Влияние кремния и фосфора в стали на образование цинкового покрытия

При стандартных температурах горячего цинкования (450-460⁰ С) слои покрытия состоят из всех четырех интерметаллидных фаз, возможных в системе Zn-Fe, а именно Г1, δ, ζ и η (рис.1).

Рисунок 1 – Фазовое строение цинкового покрытия.

Из всех фаз δ- и ζ-фазы являются основными компонентами цинкового покрытия. Они самые интересные. δ-фаза плотная, без пор и трещин, а ζ-фаза обычно имеет четко выраженную столбчатую структуру. Иногда ζ-фаза очень рассеяна, ее кристаллы имеют вид расходящихся ответвлений и внедряются в вышележащий слой η-фазы. Эти структурные особенности делают ζ-фазу очень хрупкой, что снижает прочность покрытия. Кроме того, рост ζ-фазы определяет общую толщину цинкового покрытия.

Структура и состав покрытия зависят от многих факторов. Один из важнейших факторов – примеси в составе стали, особенно содержание Si и Р.

Немецкий исследователь Санделин впервые связал эффект получения толстого покрытия с наличием в цинкуемом металле кремния в определенной концентрации, поэтому этот эффект и был назван впоследствии эффектом Санделина. По его данным кремний в концентрационном интервале 0,05-0,11% вызывает образование толстого, неудовлетворительного по внешнему виду и легко отслаивающегося покрытия.Часто в литературе стали с содержанием кремния 0,05-0,11% называют «реактивными». Если при содержании кремния более 0,2% толщина покрытия растет линейно, а при 0,05-0,11 % Si толщина покрытия возрастает в 3-5 раз (рис.2).

Рисунок 2 - Зависимость толщины покрытия от содержания кремния в стали

Исключить кремнийсодержащие стали из часто цинкуемых проблематично. Это дешевый и очень эффективный упрочняющий легирующий элемент в сталях. Многие конструкционные стали содержат малые количества кремния, т.к. он используется в качестве раскислителя в процессе производства стали.

Еще один элемент, а именно, фосфор, оказывает значительно большее влияние, чем кремний. Фосфор существенно увеличивает толщину покрытия, если сталь не содержит кремния. При содержании кремния в стали до 0,33%, качество покрытия хорошее, если содержание фосфора не превышает 0,01%. При увеличении содержания фосфора до 0,045%, содержание кремния должно быть меньше 0,005%. На сталях, содержащих 0,02-0,04% Si и ≥0,025% Р, наблюдается экстремальный рост толщины покрытия. Следует отметить, что такое количество кремния и фосфора имеют очень многие строительные стали. Стоит отметить, что фосфор является вредной примесью в стали, поэтому технологически его содержание при плавке стараются ограничивать в диапазоне менее 0,03%, что позволяет контролировать и обеспечивать более стабильным процесс оцинкования.

Кремний и фосфор не просто дополняют друг друга, а создают синергический эффект. Совместное влияние кремния и фосфора можно оценить, введя критерий для определения нормальной толщины покрытия, в качестве которого служит соотношение

%Si+2.5%P

Этот критерий носит название «кремниевый эквивалент».

Если содержание в стали фосфора значительно, то необходимо дополнительно учитывать вклад фосфора в проблему реактивности с помощью расчета кремниевого эквивалента.

Исследования научной группы ОАО «Завод Продмаш» установили следующую зависимость толщины покрытия от кремниевого эквивалента(рис.3).

Рисунок 3 - Зависимость толщины покрытия от содержания кремния и фосфора в стали (время выдержки 3 мин.).

Влияние кремния и фосфора в стали на внешний вид покрытия и его структуру представлено в таблице 1

Таблица 1

Класс стали	Марка	Реактивность	Поверхность	Микроструктура
Обычный гипо-Санделин Si 0-0,013 P 0-0,025	С235	Нормальная, иногда очень малая
Семи-Санделин Si 0-0,04 P 0,025-0,035	С235 (Si=0,0185, P=0,033) Ст3кп	Локальные прорывы на поверхность ζ-фазы
Неклассический Санделин Si 0-0,04 P>0,035	Ст3пс Si=0,04 P=0,048	Высокая особенно при высоком содержании фосфора
Санделин, малый фосфор Si 0,04-0,135 P<0,01	Ст3пс Si=0,08 P=0,015	Умеренная, увеличивающаяся с возрастанием кремния
Санделин, высокий фосфор Si 0,04-0,135 P>0,01	Ст3пс Si=0,10 P =0,04	Высокая
Сверх-Санделин, низкий фосфор Si 0,135-0,35 P<0,03	Ст3сп Si=0,16 P =0,023	Высокая
Сверх-Санделин, высокий фосфор Si 0,135-0,35 P>0,03	Ст 10, Ст20, Ст 5 сп	Высокая
Запредельный гипер-Санделин Si>0,35 P>0	09Г2С Si=0,6 P=0,032	Высокая, увеличивающаяся с содержанием кремния

Таким образом, рекомендуется не подвергать горячему цинкованию стали с химическим составом, соответствующим кремниевому эквиваленту 0.15%<%Si+2.5%P<0.2%

На фотографиях таблицы 2 представлен внешний вид покрытия по группам реактивности стали на примере барьерных ограждений:

Таблица 2

Содержание кремния/фосфора (реактивность стали)	Внешний вид покрытия	Средняя толщина покрытия
Нормальная реактивность(низкий кремний/фосфор), аналог S235		В зависимости от технологических параметров – 60-100 мкм Блестящее покрытие.
Реактивная (высокий кремний/низкий фосфор)аналог Ст3 сп		В зависимости от технологических параметров – 80-150 мкм С участками от блестящего до темно-серого матового (разнотонность).
Высокореактивная (Санделин), аналог СТ 3пс		В зависимости от технологических параметров – 50-300 мкм, с возможным отслоением и шероховатостью поверхности