ارزیابی ورق های گالوانیزه تولیدی به روش غوطه وری گرم
1-پوشش‌هاي محافظ بر سطح فلزات
ايجاد لايه محافظ به عنوان پوشش و يا روكش بر سطح فلزات مدتهاست مورد استفاده قرار مي‌گيرد. يكي از دلايل مهم در استفاده از پوشش ها 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 می باشد.
بايد دقت داشت كه هيچ پوششي نمي‌تواند حفاظت يك جسم را در برابر شرايط تخريبي محيط تا ابد تضمين كند، بنابراین براي هر پوشش يك عمر مفيد تعريف می گردد.
پوشش‌ها به سه گروه عمده تقسيم مي‌شوند:
پوشش هاي آلي نظير رنگ‌ها و پلاستيك (Organic Coatings)
پوشش هاي معدني نظير شيشه و سراميك (Inorganic Coatings)
پوشش‌هاي فلزي نظير گالوانيزه (Metallic Coatings)
ورق هاي استیل گالوانيزه شده به دليل مقاومت در برابر خوردگي بالا امروزه در صنايع مختلف كاربرد هاي وسيعي پيدا كرده است و از اين رو توجهي خاص به اين گونه پوشش ها معطوف شده است.
2-گالوانيزه كردن به روش غوطه وري گرم
گالوانيزه كردن به روش غوطه وري گرم (Hot Dip Galvanizing) فرآيندي است كه در آن در اثر غوطه‌ور كردن قطعات استیل يا چدني در حمام مذاب روي، پوشش چسبنده و محافظ "روي" و تركيبات آهن ـروي در سطح آنها تشكيل مي‌شود.
پوشش فوق معمولاً چند لايه‌اي بوده، كه لايه هاي نزديك به فلز پايه، تركيبات آهن-روي و لايه بيروني شامل "روي" خالص است. اصول كلي این فرآيند از 200 سال پيش تاكنون تغيير چنداني نداشته است، اما تحقيقات دامنه‌دار سبب شده است كه گالوانيزه كردن فرآيند كنترل شده اي باشد.
تركيب شيميايي، خواص فيزيكي و مكانيكي لايه‌هاي پوشش گالوانيزه، شديداً با یکديگر 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 غوطه وري و سرعت سرمايش يا گرمايش مجدد تاثير قابل توجهي بر خواص و ظاهر پوشش دارند.
در فرآيند گالوانيزه كردن ورق‌هاي استیل كم كربن، مذاب "روي" از طريق واكنش آلياژي با استیل (كه لايه‌هاي روي- آهن را به وجود مي‌آورد) در يكديگر قفل شده و پيوند متالورژيكي ايجاد ميكند.
3-خواص فلز "روي"
3-1-خواص فيزيكی
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
3-2-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
4-مشخصات متالورژيكی پوشش‌های گالوانيزه
4-1-فلز پايه: استیل و چدن
تركيب شيميايي چدن، استیل و هر آلياژ ديگري كه در آن عناصر معيني نظير كربن و سيلسيم وجود داشته باشد، قابليت گالوانيزه كردن غوطه وري گرم آنها را تعيين كرده و مي‌تواند به‌طور قابل توجهي بر ظاهر و خواص پوشش اثر بگذارد.
استیل هايي 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.
4-2-نوع "روي"
تمامي گروه‌هاي روي كه در استاندارد ASTMB6-87(92) آمده است، جهت فرآيند گالوانيزه قابل استفاده هستند.
استاندارد ASTM123-89 بیان 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 4/1 الی 5/0 درصد سرب است. عناصر ديگر به عنوان ناخالصي محسوب مي‌شوند.
4-3-عناصر آلياژي حمام
حمام هاي روي، معمولا حاوي كادميم و آهن هستند كه به‌طور آگاهانه به حمام اضافه نمي‌شوند، بلكه به صورت ناخالصي به حساب مي‌آيند (عناصر ناخواسته). آلومينيوم تا 1/0 درصد، خشك شدن پوشش را بهبود مي‌بخشد و شفافيت آن را افزايش مي‌دهد.
غالباً جهت تقويت تشكيل دانه هاي "روي" 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 گاهاً نتايج مثبتي را به دنبال دارند.
4-4-ضخامت پوشش
ضخامت پوشش گالوانيزه علاوه بر تركيب فلز پايه و شرايط سطحي به عوامل زير بستگي دارد:
سرعت بيرون كشيدن قطعات از حمام كه مقدار "روي" غير آلياژي چسبيده بر سطح قطعات را كنترل ميكند.
مدت زمان غوطه‌وري كه ضخامت لايه آلياژي را كنترل ميكند.
درجه حرارت حمام كه بر لايه آلياژي اثرگذار است.
محافظت خوردگي تامين شده توسط پوشش "روي" ضرورتاً 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 خواهد داشت.
5-تاثير فرآيند گالوانيزه بر روي فلز پايه
5-1-استحكام كششي، چقرمگي ضربه‌اي و شكل پذيري
به طور 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 نمي كند.
افزايش استحكام ناشي از عمليات حرارتي يا كارسرد معمولاً در اثر گالوانيزه كردن كاهش مي‌يابند. مقدار كاهش استحكام به عواملي چون مقدار كار سرد، نوع عمليات حرارتي و تركيب استیل پايه بستگي دارد.
چقرمگي ضربه اي كمي كاهش مي‌يابد ولي نه به اندازه‌اي كه كارپذيري استیل را تحت تاثير قرار دهد. از طرفي شكل پذيري استیل تحت تاثير قرار نمي‌گيرد. ولي اگر استیل سريعاً 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.
5-2-استحكام خستگي
استحكام خستگي استیل بعد از گالوانيزه كردن غوطه وري گرم به طور متفاوتي تغيير ميكند. استیل نا آرام و استیل اكسيژن زدايي شده توسط آلومينيوم كاهش استحكام خستگي كمتري را نشان مي دهد. در حاليكه استحكام خستگي استیل آرام شده توسط سيلیسيم در اثر فرآيند گالوانيزه به طور قابل توجهي كاهش پیدا می کند.
اختلاف استحكام خستگي در استیل آرام شده توسط سيلیسيم به ساختار متفاوت پوشش نسبت داده مي‌شود. در اثر تنش‌هاي خستگي ممكن است در لايه آهن-روي ترك هايي به‌وجود آيد كه به عنوان منشاء ترك هاي سطحي عمل كنند.
در فضاي آزاد، استیل بدون پوشش گالوانيزه سريعاً زنگ زده و در آن حفره هاي خوردگي ايجاد مي‌شود. لذا مقاومت خستگي كاهش مي يابد، ولي براي استیل گالوانيزه شده در شرايط اتمسفري، مادامي كه پوشش "روي" سالم مانده باشد، استحكام خستگي به اندازه قابل توجهي تغيير نمي‌كند.
6-ساختار پوشش هاي گالوانيزه
در اين سيستم فازهاي بين فلزي مختلفي مي‌تواند تشكيل شود كه عبارتند از:
* فاز اتا (η): همراه با محلول جامد روي
* فاز زتا (ξ): تقريبا به‌صورت FeZn13 و معمولاً در دماهاي بالاي 490 سانتيگراد وجود ندارد.
* فاز دلتا (δ): تقريباً بصورت FeZn7 و معمولاً در دماي اتاق پايدار است.
* فاز گاما (γ): داراي دامنه گسترده حلاليت جامد است و تركيب آن در محدوده FeZn21- FeZn3 است.
تركيب متوسط فاز گاما معادل 0.1 nZ3eF است و حدود 21 درصد وزني آهن را شامل مي‌شود.
فاز آلفا (α): همراه با محلول جامد فريت
در حين فرآيند گالوانيزه كردن كه معمولاً در محدوده دمايي 460 درجه سانتيگراد توليد مي‌شود.
اين فاز همراه با فازهاي ديگر بين فلزي بر روي قطعه تشكيل مي‌شود. فازهاي غني تر از آهن نزديكتر به فصل مشترك پوشش آهن و فازهاي غني از "روي" در نزديكي فصل مشترك پوشش و سطح خارجي آن به وجود 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 متقابلاً 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 استیل پس از اعمال پوشش "روي" به روش غوطه‌وري گرم ايجاد مي‌شوند.
اين لايه‌ها آلياژهاي روي-آهن هستند كه از سختي متفاوتي برخوردار می‌باشند. لايه خالص روي نسبتاً نرم است و هر چه درصد آهن افزايش يابد، پوشش سخت‌تر مي‌شود. سختي اين لايه‌ها ممكن است از استیل زير‌لايه نيز بيشتر شود.
در روش گالوانيزه كردن به روش غوطه وري گرم چسبندگي پوشش به زير لايه فولادي از طريق پيوندهاي متالورژيكي حاصل مي‌شود. پيوند متالورژيكي به دليل نفوذ اتم هاي پوشش و زير‌لايه در هم استحكام بيشتري دارد. ساختار پوشش گالوانيزه به خصوص ضخامت لايه‌هاي زتا و دلتا بيشتر تحت تاثير تركيب شيميايي استیل و پس از آن تحت تاثير دماي فرآيند گالوانيزه و زمان غوطه وري می باشد.
ساختار پوشش بيشترين تاثير را بر مقاومت ضربه‌اي پوشش دارد.
حضور درصد نسبتا بالاي فاز زتا در آلياژ روي-آهن زماني كه پوشش در معرض ضربات سنگين يا نيروهاي پيچشي زياد قرار مي‌گيرد، ممكن است منجر به پوسته شدن موضعي شود. همان گونه كه بيان شد استیل نيمه آرام با درصد سيلسيم 05/0 درصد تا 12/0 درصد كمترين چسبندگي و بيشترين حساسيت را به تردي پوشش دارند.
به سبب رفتار مكانيكي متفاوت ميان لايه‌هاي مختلف استیل های پوشش داده شده با "روي"، فرآيند شكل دهي اين ورق‌ها از پيچيدگي خاصي برخوردار است.
مشخص شده است كه در مواد هگزاگونال نظير "روي" تغيير‌شكل ناشي از لغزش بيشتر در صفحات اصلي (0001) و در جهات 1120 انجام مي‌گيرد كه با توجه به دما عموما تغيير فرم از طريق لغزش، فعال است. اما در مواقعي كه لغزش فعال نبوده و يا صفحات اصلي به درستي در جهات تغيير فرم قرار نگرفته باشند، فرآيند دوقلويي از اهميت به سزايي برخوردار خواهد بود.
از اين رو يكي از مهمترين تاثيرات دوقلويي در فرآيند تغيير‌شكل پوشش هاي "روي" ايجاد جهت گيري مناسب به منظور تغيير فرم لغزش در دانه هايي است كه جهت ايجاد تغيير فرم پلاستيك در جهات مناسبي واقع نشده‌اند. در كريستال‌هاي "روي" عموما جدايش در صفحات اصلي اوليه و يا در صفحات جدايش ثانويه كه صفحات اصلي آنها را در اثر دو قلويي شدن قبل از شكست ايجاد مي‌كنند، رخ مي‌دهد.
نتايج تست‌هاي توانايي تغيير شکل بر "روي" ورق‌هاي گالـوانيزه بيـانگر اين مطلب است كه در پوشش‌هاي گالوانيزه ايجاد شده به طريق غوطه وري گرم تغيير شكل در كـرنش هاي كـم توسـط لـغزش، دوقلـويي و جدايش مرز دانـه‌اي ايجاد مي‌شود و در كـرنـش‌هـاي بـالا تـرك‌هـاي بـيـن‌دانـه‌اي سبب اضمحلال ورق خواهد شد.
حتي ضخامت كم لايه روی تاثير به‌سزايي در قابليت تغيير شكل ورق هاي گالوانيزه ايجاد ميكند به نحوي كه براي دقت در شكل دهي اين ورق ها نياز به طراحي دقيق فرآيند و قالب هاي شكل دهي و همچنين انتخاب روغن مناسب به منظور كاهش اصطكاك الزامي است. مورفولوژي كريستال‌هاي "روي" نيز در ميزان ضريب اصطكاك بين قالب و ورق موثر می باشد.
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 استیل زير‌لايه در اثر يك اتصال متالورژيكي می باشد.
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 استیل 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 سخت تر هستند و گاهي اوقات حتي از استیل زير لايه نيز سخت‌تر هستند.
اين مجموعه خواص مكانيكي باعث ايجاد پوششي مقاوم به ضربه و سايش مي‌شود. حفاظت استیل 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 پوشش هاي آلي به ورق هاي گالوانيزه
انجام آزمايشات خمش، ضربه و شكل دهي 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 <1120> اشاعه مي‌يابند ولی چنانچه صفحات {0001} زواياي بزرگي با سطح ساخته باشند، در حين تغيير شكل تركهاي اندك اما بزرگ در همين جهات توسعه پيدا مي‌كنند كه سبب كنده شدن پوشش مي‌شود.
همچنين تاثير ناخالصي هاي مختلف سطح گالوانيزه بر روي چسبندگي مورد ارزيابي قرار گرفته است كه نتايج اين تحقيقات حاكي از آن است كه با افزايش ناخالصي هاي حاوي كربن و سولفور، ميزان چسبندگي به شدت افت خواهد كرد.