60. Wie wirkt sich Aluminium in geschmolzenem Zink auf die Feuerverzinkung aus?

Aluminium (A1) ist ein silberweißes Metall mit einer kubisch-flächenzentrierten (FCC) Kristallstruktur. Seine Gitterkonstante beträgt 404959,6 nm, die Atommasse beträgt 26,8, der Schmelzpunkt 658 Grad und der Siedepunkt 2000 Grad. Handelsübliche Zinkprodukte enthalten kein Aluminium, das beim Feuerverzinken absichtlich hinzugefügt wird. Dieser Prozess dient drei Hauptzwecken: Verbesserung des Glanzes der Oberfläche des verzinkten Stahlrohrs, Verbesserung der Flexibilität, Modifizierung der Mikrostruktur der Eisen-Zink-Legierungsschicht und Neutralisierung der Auswirkungen von Eisen im geschmolzenen Zink. Die Einzelheiten sind wie folgt: (1) Aluminium verbessert den Oberflächenglanz und die Flexibilität von verzinkten Stahlrohren.
Theoretisch würde bereits ein Aluminiumgehalt von 0,02 % im Zinkbad ausreichen, um dieses Ziel zu erreichen. Da Aluminium jedoch auf der Zinkoberfläche leicht oxidiert, deuten empirische Erkenntnisse darauf hin, dass die Zugabe von etwa 0,2 % Aluminium erforderlich ist, um den erforderlichen Gehalt von 0,02 % aufrechtzuerhalten. Die starke Affinität zwischen Aluminium und Sauerstoff bildet eine Aluminiumoxidschicht, die die Sauerstoffdiffusion wirksam blockiert und so sowohl das darunter liegende geschmolzene Aluminium als auch das geschmolzene Zink vor Oxidation schützt. Dieser Schutzmechanismus verhindert auch die Oxidation anderer Metallelemente im Zinkbad. Bekanntlich entsteht bei der Zinkoxidation gelbes Zinkoxid, und Blei- und Cadmiumoxide weisen ähnliche gelbliche Farbtöne auf. Ohne die schützende Funktion von Aluminium würde die verzinkte Oberfläche stark mit gelben Verbindungen verschmutzt werden, was ihren Glanz erheblich beeinträchtigen würde. Daher ist die Zugabe einer angemessenen Menge Aluminium beim Feuerverzinken unerlässlich, um eine glänzende Oberfläche zu erzielen. Darüber hinaus sorgt ein Aluminiumgehalt von 0,2 % im Zinkbad nicht nur für optimale Dekormuster, sondern sorgt auch für eine außergewöhnliche Flexibilität der Verzinkungsschicht.
Die American Society for Testing Materials (ASTM) empfiehlt jedoch, Aluminium nicht als aufhellenden Metallzusatz zu verwenden und seinen Gehalt bei Verwendung auf weniger als 0,01 % zu begrenzen.
(2) Veränderung der Mikrostruktur verzinkter Schichten Theoretisch reicht ein Aluminiumgehalt von 0,2–0,3 % in geschmolzenem Zink aus, um die Mikrostruktur verzinkter Schichten zu verändern. In der praktischen Produktion reagiert Aluminium jedoch leicht mit dem Sauerstoff in der Zinkschmelze, was zu dessen Verbrauch führt. Um den angestrebten Aluminiumgehalt aufrechtzuerhalten, müssen etwa 1,5–3,5 % Aluminium zugesetzt werden. Um zu zeigen, wie sich der Aluminiumgehalt auf die Mikrostruktur auswirkt, analysieren wir die Veränderungen von niedrigen zu hohen Aluminiumkonzentrationen: Eine Erhöhung des Aluminiumgehalts um 0,05 % erhöht den Oberflächenglanz der verzinkten Schicht, hat jedoch keinen Einfluss auf deren Mikrostruktur. Somit behält die verzinkte Schicht die gleiche Zusammensetzung wie die aus reiner Zinkflüssigkeit hergestellte, bestehend aus einer Haftschicht (Phase a), einer Zwischenschicht (Phase Y), einer leicht rissigen Gitterschicht (Phase 81) und einer Schwimmschicht (Phase S) aus reinem Zink (Phase n). Der Hauptunterschied liegt in der ausgeprägten kristallinen Morphologie der Phasen im Vergleich zu reiner Zinkflüssigkeit.
Wenn der Aluminiumgehalt in der Zinkflüssigkeit 0,1 % beträgt, erfolgt die Kristallisation der schwimmenden Schicht (3-Phase) in Form eines großen Blocks und es handelt sich nicht um eine kontinuierliche Schicht, sondern um eine Art getrennte Einschlüsse.
Wenn der Aluminiumgehalt in der Zinkflüssigkeit 0,15 % beträgt, ist die Verteilung der schwimmenden Schicht (Phase 5) keine kontinuierliche Schicht, sondern einige größere, getrennte kristalline Cluster, und nur die Gitterschicht (Phase 81) weist eine etwas dichtere Struktur auf.
Wenn der Aluminiumgehalt im Zinkbad 0,24 % erreicht, wird die Legierungswirkung hochwirksam und verhindert Korrosion. Wenn das Zinkbad eine Stunde lang bei 440 °C gehalten wird, wird bei der Entnahme und Inspektion keine Reaktion beobachtet. Folglich besteht die verzinkte Schicht auf der Probe ausschließlich aus einer reinen Zinkschicht. Dies liegt daran, dass Aluminium mit dem Stahlrohr reagiert und einen FeAl₃- (oder Fe₂AlO)-Verbindungsfilm bildet, der die Diffusion von Eisenionen in Richtung der Zinkschicht verhindert.
Wie oben gezeigt, ist der Aluminiumgehalt ein Schlüsselfaktor für die Veränderung der Mikrostruktur der verzinkten Schicht. Wenn der Aluminiumgehalt festgelegt ist, beeinflussen auch andere Prozessparameter-einschließlich der Zinkeintauchzeit, der Fließfähigkeit (wie in Abbildung 3-5) und der Temperatur-die Mikrostruktur der Zinkschicht. Daher wird das Zusammenspiel dieser drei Faktoren bei der Feuerverzinkung durch die Prozessspezifikationen bestimmt. Nur durch die strikte Einhaltung der vorgegebenen Betriebsbedingungen kann die gewünschte Verzinkungsschicht erreicht werden.
(3) Die Wirkung von Eisen im Zinkbad wird ausgeglichen, da sich Aluminium mit Eisen im Zinkbad zu drei Verbindungen verbinden kann, nämlich FeAl, FeAl2 und FeAl3, was die Wirkung auf die verzinkte Beschichtung verringert.