Verzinken van staal: Metallurgische principes en beschermingsstrategieën

Onbeschermde staalobjecten kunnen ernstige schade oplopen door omgevingsfactoren zoals regen, sneeuw, wind en extreme temperaturen. Deze ongunstige omstandigheden zetten ijzer om in ijzeroxide, waardoor staal corrodeert met een toename in volume en afname in sterkte. Om de staaloppervlakte te beschermen tegen omgevingsinvloeden, worden verschillende beschermende coatingen toegepast. Van de verschillende typen oppervlaktecoatingen is verzinken een zeer populaire en betrouwbare methode.

Warmverzinken voor optimale corrosiebescherming

Warmverzinkte coatingen worden op staal aangebracht om de anticorrosieprestaties te verbeteren, zodat het zo lang mogelijk meegaat met een minimum aan onderhoud. Het aanbrengen van zink- en zinklegeringscoatingen op staal is een van de commercieel meest belangrijke verwerkingstechnologieën om staalobjecten te beschermen die blootgesteld zijn aan corrosieve omgevingen. Technologisch gezien zijn de principes van verzinken onveranderd gebleven sinds deze coating meer dan 200 jaar geleden in gebruik kwam.

Warmverzinken wordt vaak toegepast op producten waarvan het oppervlak blootstaat aan slijtage, zoals drempels in voertuigen, transportwagens, treden, leuningen en roosters.

Metallurgische binding en coatingstructuur

Verzinken vormt een metallurgische binding tussen het onderliggende staal en de zinkcoating, waardoor een barrière ontstaat die integrale onderdeel is van het staal zelf. Verzinkte coatingen hechten zich ten minste tien keer sterker aan het onderliggende staal dan enige andere coating. Tijdens het verzinkproces treedt een reactie op tussen het gesmolten zink en het ijzer in het staal, waarbij een reeks Zn-ijzer legeringslagen ontstaat. De figuur toont een typische microstructuur van de doorsnede van een verzinkte staalcoating, bestaande uit drie legeringslagen en een laag zuiver metalen zink.

Beschermingsmechanismen: Barrière- en kathodische bescherming

Zinkcoatingen verbeteren de aqueous corrosiebestendigheid van staal op twee manieren: (i) barrièrebescherming en (ii) galvanische (kathodische) bescherming. Bij barrièrebescherming scheidt de zinkcoating het staal van de corrosieve omgeving en corrodeert het zink eerst voordat de corrosieve omgeving het staal bereikt. Bij kathodische bescherming ontstaat een elektrolytische cel omdat zink minder edel (anodisch) is ten opzichte van ijzer bij omgevingstemperatuur, en dus offerschijnend corrodeert om het substrataalstaal te beschermen, zelfs als een deel van het staal blootkomt door snijranden of schrammen in de coating.

Kathodische bescherming van verzinkte coatingen

Metalen zink is anodisch ten opzichte van staal. In aanwezigheid van een elektrolyt corrodeert de anodische zinkcoating op verzink staal preferentieel ten opzichte van het kathodische staalbasis, wat corrosie van kleine blootgekomen gebieden voorkomt die kunnen ontstaan door ongelukkige schade aan de coating. Deze kathodische bescherming duurt zolang er zinkcoating aanwezig is.

Wanneer zink en staal in contact komen in een elektrolyt, ontstaat een potentiaalverschil en een elektrolytische cel. Omdat zink elektrochemisch actiever is dan staal, wordt het de anode voor heel het staal, wat de vorming van kleine kathodische en anodische gebieden op het staaloppervlak voorkomd. Door het potentiaalverschil stromen negatief geladen elektronen van de zinkanode naar de staalkathode, waarbij atomen in de anode omgezet worden in positief geladen zinkionen. Aan de kathode trekken negatief geladen elektronen positief geladen waterstofionen uit de elektrolyt aan, waardoor waterstofgas vrijkomt. Er vindt geen chemische reactie plaats tussen de staalkathode en de elektrolyt. Dit fenomeen, bekend als kathodische bescherming, voorkomt corrosie van de staalkathode. De positief geladen zinkionen aan de anode reageren met negatief geladen hydroxilionen uit de elektrolyt, waardoor het zink langzaam wordt verbruikt en offerschijnende bescherming biedt voor het staal. Wanneer een discontinuïteit of schade in de zinkcoating het onderliggende staal blootlegt, zorgt de kathodische bescherming van het zink ervoor dat het blootgelegde staal niet corrodeert.

Bloottests door de American Society for Testing and Materials (ASTM) tonen aan dat paneelgewichtsverlies, een maat voor de corrosiesnelheid, veel lager is voor zink dan voor staal in een breed scala aan blootstellingen. Verzinkte coatingen worden verbruikt met snelheden tussen een zeventiende en een tachtigste van die van staal, zodat zelfs in aggressive omgevingen warmverzinken een lange levensduur biedt.

Verzinkproces

Typische verwerkingsmethoden voor het produceren van zinkcoatingen omvatten warmverzinken, thermisch spuiten en electro-afscheiding. Warmverzinken is een veelvoorkomende en populaire techniek. Het bestaat uit het dompelen van het staalobject in een vloeibad van zink of een zinklegering, hetzij per batch, hetzij continu. Het continue proces is voordeliger voor gewikkelde producten zoals bandstaal, draad en buizen, terwijl het batchproces normaal gebruikt wordt voor bulkproducten.

Voorafgaand aan de dompeling in het vloeibad wordt het staalobject gereinigd om eventuele oppervlakteoxiden te verwijderen die in het zinkbad kunnen reageren. Het oppervlak moet zeer schoon en vrij van oxiden zijn bij invoering in het bad. Na het warmverzinken, waarbij het staal reageert met het bad en de coating vormt, wordt het object uitgehaald, gekoeld en soms vervolgens warmtebehandeld.

Continu verzinken van koudgewalst bandstaal

Bij het verzinken van koudgewalst bandstaal ontvangt het bandstaal doorgaans een in-line aanlasbehandeling bij temperaturen boven 650 °C voor het coatingbad, en wordt vervolgens afgekoeld tot ongeveer 470-490 °C voordat het het bad binnenkomt. Het zink, dat smelt bij 419 °C, heeft normaal een temperatuur van 465 °C. Bandstaal heeft voldoende hoge-temperatuursterkte om door zowel de aanlasoven als het zinkbad getrokken te worden zonder te scheuren of te vervormen. Tijdens de immersietijd (in sommige coatinglijnen zo kort als ongeveer 2 seconden) ondergaan het staal en het gesmolten zink een metallurgische reactie.

Tijdens deze reactie interageren de oppervlakteatomen van het staal (vaste toestand) met de zinkatomen in het bad (vloeibare toestand). Deze interactie heet 'diffusie'. Zinkatomen bewegen in de richting van het staal en ijzeratomen in het staal migreren naar het gesmolten zink. Het resultaat is de vorming van een vaste 'gemengde' laag tussen het staal en het gesmolten zink. Deze laag bevat zink- en ijzeratomen in specifieke verhoudingen en heet een 'intermetallisch' verbinding. Het mengen van atomen van verschillende metalen heet legeren, en de diffusiezone die ontstaat tijdens verzinken is een intermetallische legering. Het is deze legeringszone, wanneer correct gevormd, die de uitstekende hechting tussen het staal en de zinkcoating biedt.

Hardheid en slijtvastheid van de coatinglagen

De hardheid van de gamma-, delta- en zeta-lagen van de zinkcoating, uitgedrukt in DPN (diamantpiramidenummer), is hoger dan die van het onderliggende staal. Door deze hogere hardheid bieden deze lagen uitstekende bescherming tegen coatingschade door abrasie. De etalaag van de coating is laag in hardheid, dus tamelijk duktil, en biedt de coating een zekere stoßweerstand. De zeta-, delta- en gamma zink-ijzer legeringslagen zijn eigenlijk harder dan het basistaal, wat resulteert in de uitstekende weerstand van verzink staal tegen abrasie en mechanische schade. Abrasieve of zware belastingcondities in dienst kunnen de relatief zachte etalaag van zink van een verzink oppervlak verwijderen, maar de zeer harde zetalegering wordt dan blootgelegd om verdere abrasie en zware belasting te weerstaan.

Oppervlaktespanningskrachten zorgen ervoor dat een laag gesmolten zink aan het staal blijft hechten wanneer het het bad verlaat. Nadat overtollig zink is afgewist, verstomt het resterende vloeistof na afkoeling onder 419 °C. Het eindproduct (verzink staal) bestaat uit de staalkern, met een intermetallische legeringslaag en een outer zinklaag aan beide kanten. Als het zinkbad aluminiumvrij is, kan een doorsnede van de coating eruitzien zoals in de figuur getoond.

Samenstelling en eigenschappen van de coating

De samenstelling van een gezinckt staalobject bestaat uit: (i) de overlappende of coatinglegering, (ii) een interfaciale laag tussen de overlay en het substrataalstaal met een reeks intermetallische verbindingen, en (iii) het substrataalstaal. Elk van deze gebieden kan beïnvloed worden door de badtijd en -temperatuur, evenals de chemie van zowel het bad als het substrataalstaal. De intermetallische legeringslagen zijn een mengsel van zink- en ijzeratomen. Ze bieden een hoge graad van binding tussen het staal en de outer zinkcoating. Helaas hebben deze legeringen een zeer slechte duktiliteit: ze zijn hard en broos. Wanneer het verzinkte bandstaal in een vorm wordt gebracht, is er een grote kans op scheurkraking in de legeringen, waardoor de zinkcoating kan afvlakken. Dit gedrag beperkt ernstig de mogelijkheid om het verzinkte bandstaal in vormen te brengen zoals getrokken bekers, dakpaneelen, Nauwe sloten of sterk gerekte autokotvleugels.

De legeringslaag is essentieel voor een goede binding tussen staal en zink. Deze laag moet ook continu zijn (over het gehele oppervlak van het object) om de coating porievrij te maken. Zonder de vorming van een legeringsbindingszone te beïnvloeden, moet de aard van de legering zo worden gewijzigd dat het vormen van het verzinkte bandstaal in ingewikkelde vormen mogelijk wordt.

Hardheid, duktiliteit en hechting combineren om de verzinkte coating een zeer goede bescherming te geven tegen schade bij ruwe behandeling. De structuur van de verzinkte coating en de relatieve dikte van de zink-ijzer legeringslagen hebben weinig of geen effect op de beschermende levensduur van de coating. De beschermende levensduur hangt af van de totale coatingmassa.

De dikte van de coating is evenredig aan de coatingmassa. De dikte van warmverzinkte coatingen wordt bepaald door de dikte van de zink-ijzer legeringslagen die vormen wanneer het staal reageert met het zink. Hogere coatingdikte van verzink staal resulteert in betere corrosieweerstand en verbeterde duurzaamheid. Het kan echter leiden tot lage vormbaarheid van het staal. De trekkracht van de gezinckte laag neemt toe met toenemende dikte. Verder zijn verzinkte coatingen iets dikker aan de hoeken en randen, wat een belangrijk voordeel is ten opzichte van de meeste organische coatingen die in deze kritieke gebieden uitdunnen.

Factoren die coatingdikte, legeringsstructuur en afwerking beïnvloeden

De dikte, legeringsstructuur en afwerking van verzinkte coatingen worden beïnvloed door: (i) de oppervlakteconditie van het staal, en (ii) de samenstelling van het staal. Verlenging van de immersietijd in het verzinkbad verhoogt de coatingdikte niet, behalve in het geval van siliciumstalen. Ook dubbel dompelen of een tweede keer verzinken verhoogt de dikte van de verzinkte coating niet en kan de coatingafwerking nadelig beïnvloeden.

Oppervlakteconditie van het staal

Straalbehandelen van staal voor het verzinken verruwt het oppervlak en vergroot de oppervlakte, wat resulteert in hogere reactiviteit ten opzichte van gesmolten zink. Er treedt meer zink-ijzer legeringsgroei op tijdens het verzinken, wat dikere coatingen oplevert, ten koste van een ruwer oppervlak en een slechtere uiterlijk. De toepassing van deze methode voor het verkrijgen van dikere coatingen wordt normaal beperkt door praktische en economische overwegingen.

Samenstelling van het staal

Zowel de silicium- als de fosforinhoud kunnen grote effecten hebben op de structuur, uiterlijk en eigenschappen van verzinkte coatingen. In extreme gevallen kunnen coatingen excessief dik, broos en gemakkelijk beschadigbaar zijn.

Bepaalde siliciumgehalten resulteren in excessief dikke verzinkte coatingen. Deze zeer dikke coatingen ontstaan door de verhoogde reactiviteit van het staal met gesmolten zink en snelle groei van zink-ijzer legeringslagen op het staaloppervlak. Excessieve groei in coatingdikte treedt op bij stalen met siliciumgehalten in het bereik van 0,04% tot 0,14%. Groeisnelheden zijn lager voor stalen met 0,15% tot 0,22% silicium, en nemen toe met toenemende siliciumniveaus boven 0,22%.

De aanwezigheid van fosfor boven een drempelwaarde van ongeveer 0,05% produceert een duidelijke toename van de reactiviteit van staal met gesmolten zink en snelle coatinggroei. In combinatie met silicium kan fosfor een disproportioneel effect hebben, wat resulteert in excessief dikke verzinkte coatingen.

Als richtlijn voor de geschiktheid van silicium- en fosforbevattende stalen voor verzinken gelden de criteria: (i) % Si < 0,04%, en (ii) % Si + (2,5 x % P) < 0,09%. Verzinkte coatingen op siliciumstalen zijn normaal matig grijs of vlekkerig grijs van kleur met een ruwe afwerking, en kunnen broos zijn.

De coatinglevensduur is evenredig aan de verhoogde dikte en wordt niet beïnvloed door het uiterlijk, mits de coating gesond en continu is. Over het algemeen liggen de dikte, hechting en uiterlijk van verzinkte coatingen op silicium- en fosforstalen buiten de controle van het verzinkpersoneel.

Mechanische eigenschappen van verzink stalen

Het verzinkproces heeft geen effect op de mechanische eigenschappen van de constructiestalen die normaal verzinkt worden.

Sterkte en duktiliteit

Er is een zeer groot aantal experimenten en tests uitgevoerd om te bepalen of, en in welke mate, warmverzinken de mechanische eigenschappen van laagkoolstof, niet-gelegerde en laaggelegerde stalen beïnvloedt. De testresultaten zijn samengevat en gelden zowel voor staal verzinkt bij de normale (460 °C) als hoge (560 °C) temperaturen.

De uittrekkracht, rekgrens, rek bij breuk en krimp van warmverzink staal blijft praktisch onveranderd na warmverzinken, zowel in de gelaste als niet-gelaste toestand. De kracht van koudbewerkt of warmtebehandeld staal kan verminderen tijdens warmverzinken. De mate van de vermindering hangt af van de graad van bewerking of de aard van de warmtebehandeling. De kerbzwaarte van warmverzink staal vermindert enigszins ten opzichte van kunstmatig geoude monsters, maar niet genoeg om het gebruik van het staal te beïnvloeden.

De duktiliteit van staal wordt niet beïnvloed door warmverzinken. Excessief buigen kan echter leiden tot scheuring in de zinkcoating zelf. 1-t buigingen in veel stalen worden embrittled door verzinken, maar verzinkte 2-t en 3-t buigingen in alle stalen kunnen volledig gestrekt worden zonder scheuring.

In een studie waarin de mechanische eigenschappen van 19 verschillende constructiestalen uit grote industriële gebieden van de wereld werden onderzocht voor en na verzinken, werd bevonden dat het verzinkproces geen effect heeft op de trek-, buig- of slopeigenschappen van enig van de bestudeerde constructiestalen. Noch tonen zelfs de hoogste sterkteversies waterstofembrittlement na een typische voorbehandling in geïnhibeerde HCl of H2SO4.

Veranderingen in mechanische eigenschappen toe te schrijven aan het verzinkproces zijn alleen gedetecteerd wanneer het staal vóór verzinken koud is bewerkt, maar dan zijn alleen bepaalde eigenschappen beïnvloed. Zo zijn de trekkracht, strekkracht en trekrekking van koudgewalst staal onveranderd, behalve dat de trekrekking van 40% koudgewalst staal neigt toe te nemen door verzinken.

Brosheid en scheurvorming

Koudbewerking verlaagt de kerbzwaarte van staal en verhoogt de overgangstemperatuur voor bros breuk. Oudering bij verhoogde temperaturen versterkt dit effect. Zelfs als het staal zelf is verouderd, kan het effect van koudbewerking voldoende zijn om het staal onvoldoende zwaarte te geven om aan de toepasselijke eisen te voldoen. Het verouderingsproces kan in bepaalde gevallen versneld worden bij de verhoogde temperatuur van het verzinkbad. Deze stalen worden uiteindelijk echter broos, of ze nu warmverzinkt worden of niet.

Bij warmverzinken is het belangrijk te weten of componenten koud zijn bewerkt. Zowel aluminium- als siliciumgedood staal kunnen negatief beïnvloed worden door koude vervorming en veroudering door verzinken. Als koudbewerking van een gevoelig staal niet vermeden kan worden, moet het staal ontspannen worden bij 600-650 °C gedurende 30 minuten of genormaliseerd vóór verzinken. Gevoelige stalen zijn echter relatief niet veelvoorkomend.

Warmverzinken van gewoon ongelegeerd of laaggelegerd constructistaal geeft geen aanleiding tot waterstofembrittlement. Waterstof, die tijdens beitsen kan worden geabsorbeerd, wordt grotendeels thermisch uitgejaagd bij dompeling in het zink. Absorptie van waterstof kan echter leiden tot embrittlement van enkele geharde of hoge-snelheids stalen. Straalbehandelen in plaats van beitsen is een mogelijkheid om het probleem te vermijden.

Interkristallijne scheuring kan in bepaalde gevallen optreden bij warmverzinken door penetratie van zink in de korrelgrenzen van het staal. Een voorwaarde hiervoor is dat grote spanningen zijn geïnduceerd door lassen of verharden van het staal. Het risico op interkristallijne scheuring of breuk door zinkpenetratie is verwaarloosbaar bij warmverzinken van gewoon constructistaal. Echter, gehard materiaal kan gevoelig zijn. Het risico op scheuring kan geminimaliseerd worden als staal wordt geanst bij temperaturen hoger dan die in het zinkbad, dus boven 460 °C.

Embrittlement

Het is vrij zeldzaam dat staal na verzinken in een embrittled toestand verkeert. Het optreden van embrittlement hangt af van een combinatie van factoren. Onder bepaalde condities kunnen sommige stalen hun duktile eigenschappen verliezen en embrittled raken. Verschillende typen embrittlement kunnen optreden, maar van deze typen wordt alleen strain-age embrittlement verergerd door het verzinkproces.

Gevoeligheid voor strain-age embrittlement

Strain-age embrittlement wordt veroorzaakt door koudbewerking van bepaalde stalen, voornamelijk laagkoolstof, gevolgd door veroudering bij temperaturen onder 600 °C, of door warm bewerken van stalen onder 600 °C. Alle constructiestalen kunnen tot een zekere mate embrittled raken. De mate van embrittlement hangt af van de hoeveelheid vervorming, tijd bij verouderingstemperatuur, en staalsamenstelling, met name de stikstofinhoud. Elementen die bekend zijn om stikstof te binden in de vorm van nitriden, zijn nuttig om de effecten van strain ageing te beperken. Deze elementen omvatten aluminium, vanadium, titanium, niobium en boor.

Waterstofembrittlement

Waterstof kan in staal worden geabsorbeerd tijdens zuurbeitsen, maar wordt snel uitgejaagd bij verzinktemperaturen en is geen probleem bij componenten vrij van interne spanningen. Bepaalde stalen die koud bewerkt en/of gespannen zijn tijdens beitsen, kunnen door waterstofembrittlement beïnvloed worden tot op een mate dat scheuring kan optreden vóór verzinken.

Het verzinkproces omvat dompeling in een bad van gesmolten zink van ongeveer 450 °C. De warmtebehandelingseffect van verzinken kan de aanvang van strain-age embrittlement in gevoelige stalen die koud bewerkt zijn, versnellen. Geen ander aspect van het verzinkproces is significant.

Lasspanningen

In gelaste constructies worden lasspanningen deels verminderd door warmverzinken. Verhardingsspanningen in de door hittestraling beïnvloede zones worden ook verminderd. Dit betekent dat gelaste constructies een hogere statische sterkte hebben in de warmverzinkte vorm dan in de onbehandelde toestand.

Vermoeidheidssterkte

De vermoeidheidssterkte wordt verschillend beïnvloed door warmverzinken, afhankelijk van staalsoort. Er is een relatief kleine reductie in aluminiumgedood staal, terwijl de reductie in siliciumgedood staal iets hoger kan zijn. De reden hiervoor is de verschillende samenstelling van de ijzer-zink laag. Onder vermoeidheidscondities vormen scheuren in deze laag die dan als initiatoren kunnen fungeren voor scheuring in het staaloppervlak.

Bij de bepaling van vermoeidheidsgegevens in laboratoriumexperimenten wordt warmverzinkt materiaal vergeleken met 'nieuw', onbehandeld staal. Maar als een onbehandelde constructie buiten blootgesteld wordt, wordt het onmiddellijk aangevallen door corrosie. Putjes vormen die 5 tot 7 keer dieper zijn dan de algemene corrosie, en de vermoeidheidssterkte daalt snel. Integenstelling tot dit, verandert de vermoeidheidssterkte van warmverzink staal niet nennenswaardig tijdens de bloottijd, mits de zinkcoating op het staal blijft. Onder normale omstandigheden treedt putvorming niet op in de zinkcoating. De reductie in vermoeidheidssterkte veroorzaakt door warmverzinken is klein vergeleken met de reductie door corrosieaanval. Het is ook op te merken dat abrasief straalbehandelen en, nog meer, lassen ook de vermoeidheidssterkte verlagen.

Praktijkervaring toont aan dat de vermoeidheidssterkte van de normaal verzinkte stalen niet significant beïnvloed wordt door verzinken. De vermoeidheidssterkte van bepaalde stalen, met name siliciumgedood staal, kan verminderen, maar elke reductie is klein vergeleken met de reducties die kunnen optreden door putcorrosieaanval onverzinkte stalen, en met de effecten van lassen.

Voor praktische doeleinden, waar ontwerplevensduur gebaseerd is op de vermoeidheidssterkte van lassen, kunnen de effecten van verzinken genegeerd worden. Vermoeidheidssterkte wordt verminderd door de aanwezigheid van kerven en lasperlen, ongeacht de effecten van processen met een verwarmingscyclus zoals verzinken. Snelle afkoeling van warm werk kan micro-scheuring induceren, met name in laszones, wat een kerneffect produceert met consequent reducties in vermoeidheidssterkte.

In kritische toepassingen schrijven specificaties voor het verzinken van gelaste staalconstructies luchtkoeling voor in plaats van waterafschrikken na verzinken om de mogelijkheid van micro-scheuring en reducties in vermoeidheidssterkte te vermijden.

Koudbewerking

Koudbewerking zoals gaten persen, scheren en buigen vóór verzinken kan leiden tot embrittlement van gevoelige stalen. Stalen in diktes minder dan 3 mm zijn onwaarschijnlijk significant beïnvloed.

Verzink staal en brand

Warmverzink staal brandt niet, maar de sterkte neemt af bij toenemende temperatuur. Staalconstructies blijven stabiel tot de kritische temperatuur bereikt is. Dit treedt op tussen 500 °C en 750 °C, afhankelijk van de belastingssituatie.

Verzink staal blootgesteld aan verhoogde temperaturen

Een studie naar hoe warmverzinkte coatingen reageren bij blootstelling aan verhoogde temperaturen heeft aangegeven dat de coatingen temperaturen tot 275 °C kunnen aan, wat geldt als de bloottijd relatief kort is. Voor bloottijden langer dan een paar weken is deze temperatuur te hoog. De resultaten hebben getoond dat hoge-temperatuur verzinkte coatingen (dompeling bij 560 °C) slechter reageren op verhoogde temperaturen dan coatingen gevormd door laag-temperatuur verzinken.

De reden is dat een verhoogde temperatuur vaste-fase transformaties in de coating veroorzaakt. De uiterste zuiver zinkcoating wordt getransformeerd naar een intermetallische ijzer-zink fase. Wanneer de gehele coating uit deze ijzer-zink fase bestaat, wordt het brozer en kunnen scheuren vormen, met name tijdens afkoeling (cyclische processen). Hoge-temperatuur verzinkte coatingen zijn extra gevoelig omdat ze van begin af aan voornamelijk uit intermetallische fasen bestaan. Combinaties van verhoogde temperaturen en mechanische spanningen, bijvoorbeeld trillingen, zijn te vermijden. Laag-temperatuur coatingen met een groot deel zuiver zink hebben de beste mogelijkheid om verhoogde temperaturen langere periodes te weerstaan.

Slijtvastheid

Zuinig zink is een zacht metaal, maar het is harder dan de meeste organische coatingen. De intermetallische ijzer-zink fasen die tijdens warmverzinken ontstaan, zijn echter zeer hard, zelfs harder dan gangbare constructiestalen. Hierdoor zijn de ijzer-zink fasen meer slijtvast dan zuiver zink. Studies hebben getoond dat de intermetallische laag een slijtvastheid heeft die 4 tot 5 keer beter is dan de zuiver zinklaag.

Atmosferische corrosieweerstand

De levensverwachting van een warmverzinkte coating is ruwweg evenredig aan de dikte van de coating. In elke gegeven omgeving is het mogelijk te voorspellen hoe lang een coating gaat duren voordat reparatie nodig is. Bij een verzinkte coating is de levensverwachting gebaseerd op het verschijnen van 5% roest op het staaloppervlak.

De weerstand tegen atmosferische corrosie van warmverzink staal hangt af van klimatologische factoren zoals luchtvochtigheid, neerslag, nabijheid van de kust en de aanwezigheid van verontreinigingen. De laatste kan een bijzonder schadelijk effect hebben op de prestaties van de coating, afhankelijk van welke verontreinigingen in de omgeving aanwezig zijn.

Corrosiesnelheden van warmverzink staal op kustlocaties (doorgaans binnen 1 km van de hoogwatermerk) kunnen hoog zijn. Industriële gassen zoals zwaveldioxide en stikstofoxiden aanvallen de zinkcoating, net als ammoniak gassen. In landelijke gebieden kunnen warmverzinkte coatingen goed meer dan 80 jaar meegaan. Deze prestatie kan gecompromitteerd worden door excessieve toepassing van insecticiden en meststoffen, die in combinatie met vocht de coating aanvallen. Interessant genoeg verouderen verzinkte coatingen tot een lichtere kleur in zeeklimaten en tot donkerdere kleuren in landelijke en industriële omgevingen.

In sommige gevallen transformeert de warmverzinkte coating tot een roodachtige tint, vaak ten onrechte aangenomen als roestvorming. Deze verkleuring treedt op wanneer de zink-ijzer legeringen met de atmosfeer reageren om een specifieke beschermende film op basis van zink-ijzer legering te vormen. In bepaalde omgevingen kunnen de zink-ijzer legeringen zelfs betere corrosiebeheersing van het onderliggende staal bieden dan zuiver zink.

Rol van aluminium

Meer dan 75 jaar geleden werd ontdekt dat de toevoeging van een kleine hoeveelheid aluminium aan het coatingbad de perfecte oplossing is voor het veranderen van de aard van de legeringslaag zonder de vorming van de legeringsbindingszone te beïnvloeden, zodat het vormen in ingewikkelde vormen mogelijk wordt. Aanvankelijk was de reden waarom het zo effectief werkte niet begrepen, maar er werd waargenomen dat aluminium in het zinkbad de legeringslaag zeer dun maakte vergeleken met die van een aluminiumvrij bad. Aluminium is een inhibitor die de zink-ijzer reactiesnelheid aanzienlijk vertraagt. Deze dunner, en dus duktilere, legeringslaag stelt het gecoate bandstaal in staat om in veel complexe vormen gebracht te worden zonder verlies van coatinghechting, omdat het niet geneigd is tot de ontwikkeling van grote interne scheurkrakingen.

Het gebruik van aluminium, op een niveau van ongeveer 0,15%, is de standaard geworden voor verzinkbaden in continue verzinklijnen. Deze praktijk wordt nog steeds gebruikt. Er is nu echter een veel beter begrip van de metallurgie van aluminium in zink, waardoor de aluminiumconcentratie nauwer gecontroleerd wordt. Sommige producenten gebruiken 0,2% tot 0,3% aluminium, maar de meeste blijven in het bereik van 0,15% tot 0,19%. Bij het maken van zink-ijzer coatingen (galvanneal) wordt het aluminiumniveau verlaagd tot het bereik van 0,11% tot 0,135%.

Hoewel de toevoeging van zo een kleine hoeveelheid aluminium een uitgesproken effect heeft op de vormbaarheid van verzink bandstaal, heeft het niet veel effect op het bulk corrosiegedrag. Echter, aangezien het aluminium zich concentreert in de legeringslaag, en tot op zekere hoogte aan het oppervlak van het zink, kan het nadelig uitwerken op zaken zoals puntlassen, solderen, en witrostvorming. Deze nadelen zijn echter onbeduidend in vergelijking met het gunstige effect dat aluminium uitoefent op de mogelijkheid om het verzinkte bandstaal te vormen zonder verlies van coatinghechting.

Spangle: oppervlakteverschijnsel van zinkcoating

Als de zinkcoating op het staaloppervlak uithardt, groeien dendritische kristallen om een kern van uithardend zink, en in sommige gevallen vormt een bloemachtig patroon van heldere zinkkristallen, 'spangle' genoemd, op het oppervlak van het verzinkte staal. De coatingdikte is veel kleiner dan de diameter van een spangle. Bepaalde staalsamenstellingen zorgen ervoor dat de zink-ijzer legeringslaag groeit tot aan het oppervlak van de verzinkte coating, wat een matte grijze afwerking oplevert.

In sommige toepassingen wordt het spanglepatroon als wenselijk beschouwd omdat het het product een aantrekkelijk uiterlijk geeft, maar bij autostaal belemmeren de oppervlakteruwigheid en verschil in kristallijn oriëntatie geassocieerd met spangle het uiterlijk van het staal na lakken, dus is het in dergelijke stalen niet wenselijk. Voor dergelijke stalen is een extreem fijn spanglepatroon nodig.

Vorming van spangles

Spangles ontwikkelen zich wanneer het gesmolten zink dat aan het staal hecht, wordt afgekoeld onder het smeltpunt van zink (rond 419 °C). Bij deze temperatuur beginnen de willekeurig gerangschikte atomen in het vloeibare zink zich in een zeer geordende rangschikking te positioneren. Dit gebeurt op veel willekeurige locaties binnen de vloeibare zinkcoating. Dit transformatieproces is het proces van uitharding of kristallisatie. De kleine uithardende gebieden binnen het vloeibare zink worden gedefinieerd als 'korrels'. Als individuele atomen in het vloeibare zink zich hechten aan een uithardende korrel (wat korrelgroei veroorzaakt), doen ze dit op een geordende manier en vormen een duidelijk array, of kristal. In het geval van zink vormen de kristallen een hexagonale symmetrie. Naarmate de vaste zinkkorrels groter worden, rangschikken individuele zinkatomen zich in de vaak zichtbare hexagonale symmetrie van de eindspangle. Wanneer de coating volledig uithard is, definiëren individuele spangles individuele korrels van zink.

De term 'kernvorming' definieert het proces van transformatie van willekeurig gerangschikte atomen van vloeibaar zink in een kleine geordende array van atomen in de zaadkristallen in het beginstadium van uitharding. Een hoge kernvormingssnelheid neigt tot de vorming van talrijke kleine korrels in de uiteindelijke uitharde structuur, terwijl een lage snelheid de groei van grote korrels bevordert.

Er is nog een aspect van het uithardingsproces dat leidt tot het sneeuwvlokpatroon in verzinkcoatingen: dendritische groei. Dendritische groei zorgt ervoor dat de individuele uithardende korrels groeien in de vloeibare zinkcoating met een duidelijke afgeronde voorrand. Een primaire dendrietarm en secundaire dendrietarmen die lateraal van de primaire dendrietarm afgrooien, zijn getoond in de figuur. Dendrieten zijn zichtbaar in een verzinkcoating omdat we een tweedimensionale versie zien van de gegoten, dendritische, uitharde korrelstructuur.

De groeisnelheid van de dendrietarmen tijdens de uitharding van de vloeibare zinkcoating concurrentieert met de kernvormingssnelheid van nieuwe korrels binnen het vloeibare zink. Dit proces bepaalt de uiteindelijke grootte van de volledig uitharde structuur. In de figuur is een goed gedefinieerd groot spanglepatroon te zien, wat aangeeft dat de dendrietgroei de uitharding domineerde, wat leidde tot een klein aantal grote spangles. Het kenmerk van dergelijke spangles is dat ze dikst zijn in het centrum en dunst aan de randen (korrelgrenzen) en dus moeilijk te gladstrijken door aanlaswalen. Aan de andere kant hebben zinkcoatingen met kleinere spangles minder ingedukte grenzen en kunnen worden gladgestoomd door aanlaswalen. De aard en snelheid van dendritische groei tijdens de uitharding van vloeibaar zink wordt sterk beïnvloed door andere metallische elementen aanwezig in het vloeibare zink.

De grootte van de spangle hangt af van de zinkchemie, afkoelsnelheid en andere factoren zoals gladheid van de staalbasis. De figuur toont een vergelijking van verschillende spanglegroottes. Spangles kunnen kwalitatief geclassificeerd worden in de volgende drie categorieën.

Reguliere spangle

Zichtbare meervlakkige zinkkristalstructuur op gezinckt staal. De afkoelsnelheid is onbeheerst, wat een variabele korrelgrootte produceert.

Geminimaliseerde spangle

Deze korrelpatronen op gezinckt staal zijn zichtbaar voor het ongewapende oog. Ze zijn kleiner en minder duidelijk dan het patroon zichtbaar op reguliere spangle. De zinkkristalgroei wordt aangehouden door speciale productietechnieken of geïnhibeerd door een combinatie van coatingbadchemie en afkoeling.

Spangle-vrij

Spangle-vrije gezinckte stalen hebben een uniforme afwerking waarin de oppervlakte-onregelmatigheden gecreëerd door spanglevorming niet zichtbaar zijn voor het blote oog. De afwerking wordt geproduceerd door een combinatie van coatingbadchemie, afkoeling of beide.

Invloed van lood en antimon

Bij zinkcoating is de meest voorkomende reden voor het goed gedefinieerde dendritische groeipatroon de aanwezigheid van lood in het vloeibare metaal. Aanwezigheid van lood in het vloeibare zink resulteert in grote spangles, omdat het de vaste/vloeibare interfaciale energie in de uithardende coating verlaagt. Dit leidt tot een toename in dendrietgroesnelheid wat resulteert in grote spangles. Lood neerslaat aan het coatingoppervlak, en de varierende verdeling van looddeeltjes over het oppervlak definieert de optische verschijning (heldere of matte spangles).

In vroeger dagen bevatten zinkcoatingen zoveel als 1% lood. Gedurende de afgelopen 40 jaar is het percentage lood teruggebracht. Typische concentratie lood dezer dagen is minder dan 0,15%, vaak zo laag als 0,03% tot 0,05%. Zelfs deze lagere hoeveelheid lood is nog steeds voldoende om dendritisch groeigedrag tijdens het uithardingsproces te ontwikkelen. Momenteel wordt loodniveau in het bereik van 0,05% tot 0,10% in het vloeibare zinkbad gehandhaafd om een goed ontwikkeld spanglepatroon te bereiken. Omdat er nu milieuzorgen zijn over het gebruik van lood, zijn praktijken ontwikkeld om loodvrij zink te gebruiken en een kleine hoeveelheid antimon toe te voegen aan het vloeibare zinkbad (0,03% tot 0,10%) voor het bereiken van een goed ontwikkeld spanglepatroon.

Bij loodbevattend zink voor het verkrijgen van een gladde coating, is het mogelijk om spanglegroei te onderdrukken door de coating snel af te koelen. Dit wordt gedaan door het gebruik van een spangle-minimaliserend apparaat boven het zinkbad. Deze apparaten richten stoom of zinkstof op het oppervlak om het vloeibare zink snel te laten uitharden en de spangle klein te houden. Dergelijke technologie is niet nodig bij loodvrij zink (loodgehalte normaal minder dan 0,01% en frequent minder dan 0,005%). Loodvrije coatingen geven een spangle-vrij oppervlak wat de hoge kwaliteit afwerking levert die nodig is door de auto- en apparatenindustrie.

Loodvrije coatingen hebben een korrelpatroon dat nauwelijks zichtbaar is voor het ongewapende oog. Typisch zijn de spangles 0,5 mm in diameter. In dergelijke coatingen groeien de korrels niet door een dendritische modus maar door een cellulaire groeimodus. De korrels kernvormen op het staaloppervlak en groeien naar buiten toe in de richting van het vrije oppervlak. Afwezigheid van grote spangles maakt het staaloppervlak helder en de korrelgrensdepressies bestaan niet. Niet-spangle coating gecombineerd met aanlaswalen maakt het staal erg glad wat geschilderd kan worden om een zeer gladde afwerking te geven.

Het is niet makkelijk om niet-spangle coatingen vrij van lood of antimon te produceren vanwege hun invloed op de viscositeit van het vloeibare zink. Het is moeilijk om zakking en rimpels in de zinkcoating te vermijden door de hogere viscositeit van vloeibaar zink wanneer lood of antimon niet aanwezig is. Hoe dikker de coating, des te groter de neiging om zakkingen en rimpels te vormen. Echter, de auto- en apparatenindustrie heeft dunne coatingen nodig en hun producten worden gemaakt op hoge-snelheidslijnen, wat producenten in staat stelt om loodvrije coatingbaden te gebruiken voor het vermijden van spangles en toch een rimpelvrije coating te bereiken.