Powłoki cynkowe i ich wpływ na spawalność stali. Szczelna ochrona

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf 

Funkcja ochronna powłok może polegać na trwałym odizolowaniu pokrytego przedmiotu od otaczającego środowiska (powłoki lakiernicze, ceramiczne itp.) bądź też na wzajemnym oddziaływaniu elektrochemicznym  powłoki z podłożem. W pierwszym przypadku powłoka musi być szczelna i trwale przylegać do elementu chronionego. W drugim przypadku podłoże i powłoka muszą być metalami. Wówczas powłoka oddziałuje z metalem chronionym w sposób elektrolityczny. W zależności od wzajemnego usytuowania metalu chronionego i powłoki w szeregu galwanicznym rozróżnia się powłokę anodową i katodową. Z pierwszą z wymienionych mamy do czynienia wówczas, gdy powłoką jest metal o mniejszym potencjale elektrochemicznym aniżeli metal chroniony, czyli z metalu mniej szlachetnego. Z powłoką katodową zaś mamy do czynienia, gdy metal chroniony wykazuje mniejszy potencjał elektrochemiczny w stosunku do powłoki (tabela).
W przypadku powłok anodowych ich uszkodzenie powoduje korodowanie samych powłok i odkładanie się produktów korozji na odsłoniętej powierzchni metalu chronionego (rys. 1 a). W przypadku powłok katodowych ochrona jest zapewniona tylko wówczas, gdy powłoka jest szczelna. W przeciwnym wypadku w miejscu uszkodzenia występuje wzmożony proces korozyjny (rys. 1 b).

Anoda na plus
W związku z powyższym, z technicznego punktu widzenia, dużo stabilniejszą ochronę przed korozją będą stanowiły powłoki anodowe, a ich niewielkie uszkodzenia i ubytki nie będą powodowały zagrożenia korozyjnego. Najczęściej stosowaną w praktyce powłoką anodową jest powłoka cynkowa, przy czym należy tu zwrócić uwagę na fakt, że cynk w stosunku do żelaza stanowi anodę jedynie do temperatury ok. 55°C! Powyżej tej temperatury potencjał elektrochemiczny żelaza i cynku ulega zmianie tak, że cynk staje się w stosunku do żelaza katodą. Nieuwzględnianie tego faktu prowadzi często do rozczarowania z powodu intensywniejszych zjawisk korozyjnych zachodzących na elementach ocynkowanych aniżeli na elementach bez pokryć, gdy są one eksploatowane w podwyższonych temperaturach. Powłoki cynkowe mogą być nakładane metodą zanurzeniową (tzw. cynkowanie ogniowe), wówczas grubość powłoki wynosi ok. 70-150 mm. Elektrolitycznie, wówczas grubość powłoki wynosi 3-12 mm, oraz poprzez natryskiwanie cieplne (120-300 mm) i nanoszenie mechaniczne (6-110 mm).
 
Łączenie cynkiem
Cynk topi się w temperaturze 420°C i wrze w temperaturze 906°C. Stanowi więc bardzo poważny problem podczas łączenia, gdy

Szereg galwaniczny metali
w 3% roztworze NaCl
MetalV
Zn
-0,76
Al
-0,53
Fe
0,40
Pb
-0,23
Cu
-0,04
temperatura procesu (w przypadku spawania stali temperatura jeziorka ciekłego metalu wynosi orientacyjnie powyżej 2500°C) znacznie przekracza temperaturę wrzenia cynku. Intensywne parowanie cynku po pierwsze znacznie pogarsza warunki pracy osób przebywających w obszarze prac spawalniczych, po drugie znacznie pogarsza jakość otrzymanych połączeń. Bezpośrednie wdychanie par cynku oraz tlenków cynku (biały pył pokrywający powierzchnię elementu spawanego i unoszący się w powietrzu) powoduje zatrucie organizmu człowieka, którego objawy występują już po 4 godzinach od zatrucia. Wprawdzie obecność tlenku cynku w organizmie człowieka nie jest kancerogenna i jest on szybko wydalany przez organizm, to jednak powoduje tzw. „gorączkę cynkową” lub „chorobę cynkową”, objawiającą się podwyższoną temperaturą ciała, bólem głowy, pragnieniem, mdłościami oraz nieprzyjemnym słodkawym posmakiem w ustach. Objawy gorączki cynkowej zwykle mijają po 48 godzinach.

Te same pary cynku i związków cynku powodują znaczne utrudnienia w stabilnym przebiegu procesu spawania. Podstawowym problemem jest znaczna porowatość spoin spowodowana pułapkowaniem par cynku w krystalizującym metalu spoiny. Innym problemem, w równie znaczący sposób wpływającym na właściwości mechaniczne i szczelność połączeń, są pęknięcia (rys. a), które mogą pojawiać się podczas spawania elementów ocynkowanych, szczególnie ogniowo. W końcu bardzo duży rozprysk i mierna estetyka połączenia spawanego (rys. b) czynią proces spawania trudnym w realizacji.

Groźne ubytki
Jeszcze innym problemem, który należy brać pod uwagę podczas spawania elementów ocynkowanych, jest ubytek warstwy cynku w obszarze bezpośrednio przyległym do spoiny. Wykazano, że ograniczona ilość energii wprowadzonej do złącza i niewielki ubytek warstwy cynku nie powodują zjawisk korozyjnych elementów łączonych. W miejscach, w których cynk uległ zniszczeniu, odkładają się produkty korozji cynku z obszarów przyległych i miejsce to nadal jest chronione przed korozją. Jednak zbyt duża ilość energii wprowadzonej do złącza powoduje nadmierny ubytek cynku z powierzchni elementu spawanego i pomimo że cynk stanowi anodę w stosunku do stali, to w miejscach tych będą zachodziły zjawiska korozji.
W następnym numerze podamy metody minimalizacji niekorzystnego wpływu parującej powłoki cynkowej na jakość połączeń uzyskiwanych za pomocą metod spawalniczych.
dr inż. Maciej Różański

Rys. 1. Powłoka anodowa chroni stal przed korozją nawet wówczas, gdy w warstwie tej występuje nieciągłość (a). Z kolei jakakolwiek nieciągłość powłoki katodowej powoduje szybką lokalną korozję elektrochemiczną (b).

Rys. 2. Makrostruktura połączenia spawanego blachy stalowej z profilem stalowym ocynkowanych ogniowo z wyraźnie widocznym pęknięciem (a). Wygląd lica spoiny pachwinowej blach stalowych ocynkowanych ogniowo (b).

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij