Оцинкованная сталь: свойства материала, процесс и использование

Оцинкованная сталь играет важную роль в области материаловедения и техники благодаря своему уникальному набору свойств. Он имеет широкий спектр применения, особенно в строительстве, домашнем хозяйстве и различных автомобильных компонентах. Защита цинкового покрытия — это то, что делает его уникальным среди других типов стали, что в конечном итоге способствует увеличению срока его службы. В этой статье вы сможете изучить свойства материала, процесс производства и его широкое применение в промышленности. Так что, независимо от вашего образования, будьте готовы вооружиться знаниями этой универсальной материи.

Рисунок 1: Оцинкованная сталь

Что такое оцинкованная сталь?

Тип стали, которая имеет цинковое покрытие, полученное в результате известного процесса гальванизации. Соответствующее покрытие создается путем металлургического соединения цинка и стали с единственной целью повышения его свойств, таких как коррозионная стойкость и долговечность. Следовательно, этот защитный слой позволяет ему противостоять агрессивной среде. Более того, это увеличивает срок службы стали, делая ее долговечной и экономически эффективной [3] [4].

Рисунок 2. Оцинкованный стальной лист.

Почему оцинкованная сталь важна?

Этот тип стали имеет важное значение из-за своей исключительной коррозионной стойкости и длительного срока службы. Защитное покрытие из цинка действует как блокировка, предотвращающая прямой контакт кислорода и воздуха со сталью, что в конечном итоге сводит к минимуму вероятность разрушения и ржавчины. Способность противостоять различным условиям окружающей среды делает этот материал идеальным выбором для промышленников, использующих его в таких областях, как строительство и инфраструктура. В дополнение к этому, он требует минимального обслуживания, что делает его экономически эффективным выбором.

Для чего используется оцинкованная сталь?

Эта цинкозащищенная сталь имеет множество применений благодаря своему уникальному набору свойств. Некоторые из них перечислены ниже:

Строительство

• Структурные балки
• Кровля
• возведение стен

Автомобильная

• Кузова и детали автомобилей

Инфраструктура

• Мосты,
• защитное ограждение
• Фонарные столбы

Бытовая техника

• Стиральные машины
• Холодильники

Сельское хозяйство

• Ограждение
• Силосы

Рисунок 3. Применение оцинкованной стали

Преимущества и недостатки материала из оцинкованной стали

Ниже приведены некоторые преимущества и недостатки оцинкованной стали:

Рисунок 4. Преимущества и недостатки оцинкованной стали.

Как изготавливается оцинкованная сталь

Эта сталь изготавливается методом гальванизации, при котором сталь погружается в расплавленный цинк. Ниже приводится краткое описание оцинковки стали:

Процесс гальванизации

Наиболее известным процессом цинкования, обеспечивающим хорошую коррозионную стойкость, является горячее цинкование, которое состоит из нескольких этапов, которые описаны ниже:

Подготовка поверхности

Сначала сталь подвергается подготовке поверхности перед нанесением цинкового покрытия. Это можно сделать в три этапа, которые описаны ниже:

• Обезжиривание и очистка:Грязь, масло и другие загрязнения удаляются с помощью щелочного раствора, что обеспечивает отсутствие дефектов цинкового покрытия.
• Маринование:После очистки сталь погружают в серную или соляную кислоту, которая дополнительно удаляет оксид или ржавчину, присутствующую на поверхности стали.
• Флюсование:После этого сталь погружают в раствор флюса, состоящий из хлорида цинка и аммония, что приводит к образованию защитного слоя, препятствующего окислению перед цинкованием. Этот процесс также помогает повысить адгезию цинкового покрытия со сталью.

Горячее цинкование

Процесс включает погружение чистой стали в ванну с расплавленным цинком, температура которой обычно поддерживается 450°C. Процесс включает в себя следующие шаги:

• Погружение стали в ванну с расплавленным цинком:Это погружение приводит к реакции между цинком и сталью, приводящей к образованию слоев цинкового сплава, обеспечивающих полное покрытие стали цинком.
• Формирование слоев сплава цинк-железо:Это образование происходит во время погружения, обеспечивая прочное соединение и повышая коррозионную стойкость. Общим слоем, образующимся во время погружения, являются гамма-, дельта- и дзета-фазы, повышающие общую долговечность.
• Контроль толщины цинкового покрытия:Это можно контролировать, регулируя определенные параметры, включая время погружения, температуру ванны и скорость, с которой сталь извлекается из ванны.

Лечение после

После того как сталь оцинкована, она проходит следующие этапы последующей обработки:

• Охлаждение и затвердевание цинкового покрытия:Оцинкованной стали дают остыть на воздухе или с помощью определенного процесса охлаждения после извлечения из цинковой ванны.
• Проверка дефектов и однородности покрытия:Визуальный осмотр проводится для выявления дефектов покрытия. Кроме того, толщина и однородность также оцениваются с помощью специальных инструментов.
• Применение дополнительных обработок:В соответствии с требованиями применения может быть проведен дополнительный процесс гальванизации стали. Для улучшения адгезии и твердости поверхности проводят гальванический отжиг. В дополнение к этому можно нанести покрытие из фосфата цинка для повышения коррозионной стойкости.

Рисунок 5. Пошаговый процесс цинкования стали. 

Свойства материала оцинкованной стали

Оцинкованная сталь обладает уникальным набором свойств, которые подробно описаны ниже:

Коррозионная стойкость

Эта сталь обладает превосходной коррозионной стойкостью благодаря цинковому покрытию, которое действует как защитный барьер. Явления, лежащие в основе такого жертвенного поведения и защиты стали от ржавчины, обсуждаются ниже:

Слой цинка как жертвенный барьер

Слой цинка оцинкованной стали действует как «жертвенный барьер», который в конечном итоге обеспечивает стойкость к коррозии в агрессивных условиях окружающей среды. Цинк сильно притягивается к кислороду и влаге, присутствующим в окружающей среде, по сравнению со сталью, поэтому цинк корродирует первым, защищая стальную деталь. Это жертвоприношение продлевает жизнь стали.

Как цинк защищает сталь от ржавчины

Образование оксида и гидроксида цинка происходит после того, как цинк подвергается коррозии. Такое образование оксидов образует пассивный слой на поверхности стального компонента и обеспечивает физический барьер от прямого контакта кислорода и влаги со стальным компонентом. В некоторых случаях при повреждении этого покрытия остатки цинка все равно обеспечивают защиту стали жертвенным действием.

Электрохимический процесс коррозии цинка

Этот. Электрохимический процесс приводит к коррозии цинка таким образом, что цинковое покрытие действует как анод, а стальная деталь — как катод. Электролитом в данном случае является кислород или влага, способствующие потоку электронов. В результате этого происходит окисление цинка и восстановление на катоде, что в конечном итоге приводит к процессу, предотвращающему образование ржавчины на стальной детали.

Факторы, влияющие на коррозионную стойкость

Основными факторами, влияющими на устойчивость к коррозии, являются:

Толщина цинкового покрытия

Толщина цинкового покрытия оказывает сильное влияние на коррозионную стойкость. Покрытия достаточной толщины обеспечивают большую устойчивость к коррозии по сравнению с тонкими покрытиями.

Тип цинкового покрытия (оцинкованное или гальваническое)

Оцинкованное покрытие обеспечивает более высокую стойкость по сравнению с гальваническим покрытием, поскольку оно имеет более толстый слой и способно выдерживать агрессивные условия. С другой стороны, гальванические покрытия подходят для мягких условий окружающей среды.

Условия окружающей среды (влажность, температура, загрязняющие вещества)

Характер окружающей среды, которой приходится противостоять стальному компоненту, оказывает большое влияние на его способность противостоять коррозии. Агрессивные условия, включающие влажность, повышенную температуру и другие загрязняющие вещества, могут ускорить коррозию.

Химический состав оцинкованной стали

Ниже приведен химический состав оцинкованной стали:

Таблица 1: Химический состав оцинкованной стали

Механические свойства оцинкованной стали

Ниже приведены краткое описание механических свойств оцинкованной стали [21] [22] [23]:

Плотность оцинкованной стали

Плотность оцинкованной стали составляет от 7.85 до 8.15 г/см³.

Долговечность

Он обладает исключительной долговечностью благодаря факторам, указанным ниже:

Устойчивость к суровым условиям

Его устойчивость к агрессивным условиям окружающей среды, включая загрязняющие вещества, влагу и наоборот, благодаря жертвенному цинковому покрытию.

Защита от атмосферных воздействий и ультрафиолетового излучения

Цинковое покрытие обеспечивает хорошую защиту от УФ-излучения, а также атмосферных воздействий, продлевая срок службы стальных компонентов.

Выдерживать экстремальные температуры

Он может выдерживать экстремальные температуры, не вызывая какого-либо ухудшения качества компонента материала.

Невосприимчивость к влаге и химикатам

Способность оцинкованной стали выдерживать агрессивные условия благодаря защитному покрытию делает ее достаточно пригодной для применения в условиях высоких требований.

Силы

Оцинкованная сталь сохраняет естественную прочность стали, одновременно улучшая некоторые механические свойства:

Предел прочности и предел текучести

• Оцинкованная сталь сохраняет высокую прочность на разрыв, а также предел текучести, которые жизненно важны для компонентов конструкции.

Пластичность и ударопрочность

• Он демонстрирует достаточную пластичность и ударопрочность, что позволяет ему выдерживать резкие удары, не ломаясь.

Твердость и износостойкость

• Цинковое покрытие повышает твердость поверхности, а также износостойкость этой стали, что делает ее достаточно подходящей для применений, требующих устойчивости к истиранию.

Модуль упругости

Этот материал имеет модуль упругости около 200 ГПа, что свидетельствует о его способности выдерживать нагрузки без пластической деформации.

Объемный модуль

Оцинкованная сталь имеет модуль объемного сжатия 160 ГПа.

Коэффициент Пуассона

Аналогично, коэффициент яда для оцинкованной стали составляет 0.3.

Модуль сдвига

Оцинкованная сталь имеет модуль сдвига 80 ГПа, что свидетельствует о ее способности выдерживать усилия сдвига.

Сводная таблица механических свойств оцинкованной стали

Таблица 2: Механические свойства оцинкованной стали

Формуемость

Оцинкованная сталь может принимать различную форму без изменения ее механических свойств:

Процессы холодной штамповки

Он может подвергаться нескольким процессам холодной штамповки, включая гибку, прокатку и штамповку, что демонстрирует его склонность к получению различных форм и легкость использования для различных применений без ущерба для его структурной целостности.

Методы изготовления

Эта оцинкованная сталь может подвергаться различным технологиям изготовления, таким как сварка, резка и сверление, в зависимости от требований применения. Однако при выполнении любой техники следует соблюдать осторожность, чтобы не повредить цинковое покрытие.

Возможности обработки

Этот материал обладает способностью подвергаться механической обработке, что в конечном итоге позволяет промышленнику выполнять различные операции, такие как токарная обработка, сверление или фрезерование, в соответствии с требованиями применения.

Отделка из оцинкованной стали

Оцинкованная сталь приобретает хорошую чистоту поверхности. Основные свойства поверхности, которыми он обладает, упомянуты ниже:

Свойства поверхности

• Имеют хорошую гладкость, что делает стальную деталь привлекательной с точки зрения эстетики.
• Цинковое покрытие обеспечивает исключительную адгезию покрытий и краски с гарантией долговечности.
• Обладает хорошей печатной способностью, что делает их достаточно гибкими с точки зрения отделки различных архитектурных приложений.

Экономичность

Оцинкованная сталь имеет более высокую первоначальную стоимость из-за процесса нанесения цинкового покрытия на сталь. Таким образом, он стоит дорого по сравнению с различными другими материалами, но если нас беспокоит долгосрочная экономия, то этот материал гораздо более выгоден, поскольку он требует минимального обслуживания, может противостоять агрессивной среде и наоборот.

Альтернативы оцинкованной стали

Если нас беспокоит какая-либо альтернатива оцинкованной стали, учитывайте такие факторы, как стоимость, условия окружающей среды, которые она может выдержать, механические свойства и наоборот. Тем не менее, следует рассмотреть следующие лучшие альтернативные материалы:

• Нержавеющая сталь
• алюминий
• Углеродистая сталь с покрытием
• пластики
• композиты

Преимущества обработки деталей из оцинкованной стали с ЧПУ в производстве

Обработка с ЧПУ — это одна из новейших технологий обработки определенного материала до определенной формы или размера в зависимости от характера и требований применения. Разница между традиционной обработкой и обработкой с ЧПУ заключается в точности и аккуратности. Как и все другие материалы, оцинкованная сталь хорошо поддается обработке на станках с ЧПУ благодаря своей способности формовать без ущерба для своих механических свойств. Существует множество преимуществ обработки деталей с ЧПУ из оцинкованной стали в производстве. Некоторые из них упомянуты на рисунке ниже:

Рисунок 6. Преимущества обработки деталей из оцинкованной стали на станках с ЧПУ.

Заключение

В заключение отметим, что оцинкованная сталь — один из самых универсальных материалов, который широко приемлем для множества применений, независимо от того, выбираете ли вы ее для производства, строительства или любого другого сектора. Более того, цинковое покрытие или, лучше сказать, защитное покрытие, которое придает стали огромную защиту от агрессивных условий, делает ее популярным выбором среди применений, требующих устойчивости к высококоррозионной среде. Наконец, возможности механической обработки делают этот материал хорошим кандидатом там, где требуется высокая точность и аккуратность стальных компонентов. Следовательно, этот материал вносит ценный вклад в производственную практику.