گالوانیزه گرم نبشی و ناودانی


گالوانیزه گرم نبشی و ناودانی

خوردگی، یک پدیده طبیعی که باعث تخریب فلزات است و سالانه صدها میلیارد  هزینه نگهداری و تعمیر را به همراه دارد. خوردگی می تواند بر هر فلزی از جمله فولاد، آلیاژ آهن و سایر عناصر که به طور گسترده برای تشکیل اجزای ساختاری و بست در ساختمان ها، پل ها، وسایل نقلیه و بسیاری از کاربردهای دیگر استفاده شده، تأثیر بگذارد. محافظت در برابر خوردگی برای کاهش خطرات ایمنی و هزینه های تعمیر ضروری است.

یکی از مؤثرترین روش‌های کاهش خوردگی فولاد، گالوانیزه گرم مخصوصا برای اتصال دهنده‌ها است. آنچه در زیر ادامه خواهیم خواند مروری بر فرآیند تولید گالوانیزه گرم، مزایای روش، استانداردهای صنعتی مرتبط و سایر ملاحظات است.

خوردگی چیست؟

فولاد لخت که در معرض محیط قرار می گیرد به طور طبیعی در یک فرآیند الکتروشیمیایی شامل آهن در فولاد، اکسیژن موجود در جو و آب، به خوردگی یا زنگ زدگی تمایل دارد. این عناصر یک سلول الکتروشیمیایی را تشکیل می‌دهند که در نتیجه جریان الکترون‌ها و یون‌ها در مسیرهای مختلف – از طریق یک الکترولیت (به عنوان مثال، اسید، باز یا نمک محلول در آب) و از طریق مواد پایه (مثلاً فولاد) – بین دو ناحیه به نام کاتد و آند.

یک قطره آب را روی سطح یک پیچ فولادی در نظر بگیرید. آهن روی سطح پیچ، به عنوان آند عمل می کند، در تماس با آب، به عنوان حلالی که الکترولیت را نگه می دارد، الکترون ها را در یک واکنش اکسیداسیون می دهد که یون های آهن را در آب تشکیل می دهد:

Fe (s) → + Fe2+ (aq) + 2e-

الکترون های اضافی در یک واکنش کاهشی در نقطه تماس بین لبه قطره آب و سطح پیچ (یعنی ناحیه کاتد) که در آن اکسیژن موجود در هوا با آب واکنش می دهد و یون های هیدروکسید تولید می کند، پذیرفته می شوند:

O2 (g) + 2H2O (l) + 4e- → 4OH- (aq)

سپس یون های هیدروکسید و یون های آهن در قطره آب واکنش نشان می دهند و هیدروکسید آهن را تشکیل می دهند که روی سطح پیچ رسوب می کند:

Fe2+ ​​(aq) + 2OH- (aq) → Fe(OH)2 (s)

سایر واکنش های ردوکس و اسید-باز در کنار این واکنش ها با ادامه خوردگی رخ می دهد. یک محصول خوردگی حاصل، زنگ (به عنوان مثال، اکسید آهن هیدراته) است که در واکنش بین رسوب هیدروکسید آهن و اکسیژن در جو ایجاد می شود:

4Fe(OH)2 (s) + O2 (g) → 2Fe2O3·H2O (s) + 2H2O (l)

ایجاد حفره در فولاد ناشی از واکنش اکسیداسیون، آهن تازه را در معرض دید قرار می دهد. بنابراین، فرآیند خوردگی مستمر است که توسط انرژی اکسیداسیون در سلول الکتروشیمیایی هدایت می شود.

حفاظت از خوردگی روی

پوشش روی بر روی یک اتصال دهنده فولادی یک دفاع دوگانه در برابر خوردگی فلز زیرین ارائه می دهد : حفاظت از سد و حفاظت کاتدی.

روی به عنوان یک مانع، فولاد را از محیط خود جدا می کند و سلول الکتروشیمیایی را که در بالا توضیح داده شد را می شکند و از واکنش های ردوکس که باعث خوردگی می شوند جلوگیری می کند. پوشش روی همچنین از فولاد به صورت کاتدی محافظت می کند. این بدان معنی است که روی ترجیحاً به جای فولاد در هنگام تماس این دو ماده خورده می شود. دلیل این رفتار فداکارانه این است که روی از نظر الکتروشیمیایی فعال تر از فولاد است و در صورت اتصال در یک سلول الکتروشیمیایی به راحتی الکترون ها را از دست می دهد. بنابراین، روی به عنوان آند و فولاد به عنوان کاتد عمل می کند و باعث خوردگی روی و محافظت از فولاد می شود. گالوانیزه گرم، که در آن بست های فولادی در یک حمام داغ از روی غوطه ور می شوند، یک راه موثر برای تشکیل یک لایه محافظ روی است که دفاع عالی در برابر خوردگی، از جمله دوام فوق العاده، یکنواختی پوشش و طول عمر را ارائه می دهد.

سایر تکنیک های رایج برای اعمال پوشش های محافظ روی اتصال دهنده های فولادی، آبکاری مکانیکی و آبکاری الکتریکی است. در مقایسه با گالوانیزه گرم، این روش‌ها تمایل به تولید پوشش‌های روی دارند که نازک‌تر، متراکم‌تر، نرم‌تر و توزیع یکنواخت‌تر هستند. سایر تکنیک های پوشش روی عبارتند از: sherardizing و انتشار حرارتی، اسپری حرارتی و متالیزاسیون، و رنگ های روی.

فرآیند گالوانیزه کردن گرم

فرآیند گالوانیزه گرم شامل چندین مرحله است که می توان آنها را به سه مرحله اصلی طبقه بندی کرد: آماده سازی سطح، گالوانیزه کردن و بازرسی. آماده سازی سطح حیاتی ترین بخش فرآیند است زیرا روی فقط به فولاد تمیز و خالص می چسبد. هر سطح اتصال دهنده ای که حاوی خاک، گریس یا سایر آلاینده ها باشد، پوشش روی را حفظ نخواهد کرد. برای آماده سازی سطوح برای گالوانیزه کردن، بست های فولادی در یک سری حمام های شیمیایی غوطه ور می شوند.

واکنش متالورژیکی

در حین غوطه وری در حمام روی مذاب، یک واکنش متالورژیکی بین روی و آهن در فولاد بست ها رخ می دهد. این واکنش منجر به چندین لایه بین فلزی با ضخامت‌های مختلف می‌شود که از خارجی‌ترین لایه به درونی‌ترین لایه، نسبت روی به آهن کاهش می‌یابد و ساختارهای کریستالی با توجه به تعادل فاز و سینتیک واکنش روی/آهن متفاوت است.

بیرونی ترین لایه به عنوان فاز eta (η) شناخته می شود و از روی خالص تشکیل شده است. در زیر آن فاز زتا (ζ) از حدود 94 درصد روی و 6 درصد آهن تشکیل شده است. لایه بعدی فاز دلتا (δ) است که از حدود 90 درصد روی و 10 درصد آهن تشکیل شده است. درونی ترین فاز گاما (Γ) یک لایه نازک است که از حدود 75 درصد روی و 25 درصد آهن تشکیل شده است، درست بالای بستر فولاد خالص.

ضخامت ها و مورفولوژی دقیق لایه ها تحت تأثیر عوامل متعددی قرار می گیرد، از جمله مدت زمان معلق بودن بست ها در حمام روی، دمای دقیق حمام و ترکیبات محلول روی و بستر آلیاژ فولاد. ضخامت کلی پوشش روی تولید شده توسط اتصال دهنده های گالوانیزه گرم بین 1.7 تا 3.4 میلی متر است که بستگی به اندازه اتصال دهنده ها و پارامترهای فرآیند دارد.

مزایای حفاظت از گالوانیزه گرم

زینک پتینه

تشکیل پتینه کربنات روی به طور قابل توجهی به مقاومت خوردگی عالی پوشش های گالوانیزه گرم کمک می کند.

همانطور که پوشش روی در معرض محیط قرار می گیرد، شروع به خوردگی می کند و چندین محصول جانبی و در نهایت یک لایه نازک غیرفعال با سرعت کم خوردگی تشکیل می دهد. اولین محصول جانبی، اکسید روی، با واکنش روی با اکسیژن موجود در هوا تشکیل می شود:

2Zn + O2 → 2ZnO

سپس اکسید روی با آب واکنش داده و هیدروکسید روی را تشکیل می دهد:

ZnO + H2O → Zn(OH)2

در نهایت، هیدروکسید روی با دی اکسید کربن موجود در جو واکنش داده و کربنات روی را تشکیل می دهد:

Zn(OH)2 + CO2 → ZnCO3 + H2O

لایه کربنات روی به عنوان یک لایه غیرفعال عمل می کند که در آب نامحلول است و نسبت به روی و آهن زیر آن واکنش شیمیایی بسیار کمتری دارد. برخلاف محصولات فرعی خوردگی آهن (مانند اکسید آهن، هیدروکسید آهن، اکسیدهای آهن) که تمایل به ترک خوردن و پوسته شدن دارند، کربنات روی یک لایه محافظ پیوسته تشکیل می دهد که رطوبت و هوا را مسدود می کند و به طور قابل توجهی سرعت خوردگی را در مقایسه با فولاد لخت کاهش می دهد. یک بست گالوانیزه گرم با سرعتی به اندازه یک سی ام یک بست فولادی لخت خورده می شود.

دوام

پوشش گالوانیزه گرم دوام بسیار خوبی دارد. این یک ویژگی مهم برای اتصال دهنده ها است، که اغلب به صورت فله بسته بندی می شوند و به طور مکرر با آنها کار می شوند، که در طی آن ممکن است پوشش های با دوام کمتر خراشیده شوند.

گالوانیزه گرم یک پیوند قوی بین پوشش روی و فولاد پایه ایجاد می کند، با استحکام باند حدود 3600 psi در مقایسه با استحکام باند از 300 psi تا 600 psi برای سایر پوشش ها. پوشش گالوانیزه هات دیپ نیز متراکم تر از سایر پوشش های روی است. گالوانیزه گرم پوششی با چگالی حدود 0.6 oz/ft2/mil ایجاد می‌کند در حالی که گالوانیزه مکانیکی منجر به چگالی پوشش تنها 0.45 oz/ft2/mil می‌شود.

لایه های بین فلزی پوشش گالوانیزه گرم مقاومت در برابر سایش را ارائه می دهد. لایه‌های زتا، دلتا و گاما داخلی دارای مقادیر سختی هرم الماسی (DPH) به ترتیب 179، 244 و 250 هستند که سخت‌تر از DPH فولاد پایه 159 است.

پوشش گالوانیزه گرم

لایه روی بیرونی، با DPH 70، انعطاف پذیری بهتری را برای مقاومت در برابر ضربه ارائه می دهد.

پوشش گالوانیزه گرم محافظت کاتدی از فولاد زیرین را ارائه می دهد حتی اگر پوشش روی از نظر فیزیکی آسیب دیده باشد، به عنوان مثال در اثر خراش. اگر بخش کوچکی از فولاد زیرین در معرض دید قرار گیرد، پوشش روی اطراف ترجیحا خورده می شود و قبل از هر گونه تخریب فولاد خود را قربانی می کند.

علاوه بر این، پوشش های گالوانیزه گرم در محدوده دمایی وسیعی از -148 درجه فارنهایت تا 392 درجه فارنهایت کارایی خود را حفظ می کنند.

اتصال دهنده های گالوانیزه گرم را نیز می توان برای ایجاد یک سیستم دوبلکس رنگ آمیزی کرد که حتی محافظت بیشتری از فولاد پایه ارائه می دهد. ASTM D6386 فرآیندی را برای آماده سازی سطوح گالوانیزه گرم برای رنگ آمیزی توصیف می کند.

پوشش کامل

ماهیت فرآیند گالوانیزه گرم یک پوشش یکنواخت ایجاد می کند. روی مذاب در تمام قسمت‌های یک آیتم جریان می‌یابد و در فرآیند انتشار با فولاد واکنش نشان می‌دهد که به صورت عمود بر سطح پیش می‌رود و ضخامت پوشش ثابتی را در تمام سطوح از جمله گوشه‌ها و لبه‌ها ایجاد می‌کند. این امر برای بست‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد، جایی که بالا و پایین رزوه‌ها باید پوشش‌های ضخیم یکسانی دریافت کنند تا از شکست زودهنگام پوشش جلوگیری شود، و همچنین برای اطمینان از تناسب مناسب رزوه در اتصال دهنده‌های جفت شونده.

عمر طولانی خدمات

پوشش‌های گالوانیزه گرم در محیط‌های مختلف، از جمله در آب‌های شیرین و شور، در خاک و در تماس با بتن و چوب تصفیه‌شده، عمر مفید بسیار خوبی دارند. طول عمر پوشش های گالوانیزه متناسب با ضخامت پوشش است. پوشش‌های روی ضخیم‌تر دوام بیشتری خواهند داشت، زیرا فرآیند خوردگی باید قبل از رسیدن به فولاد پایه، مواد بیشتری را وارد کند.

محیط بر نرخ خوردگی پوشش های گالوانیزه گرم تأثیر می گذارد. قرار گرفتن در معرض دمای بالا، رطوبت بالا و غلظت بالای الکترولیت ها یا آلاینده هایی مانند کلریدها، سولفیدها یا فسفات ها باعث افزایش سرعت خوردگی و کاهش عمر مفید می شود. حداقل ضخامت پوشش روی گالوانیزه گرم معمولی برای اتصال دهنده ها و مهره ها با قطر بیش از 3/8 2.0 میل است و پوشش های گالوانیزه با ضخامت روی 2.0 میل در حدود 65 سال در اتمسفرهای ملایم و روستایی و بیش از 35 سال دوام خواهند داشت. سالها در فضای سخت و صنعتی.

استانداردهای گالوانیزه گرم

چندین استاندارد وجود دارد که الزامات مربوط به اتصال دهنده های گالوانیزه گرم را مشخص می کند. در ایالات متحده، استاندارد A153/A153M ASTM International الزامات پوشش روی گرم را روی سخت‌افزارهای آهن و فولاد، از جمله بست‌ها، قطعات ریخته‌گری و اقلام نورد شده، فشرده و آهنگری مشخص می‌کند. ASTM F2329/F2329M یک استاندارد جدیدتر است که به طور کامل بر روی الزامات پوشش روی داغ برای اتصال دهنده ها از جمله پیچ، واشر، مهره و بست های رزوه ای خاص متمرکز شده است.

ملاحظات خاص بست

گالوانیزه گرم یک پوشش روی با ضخامت قابل اندازه گیری تولید می کند و قطر رزوه بست را افزایش می دهد. برای اطمینان از تناسب مناسب و جفت شدن صاف و بدون اتصال، ابعاد افزایش‌یافته باید با غلبه بر مهره مربوطه یا بزرگ‌تر کردن سوراخ خالی ایجاد شود. پس از جفت شدن، پوشش روی روی رزوه های خارجی بست، از رزوه های داخلی مهره یا سوراخ رزوه ای که در حین ورقه زنی از روی جدا شده اند، محافظت می کند.

فرآیند تولید منسجم

برای جلوگیری از عدم تطابق پیچ ها و مهره ها که باعث مشکلات نصب مانند تناسب بد، گشتاور سفت شدن بیش از حد و کشش نادرست پیچ می شود، پیچ و مهره های گالوانیزه با استحکام بالا باید به عنوان مجموعه اتصال دهنده در نظر گرفته و باید از همان تامین کننده خریداری و مطابق با همان گرم تولید شوند. فرآیند گالوانیزه غوطه ور پیچ گالوانیزه گرم نباید با مهره های گالوانیزه مکانیکی استفاده شود و بالعکس.

ترش هیدروژنی

برخی از بست های با استحکام بالا و سخت شده نباید به دلیل خطر تردی هیدروژنی گالوانیزه شوند، که می تواند باعث شکستگی زودرس بست ها تحت فشار شود. شکنندگی هیدروژن می تواند ناشی از ورود هیدروژن به فولاد در طول مرحله ترشی اسید در فرآیند گالوانیزه گرم باشد.

ASTM F2329/F2329M مشخص می کند که خطر تردی هیدروژنی برای اتصال دهنده های فولادی با استحکام بالا با سختی بیشتر از 33 HRC وجود دارد. برای کاهش این خطر، در صورت نیاز استاندارد محصول یا خریدار، به جای یا علاوه بر ترشی فلاش، جرمگیری مکانیکی یا پخت باید انجام شود.

شورای تحقیقاتی در مورد اتصالات ساختاری برای اتصالات سازه ای با استفاده از پیچ و مهره های با استحکام بالا در مورد خطر شکنندگی هیدروژن برای پیچ های فولادی با استحکام بالا با مقاومت کششی بالای 200 ksi هشدار می دهد، شرایطی که با پیچ های ASTM A490 امکان پذیر است.

فلزات غیر مشابه

خوردگی گالوانیکی که خوردگی فلزات غیرمشابه یا خوردگی دو فلزی نیز نامیده می‌شود، زمانی اتفاق می‌افتد که فلزات غیرمشابه در حضور الکترولیت در تماس باشند. فلز نجیب کمتر یعنی فلزی که ویژگی منفی بیشتری دارد

پتانسیل الکتریکی به عنوان آند عمل می کند و خورده می شود، و فلز نجیب تر (یعنی فلز با پتانسیل الکتریکی منفی کمتر) به عنوان کاتد عمل می کند و محافظت می شود.

اگر اختلاف پتانسیل بین دو فلز به هم پیوسته زیاد باشد، خوردگی سریعتر از دو فلز به هم پیوسته با اختلاف پتانسیل جزئی انجام می شود. اگر اختلاف پتانسیل بین دو فلز کمتر از حدود 100 میلی ولت باشد، احتمال خوردگی گالوانیکی وجود ندارد.

خوردگی گالوانیکی یک نگرانی خاص برای اجزای کوچک مانند اتصال دهنده ها است. اگر نسبت سطح فلز آندی به فلز کاتدی کم باشد، خوردگی به سرعت پیش خواهد رفت. به همین دلیل، اتصال دهنده ها باید از فلزی با پتانسیلی معادل فلزی که اجزای ساختاری از آن ساخته می شوند، ساخته شوند. برای مثال، اجزای ساختاری گالوانیزه گرم باید با اتصال دهنده های گالوانیزه گرم مونتاژ شوند.

همچنین می توان از خوردگی گالوانیکی با جدا کردن فلزات غیر مشابه (مثلاً با واشرهای نارسانا یا پوشش هایی مانند رنگ) یا با جلوگیری از رسیدن رطوبت به فلزات جلوگیری کرد.

ضریب لغزش

فولاد گالوانیزه داغ تازه معمولاً صاف است، در حالی که فولاد گالوانیزه گرم هوازده دارای بافت سطحی زبرتر است. در نتیجه، سطوح دارای ضرایب لغزش یا ضرایب اصطکاک ایستا متفاوتی هستند که باید برای اتصالات سازه‌ای پیچ‌دار بحرانی لغزشی در نظر گرفته شود که در آن‌ها برشی با اصطکاک بین سطوح فایری که با سفت کردن پیچ ایجاد می‌شود، مقاومت می‌کند.

آماده سازی سطوح فایینگ در اتصالات بحرانی لغزش باید برای تضمین اصطکاک کافی انجام شود. فولاد تازه گالوانیزه شده باید با یک برس دستی سیمی زبر شود تا از ضریب لغزش کافی اطمینان حاصل شود. ضریب لغزش بین دو سطح گالوانیزه داغ با گذشت زمان افزایش می یابد و احتمال لغزش را کاهش می دهد. در مقابل، اتصالات بلبرینگ که نیروی برشی را از طریق برش پیچ و یاتاقان صفحه اتصال منتقل می‌کنند، به ضرایب لغزش سطوح فایینگ بستگی ندارند.

نتیجه

گالوانیزه گرم محافظت در برابر خوردگی بادوام و طولانی مدت را برای اتصال دهنده های مورد استفاده در انواع کاربردهای سخت از جمله دریایی، نفت و گاز، ساخت و ساز و زیرساخت ارائه می دهد.