Hodnocení tvařitelnosti povlaku žárového zinku

Z celé řady prací je všeobecně znám vliv obsahu křemíku na tloušťku, strukturu a přilnavost povlaku zinku [1–5]. Mnozí odběratelé žárově pozinkovaného materiálu tento materiál dále zpracovávají za studena, např. ohýbáním, tvarováním atd. Vyvstává tedy potřeba přesně definovat, jak se chová povlak zinku při tomto zpracování, resp. jak velké deformaci lze podrobit jednotlivé typy povlaku, aniž by došlo k jejich porušení.

Členové Asociace českých a slovenských zinkoven se spolu s odborníky z Ústavu modelování a řízení tvářecích procesů na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství VŠB-TU Ostrava touto problematikou zabývali. Tento článek naznačuje možný způsob řešení a ve stručnosti seznamuje s některými experimentálními metodami a zařízeními, kterých může být využito.

Pro experimentální práce byly použity vzorky pásu tloušťky 2 mm, který byl válcován za tepla na širokopásové trati P1500 ve společnosti ArcelorMittal. Jednalo se o pás čtyř různých jakostí, které se významně liší obsahem křemíku, viz tabulka 1. Z uvedeného pásu byly připraveny vzorky s rozměry 300 x 30 mm, které byly za běžných provozních podmínek žárově zinkovány v zinkovně společnosti ArcelorMittal. Žárově zinkované vzorky byly válcovány za studena na laboratorní stolici Q110 v Ústavu modelování a řízení tvářecích procesů na VŠB-TU v Ostravě. Konečná tloušťka laboratorně válcovaných vzorků byla 1,8; 1,6; 1,4; resp. 1,0 mm, což představuje velikost celkové poměrné deformace e = 10, 20, 30, resp. 50 %.

U takto získaných vzorků byla na dvaceti místech měřena magnetickou metodou tloušťka vrstvy povlaku zinku a získané údaje byly statisticky hodnoceny. Dále byly provedeny metalografické analýzy charakteru povlaku. Do hodnocení byly zařazeny i vzorky, které nebyly válcovány za studena, jejichž tloušťka byla 2,0 mm a celková poměrná deformace e se rovnala 0 %.

Laboratorní válcování za studena bylo prováděno na laboratorní stolici Q110 [6] v Ústavu modelování a řízení tvářecích procesů na VŠB-TU v Ostravě. Jde o stolici typu kvarto, která je bezstojanová a je předepjatá prostřednictvím čtyř hydraulických matic. Byla projektována speciálně pro konkrétní experimentální účely Ústavu, jako je např. válcování za studena ocelových polotovarů, získaných předchozí simulací plynulého lití tenkých bram a jejich přímého válcování v podobě tzv. teplého pásu; výroba tenkých pásů z nových typů neželezných slitin a intermetalických sloučenin, vyznačujících se nízkou tvářitelností a mimořádně vysokými deformačními odpory (až cca 2 500 MPa).

Z měření tloušťky povlaku zinku magnetickou metodou vyplynulo, že u všech skupin vzorků dochází s růstem deformace ke snižování tloušťky povlaku. Průběh křivky tloušťka povlaku – celková poměrná deformace má však v závislosti na obsahu Si poměrně rozdílný charakter.

U vzorků s obsahem Si 0,027 % byl zjištěn pokles průměrné tloušťky povlaku z hodnoty 75,8 μm u vzorku 1–0 (celková poměrná deformace e = 0 %) na 47,6 μm u vzorku 1–50 (e = 50 %). Poměrně zajímavý je náhlý pokles tloušťky povlaku při deformaci e = 10 %. Ze všech sledovaných skupin vzorků vykazuje tloušťka povlaku největší rozptyl naměřených hodnot, viz obr. 1a. U druhé skupiny vzorků (Si = 0,202 %) byly zjištěny vyšší hodnoty průměrné tloušťky povlaku než u předchozí skupiny. Tloušťka povlaku u  vzorku 2–0 byla 89,3 μm, u vzorku 2–50 dosáhla hodnoty 55,2 μm. Za povšimnutí stojí velmi úzký rozptyl naměřených hodnot, viz obr. 1b. Měření tloušťky povlaku zinku u třetí (Si = 0,922 %) i čtvrté (Si = 1,050 %) skupiny vzorků přinesly téměř shodné výsledky, viz obr. 1c a 1d. Průměrná tloušťka zinkového povlaku se snížila po deformaci e = 50 % z původních 158,2 (u vzorku 3–0), resp. 154,2 μm na 84,0 (u vzorku 3–50), resp. 79,9 μm. U vzorků s vyšším obsahem Si byl zaznamenán větší rozptyl naměřených hodnot.

Obr. 1b. Vliv velikosti deformace na tloušťku povlaku zinku u vzorků s obsahem Si 0,202 %

Obr. 1d. Vliv velikosti deformace na tloušťku povlaku zinku u vzorků s obsahem Si 1,050 %

Měření tloušťky povlaku pomocí metalografické analýzy přinesla obdobné výsledky jako výše uvedená magnetická metoda. Nejtenčí vrstvy s největším rozptylem naměřených hodnot byly zjištěny u vzorků s obsahem Si 0,027 %, až o 20 μm silnější vrstvy byly naměřeny u vzorků s obsahem Si 0,202 % a nejsilnější vrstvy byly zjištěny u vzorků s obsahem Si 0,922, resp. 1,050 %.

Povlak zinku u vzorků s obsahem Si 0,027 % je tvořen nerovnoměrně vyloučenými fázemi γ a δ. Krystaly fáze ξ jsou jemné a krátké, místně vytvářejí vějířovité útvary, nad nimiž je nerovnoměrně silná vrstva η fáze, viz obr. 2a. Tato nerovnoměrnost je poměrně výrazná, vyvolává i nerovnoměrnost povrchu vzorku po zinkování, válcováním za studena se tento reliéf potlačí. Z tohoto zjištění vyplývá, že výrazný rozptyl tloušťky povlaku u vzorků s uvedeným obsahem Si je dán nerovností povrchu pásu a vlastní nerovností povrchu vrstvy. Deformace za studena se projevuje především charakterem uspořádání ξ fáze, viz obr. 2b–2d.

U vzorků s obsahem Si 0,202 % byla na rozhraní ocel – zinková vrstva zjištěna jemná vrstva obsahující fáze γ a δ. Dále následovala silná vrstva fáze ξ, která byla tvořena výraznými kolumnárními krystaly. Podíl η fáze je nízký, vyplňuje pouze nerovnosti ve vrstvě krystalů fáze ξ, viz obr. 3a. Povrch vrstvy je rovný bez ohledu na nerovnosti zinkovaného materiálu. Rozptyl tloušťky je výrazně nižší než u vzorků s nejnižším obsahem Si. V průběhu deformace za studena dochází k drcení krystalů fáze ξ,, viz obr. 3b–3d.

Charakter zinkové vrstvy i její změny v průběhu deformace za studena jsou u obou skupin vzorků s velmi vysokým obsahem křemíku (0,922, resp. 1,050 %) shodné. Dominantní složkou je fáze ξ, která tvoří kolumnární krystaly. Podíl ostatních fází je velmi nízký, netvoří souvislé vrstvy. Vzhledem k reaktivitě daného typu oceli jsou vrstvy zinku výrazně silnější než u vzorků s nižšími obsahy Si, viz obr. 4a a 4b. Povrch povlaku je rovný, rozptyl tloušťky vrstvy je dán zejména nerovností povrchu pásu. Deformací za studena dochází k drcení kolumnárních krystalů fáze ξ a k zeslabení vrstev, viz obr. 4c–4f.

S výjimkou oblasti hran u deformovaných vzorků s nejvyššími obsahy Si nedošlo u žádného z hodnocených vzorků k odloupnutí nebo porušení povlaku. Toto zjištění svědčí o vhodnosti žárově zinkovaných povlaků pro válcování za studena. Ve všech případech došlo při deformaci za studena k výraznému zjemnění hrubých kolumnárních krystalů fáze ξ a k odstranění nerovností na povrchu materiálu.

V rámci této práce byl hodnocen vliv obsahu křemíku a velikosti deformace za studena na tloušťku a charakter povlaku zinku. Pro experiment byly vybrány 4 různé typy oceli provenience ArcelorMittal, které se lišily zejména obsahem Si, viz tabulka 1. Vzorky za tepla válcovaného pásu byly žárově zinkovány a poté laboratorně válcovány za studena. Následně byla měřena tloušťka povlaku zinku a metalograficky byl hodnocen její charakter. Z provedených prací tedy vyplynulo, že tvářitelnost povlaku zinku je u všech obsahů Si poměrně vysoká. S výjimkou hran za studena válcovaných vzorků s nejvyšším obsahem Si nedošlo k odloupnutí ani porušení povlaku. S rostoucí deformací dochází k plynulému snižování tloušťky povlaku. S výjimkou vzorků s obsahem Si 0,027 % byl zjištěn minimální rozptyl naměřené tloušťky povlaku, tzn. rozdíl mezi minimální a maximální naměřenou tloušťkou byl poměrně nízký (max. 10 %). U vzorků s obsahem Si 0,027 % byl zaznamenán výraznější rozptyl naměřené tloušťky povlaku (až 17 %), viz obr. 1a. Tento fakt je dán tím, že krystaly fáze ξ , které jsou součásti povlaku, vytvářejí místně vějířovité útvary, nad nimiž je nerovnoměrně silná vrstva η fáze, viz obr. 2a. Tato poměrně výrazná nerovnoměrnost vyvolává i nerovnoměrnost povrchu vzorku po zinkování, válcováním za studena se tento reliéf potlačí. Z tohoto vyplývá, že výrazný rozptyl tloušťky povlaku je dán nerovností povrchu pásu a vlastní nerovností povrchu vrstvy.

Navržená metoda je velmi jednoduchá a vhodná pro hodnocení tvářitelnosti povlaku zinku. Její předností je možnost aplikovat deformace libovolné velikosti a především to, že poskytuje kvantifikovatelné údaje o tvářitelnosti povlaku.

V rámci řešení uvedené problematiky bylo použito experimentální zařízení vyvíjené v rámci výzkumného záměru MSM 619810015 (MŠMT ČR).

Libor Černý, Petr Strzyž , Ivo Schindler

Literatura:

[1] ČERNÝ, L. Hodnocení vlivu obsahu křemíku, doby ponoru a teploty lázně na konečné vlastnosti povlaku zinku. In: 7. konference žárového zinkování, Podbanské, Asociace českých zinkoven 2001.
[2] SUCHÁNEK, V. a spol. Speciální technologie povrchových úprav, ČVUT Praha, 1990.
[3] Zinc Coatings – Microstructures of Various Zinc Coatings. American Galvanizers Association, Englewood, 2000.
[4] PELERIN, J. a spol. The Influence of Silicon and Phosphorus on the Commercial Galvanization of Mild Steels, Metall, č. 9, roč. 1981.
[5] KATZUNG, W. The Influence of Si and P Contents in Steels on the Formation of Zinc Coatings and Possibilities for Reduction of Coating Thickness by Alloying the Zinc Melt with < 0,03% Al. Institut für Korrosionsschutz, Dresden
[6] www.fmmi.vsb.cz/model

Asociace českých a slovenských zinkoven, VŠB – Technická univerzita Ostrava
info@acsz.cz
www.acsz.cz

Tabulka 1. Chemické složení studovaného materiálu (v hmotnostních %)