60. อลูมิเนียมในสังกะสีหลอมเหลวส่งผลต่อการชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน-อย่างไร

อะลูมิเนียม (A1) เป็นโลหะสีเงิน-ที่มีโครงสร้างผลึกลูกบาศก์ตรงกลาง (FCC) หน้าปัด- ค่าคงที่ของตาข่ายมีค่าคงที่ 404959.6 นาโนเมตร มวลอะตอม 26.8 จุดหลอมเหลว 658 องศา และจุดเดือด 2000 องศา ผลิตภัณฑ์สังกะสีเชิงพาณิชย์ไม่มีอะลูมิเนียม ซึ่งจงใจเติมในระหว่างการชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน- กระบวนการนี้มีวัตถุประสงค์หลักสามประการ: เพิ่มความแวววาวของพื้นผิวท่อเหล็กชุบสังกะสี ปรับปรุงความยืดหยุ่น ปรับเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก-ชั้นโลหะผสมสังกะสี และปรับผลกระทบของเหล็กในสังกะสีหลอมเหลวให้เป็นกลาง โดยมีรายละเอียดดังนี้ (1) อลูมิเนียมเพิ่มความมันวาวของพื้นผิวและความยืดหยุ่นของท่อเหล็กชุบสังกะสี
ตามทฤษฎี ปริมาณอะลูมิเนียมเพียง 0.02% ในอ่างสังกะสีก็เพียงพอที่จะบรรลุเป้าหมายนี้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอะลูมิเนียมจะออกซิไดซ์บนพื้นผิวสังกะสีได้ง่าย หลักฐานเชิงประจักษ์ชี้ให้เห็นว่าจำเป็นต้องเติมอะลูมิเนียมประมาณ 0.2% เพื่อรักษาระดับที่ต้องการ 0.02% ความสัมพันธ์อันแน่นแฟ้นระหว่างอะลูมิเนียมและออกซิเจนทำให้เกิดชั้นอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ปิดกั้นการแพร่กระจายของออกซิเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปกป้องทั้งอะลูมิเนียมหลอมเหลวและสังกะสีที่อยู่เบื้องล่างจากการเกิดออกซิเดชัน กลไกการป้องกันนี้ยังป้องกันการเกิดออกซิเดชันขององค์ประกอบโลหะอื่นๆ ในอ่างสังกะสีอีกด้วย ดังที่ทราบกันดีว่าซิงค์ออกซิเดชันจะทำให้เกิดซิงค์ออกไซด์สีเหลือง ส่วนตะกั่วและแคดเมียมออกไซด์จะมีสีเหลืองคล้ายกัน หากไม่มีบทบาทในการปกป้องของอะลูมิเนียม พื้นผิวสังกะสีก็จะเปื้อนไปด้วยสารประกอบสีเหลืองอย่างมาก ส่งผลให้ความมันวาวลดลงอย่างมาก ดังนั้น การเติมอะลูมิเนียมในปริมาณที่เหมาะสมจึงเป็นสิ่งสำคัญในการ-ชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อนเพื่อให้ได้สีที่สดใส นอกจากนี้ ปริมาณอะลูมิเนียม 0.2% ในอ่างสังกะสีไม่เพียงแต่ให้รูปแบบการตกแต่งที่เหมาะสมเท่านั้น แต่ยังรับประกันความยืดหยุ่นเป็นพิเศษในชั้นสังกะสีอีกด้วย
อย่างไรก็ตาม American Society for Testing Materials (ASTM) แนะนำว่าไม่ควรใช้อะลูมิเนียมเป็นสารเติมแต่งโลหะเพื่อความสดใส และหากใช้ ปริมาณของอะลูมิเนียมควรจำกัดให้น้อยกว่า 0.01%
(2) การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของชั้นสังกะสี ในทางทฤษฎี ปริมาณอลูมิเนียม 0.2-0.3% ในสังกะสีหลอมเหลวก็เพียงพอที่จะปรับเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของชั้นสังกะสีได้ อย่างไรก็ตาม ในการผลิตจริง อลูมิเนียมจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในสังกะสีหลอมเหลวได้ทันที ทำให้เกิดการบริโภค เพื่อรักษาปริมาณอะลูมิเนียมเป้าหมาย จะต้องเติมอะลูมิเนียมประมาณ 1.5%-3.5% เพื่อแสดงให้เห็นว่าปริมาณอะลูมิเนียมส่งผลต่อโครงสร้างจุลภาคอย่างไร เราจึงวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงจากความเข้มข้นของอะลูมิเนียมต่ำไปสูง: ปริมาณอะลูมิเนียมที่เพิ่มขึ้น 0.05% จะเพิ่มความเงางามของพื้นผิวของชั้นสังกะสี แต่ไม่มีผลกระทบต่อโครงสร้างจุลภาค ดังนั้นชั้นสังกะสีจึงยังคงมีองค์ประกอบเช่นเดียวกับที่ผลิตจากของเหลวสังกะสีบริสุทธิ์ ประกอบด้วยชั้นยึดเกาะ (เฟส a) ชั้นกลาง (เฟส Y) ชั้นตะแกรงแตกเล็กน้อย (เฟส 81) และชั้นลอย (เฟส S) ของสังกะสีบริสุทธิ์ (เฟส n) ความแตกต่างที่สำคัญอยู่ที่ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของผลึกที่แตกต่างกันของเฟสเมื่อเปรียบเทียบกับของเหลวสังกะสีบริสุทธิ์
เมื่อปริมาณอลูมิเนียมในของเหลวสังกะสีเท่ากับ 0.1% การตกผลึกของชั้นลอย (3 เฟส) จะอยู่ในรูปของบล็อกขนาดใหญ่ และไม่ใช่ชั้นที่ต่อเนื่องกัน แต่เป็นการรวมแบบแยกออกจากกัน
เมื่อปริมาณอะลูมิเนียมในของเหลวสังกะสีเท่ากับ 0.15% การกระจายตัวของชั้นลอย (เฟส 5) ไม่ใช่ชั้นต่อเนื่อง แต่เป็นกระจุกผลึกที่มีขนาดใหญ่กว่าและแยกออกจากกัน และมีเพียงชั้นกริด (เฟส 81) เท่านั้นที่แสดงโครงสร้างที่หนาแน่นกว่าเล็กน้อย
เมื่อปริมาณอะลูมิเนียมในอ่างสังกะสีถึง 0.24% ผลของการผสมจะมีประสิทธิภาพสูงในการป้องกันการกัดกร่อน หากอ่างสังกะสีคงอุณหภูมิไว้ที่ 440 องศาเป็นเวลา 1 ชั่วโมงในการชุบ จะไม่พบปฏิกิริยาใด ๆ เมื่อถอดและตรวจสอบ ดังนั้น ชั้นสังกะสีบนตัวอย่างจึงประกอบด้วยชั้นสังกะสีบริสุทธิ์เพียงชั้นเดียว สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากอลูมิเนียมทำปฏิกิริยากับท่อเหล็กเพื่อสร้างฟิล์มผสม FeAl₃ (หรือ Fe₂AlO) ซึ่งยับยั้งการแพร่กระจายของไอออนของเหล็กไปยังชั้นสังกะสี
ดังที่แสดงไว้ข้างต้น ปริมาณอะลูมิเนียมเป็นปัจจัยสำคัญในการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของชั้นสังกะสี เมื่อปริมาณอะลูมิเนียมได้รับการแก้ไขแล้ว พารามิเตอร์กระบวนการอื่นๆ-ซึ่งรวมถึงเวลาในการแช่สังกะสี ความลื่นไหล (ดังแสดงในรูปที่ 3-5) และอุณหภูมิ-ก็มีอิทธิพลต่อโครงสร้างจุลภาคของชั้นสังกะสีด้วย ดังนั้นในการผลิตชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน การทำงานร่วมกันระหว่างปัจจัยทั้งสามนี้จึงอยู่ภายใต้ข้อกำหนดเฉพาะของกระบวนการ โดยการปฏิบัติตามเงื่อนไขการทำงานที่ระบุอย่างเคร่งครัดเท่านั้นจึงจะสามารถบรรลุชั้นสังกะสีที่ต้องการได้
(3) ผลกระทบของเหล็กในอ่างสังกะสีจะถูกชดเชย เนื่องจากอลูมิเนียมสามารถรวมกับเหล็กในอ่างสังกะสีเพื่อสร้างสารประกอบสามชนิด ได้แก่ FeAl, FeAl2 และ FeAl3 ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบต่อการเคลือบสังกะสี