ارزیابی ورقهای گالوانیزه تولیدی به روش غوطه وری گرم

[XMEHRDADX 7,514]

 

 

 

چكيده

 

گالوانيزه كردن به روش غوطه‌وري گرم فرآيندي است كه در آن در اثر غوطه‌ور كردن قطعات فولادي در حمام مذاب «روي»، پوشش چسبنده و محافظ «روي» و تركيبات آهن ـ«روي» در سطح آنها تشكيل مي‌شود.

 

پوشش فوق معمولا چند لايه‌اي است كه اين لايه‌ها داراي خواص فيزيكي، مكانيكي و شيميايي كاملا متفاوتي هستند.

 

از آنجا كه ورق‌هاي فولادي گالوانيزه شده به‌دليل مقاومت به خوردگي بالا امروزه در صنايع مختلف و به‌خصوص صنایع خودروسازی كاربردهاي وسيعي پيدا كرده‌اند، لذا ارزيابي خواص مكانيكي و شكل‌پذيري اين‌گونه پوشش‌ها ضروري به نظر مي‌رسد.

 

1. پوشش‌هاي محافظ بر سطح فلزات

 

ايجاد لايه محافظ به‌عنوان پوشش و يا روكش بر سطح فلزات سال‌هاست مورد استفاده قرار مي‌گيرد. يكي از دلايل مهم در استفاده از پوشش‌ها بر سطح فلزات، ايجاد مانع جهت جدا‌سازي فلز از محيط اطراف به جهت ممانعت از تاثير محيط و به دنبال آن تخريب و خوردگي فلز است.

 

بايد توجه داشت كه هيچ پوششي نمي‌تواند حفاظت يك جسم را در برابر شرايط تخريبي محيط تا ابد تضمين كند لذا براي هر پوشش يك عمر مفيد تعريف مي‌شود.

 

پوشش‌ها به سه گروه عمده تقسيم مي‌شوند:

 

1. پوشش‌هاي آلي نظير رنگ‌ها و پلاستيك (Organic Coatings)

 

2. پوشش‌هاي معدني نظير شيشه و سراميك (Inorganic Coatings)

 

3. پوشش‌هاي فلزي نظير گالوانيزه (Metallic Coatings)

 

ورق‌هاي فولادي گالوانيزه شده به‌دليل مقاومت به خوردگي بالا امروزه در صنايع مختلف كاربردهاي وسيعي پيدا كرده است و از اين رو توجهي خاص به اين‌گونه پوشش‌ها معطوف شده است.

 

 

2. گالوانيزه كردن به روش غوطه‌وري گرم

 

گالوانيزه كردن به روش غوطه‌وري گرم (Hot Dip Galvanizing) فرآيندي است كه در آن در اثر غوطه‌ور كردن قطعات فولادي يا چدني در حمام مذاب روي، پوشش چسبنده و محافظ«روي» و تركيبات آهن ـ«روي» در سطح آنها تشكيل مي‌شود.

 

پوشش فوق معمولا چند لايه‌اي است كه لايه‌هاي نزديك به فلز پايه، تركيبات آهن ـ«روي» و لايه بيروني شامل«روي» خالص است. اصول كلي فرآيند از 200 سال پيش تاكنون تغيير چنداني نداشته است ليكن تحقيقات دامنه‌دار سبب شده است كه گالوانيزه كردن فرآيند كنترل شده‌اي باشد.

 

تركيب شيميايي، خواص فيزيكي و مكانيكي لايه‌هاي پوشش گالوانيزه، شديدا با همديگر متفاوت است. ساختار پيچيده اين لايه‌ها تحت تاثير فعاليت شيميايي، ديفوزيوني و سرمايش بعدي شكل مي‌گيرند. اختلاف جزئي در تركيب پوشش، درجه حرارت حمام، زمان غوطه‌وري و سرعت سرمايش يا گرمايش مجدد تاثير قابل توجهي بر خواص و ظاهر پوشش دارند.

 

در فرآيند گالوانيزه كردن ورق‌هاي فولادي كم كربن، مذاب«روي» از طريق واكنش آلياژي با فولاد (كه لايه‌هاي«روي» ـ آهن را به‌وجود مي‌آورد) در يكديگر قفل شده و پيوند متالورژيكي ايجاد مي‌كند.

خواص اين لايه‌هاي آلياژي در جدول يك آورده شده است.

 

 

3. خواص فلز«روي»

 

1ـ3. خواص فيزيكي

 

• رنگ ظاهري خاكستري متمايل به آبي

 

• ترد و شكننده

 

• قابليت چكش خواري در دماي محيط

 

• ساختار كريستالي HCP

 

• وزن مخصوص 13/7 gr/cm3

 

• نقطه ذوب 419 درجه سانتيگراد و نقطه جوش 906 درجه سانتيگراد

 

2ـ3. خواص شيميايي

 

• فلز دوظرفيتي

 

• مقاومت بالا در برابر خوردگي (به جهت تشكيل پوشش محافظ ZnO) تا دماي 200 درجه سانتيگراد

 

• مقاومت بالا در محيط‌هاي قليايي و خنثي

 

• مقاومت كم در محيط‌هاي اسيدي

 

تاثير pH بر خوردگي«روي» در شكل يك آورده شده است.

 

4. مشخصات متالورژيكی پوشش‌های گالوانيزه

 

1ـ4. فلز پايه: فولاد و چدن

 

تركيب شيميايي چدن، فولاد و هر آلياژ ديگري كه در آن عناصر معيني نظير كربن و سيلسيم وجود داشته باشد، قابليت گالوانيزه كردن غوطه‌وري گرم آنها را تعيين كرده و مي‌تواند به‌طور قابل توجهي بر ظاهر و خواص پوشش اثر بگذارد.

 

فولادهايي كه كمتر از 25/0 درصد كربن، كمتر از 05/0 درصد فسفر، كمتر از 35/1 درصد منگنز و كمتر از 05/0 درصد سيلسيم داشته باشند براي گالوانيزه كردن متداول مناسب هستند.

 

 

2ـ4. نوع«روي»

 

تمامي گروه‌هاي«روي» كه در استاندارد ASTMB6-87(92) آمده است جهت فرآيند گالوانيزه قابل استفاده هستند.

 

استاندارد ASTM123-89 تصريح مي‌كند كه آلياژ «روي» استفاده شده براي گالوانيزه كردن بايد حاوي 98 درصد«روي» خالص باشد، 2 درصد ديگر مي‌تواند فلزات ديگري كه جهت فرآيند مفيد هستند در نظر گرفته شود.

 

معمول‌ترين شمش«روي» مورد استفاده قرار گرفته حاوي 98 درصد«روي» خالص و حدود 4/1ـ 5/0 درصد سرب است. عناصر ديگر به عنوان ناخالصي محسوب مي‌شوند.

 

 

3ـ4. عناصر آلياژي حمام

 

حمام‌هاي روي، معمولا حاوي كادميم و آهن هستند كه به‌طور آگاهانه به حمام اضافه نمي‌شوند بلكه به‌صورت ناخالصي به حساب مي‌آيند (عناصر ناخواسته). آلومينيوم تا 1/0 درصد ، خشك شدن پوشش را بهبود مي‌بخشد و شفافيت آن را افزايش مي‌دهد.

 

غالبا جهت تقويت تشكيل دانه‌هاي«روي» (Spangle)، بهتر خشك شدن پوشش و همچنين كمك به سرباره‌گيري، مقداري سرب به حمام افزوده مي‌شود. عناصري نظير نيكل، واناديم، آنتيموان، تيتانيم و فلزات خاكي نادر گاها نتايج مثبتي را به دنبال دارند.

 

 

4ـ4. ضخامت پوشش

 

ضخامت پوشش گالوانيزه علاوه برتركيب فلز پايه و شرايط سطحي به عوامل زير بستگي دارد:

 

• سرعت بيرون كشيدن قطعات از حمام كه مقدار«روي» غيرآلياژي چسبيده بر سطح قطعات را كنترل مي‌‌كند (شكل2)

 

• مدت زمان غوطه‌وري كه ضخامت لايه آلياژي را كنترل مي‌كند (شكل3)

 

• درجه حرارت حمام كه بر لايه آلياژي اثرگذار است

 

محافظت خوردگي تامين شده توسط پوشش «روي» ضرورتا به ضخامت پوشش بستگي دارد.

 

مطالعات ديگر نشان داده است كه در مقايسه با ضخامت پوشش عوامل ديگر نظير روش پوشش‌دهي، خلوص «روي» و مقدار«روي» آلياژ شده با آهن، تاثير كمي بر عمر و دوام پوشش دارد.

 

 

5. تاثير فرآيند گالوانيزه بر روي فلز پايه

1ـ5. استحكام كششي، چقرمگي ضربه‌اي و شكل‌پذيري

 

به‌طور معمول پس از فرآيند گالوانيزه كردن به روش غوطه‌وري گرم، استحكام كششي، تنش تسليم، افزايش طول در نقطه شكست و كاهش سطح مقطع تغيير قابل توجهي نمي‌كند.

 

افزايش استحكام ناشي از عمليات حرارتي يا كارسرد معمولا در اثر گالوانيزه كردن كاهش مي‌يابند. مقدار كاهش استحكام به عواملي چون مقدار كار سرد، نوع عمليات حرارتي و تركيب فولاد پايه بستگي دارد.

 

چقرمگي ضربه‌اي كمي كاهش مي‌يابد ولي نه به اندازه‌اي كه كارپذيري فولاد را تحت تاثير قرار دهد. از طرفي شكل‌پذيري فولاد تحت تاثير قرار نمي‌گيرد ولي اگر فولاد سريعا خم شود ممكن است پوشش«روي» در جهت كشش خمشي ترك برداشته و يا پوسته شود. اين حالت به ضخامت پوشش و شعاع خمش بستگي دارد.

 

 

2ـ5. استحكام خستگي

 

استحكام خستگي فولادها بعد از گالوانيزه كردن غوطه‌وري گرم به‌طور متفاوتي تغييرمي‌كند. فولادهاي ناآرام و فولادهاي اكسيژن‌زدايي شده توسط آلومينيوم كاهش استحكام خستگي كمتري را نشان مي‌دهند در حالي‌كه استحكام خستگي فولادهاي آرام شده توسط سيلسيم در اثر فرآيند گالوانيزه به‌طور قابل توجهي كاهش مي‌يابد.

 

اختلاف استحكام خستگي در فولادهاي آرام شده توسط سيلسيم به ساختار متفاوت پوشش نسبت داده مي‌شود. در اثر تنش‌هاي خستگي ممكن است در لايه آهن ـ روي ترك‌هايي به‌وجود آيد كه به عنوان منشاء ترك‌هاي سطحي عمل كنند.

 

در فضاي آزاد، فولاد بدون پوشش گالوانيزه سريعا زنگ زده و در آن حفره‌هاي خوردگي ايجاد مي‌شود لذا مقاومت خستگي كاهش مي‌يابد ولي براي فولادهاي گالوانيزه شده در شرايط اتمسفري، مادامي كه پوشش«روي» سالم مانده باشد، استحكام خستگي به اندازه قابل توجهي تغيير نمي‌كند.

[XMEHRDADX 7,514]

6. ساختار پوشش‌هاي گالوانيزه

 

در اين سيستم فازهاي بين‌فلزي مختلفي مي‌تواند تشكيل شود كه عبارتند از:

 

* فاز اتا (η): همراه با محلول جامد «روي»

 

* فاز زتا (‌ξ): تقريبا به‌صورت FeZn13 و معمولا در دماهاي بالاي 490 سانتيگراد وجود ندارد.

 

* فاز دلتا (δ): تقريبا بصورت FeZn7 و معمولا در دماي اتاق پايدار است.

 

* فاز گاما (γ): داراي دامنه گسترده حلاليت جامد است و تركيب آن در محدوده FeZn21ـ FeZn3 است.

 

تركيب متوسط فاز گاما معادل 01nZ3eF است و حدود 21 درصد وزني آهن را شامل مي‌شود.

 

ـ فاز آلفا (α): همراه با محلول جامد فريت

 

در حين فرآيند گالوانيزه كردن كه معمولا در محدوده دمايي 460 درجه سانتيگراد توليد مي‌شود.

 

اين فاز همراه با فازهاي ديگر بين‌فلزي بر روي قطعه تشكيل مي‌شود. فازهاي غني‌تر از آهن نزديكتر به فصل مشترك پوشش ـ آهن و فازهاي غني از«روي» در نزديكي فصل مشترك پوشش و سطح خارجي آن به‌وجود مي‌آيد و اگر سرعت سرد كردن به اندازه كافي زياد باشد رشد لايه آلياژي متوقف مي‌شود و لايه خارجي، روي خالص (η) خواهد بود كه براق است در غير اين صورت با رشد لايه آلياژي تا سطح خارجي اين سطح كدر مي‌شود.

 

لازم به ذكر است پس از انجماد نيز لايه«روي» در دماي زياد مي‌تواند به نفوذ در آهن ادامه دهد و متقابلا آهن به خارج نفوذ مي‌كند، در نتيجه زياد شدن ضخامت لايه آلياژي و رسيدن آن به سطح، رنگ پوشش متمايل به خاكستري تيره مي‌شود.

 

در عمل، افزودن فلزاتي كه مانع رشد لايه آلياژي شوند مورد توجه قرار گرفته است. به‌عنوان مثال افزودن 25/0 درصد آلومينيوم به حمام مذاب باعث تشكيل تركيب سه‌ تايي Al-Zn-Fe مي‌شود و لذا رشد لايه آلياژي را كندتر مي‌كند.

 

همان‌گونه كه بيان شد لايه‌هاي آلياژي متفاوتي بر سطح فولاد پس از اعمال پوشش«روي» به روش غوطه‌وري گرم ايجاد مي‌شوند.

 

اين لايه‌ها آلياژهاي«روي» ـ آهن هستند كه از سختي متفاوتي برخوردار می‌باشند. لايه خالص«روي» نسبتا نرم است و هر چه درصد آهن افزايش يابد، پوشش سخت‌تر مي‌شود. سختي اين لايه‌ها ممكن است از فولاد زير‌لايه نيز بيشتر شود.

 

در روش گالوانيزه كردن به روش غوطه‌وري گرم چسبندگي پوشش به زير لايه فولادي از طريق پيوندهاي متالورژيكي حاصل مي‌شود. پيوند متالورژيكي به‌دليل نفوذ اتم‌هاي پوشش و زير‌لايه در هم استحكام بيشتري دارد. ساختار پوشش گالوانيزه به‌خصوص ضخامت لايه‌هاي زتا و دلتا بيشتر تحت تاثير تركيب شيميايي فولاد و پس از آن تحت تاثير دماي فرآيند گالوانيزه و زمان غوطه‌‌وري است.

 

ساختار پوشش بيشترين تاثير را بر مقاومت ضربه‌اي پوشش دارد.

 

حضور درصد نسبتا بالاي فاز زتا در آلياژ«روي» ـ آهن زماني كه پوشش در معرض ضربات سنگين يا نيروهاي پيچشي زياد قرار مي‌گيرد، ممكن است منجر به پوسته شدن موضعي شود. همان‌گونه كه بيان شد فولادهاي نيمه آرام با درصد سيلسيم 05/0 درصد تا 12/0 درصد كمترين چسبندگي و بيشترين حساسيت را به تردي پوشش دارند.

 

جدول2 خواص لايه‌هاي آلياژي مختلف ايجاد شده در حين فرآيند گالوانيزه كردن به روش غوطه‌وري گرم را نشان مي‌دهد.

 

به سبب رفتار مكانيكي متفاوت ميان لايه‌هاي مختلف فولادهاي پوشش داده شده با «روي»، فرآيند شكل‌دهي اين ورق‌ها از پيچيدگي خاصي برخوردار است.

 

مشخص شده است كه در مواد هگزاگونال نظير«روي» تغيير‌شكل ناشي از لغزش (Slip) بيشتر در صفحات اصلي (0001) و در جهات 1120 انجام مي‌گيرد كه با توجه به دما عموما تغيير فرم از طريق لغزش ، فعال است ليكن در مواقعي كه لغزش فعال نبوده و يا صفحات اصلي به‌درستي در جهات تغيير‌فرم قرار نگرفته باشند، فرآيند دوقلويي (Twinning) از اهميت به‌سزايي بررخودار خواهد بود.

 

از اين رو يكي از مهمترين تاثيرات دوقلويي در فرآيند تغيير‌شكل پوشش‌هاي«روي» ايجاد جهت‌گيري مناسب به‌منظور تغيير فرم لغزش در دانه‌هايي است كه جهت ايجاد تغيير‌ فرم پلاستيك در جهات مناسبي واقع نشده‌اند. در كريستال‌هاي«روي» عموما جدايش(Cleavage) در صفحات اصلي اوليه (Primary Basal Planes) و يا در صفحات جدايش ثانويه (Secondary Cleavage Planes) كه صفحات اصلي آنها را در اثر دوقلويي شدن قبل از شكست ايجاد مي‌كنند، رخ مي‌دهد.

 

نتايج تست‌هاي توانايي تغيير فرم بر«روي» ورق‌هاي گالـوانيزه بيـانگر اين مطلب است كه در پوشش‌هاي گالوانيزه ايجاد شده به طريق غوطه‌وري گرم تغيير‌شكل در كـرنش‌هاي كـم توسـط لـغزش، دوقلـويي و جدايش مرز دانـه‌اي ايجاد مي‌شود و در كـرنـش‌هـاي بـالا تـرك‌هـاي بـيـن‌دانـه‌اي (Inter Granular) سبب اضمحلال ورق خواهد شد.

 

حتي ضخامت كم لايه«روي» (10ـ 8 µm) تاثير به‌سزايي در قابليت تغيير شكل ورق‌هاي گالوانيزه ايجاد مي‌كند به نحوي كه براي دقت در شكل‌دهي اين ورق‌ها نياز به طراحي دقيق فرآيند و قالب‌هاي شكل‌دهي و همچنين انتخاب روغن مناسب به منظور كاهش اصطكاك الزامي است. مورفولوژي كريستال‌هاي«روي» نيز در ميزان ضريب اصطكاك بين قالب و ورق موثر است.

 

ضريب اصطكاك هنگامي كه كريستال‌هاي«روي» موازي سطح ورق قرار مي‌گيرند (19/0= µ) بيش از موقعي است كه قاعده كريستال‌هاي "روي" عمود بر سطح واقع شده باشند (13/0= µ).

 

ماهيت منحصر به فرد فرآيند گالوانيزه باعث ايجاد پوششي مقاوم در برابر ضربه و سايش مي‌شود كه باعث عملكرد فيزيكي بهتر مي‌شود. چسبندگي پوشش به فولاد زير‌لايه در اثر يك اتصال متالورژيكي است.

 

به بيان ديگر آهن و«روي» با يكديگر واكنش انجام مـي‌دهنـد و يـك سـري لايـه‌هـاي آليـاژي آهن ـ روي ايجاد مي‌كنند كه جزئي از سطح فولاد خواهد شد و در نتيجه چسبندگي آن عالي است. مقاومت در برابر آسيب‌هاي مكانيكي پوشش هنگام حمل و نقل، انبار و نصب بسيار مهم است.

 

لايه خارجي«روي» خالص نسبتا نرم است و قسمت اعظم ضربه را حذف مي‌كند. لايه‌هاي آلياژ زيرين خيلي سخت‌تر هستند و گاهي اوقات حتي از فولاد زير لايه نيز سخت‌تر هستند.

 

اين مجموعه خواص مكانيكي باعث ايجاد پوششي مقاوم به ضربه و سايش مي‌شود. حفاظت فولاد توسط«روي» از نوع قرباني شونده است.«روي» از نظر ترموديناميكي فعال‌تر از آهن است و بر‌خلاف روش‌هاي ديگر حفاظت، باعث ترميم و توقف خوردگي در عيوب سطحي ايجاد شده در پوشش خواهد شد.

 

 

7. تاثير جهات كريستالي در چسبندگي پوشش‌هاي آلي به ورق‌هاي گالوانيزه

 

انجام آزمايشات خمش، ضربه و شكل‌دهي بر روي ورق‌هاي گالوانيزه و گالوانيزه رنگ شده نشان مي‌دهد كه رابطه مستقيمي ميان چسبندگي رنگ و جهات كريستالي زمينه وجود دارد به‌طوري‌كه با افزايش سطوح {0001} موازي سطح در كريستال‌هاي روي، ميزان چسبندگي نيز افزايش خواهد يافت.

 

نتايج آزمايشات نشان داده‌اند هنگامي كه صفحات {0001} كريستال‌هاي«روي» موازي سطح قرار گيرند، ترك‌‌هاي ريـز و پـراكنـده‌اي در جهات اشاعه مي‌يابند وليكن چنانچه صفحات {0001} زواياي بزرگي با سطح ساخته باشند، در حين تغيير‌شكل ترك‌هاي اندك وليكن بزرگ در همين جهات توسعه پيدا مي‌كنند كه سبب كنده شدن پوشش مي‌شود.

 

همچنين تاثير ناخالصي‌هاي مختلف سطح گالوانيزه بر روي چسبندگي مورد ارزيابي قرار گرفته است كه نتايج اين تحقيقات حاكي از آن است كه با افزايش ناخالصي‌هاي حاوي كربن و سولفور، ميزان چسبندگي به شدت افت خواهد كرد.

 

همچنين ناخالصي‌هاي قرار گرفته بر روي صفحات {0001} نسبت به بقيه ناخالصي‌ها سريع‌تر زدوده مي‌شوند.

 

 

جواد صالحی‌دهكردی / كارشناس شركت ورق گالوانیزه خودرو چهارمحال و بختیاری