Staal galvaniseren: Krachtige oxidatiebescherming voor duurzame prestaties

Waarom gegooid staal kiezen boven roestvrij staal?

We zeggen dat we 'gegalvaniseerd' zijn wanneer iets ons tot actie prikkelt. Wat betekent het dan wanneer we de term gegalvaniseerd staal of metaal gebruiken?

Het blijkt, het gaat allemaal om de schok.

Ferrometalen bevatten ijzer en omvatten 90% van de wereldwijde metaalproductie. IJzer is dicht, sterk (wanneer gemengd met koolstof om staal te worden), rijkelijk en gemakkelijk te verfijnen. Deze eigenschappen maken het het belangrijkste metaal dat we hebben voor industrie en bouw.

Echter, ijzer en veel van zijn legeringen zijn ook zeer gevoelig voor roest wanneer blootgesteld aan lucht en water. Bescherming tegen corrosie is onderdeel van het ontwerpen van ferrometaal. Soms kan deze bescherming komen van het type legering; roestvrije stalen hebben bijvoorbeeld chroom en andere elementen voor chemische bescherming tegen corrosie. Toch kunnen deze toevoegingen mechanische eigenschappen veranderen. Ze kunnen ook duur zijn. Soms wordt een sealant gebruikt, zoals poedercoating, verf of oliebehandelingen.

Gegaloid staal is nog veelvoorkomender, maar het is minder begrepen. Hoe maakt u gegalvaniseerd staal? Prikt het ferrometalen tot actie? Roest gegalvaniseerd staal? Wanneer gebruikt u gegalvaniseerd staal vs. aluminium vs. roestvrij staal?

Wat is gegalvaniseerd staal?

Galvanisatie is een proces waarbij zinkcoatings op staal of ijzer worden aangebracht, wat een barrière creëert die het ferrometaal beschermt tegen corrosie. De laag zink werkt fysiek door water en lucht te blokkeren om het staaloppervlak te bereiken, en chemisch door kathodische bescherming te bieden. Deze bescherming is electro-chemisch … als de metaforische 'galvanisatie' die ons in actie zet. Het woord komt van de naam van de 18e eeuwse wetenschapper Luigi Galvani, een pionier in bio-elektromagnetisme.

Galvanisatie wordt meestal bij hoge hitte gedaan. Hoewel een zinklaag kan worden toegevoegd door schilderen of electroplaten, creëren beide slechts een dunne laag – een glanzend oppervlak van slechts 3 micron dik. Een topische toepassing als dit is kwetsbaar in buitentoepassingen waar corrosiebestendigheid belangrijk is.

Echte galvanisatie gebeurt bij hoge hitte, en steunt op de chemische interactie tussen zink, zuurstof en koolstofdioxide. De drie reageren bij temperatuur om een donkergrijze zinkcarbonaatlaag te creëren die typisch 50 micron dik is en veel duurzamer in buitenafgelegen locaties.

Roest gegalvaniseerd staal?

U vraagt u misschien af: 'roest gegalvaniseerd staal?' Het antwoord is ja... tot op zekere hoogte, en gebaseerd op de omstandigheden. De mate waarin gegalvaniseerd staal roest, is gebaseerd op de dikte van de beschermende zinkcoating (waarover we later meer detail bespreken) en het type corrosieve omgeving.

In welke omstandigheden roest gegalvaniseerd staal? De meest voorkomende zijn hoge vochtigheid, natte of doorweekte omgevingen, zout in de lucht of water, mos, en zuren. Maar galvanisatie biedt ook goede weerstand tegen contact met beton, mortel, lood, tin, zink en aluminium.

Galvanisatie helpt de strijd tegen roestopbouw te verlengen. Het steunt op de oxidatie van zink om te beschermen tegen de oxidatie van staal of ijzer. Met de juiste omstandigheden, weerstaat gegalvaniseerd staal roesten tot 50 jaar. Roest, of de oxidatie van ferrometalen, wordt gestopt. Toch vindt oxidatie nog steeds plaats in het zink (het is alleen dat dit niet als roest bekend is.)

Wanneer het zink tenslotte volledig geconverteerd is door de oxidatie, zal het niet meer beschermen en het staal zal opgevreet worden.

Warmte-dip galvanisatie

Warmte-dip galvanisatie is de meest voorkomende vorm van zink galvaniseren. In deze methode worden staal- of ijzeronderdelen gereinigd van afval en walsschil en vervolgens in een zink- of zinklegeringsbad bij een temperatuur van bijna 840°F gedoopt. Het staal blijft in het bad tot het dezelfde temperatuur bereikt, waarna het getild en afgekoeld wordt. Deze afkoeling kan snel of langzaam gedaan worden, afhankelijk van de beoogde uitstraling van het eindproduct.

Galvannealing is het proces van galvaniseren in een zinkbad dat een toevoeging van aluminium heeft. Terwijl het metaal nog heet is, wordt het hele product warmtebehandeld, wat de vorming van verschillende straten van zink-ijzerlegeringen veroorzaakt. De toevoeging van aluminium en de warmtebehandeling na geeft het resulterende staal betere letsbaarheid. Galvannealed staal zal over het algemeen een roodachtige roestachtige patina ontwikkelen, maar niet corroderen zoals onbeschermde ferrolegeringen corroderen.

Droog galvaniseren

Een minder veelvoorkomende methode voor zink galvanisatie is droog galvaniseren. Dit proces staat ook bekend als Sherardizing, genoemd naar de metallurg Sherard Cowper-Coles, die de methode ontwikkelde. In deze techniek worden kleine staalonderdelen verhit in een gesloten roterende trommel, samen met zinkstof en zand, totdat de temperatuur en de roling ervoor zorgen dat het zink chemisch aan het oppervlak van het staal fuseert. Het onderdeel wordt dan gequenchd. Het wordt vaak gebruikt voor kleine onderdelen en degene met binnenoppervlakken die onbereikt kunnen zijn door warmte-dip.

Spangle

Een van de traditioneel herkenbare kenmerken van gegalvaniseerd staal is de spangle op het oppervlak. Alle metalen bevriezen in kristallijne vormen, als een reeks sneeuwvlokken dicht bij elkaar gepakt. Voor de meeste metalen is deze kristallijne korrel te klein om te zien, of de korrelgrenzen zijn niet duidelijk zonder etsen. Zinklegering galvanisatie stelt mensen in staat de kristallisatiepatroon te zien die vormt tijdens het bevriezen van het metaal.

Spangle vorm en grootte kunnen een hint geven aan de afkoelomstandigheden na warmte-dip galvaniseren. Hoe langzamer het oppervlak bevriest, hoe groter de kristalkorrels, vaak weergegeven als veer- of bladachtige vormen. Een snelle quench naar koudere temperaturen kan leiden tot kleinere, meer regelmatige, of blokkige korrels.

Veel van de meest opvallende spangle wordt vaak gecreëerd met kleine hoeveelheden lood of tin in de zinklegering. Deze toevoegingen laten de dendriet-achtige creatie van de korrels toe – het proces van bevriezen dat veerachtige vormen moedigt om over het oppervlak te strekken. De ontwikkeling van loodvrije galvanisatie heeft zinkcoatings gecreëerd die van het staal naar boven bevriezen. Deze loodvrije legeringen kunnen rondere spangles creëren die kleiner kunnen zijn dan .5mm. De wisselwerking tussen legering en bevriezingsomstandigheden betekent dat een ervaren galvaniseur de grootte en vorm van spangle in het eindproduct kan beïnvloeden.

Galvanische corrosie en offeranoden

Het galvanisatieproces is niet alleen een kwestie van het creëren van een schil van zink om het metaal om een fysieke barrière te creëren. Als dat zo was, zouden andere metalen gebruikt kunnen worden. Echter, zink beschermt door een chemisch proces genaamd 'kathodische bescherming'.

Wanneer twee metalen met zeer ongelijke elektrische potentiëlen samen in een elektrolytenbad geplaatst worden, beginnen ze te fungeren als anode en kathode in een electrochemische reactie, wat een stroom creëert. Het meest 'actieve' van de twee metalen, de anode, zal sneller corroderen dan als het alleen was, omdat het elektronen afstaat. De elektronen-ontheemde moleculen binnen deze anode zijn chemisch onstabiel, en zoeken stabiele moleculen te vormen met chemicaliën in de omgeving, wat oxiden en andere corrosieproducten produceert. Batterijen gebruiken deze vorm van galvanische corrosie om stroom te genereren.

Metalen worden geklasseerd door hun reactiviteit in een anodische index. Goud, het meest inerte of passieve van de metalen, wordt gebruikt als referentiemateriaal. Alle andere metalen krijgen een getal dat hun spanning vertegenwoordigt wanneer ze in een elektrolytenbad met goud zijn. Deze index is de basis voor de galvanische schaal, die metalen sorteert van meest passief tot meest actief:

Bij galvanisatie bedekt zink, een anodisch metaal, staal of ijzer. Het werkt als een sealant, maar als er enige naaldgaten in de bedekking zijn, betekent de electrochemische offer van zink dat het eerst zal corroderen, als het meer actieve van de twee metalen. Deze eigenschap van een meer anodisch metaal dat een meer kathodisch beschermt, wordt doelbewust gebruikt op scheepsrompen, die, gedompeld in zeewater, risico lopen op corrosie. Deze offeranoden, ook gewoon zinken genoemd, worden meestal aan een romp gebout. Vaak worden zinkonderdelen in een ontwerp van een schroef of ander apparaat opgenomen.

Zink offreert snel, maar niet te snel, in de aanwezigheid van ijzer. Kijkend naar de galvanische schaal, is het duidelijk dat aluminium, magnesium en beryllium ook 'meer actief' kunnen zijn en dus beschermend. Echter, aluminium is moeilijker te binden aan staal, duurder, en te dicht op de anodische index om zo goed te functioneren als offeranode. Aan de andere kant, magnesium zou veel sneller oplossen, en bovendien reactiever in veel omgevingen zijn. Zink heeft ook het voordeel dat het beschermt tegen organische of bacteriële afbraak. Beryllium is zeldzaam, duur en zeer onstabiel.

Afwerken van gegalvaniseerd staal

Wit-roest kan zich op gegalvaniseerd staal vormen als het zink afbreekt in zinkhydroxide. Deze 'roest' is inderdaad het product van zinkcorrosie, maar in normale omstandigheden gebeurt het op een veel langzamere snelheid dan onbeschermd staal oxideert. Om dit proces nog verder te vertragen, wordt het gegalvaniseerde metaal soms geolied, of af en toe chroomgepassiveerd, om een definitieve sealende laag te creëren. Deze oliege of passiverende metalen kunnen niet geschilderd of anders afgewerkt worden, maar in veel klimaten zullen ze er decennia goed uitzien en structureel gezond blijven voor nog langer. Gegalvaniseerd staal is nuttig voor geoliede werkende onderdelen die snel verf kunnen zien afvliegen.

In toepassingen waar de esthetiek van verf of poedercoating geprefereerd wordt, kan gegalvaniseerd staal ongecoat gelaten worden. Toch wordt een item meestal ofwel gegalvaniseerd of geschilderd, niet beide, om de kostenbesparing van elke benadering te behouden.

Gegalvaniseerd staal vs aluminium vs roestvrij staal

Galvanisatie is een kosteneffectieve manier om metaal te beschermen dat blootgesteld zal zijn aan potentieel corrosieve elementen. Aluminium en roestvrij staal worden ook gebruikt voor toepassingen die sterk, corrosiebestendig metaal nodig hebben. Ze zijn betere keuzes voor kookgerei, eetgerei en gezondheidszorg, aangezien te veel zink giftig kan zijn, en zowel zuren als hitte het zink kunnen mobiliseren. In plekken waar gegalvaniseerd staals matte grijze spangle niet ideaal is, bieden ze een schoner, meer aanpasbare esthetiek.

Aluminium en roestvrij staal kosten elk meer, en hun mechanische eigenschappen zijn niet identiek aan staal. Voor toepassingen waar mechanische eigenschappen, esthetiek of metaalgewicht belangrijk zijn, kunnen duurdere materialen de optimale keuze zijn. In andere plekken, waar standaard staals functionaliteit gewenst is, is het galvanisatieproces ideaal voor weerbestendigheid tegen lage kosten.