Kezdőlap-Home Page
Archívum-Archives
Linkek-Links
Letöltés-Download
Szerkesztőbizottság-
Editorial board

II. évfolyam 2. szám 2001. április
Volume 2 - N^o  2 - April 2001

[HUN] - Magyar cikk
[ENG] - English article

Kiadja:
Magyar Anyagtudományi Egyesület
3580 Tiszaújváros Tompa M. út 13.
Postacím: 
3515 Miskolc-Egyetemváros Pf.:46
Tel: +36-20-3777-865
Tel/Fax: +36-49-540-807

Főszekesztő:
Dr. Lendvai János

Szerkesztők:
Dr. Dévényi László
Dr. Marossy Kálmán
Dr. Kovács Kristóf

Tervezőszerkesztő:
Braun Gábor

 

A felület érdességének és a fürdő alumíniumtartalmának hatása a kialakult horganybevonat tulajdonságaira Szabó Andrea - Dénes Éva DUNAFERR Kutatóintézet, 2400 Dunaújváros, Vasmű tér 1-3.

Bevezetés Az acél felületén felhasználása során a környezet káros hatásainak következtében korróziós folyamatok indulnak meg. Ezek a folyamatok közönséges hőmérsékleten lassan mennek végbe, de számos környezeti tényező (csapadék, pára és agresszív gázok) ezt a folyamatot meggyorsítja. A szerkezetek élettartam-növelésének egyik módja a felület bevonása. Festéssel megóvhatjuk szerkezeteinket a kedvezőtlen környezeti hatásoktól, de pórusos tulajdonsága miatt e réteg gyakran szorul felújításra. Hosszú távon a horganyzott lemezek felhasználása gazdaságosabb, mint a festett lemezeké, mivel nem jelentkezik ismételten a festékréteg felújításának költsége. Gazdasági vonatkozások Nyugat-Európában az elmúlt 15 évben a bevonatos lemezek felhasználásának növekedése jóval meghaladta az egyéb késztermékekét. A tűzi mártó horganyzással előállított termékek iránti nagy keresletet három tulajdonság indokolja: a bevonat rugalmassága, korrózióállósága és utólagos bevonásra történő alkalmassága. Az 1. ábra a bevonatos lemezek felhasználóinak iparágak szerinti megoszlását mutatja Európa országaiban. ábra A bevonatos lemezek felhasználóinak megoszlása iparágak szerint A horganyzott lemezek legjelentősebb felhasználója jelenleg a járműipar. Gazdasági elemzések szerint ezen iparágon belül a következő években a horganyzott lemezek további felhasználás-növekedése várható [1]. Ennek legfőbb oka, hogy a gépjárműipar sikeresen alkalmazza a bevonatos lemezek különböző fajtáit a karosszéria tartósságának növelésére. A gépjármű- és építőipar legnagyobb részt tűzi horganyzott lemezeket használ fel, mivel ezek korróziós védőhatása esetenként jobb, mint az elektrolitikusan bevont lemezek korrózióállósága előállítási költségei ugyanakkor alacsonyabbak. A fejlesztések iránya a bevonatok vastagságának csökkentése és korrózióállóságuk növelése. A hagyományos horganyzott és elektrokémiai úton felvitt krómtartalmú cinkbevonatokon kívül olyan cink, vagy cinkötvözet bevonatokat fejlesztenek ki, melyek korrózióval szembeni ellenállását diszpergált szervetlen vegyületekkel valósítják meg. Ilyen vegyületek a SiO2, Al2O3, BaCrO4, Fe2O3 és gőzfázisból lecsapott cink-magnézium vegyület. A világ számos országában folynak kutatások a szerves kompozit vegyületek bevonatként való alkalmazhatóságára, valamint az acéllemezek két oldalának különböző anyaggal történő bevonására vonatkozóan. [2] A horganyzott lemezek szerves bevonattal történő bevonásának célja a korrózióállóság és esztétikai igény egy időben történő kielégítése. A horganyzott és festett vagy műanyag bevonattal ellátott duplex lemezek alkalmazása egyre növekvő tendenciát mutat. Ezekkel a lemezekkel a gyártók elsősorban a járműipart célozzák meg, ahol egyszerre fontos az alapfém nagymértékű alakíthatósága, a bevonat korrózióállósága és esztétikai szempontból annak utólagos bevonhatósága. A bevonat kialakulása A Sendzimír folyamatos tűzi horganyzási technológia során alacsony alumíniumtartalmú fürdőben, oxidmentesített és lágyított acélszalagot horganyoznak. A bemerülés első pillanataiban magas alumíniumtartalmú, Fe2Al5 képlettel leírható vegyület keletkezik az acéllemez felületén. Ennek a vegyületnek a jelenlétét a kereskedelemben forgalmazott termékeken nem lehet kimutatni, mivel egy –két másodperc eltelte után termikus diffúzió következtében a vasból és alumíniumból álló réteg egy cinktartalmú nem sztöchiometrikus vegyületté (Fe2Al5-xZnx) alakul át. A horganybevonat-alapfém határfelületén kialakult Fe2Al5-xZnx fázisokat a szakirodalom intermetallikus vegyületeknek nevezi. A horganybevonat kialakulása alapjában véve egy diffúziós folyamat, ennek következtében kristályszerkezetét és kémiai összetételét elsősorban a hőmérséklet és a reakció ideje határozza meg. A bevonat minősége szempontjából meghatározó az alapanyag kémiai összetételének hatása, valamint a horganyfürdő hőmérséklete és alumínium-tartalma. A Sendzimír eljárás esetében igen lényeges, hogy az intermetallikus fázis folyamatos legyen, mert ez határozza meg a horganyréteg tapadását és rugalmasságát. A folyamatos, jó tapadást biztosító intermetallikus fázis kialakulásának egyik feltétele az alapfém megfelelő felületi érdessége [3]. Vizsgálati eredmények A kísérleteink során azt vizsgáltuk, hogy az acéllemez felületi struktúrája és a horganyfürdő alumíniumtartalma hogyan befolyásolja a bevonat tapadását. A vizsgálati próbalemezek kémiai összetételét, melyet tömegszázalékban kifejezve az 1. táblázatban láthatunk emissziós spektrométerrel határoztuk meg. 1. táblázat A vizsgált próbalemezek kémiai összetétele Próbajel C% Mn% Si% S% P% Al% K3 0,06 0,20 0,02 0,013 0,013 0,033 S4 0,06 0,23 0,01 0,017 0,012 0,034 S8 0,03 0,19 0,01 0,010 0,010 0,036 K9 0,06 0,19 0,01 0,015 0,010 0,050 Kémiai összetételüket tekintve a próbalemezek az MSZ EN 10142 szabvány szerinti PO3 minőségnek felelnek meg. A kísérleti tekercseket a 2. táblázatban található üzemi paraméterekkel horganyozták. 2. táblázat A vizsgált próbalemezek gyártási paraméterei Próbajel Horgany- hőfok °C Horganyösszetétel Lemez-hőmérséklet °C Zn% Al% Fe% Pb% K3 471 99.736 0,174 0,065 0,025 466 S4 468 99.736 0,174 0,065 0,025 469 S8 466 99.685 0,210 0,085 0,020 465 K9 464 99.685 0,210 0,085 0,020 465   Felület, felületi érdesség A próbalemezek felületi érdességét a horganybevonat leoldása után a DIN 4768:1990 szabvány szerint mértük. A leoldást SnCl2 tartalmú szervetlen savkeverékkel végeztük. Az átlagos felületi érdesség értékeket a 2. ábrán lévő grafikonon szemléltetjük. ábra A próbalemezek felületi érdessége közötti eltérés A K3-, K9-jelű próbák átlagos felületi érdességének számtani középarányosa 1,5 m m, az S4-, S8-jelű próbák esetében ez az érték 0,5 m m. A próbalemezek felületéről készített pásztázó elektronmikroszkópos felvételek a 3-as és 4-es ábrákon láthatók. Az S-jelű minta esetében a felületen sima és érdesebb részek váltakoznak, a K-jelű minta felülete egyenletesen érdes. ábra S-jelű próba felületéről készült SEM felvétel ábra K-jelű próba felületéről készült SEM felvétel   A horganybevonat rétegvastagságának meghatározása A próbalemezek horganybevonatának vastagságát a DIN ISO EN 2178 szabvány szerint, örvényáramos módszerrel határoztuk meg. ábra A próbalemezek horganybevonata közötti eltérés A rétegvastagság mind a négy próbalemez esetén átlagosan 22 m m, ami megfelel a Sendzimir technológiával gyártott kereskedelmi forgalomban lévő horganyzott lemezek elfogadott bevonat vastagságának.   A horganybevonat szerkezetének vizsgálata A mintalemezekből keresztirányú csiszolatokat vágtunk ki, melyeket beágyazás után megfelelő módon csiszoltunk és políroztunk, majd koncentrált sósav gőzében megmarattunk. A horganybevonat szerkezetének vizsgálata pásztázó elektronmikroszkóppal történt. A 6., 8., 10., és 12. felvételeken a horganybevonat/alapfém határfelületen kialakult intermetallikus fázist figyelhetjük meg. Az elektronmikroszkópos képek alatti grafikonok a Fe-, Zn-, Al koncentrációjának változását mutatják az intermetallikus rétegben (7., 9., 11., és 13. ábrák). A koncentrációprofilt ábrázoló grafikonok bal alsó sarka az 1. pontnak, a jobb alsó pedig a 2. elemzési pontnak felel meg. A K3 próba esetében a bevonat/alapfém határfelületen egy széles átmeneti zóna látható (6. ábra), melyben az alumínium koncentrációja nagyobb, mint a bevonatban, illetve alapfémben (7. ábra). Az intermetallikus fázis kristályos jellegét a vonalmenti elemzést eredményeit ábrázoló grafikon fluktuáló értékei jól szemléltetik. ábra Intermetallikus réteg a K3-jelű próba bevonat/alapfém határfelületén ábra Az elemek koncentrációjának változása K3-jelű próba intermetallikus rétegében Az S4 próba intermetallikus fázisában az alumínium koncentrációja jóval kisebb, mint a K3 jelű próbánál és eloszlása sem egyenletes. Megfigyelhető, hogy a maximális alumínium koncentrációt nem a bevonat/alapfém határfelületen, hanem a horganyrétegben mértük. A határfelületen egy főleg vasból és cinkből álló intermetallikus fázis alakult ki, mely sokkal ridegebb, mint a Fe2Al5-xZnx fázis [ 4] . 8. ábra Intermetallikus réteg az S4-jelű próba bevonat/alapfém határfelületén 9. ábra Az elemek koncentrációjának változása az S4-jelű próba intermetallikus rétegében Az S8-jelű minta esetében az alapfém és a horganyréteg között egy nagyobb szemcsékből álló, repedezett intermetallikus réteg látható. A mérőleges repedések, amelyeknek vastagsága helyenként 0,5 nanométer valószínűleg hűléskor keletkeztek. A 11. ábrán látható vonalmenti elemzés szerint az alumínium eloszlása a határfelületen egyenletes. ábra Intermetallikus réteg az S8-jelű próba bevonat/alapfém határfelületén 11. ábra Az elemek koncentrációjának változása az S8 jelű próba intermetallikus rétegében A 12. ábrán látható K9-es próbatest bevonat/alapfém határfelületén egy alumíniumban gazdag, vékony, egyenletes és kompakt intermetallikus réteg alakult ki. A határfelületen csak kis számú és nagyon keskeny repedés található. 12. ábra Intermetallikus réteg a K9 jelű próba bevonat/alapfém határfelületén 13. ábra Az elemek koncentrációjának változása a K9 jelű próba intermetallikus rétegében A bevonat rugalmasságának vizsgálata hajlítással A horganyzott acéllemezek felhasználásuk során (pl. trapézlemez gyártásakor) eltérő mértékű alakításnak vannak kitéve. Fontos, hogy hajlításkor a horganybevonat megfelelően tapadjon az alapfémhez, mert csak ebben az esetben tudja a megfelelő korrózióvédelmet biztosítani. A bevonat rugalmasságának vizsgálatára a mintalemezekből hajlítópróbákat munkáltunk ki és ezeket 180° -ban meghajlítottuk. A 14-20. ábrákon a hajlatokról készített elektronmikroszkópos felvételeket láthatjuk. A HK3 próbatesten a hajlítás következtében a horganyréteg megszakadt, de az alapfémtől –az erős kohéziós erőknek tulajdoníthatóan–, nem vált el. ábra HK3-jelű próba horganybevonata hajlítás után (SEM felvétel) A HS4-as minta esetében hajlítást követően a bevonat több helyen elvált az alapfémtől (15. ábra), a legerősebben alakított részen pedig kiszakadt (16. ábra). ábra HS4 jelű próba horganybevonata hajlítás után (SEM felvétel) 16. ábra Kiszakadt horganybevonat a HS4-jelű hajlított próbán (SEM felvétel) A HS8-as hajlított próba hajlított ívén több helyen horganykimaradást látható (17. és 18. ábra), a nagyobb nagyítású felvételeken jól látszik, hogy a bevonat felszakadása az intermetallikus fázisból indul ki (19. ábra). ábra A horganyréteg leválása a HS8-jelű próba esetén 18.ábra A horganyréteg elválása az alapfémtől a HS8-jelű próba esetén 19.ábra A horganybevonat hibája a HS8-jelű hajlított próbán A 20. ábrán a K9-es próba hajlított (erősen alakított) része látható, ahol a horganybevonat felső részének és az alsó intermetallikus rétegnek megfelelő a rugalmassága. A bevonat és alapfém között az intermetallikus réteg folyamatos átmenetet biztosít. 20. ábra Tapadó horgany a HK9-jelű próba esetén Összefoglalás A bemutatott cikkben a Sendzimir technológiával előállított horganyzott acélszalagok bevonatának intermetallikus fázisát vizsgáltuk a gyártási paraméterek tükrében. Az elvégzett kísérletek bizonyították, hogy az intermetallikus fázis kristályszekezetét és kémiai összetételét a fürdő alumínium tartalma és az alapfém struktúrája nagymértékben befolyásolja. A legegyenletesebb legjobb tapadást biztosító intermetallikus fázis a 0,21 tömegszázalékot tartalmazó fürdőben horganyzott alapfémen alakult ki, amikor az alapfém átlagos felületi érdessége 1,5 m m volt (K9 jelű próbatest). Kevésbé kompakt, repedezett intermetallikus fázis alakult ki ugyanennél az Al-tartalmú fürdőnél, amikor a felület érdessége csupán 0,5 volt (S8 jelű próbatest). A fürdő alacsonyabb (0,174 tömegszázalék ) Al-tartalmát az érdesebb felület némileg kompenzálta ennek következtében durvább, nagyobb szemcséjű de folyamatos intermetallikus fázis alakult ki a K3 jelű próbatest bevonat/alapfém határfelületén. Az alacsony Al-tartalmú kádban horganyzott sima lemezen (S4 jelű próba) nem alakult ki a megfelelő tapadást biztosító intermetallikus fázis. A bevonatok tapadását és rugalmasságát hajlítóvizsgálattal teszteltük. A 180°-os hajlítást csupán a HK9-es lemezen kialakult bevonat és intermetallikus réteg viselte el meghibásodás nélkül, az a bevonat, melyet a megfelelően strukturált, 1,5 m m átlagos érdességű lemezen alakítottak ki a 0,210 tömegszázalék alumíniumot tartalmazó horganyfürdőben.     Irodalomjegyzék [1] Dr. Tardy Pál - Dr. Grega Oszkár: A bevonatolt lemezek felhasználásának várható fejlődése DUNAFERR Műszaki Gazdasági Közlemények, 1997/1 [2] Yukimasa Suemitsu: New coating line technologies Galvatech’95 Conference Proceedings, 1995 [3] J.F.H. van Eijnsbergen: Duplex systems: hot-dip galvanizing plus painting Elsevier, 1994, p. 29-33. [4] S.E. Price, V. Raudle, M. Pichilingi, T. Mages: Formation and development of aluminium inhibition layers during galvanizing / galvannealing Revue de Métallurgie-CIT, Mars. 1999. No.3.