Aluminium (Al), das silberweiß erscheint, gehört zur kubisch-flächenzentrierten Struktur mit einer Gitterkonstante von 404959,6 Nanometern, einer relativen Atommasse von 26,8, einem Schmelzpunkt von 658 Grad und einem Siedepunkt von 2000 Grad. Aluminium kommt in handelsüblichem Zink natürlicherweise nicht vor. Bei der Feuerverzinkung wird der Zinkschmelze jedoch bewusst Aluminium zugesetzt. Ziel ist es, den Glanz der Zinkbeschichtung auf Stahlrohren zu erhöhen, ihre Flexibilität zu verbessern, die Struktur der Eisen-Zink-Legierungsschicht zu verändern und dem Einfluss von Eisen in der Zinkschmelze entgegenzuwirken. Eine detaillierte Aufschlüsselung ist wie folgt:
(1) Aluminium verbessert den Glanz und die Flexibilität verzinkter Stahlrohre.
Um dies zu erreichen, reichen theoretisch nur {{0}}.02 % Aluminium in der Zinkschmelze aus. Da Aluminium jedoch an der Oberfläche der Zinkschmelze leicht oxidiert, müssen erfahrungsgemäß etwa 0,2 % Aluminium hinzugefügt werden, um einen Aluminiumgehalt von 0,02 % in der Zinkschmelze aufrechtzuerhalten. Aufgrund der hohen Affinität zwischen Aluminium und Sauerstoff, die eine Aluminiumoxidschicht bildet, verhindert diese Schicht wirksam die Diffusion von Sauerstoff und schützt so die darunter liegende Zinkschmelze und die Zinkschmelze vor Oxidation. Ebenso werden auch andere metallische Elemente in der Zinkschmelze vor Oxidation geschützt. Wie wir wissen, ist Zinkoxid, das bei der Oxidation von geschmolzenem Zink entsteht, gelb, und auch Blei- und Cadmiumoxide sind gelb. Ohne die Wirkung von Aluminium würde die Oberfläche der verzinkten Schicht deutlich durch gelbe Bestandteile getrübt werden, was ihren Glanz stark beeinträchtigen würde. Deshalb wird beim Feuerverzinken eine gewisse Menge Aluminium zugesetzt, um eine glänzende Verzinkungsschicht zu erhalten. Wenn die Zinkschmelze hingegen 0,2 % Aluminium enthält, erhält man das beste Muster und die Flexibilität der verzinkten Schicht ist besonders gut.
Die American Society for Testing and Materials empfiehlt jedoch, Aluminium nicht als aufhellenden Metallzusatz zu verwenden und die Verwendung auf unter 0,01 % zu beschränken.
(2) Modifizieren der Struktur der verzinkten Schicht
Um den Zweck der Modifizierung der Struktur der verzinkten Schicht zu erreichen, reicht theoretisch ein Aluminiumgehalt von {{0}},2 bis 0,3 % in der Zinkschmelze aus. Bei der tatsächlichen Produktion reagiert Aluminium in der Zinkschmelze jedoch leicht mit Sauerstoff und wird verbraucht. Um einen Aluminiumgehalt von 0,2 bis 0,3 % in der Zinkschmelze aufrechtzuerhalten, müssen daher etwa 1,5 % bis 3,5 % Aluminium hinzugefügt werden. Um die Auswirkung des Aluminiumgehalts auf die Veränderung der Struktur der verzinkten Schicht zu veranschaulichen, beobachten wir die Veränderungen in der Struktur der verzinkten Schicht, wenn der Aluminiumgehalt allmählich von niedrig auf hoch ansteigt:
Eine Erhöhung des Aluminiumgehalts auf 0,05 % in der Zinkschmelze soll den Oberflächenglanz der verzinkten Schicht verbessern, ihre Struktur jedoch nicht beeinträchtigen. Daher ist die verzinkte Struktur dieselbe wie die aus reinem geschmolzenem Zink plattierte Struktur, bestehend aus einer Haftschicht (Phase a), einer Zwischenschicht (Phase ), einer leicht rissigen Schicht (Phase δ₁), einer Driftschicht (Phase S), und eine reine Zinkschicht (Phase η). Der Unterschied zur verzinkten Schicht aus reinem geschmolzenem Zink liegt in der kristallinen Form der Phasen.
Wenn der Aluminiumgehalt in der Zinkschmelze 0,1 % beträgt, liegen die Kristalle der Driftschicht (Phase δ₁) in großen Blöcken vor und sind nicht mehr in einer zusammenhängenden Schicht, sondern als abgelöste Einschlüsse angeordnet.
Wenn der Aluminiumgehalt in der Zinkschmelze 0,15 % beträgt, ist die Verteilung der Driftschicht (Phase δ₁) 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 hemmende Wirkung auf das Ätzen (Legieren) stark. Wenn die Tauchverzinkung in dieser Zinkschmelze eine Stunde lang auf einer Temperatur von 440 Grad gehalten und dann untersucht wird, wird keine Reaktion festgestellt. Daher liegt auf der verzinkten Schicht der Probe nur eine reine Zinkschicht vor. Dies liegt daran, dass bei der Reaktion zwischen Aluminium und dem Stahlrohr ein dünner Film aus FeAl₃-Verbindungen (oder laut einigen Quellen Fe₂Al₅)-Verbindungen entsteht, der die Diffusion von Eisenionen in Richtung Zink behindert.
Aus dem oben Gesagten ist ersichtlich, dass die Menge an Aluminium ein wichtiger Faktor für die Veränderung der Struktur der verzinkten Schicht ist. Wenn der Aluminiumgehalt festgelegt ist, beeinflussen Prozessparameter wie Eintauchzeit, Fließfähigkeit (wie in Abbildung 3-5 dargestellt) und Eintauchtemperatur 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 regulierten Betriebsbedingungen kann die gewünschte Verzinkungsschicht erreicht werden.
(3) Dem Einfluss von Eisen in der Zinkschmelze entgegenwirken
Aluminium reagiert mit Eisen in der Zinkschmelze und bildet drei Verbindungen: FeAl, FeAl₂ und FeAl₃, wodurch seine Auswirkungen auf die verzinkte Schicht verringert werden.
