сплава.

Специальные исследования были посвящены тому, какие фазы отвечают за общую толщину покрытия, в частности, за повышенную его толщину. С этой целью исследовано распределение фаз и скорость потери железа при длительных погружениях образцов в расплав. На рис. 7.16 приведены некоторые результаты таких исследований. Видно, что, несмотря на значительно большую ширину фазы  Г1, существующей на диаграмме состояния, доля ее в создании толщины цинкового покрытия очень мала, эта фаза на снимках под микроскопом может даже не замечаться. Толщина η-фазы определяется, в основном, скоростью извлечения изделия из расплава. Основную часть в покрытии составляют фазы ζ и δ1. Указанные фазы не имеют четкой границы раздела друг с другом, а имеют заметную переходную область, где эти фазы распределены хаотически и имеют различную структуру. Тип этой структуры определяется характеристикой стали, подвергаемой оцинковке, и, в основном, элементами кремнием и фосфором, о которых говорилось ранее.

Специальными опытами было показано, что рост двух указанных фаз происходит с двух сторон – как за счет диффузии цинка из расплава, так и за счет диффузии железа с поверхности изделия. При этом ζ-фаза может иметь различный вид – или мелкие кристаллы (на нереактивных сталях) или сильно вытянутые кристаллы, ориентированные вдоль пути диффузии (палисадная фаза). Схематически это изображено на рис. 7.17, а экспериментально – на рис. 7.18 изображена палисадная фаза. Данный тип кристаллов ответственен как за увеличенную толщину покрытия, так и за низкую прочность сплава (повышенную хрупкость и ослабленную адгезию к металлу основы). Оказалось, что палисадный тип ζ-фазы возникает в интервале концентраций кремния в зоне Санделина, предположительно она возникает за счет ускоренной диффузии железа по кремниевым дислокациям.

Участие примесных атомов кремния в процессе ускорения переноса железа и цинка в реакции взаимной диффузии было подтверждено следующим образом. На железном образце проводили реакцию цинкования в течение различных промежутков времени и исследовали изменение содержания кремния в приповерхностном слое образца. Полученные результаты показаны на рис. 7.19.

Из рисунка видно, что по мере протекания реакции между цинком и железом концентрация железа в приповерхностном слое сначала увеличивается, а затем начинает уменьшаться. Это означает, что атомы кремния, в соответствии с ранее высказанными предположениями, образуют с атомами железа переходные комплексы, благодаря которым последние переносятся значительно более быстро, чем при отсутствии кремния. Одновременно с ними переносятся и атомы кремния, вследствие чего концентрация их ближе к поверхности изделия возрастает значительно. Но одновременно происходит и процесс растворения поверхности, отсюда – и естественный процесс уменьшения концентрации кремния на поверхности.

Связь диаграммы состояние Fe – Zn и порядка расположения фаз в цинковом покрытии

Рис. 7.15. Связь диаграммы состояние Fe – Zn и порядка расположения фаз в цинковом покрытии.

Движение и рост различных железо-цинковых сплавов при больших длительностях погружения

Рис. 7.16. Движение и рост различных железо-цинковых сплавов при больших длительностях погружения железного образца в расплав цинка.

Схема образования обычной и палисадной ζ-фаз

Рис. 7.17. Схема образования обычной (справа) и палисадной (слева) ζ-фаз при контакте железного образца с расплавом цинка.

Палисадная форма δ-фазы

Рис. 7.18. Палисадная форма δ-фазы.

Однако получаемые выводы пока еще не удалось перевести в уравнения, которые смогли бы описать количественно или хотя бы полуколичественно экспериментальные данные. Поэтому для удовлетворительного объяснения получаемых результатов на уровне «технолог – потребитель продукции» получила хождение качественная модель «реактивных зон». Согласно этой модели, в металле имеются reactive (реактивные) и non- reactive (нереактивные) зоны, и соотношение этих зон определяет отношение этих металлов к зоне Санделина.

Поведение  несанделиновых   и  санделиновых   сталей  наглядно видно из анализа рис. 7.20.

Зависимость содержания кремния на поверхности стального образца в зависимости от времени погружения в горячий цинк

Рис. 7.19. Зависимость содержания кремния на поверхности стального образца в зависимости от времени погружения образца в расплав.

Когда активных зон сравнительно немного (первые два примера рис. 7.20), наблюдается бугорчатое покрытие. Когда плотность реактивных зон сравнительно велика, возможно закрепление жидкого цинка между бугорками покрытия (третий пример), в результате получается покрытие более гладкое, но с заметными площадями чистого цинка между буграми. Наконец, когда очень высока или очень низка плотность реактивных зон, получается гладкое покрытие, но в первом случае толщина покрытия будет большой из-за высокой реактивности металла, а во втором – в пределах требований стандартов на горячее цинкование.

Схема образования покрытий различной структуры в зависимости от доли реактивной поверхности

Рис. 7.20. Схема образования покрытий различной структуры в зависимости от доли реактивной поверхности.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

comments powered by HyperComments