Aluminium (Al) mit silberweißem Aussehen und kubisch-flächenzentrierter Struktur hat eine Gitterkonstante von 404959,6 Nanometern, eine relative Atommasse von 26,8, einen Schmelzpunkt von 658 Grad und einen Siedepunkt von 2000 Grad. Aluminium kommt in handelsüblichem Zink natürlicherweise nicht vor; Vielmehr wird es bei Feuerverzinkungsprozessen gezielt zugesetzt. Der Zweck der Zugabe von Aluminium besteht darin, den Glanz der Zinkbeschichtung auf Stahlrohren zu erhöhen, ihre Flexibilität zu verbessern, die Struktur der Eisen-Zink-Legierungsschicht zu verändern und den Auswirkungen von Eisen in der Zinkschmelze entgegenzuwirken. Diese sind im Folgenden detailliert aufgeführt:
(1) Aluminium verbessert den Glanz und die Flexibilität verzinkter Stahlrohre
Um diese Ziele zu erreichen, reicht theoretisch ein Aluminiumgehalt von nur {{0}.02 % in der Zinkschmelze aus. Aufgrund der Oxidationsanfälligkeit von Aluminium an der Oberfläche der Zinkschmelze ist jedoch eine empirische Aluminiumzugabe von etwa 0,2 % erforderlich, um einen Aluminiumgehalt von 0,02 % in der Zinkschmelze aufrechtzuerhalten. Aluminium hat eine hohe Affinität zu Sauerstoff und bildet eine Aluminiumoxidschicht, die die Sauerstoffdiffusion wirksam verhindert und so das darunterliegende geschmolzene Zink und das geschmolzene Zink vor Oxidation schützt. Ebenso werden auch andere Metallelemente in der Zinkschmelze vor Oxidation geschützt. Oxidiertes Zink, Blei und Cadmium sind gelb, und ohne Aluminium würde die verzinkte Schicht erhebliche gelbe Bestandteile enthalten, die ihren Glanz negativ beeinflussen würden. Deshalb wird beim Feuerverzinken eine gewisse Menge Aluminium zugesetzt, um eine glänzende Verzinkungsschicht zu erhalten. Wenn die Zinkschmelze außerdem 0,2 % Aluminium enthält, erhält man das beste Muster und die Flexibilität der verzinkten Schicht ist besonders gut.
Allerdings empfiehlt die American Society for Testing and Materials, kein Aluminium als aufhellenden Metallzusatz zu verwenden und die Verwendung auf unter 0,01 % zu beschränken.
(2) Veränderung der Struktur der verzinkten Schicht
Um die Struktur der verzinkten Schicht zu verändern, reicht theoretisch ein Aluminiumgehalt von {{0}},2 bis 0,3 % in der Zinkschmelze aus. In der praktischen Produktion reagiert Aluminium jedoch leicht mit Sauerstoff in der Zinkschmelze und wird verbraucht, sodass eine Aluminiumzugabe von etwa 1,5 % bis 3,5 % erforderlich ist, um einen Aluminiumgehalt von 0,2 bis 0,3 % aufrechtzuerhalten. Um die Auswirkung des Aluminiumgehalts auf die Struktur der verzinkten Schicht zu veranschaulichen, untersuchen wir die Veränderungen in der Struktur der verzinkten Schicht mit zunehmendem Aluminiumgehalt:
Eine Erhöhung des Aluminiumgehalts auf 0,05 % in der Zinkschmelze erhöht den Oberflächenglanz der verzinkten Schicht, hat jedoch keinen Einfluss auf deren Struktur. Daher ist die verzinkte Struktur dieselbe wie die aus reinem geschmolzenem Zink und besteht aus einer Haftschicht (Phase a), einer Zwischenschicht (Phase ), einer leicht rissigen Schicht (Phase δ₁), einer Schwimmschicht (Phase S), und eine reine Zinkschicht (Phase η). Der Unterschied zur verzinkten Schicht aus reiner Zinkschmelze liegt in der kristallinen Form der Phasen.
Wenn der Aluminiumgehalt in der Zinkschmelze 0,1 % beträgt, liegen die Kristalle der Schwimmschicht (Phase S) in großen Blöcken vor und sind nicht mehr in einer zusammenhängenden Schicht, sondern als getrennte Einschlüsse angeordnet.
Wenn der Aluminiumgehalt in der Zinkschmelze 0,15 % beträgt, ist die Verteilung der schwimmenden Schicht (Phase S) ebenfalls nicht kontinuierlich, sondern besteht aus größeren, voneinander getrennten kristallinen Clustern, wobei nur die Schicht (Phase δ₁) zeigt eine leicht dichtere Struktur.
Wenn der Aluminiumgehalt in der Zinkschmelze 0,24 % beträgt, ist die Wirkung der Hemmung des Ätzens (Legierens) stark. Wenn die Verzinkung in dieser Zinkschmelze eine Stunde lang bei einer Temperatur von 440 Grad durchgeführt und anschließend untersucht wird, wird keine Reaktion festgestellt. Daher liegt auf der verzinkten Probe nur eine reine Zinkschicht vor. Dies liegt daran, dass bei der Reaktion zwischen Aluminium und Stahl ein dünner Film aus FeAl₃ (oder laut einigen Quellen Fe₂Al₅) entsteht, der die Diffusion von Eisenionen in Richtung Zink behindert.
Aus den oben genannten Gründen ist die Menge an Aluminium ein wichtiger Faktor bei der Veränderung der Struktur der verzinkten Schicht. Wenn der Aluminiumgehalt festgelegt ist, beeinflussen Prozessparameter wie die Verzinkungszeit, die Fließfähigkeit (siehe Abbildung 3-5) und die Verzinkungstemperatur auch die Änderung der Struktur der Zinkschicht. Daher wird bei der Feuerverzinkung der Zusammenhang zwischen diesen drei Faktoren durch die Prozessspezifikationen festgelegt und nur unter streng kontrollierten Betriebsbedingungen kann die gewünschte verzinkte Schicht erhalten werden.
(3) Den Auswirkungen von Eisen in geschmolzenem Zink entgegenwirken
Aluminium reagiert mit Eisen in geschmolzenem Zink und bildet drei Verbindungen: FeAl, FeAl₂ und FeAl₃, wodurch seine Auswirkungen auf die verzinkte Schicht verringert werden.
