Alkusivu

Reaktiot raudan ja sinkin välillä

 

Sulan sinkin lämpötila tavallisessa kuumasinkityksessä on noin 460°C. Pienten osien sinkityksessä kuten
helat, ruuvit, mutterit ja aluslevyt, käytetään n. 550- 560°C:n lämpötiloja linkokäsittelyn helpottamiseksi. Yli 470°C:n lämpötiloissa on välttämätöntä käyttää keraamisesta materiaalista valmistettua sinkkiupokasta. Alemmissa lämpötiloissa käy teräspata.

 

Kun teräs joutuu kosketuksiin sulan sinkin kanssa, tapahtuu metallien välillä reaktio, jossa rauta ja sinkki muodostavat keskenään yhdisteitä. Pinnoite muodostuu erilaisista rautasinkkifaaseista, joiden rautapitoisuus vähenee asteittain pintaa kohti. Nostettaessa esine sulasta sinkistä tarttuu sen pinnalle vielä puhdas sinkki-kerros. Kaaviokuvassa on esitetty tällaisen pinnoitteen rakenne. Kuva 1.


Pinnoitteen paksuus ja ulkonäkö määräytyvät reaktiossa ja sitä seuraavassa jäähdytysvaiheessa. Lukuisat
muuttujat voivat vaikuttaa reaktion kulkuun. Näistä teräksen koostumuksella on suuri merkitys, mutta myös teräksen pinnalla (rakenne, raekoko, jännitykset, epätasaisuudet), sulan sinkin koostumuksella ja lämpötilalla, upotusajalla jne. on vaikutusta reaktioon.

 

Kuva1. Kaaviomainen poikkileikkaus sinkkikerroksen muodostumisesta. Ylin eta-faasi, jonka koostumus on 0,3 % Fe, zeta-faasi (5,8–6,7 % Fe), delta-faasi (7– 11 % Fe) ja gamma-faasi (21–28 % Fe).


Tiivistämätön ja alumiinilla tiivistetty teräs

Tähän ryhmään luetaan teräkset, joiden piin ja fosforin yhteenlaskettu pitoisuus on alle 0,03 %.

 

Tiivistämättömien ja alumiinilla tiivistettyjen teräksien kuumasinkityksessä kiinnittyvät rauta-sinkkifaasit tiiviisti teräkseen, ks. kuva 2. Täten sulan sinkin kontakti teräspintaan estyy. Reaktio voi silloin tapahtua
ainoastaan raudan ja sinkin välisenä diffuusioreaktiona. Tuloksena on, että reaktio- ja kasvunopeus pienenevät ja pinnoitteesta tulee suhteellisen ohut.

 

Pinnoitteen rakenne muistuttaa sen vuoksi kaaviokuvaa, kuva 1 ja kuva 2.


Kun sinkki jähmettyy uloimmassa kerroksessa, pinnasta tulee sileä ja sinertävän metallinkiiltoinen. Joissakin tapauksissa, erityisesti ohutlevyissä, sinkki voi jähmettyä satunnaisesti suuntautuvina kiteinä,
jotka muodostavat pintaan kiteytymiskuvioita eli ”sinkkikukkia”.


Tämä kukkakuvio on vain erityismuoto kiteytymisestä, joka riippuu mm. jähmettymisnopeudesta, eikä täten ole merkki kuumasinkityksen hyvästä tai huonosta laadusta. Kukkakuviolla ei ole myöskään mitään
merkitystä sinkkipinnoitteen korroosionkestävyyteen. Ohutlevyjen jatkuvatoimisessa kuumasinkityksessä
voidaan kukkakuvion kokoa valvoa. Tämä ei ole mahdollista kappaletavaroiden kuumasinkityksessä.

 

Kuva 2. Poikkileikkaus alumiinilla tiivistetyn teräksen sinkkipinnoitteesta.

 


Puolitiivistetyt teräkset
("Sandelin-teräkset")

Puolitiivistettyjä teräksiä, joiden piin ja fosforin yhteenlaskettu pitoisuus on 0,03–0,14 %, kutsutaan kuumasinkityksessä "Sandelin-teräksiksi" löytäjänsä Robet W. Sandelinin mukaan. Ne vaativat kuumasinkityksessa erityisen kylpykoostumuksen. Tavallisessa kuumasinkkikylvyssä teräksen ja sinkin
välinen reaktio on hyvin voimakas, ja kerroksesta tulee paksu ja epäsäännöllinen. Usein myös sen tarttuvuus on heikentynyt. Tämä johtuu ylimmän seoskerroksen (zeta-faasi) kiteistä, joista kasvaa pieniä, pitkäksi venyneitä rakeita. Sulassa olomuodossa oleva sinkki diffundoituu nopeasti rakeiden välissä ja
kasvu tapahtuu hyvin nopeasti, ks. kuva 5 ja 6. Jos käytettävissä ei ole seostettuja sinkkikylpyjä (ks.
luku 5.5), tämäntyyppistä terästä pitää kuumasinkityksessä välttää.

 

Piillä tiivistetty teräs
Piillä tiivistetyn teräksen Si-pitoisuus on yli 0,14 %. Teräksen seosaineista on piillä (Si) voimakkain vaikutus rautasinkkireaktioon. Piitä lisätään teräkseen sen valmistusprosessin yhteydessä, jolloin pii sitoo
liuenneen hapen. Pii vaikuttaa rautasinkki-reaktioon siten, että uloimmassa sinkki-kerroksessa (Zeta-faasi)
kehittyy suuri joukko pieniä ”rakeita”, kuva 5-3, tai pitkiä neulamaisia kiteitä, kuva 5-4. Molemmat rakennemuodot ovat ”pirstoutuneita”, ja rautasinkkikiteet ovat hajallaan. Tällöin sinkkisula pystyy helpommin tunkeutumaan teräksen pintaan asti, jolloin rauta-sinkkireaktio ei pysähdy, vaan jatkuu kiivaana koko upotusajan. Pinnoitteen paksuus kasvaa nopeasti lisääntyvän upotusajan mukana ja pinnoitteista tulee paksuja, kuva 5. On otettava huomioon, että tässä kuvattujen seoskiteiden hajallaan olo ei merkitse sitä, että pinnoitteesta tulee ”huokoinen” ja reikien täyttämä. Seoskiteiden välinen tila on aina täynnä puhdasta sinkkiä. Samanlainen tiivis, täysin metallinen pinnoite kuin tiivistämättömillä tai alumiinilla tiivistetyillä teräksillä saadaan myös piillä tiivistetyllä teräksellä.

 

Kuva 3. Poikkileikkaus puolitiivistetyn teräksen sinkkipinnoitteesta, pitoisuus 0,06 % Si. Sinkitys suoritettu lämpötilassa 460 °C. Kuva 4. Piillä tiivistetyn teräksen sinkkipinnoitteen poikkileikkaus, pitoisuus 0,26 % Si (460 °C).


Piin vaikutus tässä reaktiossa ei ole lineaarinen, vaan lisääntyvät Si-pitoisuudet noudattavat kuvan 6 mukaista käyrää. Nämä käyrät, kuten myös kuvassa 5, ovat keskiarvokäyriä. Eri teräksillä vaihtelu voi olla huomattavaa, vaikka niillä olisi sama nimellinen piipitoisuus, koska piin analyysi voi vaihdella eri sulatus-panoksissa. Syynä vaihteluihin pidetään sitä, että vaikka eri teräksissä kokonaispiipitoisuus olisi sama, niin osa piistä on voinut sitoutua happeen ja tämän osuus vaihtelee. Teräkseen liuenneen piin määrä siis vaihtelee ja vain tämä liuennut osa ottaa osaa reaktioon. On myös osoitettu, että pii voi jakaantua epätasaisesti teräksen pinnalla. Tämä koskee myös joitakin muita aineita, kuten rikki ja fosfori, jotka myös
voivat vaikuttaa rautasinkkireaktioon.


Nostettaessa esine sinkkikylvystä kiinnittyy puhdas sinkkikerros seoskerrokseen myös piillä tiivistetyissä
teräksissä. Näillä teräksillä reaktionopeus voi kuitenkin olla niin suuri, että tämä puhdas sinkkikerros ehtii
muuttua kokonaan rautasinkkiseokseksi, ennen kuin esine on ehtinyt jäähtyä. Reaktio pysähtyy vasta, kun lämpötila on laskenut 300°C:n alapuolelle.


Rauta-sinkkikerroksen muodostuminen voi siis jatkua pintaan asti, josta tulee mattamainen värin vaihdellessa vaaleanharmaasta tummanharmaaseen. Väri määräytyy sen perusteella, kuinka suuri osuus rauta-sinkkikiteitä on sekoittuneena puhtaaseen sinkkiin - mitä enemmän sinkkiä, sitä vaaleampi pinta ja mitä enemmän rauta-sinkkiä sitä tummempi pinta.

 

   

 

 

 
   

Alkusivu