60. Kuidas mõjutab sulatsingis sisalduv alumiinium kuum-tsinkimist?

Alumiinium (A1) on hõbedane{1}}valge metall, millel on pind-tsentreeritud kuubikujuline (FCC) kristallstruktuur. Selle võre konstant on 404959,6 nm, aatommass on 26,8, sulamistemperatuur 658 kraadi ja keemistemperatuur 2000 kraadi. Kaubanduslikud tsinktooted ei sisalda alumiiniumi, mida lisatakse tahtlikult kuum-tsinkimise käigus. Sellel protsessil on kolm peamist eesmärki: tsingitud terastoru pinna sära suurendamine, paindlikkuse parandamine, raua-tsingisulami kihi mikrostruktuuri muutmine ja raua mõju neutraliseerimine sulatsingis. Üksikasjad on järgmised: (1) Alumiinium parandab tsingitud terastorude pinna läiget ja paindlikkust.
Teoreetiliselt piisaks selle eesmärgi saavutamiseks ainult 0,02% alumiiniumisisaldusest tsingivannis. Kuna aga alumiinium oksüdeerub tsingi pinnal kergesti, näitavad empiirilised tõendid, et vajaliku 0,02% taseme säilitamiseks on vaja lisada ligikaudu 0,2% alumiiniumi. Tugev afiinsus alumiiniumi ja hapniku vahel moodustab alumiiniumoksiidi kihi, mis blokeerib tõhusalt hapniku difusiooni, kaitstes nii sula alumiiniumi kui ka tsinki oksüdeerumise eest. See kaitsemehhanism takistab ka teiste metallelementide oksüdeerumist tsingivannis. Nagu hästi teada, tekib tsingi oksüdeerimisel kollane tsinkoksiid ning plii- ja kaadmiumoksiididel on sarnased kollakad toonid. Ilma alumiiniumi kaitsva rollita muutuks tsingitud pind tugevalt kollaste ühenditega määrdunud, mis kahjustaks oluliselt selle läiget. Seetõttu on kuumtsingimisel ereda viimistluse saavutamiseks hädavajalik lisada sobiv kogus alumiiniumi. Veelgi enam, 0,2% alumiiniumisisaldus tsingivannis ei anna mitte ainult optimaalseid dekoratiivmustreid, vaid tagab ka tsingitud kihi erakordse paindlikkuse.
American Society for Testing Materials (ASTM) soovitab aga mitte kasutada alumiiniumi valgendava metallilisandina ja selle sisaldus tuleks piirata alla 0,01%.
(2) Tsingitud kihtide mikrostruktuuri muutmine Teoreetiliselt piisab tsingitud kihtide mikrostruktuuri muutmiseks sulatsingi alumiiniumisisaldusest 0,2-0,3%. Praktilises tootmises reageerib alumiinium aga kergesti sula tsingi hapnikuga, mis viib selle tarbimiseni. Soovitud alumiiniumisisalduse säilitamiseks tuleb lisada ligikaudu 1,5–3,5% alumiiniumi. Et näidata, kuidas alumiiniumisisaldus mõjutab mikrostruktuuri, analüüsime muutusi madalast kuni kõrge alumiiniumi kontsentratsioonini: Alumiiniumisisalduse suurenemine 0,05% võrra suurendab tsingitud kihi pinnaläiget, kuid ei mõjuta selle mikrostruktuuri. Seega säilib tsingitud kiht sama koostisega kui puhtast tsingivedelikust toodetud kiht, mis koosneb kleepuvast kihist (faas a), vahekihist (faas Y), kergelt pragunenud restikihist (faas 81) ja puhta tsingi ujuvast kihist (faas S) (faas n). Peamine erinevus seisneb faaside erinevas kristallilises morfoloogias võrreldes puhta tsingivedelikuga.
Kui alumiiniumisisaldus tsingivedelikus on 0,1%, toimub ujuva kihi (3 faasi) kristalliseerumine suure ploki kujul ja see ei ole pidev kiht, vaid teatud tüüpi eraldatud lisandid.
Kui alumiiniumisisaldus tsingivedelikus on 0,15%, ei ole ujuva kihi (5. faas) jaotus pidev kiht, vaid mõned suuremad eraldatud kristalsed klastrid ja ainult ruudustiku kiht (faas 81) on veidi tihedama struktuuriga.
Kui alumiiniumisisaldus tsingivannis jõuab 0,24% -ni, muutub legeerefekt korrosiooni vältimisel väga tõhusaks. Kui tsingivanni hoitakse 1 tunni jooksul 440 kraadi juures, ei täheldata eemaldamisel ja kontrollimisel reaktsiooni. Järelikult koosneb proovi tsingitud kiht ainult puhtast tsingikihist. See juhtub seetõttu, et alumiinium reageerib terastoruga, moodustades FeAl3 (või Fe2AlO) ühendikile, mis pärsib rauaioonide difusiooni tsingikihi suunas.
Nagu eespool näidatud, on alumiiniumisisaldus tsingitud kihi mikrostruktuuri muutmisel võtmetegur. Kui alumiiniumisisaldus on fikseeritud, mõjutavad tsingikihi mikrostruktuuri ka muud protsessiparameetrid,{1}}sh tsingi sukeldumisaeg, voolavus (nagu on näidatud joonisel 3-5) ja temperatuur-. Seetõttu reguleerivad kuumtsinkimise tootmisel nende kolme teguri koosmõju protsessi spetsifikatsioonid. Soovitud tsingitud kihi saab saavutada ainult ettenähtud töötingimustest rangelt kinni pidades.
(3) Raua mõju tsingivannis on kompenseeritud, kuna alumiinium võib tsingivannis rauaga kombineerida, moodustades kolm ühendit, nimelt FeAl, FeAl2 ja FeAl3, mis vähendab mõju tsingitud kattekihile.