NL1022263C2 - Werkwijze voor het verbeteren van zinklagen. - Google Patents

Description

WERKWIJZE VOOR HET VERBETEREN VAN ZINKLAGEN

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op het behandelen van werkstukken omvattende staal. Stalen 5 werkstukken worden vaak voorzien van een beschermende laag van een ander metaal.

Een dergelijk proces kan worden uitgevoerd door het dompelen van een stalen werkstuk in een bad van gesmolten zink. Door de werkwijze ontstaat een aantal legeringslagen 10 alsmede een laag zuivere zink bovenop deze lagen. Dergelijke lagen zijn weergegeven in figuur 1. Hierbij geeft verwijzingscijfer 1 het staal van het werkstuk weer. De zich hierop bevindende γ (gamma)-laag 2 omvat een menging van ijzer en zink. Hierop bevindt zich δ(delta)-laag 3 welke een 15 andere samenstelling van ijzer en zink omvat. Een verdere laag, de ζ (zêta)-laag 4, omvat een verdere menging ijzer en zink. Tenslotte omvat de η (êta)-laag vrijwel puur zink.

Het verzinken dat de hierboven beschreven lagen oplevert wordt uitgevoerd bij een temperatuur van ongeveer 20 450-465 graden Celsius. De gezamenlijke laagdikte is hierbij veelal 50 tot 150 micrometer.

Werkstukken die volgens bovengenoemde verzinkwerkwijze een hierboven beschreven lagen samenstelling aan het oppervlakte verkrijgen zijn zeer breed toepasbaar in 25 vele technische omgevingen waarbij de beschermende werking van de zinklagen van belang is zoals bijvoorbeeld in de bouw of toepassingen waarbij staal wordt blootgesteld aan weersinvloeden zoals bijvoorbeeld het gebruik van containers. Verder worden veelal verzinkte stalen roosters gebruikt in 30 toepassingsgebieden als (petro-chemische) fabrieken of in andere omgevingen als bijvoorbeeld loopvloeren.

Een nadeel van dergelijke zinklagen is dat bijvoorbeeld bij brand of bij andere voorvallen waarbij de 1022263 2 temperatuur oploopt tot boven het smeltpunt van zink, het zink zal afsmelten van het oppervlak waarop het is aangebracht. Zeker de, over het algemeen dikste, buitenlaag van puur zink zal snel afsmelten.

5 Teneinde een dergelijk nadeel te ondervangen verschaft de onderhavige uitvinding een werkwijze voor het verzinken van een werkstuk omvattende staal, omvattende stappen voor: - het in contact brengen van het werkstuk met 10 vloeibaar zink met een temperatuur in een eerste temperatuurbereik van 420-800 graden Celsius voor het verkrijgen van een aantal legeringslagen aan het staaloppervlak, - het gedurende een tijdsperiode van 1 seconde-24 uur 15 verwarmen van het werkstuk bij een temperatuur in tweede temperatuurbereik van 420-800 graden Celsius voor het verkrijgen van nieuwe laagsamenstellingen met een door de behandeling verkregen gewenste samenstelling.

De hierboven beschreven lagen van de stand van de 20 techniek ontstaan door de chemische en natuurkundige reactie tussen het oppervlak van het werkstuk en het gesmolten zink tijdens de stap voor het in contact brengen van het werkstuk met het zink voor het verkrijgen van een overgangsgebied omvattende lagen van verschillende samenstellingen van beide 25 metalen.

Tijdens het verwarmen worden verdere chemische en natuurkundige reacties tussen de metalen tot stand gebracht. Hierbij diffunderen zinkdeeltjes verder in het ijzer 1 en diffunderen ijzerdeeltje verder in de zinktoplaag 5. Hierdoor 30 wordt bereikt dat tot aan het oppervlak van de zinklaag 5 ijzerdeeltjes zullen voorkomen. Door de verbindingen tussen ijzer- en zinkdeeltjes in deze gewijzigde toplaag wordt bereikt dat deze toplaag zelfs bij zeer hoge temperaturen 2· <r l .......:'Ö 3 niet onderhevig is aan afsmelten. Proefnemingen hebben uitgewezen dat zelfs bij temperaturen van 1500 graden, waarbij het metaal kersenrood licht uitstraalt, geen uitloop ofwel afsmelting voorkwam.

5 Een verder voordeel van de behandeling volgens de onderhavige uitvinding is dat het oppervlak van het werkstuk "schoon" is. Dat wil zeggen dat geen zinkdruppelresten, verdikkingen, hardzink korrels of vellen of ruwe elementen op het oppervlak voorkomen die op normale wijze voorkomen na het 10 uit een zinkbad verwijderen van een werkstuk.

Bij voorkeur is het tweede temperatuurbereik 420-600 graden Celsius en bij grotere voorkeur 440-560 graden Celsius. Zoals in het navolgende nader zal worden beschreven, zijn proefnemingen in deze bereiken uitgevoerd, welke tot 15 bevredigende resultaten hebben geleid, waarbij de hierboven beschreven voordelen zijn behaald.

Bij voorkeur wordt tijdens het verwarmen van het werkstuk gebruik gemaakt van een vooraf bepaalde atmosfeer. Een voorkeursuitvoeringsvorm hiervan is dat de atmosfeer een 20 reducerend gas omvat. Een alternatieve uitvoering is dat de atmosfeer zuurstof omvat.

Bij voorkeur omvat het werkstuk een aantal perforaties of openingen. Door de warmtebehandeling worden, zoals in het voorgaande is omschreven, de lagen veranderd 25 zodat de lagen die zink omvatten in totaal dikker worden.

Voorts worden de perforaties of openingen die (deels verstopt raken tijdens het thermische verzinken vrijgemaakt door de warmtebehandeling. Tevens verkrijgt het vrijkomende oppervlak van de perforaties of openingen eenzelfde 30 oppervlaktelaag als de rest van het oppervlak van het werkstuk. Hierdoor hoeven de perforaties niet door middel van een nabehandeling te worden verwijderd hetgeen een kostbare behandeling is.

1022263 4

Het komt verder voor dat in een zinkbad staal in de vorm van kleine deeltjes (hardzinkdeeltjes) terecht komt tijdens het thermisch verzinken en dat dergelijke deeltjes aan het oppervlak van een werkstuk hechten wanneer het 5 werkstuk uit het zinkbad wordt genomen. Door de warmtebehandeling worden deze hardzinkdeeltjes verwijderd van het oppervlak, hetgeen bijvoorbeeld geschiedt doordat het metaal hiervan wordt opgenomen in het oppervlak van het werkstuk. Hierdoor hoeven deze deeltjes niet mechanisch of 10 handmatig te worden verwijderd hetgeen een langdurige en (mede daardoor) kostbare behandeling is. Hetzelfde probleem wordt opgelost in het geval van de aanwezigheid van bulten op druppels die bij het thermische verzinken achterblijven op het oppervlak van het werkstuk.

15 In een verdere uitvoeringsvorm omvat het werkstuk een hekwerk of roostervormig element. Bij dergelijke werkstukken komen eveneens de hardzinkdeeltjes voor en worden deze eveneens verwijderd door de behandeling.

In een verdere uitvoeringsvorm omvat het werkstuk een 20 bouwelement of constructie-element voor in de bouw waarbij de warmtebehandeling soortgelijke voordelen verschaft als bij de voorgaande uitvoeringsvormen. Een voorbeeld van een dergelijk bouwelement is een latei.

Een verder aspect van de onderhavige uitvinding 25 betreft een verzinkt product verkregen door middel van een werkwijze zoals in het voorgaande of in de aangehechte conclusies is beschreven.

Verdere voordelen, kenmerken en details van de onderhavige uitvinding zullen nader worden beschreven aan de 30 hand van de bijgevoegde figuren, waarin: - fig. 1 een schematische weergave in doorsnede is van een aantal legeringslagen die ontstaan tijdens een verzinkproces; 1022, h.s 5 - fig. 2 een weergave is van een werkstuk dat is verzinkt volgens de stand van de techniek (fig. 2a) en een werkstuk dat is verzinkt met behulp van de onderhavige uitvinding (fig. 2b); 5 - fig. 3 een aanzicht is in perspectief van een verder verzinkt werkstuk.

Er bestaan verscheidene werkwijzen voor het verzinken van een stalen werkstuk. Bekend zijn onder andere thermisch verzinken, centrifuge verzinken, Sendzimir verzinken, Sherard 10 verzinken, spuiten van zinkdraad of zinkpoeder, elektrolytisch verzinken of mechanisch verzinken. Een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de onderhavige uitvinding omvat vervolgstappen om verzinkte producten of werkstukken volgens de stand van de techniek te verbeteren.

15 Elk van de werkwijzen volgens de stand van de techniek leveren als resultaat van het verzinken een aantal lagen van verschillende legeringen aan het oppervlak van het stalen werkstuk.

In het geval van bijvoorbeeld thermisch verzinken 20 (fig. 1) ontstaan er op het staal 1 vier legeringslagen. Deze lagen hebben elk een specifieke zink-staalverhouding ofwel zink-staallegering. De samenstellingen van deze lagen zijn bekend. Laag 1 is het staal van het werkstuk. Laag 2, ook wel de Y (gamma)-laag genoemd, bevat 21-28% Fe. Laag 3, ook wel 25 de δ (delta)-laag genoemd, omvat 7-11,5% Fe. Laag 4, ook wel de ζ (zêta)-laag genoemd, omvat 6,0-6,2% Fe. Laag 5, ook wel de η (êta)-laag genoemd, omvat ongeveer 0,08% Fe. Deze toplaag is derhalve een nagenoeg pure zinklaag.

Deze nagenoeg pure zinklaag 5 smelt bij bijvoorbeeld 30 brand waarbij de temperatuur oploopt tot boven de 420 graden Celsius af. Hierdoor wordt het werkstuk, bijvoorbeeld een roostervloer, onbruikbaar. Indien afdruipend zink valt op warm roestvrij staal, zal het zink gaan legeren met het 10 2,-· ' " 6 staal. Eventueel in roestvrij staal aanwezig nikkel bevordert het vormen van dergelijke legeringen. Indien er bijvoorbeeld leidingen van roestvrij staal zijn vervaardigd, kunnen deze hierdoor worden beschadigd en gaan lekken. In dergelijke 5 gevallen dienen zowel de verzinkte werkstukken als de aangetaste leidingen te worden vervangen.

Een nadeel van de toplaag 5 van vrijwel pure zink is derhalve de thermische kwetsbaarheid.

Een uitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding 10 is dat een verzinkt werkstuk met de hierboven beschreven legeringslagen wordt verwarmd, bijvoorbeeld in een oven, tot een temperatuur van bijvoorbeeld 420 tot 550 graden Celsius. Dit wordt bijvoorbeeld gedurende een uur uitgevoerd.

In een proefneming zijn twee thermisch verzinkte 15 strips in een gesloten elektrische oven gedurende één uur gebracht tot een temperatuur van 550 graden Celsius. De oppervlaktelagen hadden voor aanvang van deze bewerking een dikte van ± 60 pm. De strips hadden een glad uiterlijk, hetgeen normaal is na thermisch verzinken. Enkele 20 zinkdruppels en scherpe uitsteeksels bevinden zich op het verzinkte oppervlak van de strips voordat deze in de oven worden gebracht.

Na de warmtebehandeling in de oven waren de strips verkleurd tot een grauwe grijze strip. De zinklagen waren 25 ongeveer 100 pm in doorsnede. Het oppervlak was in plaats van glimmend enigszins dof/ruw geworden. De druppels en ruwe elementen waren verdwenen. Wat betreft de samenstelling van de ijzer-zinklaag, die dikker was geworden, dienen nadere analyses te worden uitgevoerd.

30 Na deze behandeling werd een proef uitgevoerd om de hittebestendigheid van de nieuwe laag te testen. Een onbehandelde, d.w.z. niet in de oven behandelde, strip met de zinklaag volgens de stand van de techniek en een behandelde 1022263 7 strip volgens een uitvoering van de onderhavige uitvinding werden met een brander met een rood-gele vlam verhit. De strip volgens de stand van de techniek vertoonde afsmelten van het zink. De strip die behandeld was volgens een 5 uitvoering van de onderhavige uitvinding werd roodgloeiend maar er droop geen zink van af. De rode gloed van de verhitte strip was kersenrood, hetgeen duidt op een temperatuur van ongeveer 1500 graden Celsius.

In een verdere proefneming werd een geperforeerde 10 plaat middels thermisch verzinken volgens de stand van de techniek verzinkt. Het resultaat was een verzinkte plaat met een glimmend oppervlak met zinkdruppelresten en scherpe uitsteeksels. Voorts was een groot deel van de gaten ofwel perforaties dichtgeslibd middels een dun zinkvlies. In fig.

15 2a is een grafische weergave van de geperforeerde plaat 22 te zien. Enkele gaten of perforaties 24 waren na de behandeling open. Enkele gaten 25 waren geheel voorzien van een zinkvlies. Enkele gaten 26 waren deels voorzien van een zinkvlies. Verder waren zinkdruppels of scherpe uitsteeksels 20 23 op het oppervlak waarneembaar. Vervolgens werd de plaat gedurende tien minuten in een oven gebracht van 550 graden Celsius met een temperatuurspreiding van 10 graden Celsius. Het resultaat is weergegeven in fig. 2b. Plaat 20 heeft een enigszins dof geruwd oppervlak. De grove oneffenheden zijn 25 echter verdwenen. Voorts zijn alle openingen of perforaties mooi egaal voorzien van een verzinkt oppervlak en volledig open. Dit heeft als voordeel dat na het verzinken de perforaties niet hoeven worden opengewerkt ofwel schoongemaakt. Dit openwerken ofwel schoonmaken is een zeer 30 arbeidsintensief werk. Eveneens is het verwijderen van oppervlakteruwheden 23 zeer bewerkelijk.

Een soortgelijk resultaat is waar te nemen in fig. 3. In fig. 3a is een werkstuk 32 met oppervlakteruwheden 34 1022263 8 weergegeven. Deze oppervlakteruwheden omvatten druppels en scherpe uitsteeksels. De volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding bewerkte stalen balk 30 van fig. 3b heeft een enigszins dof, licht aangeruwd oppervlak maar is 5 verder egaal.

De werkstukken van fig. 2b en 3b hebben een dikkere legeringslaag aan het oppervlak dan de werkstukken van fig.

2a en 3a. Dit is het gevolg van een verdere uitwisseling van Fe-deeltjes vanuit het werkstuk naar de zinklagen.

10 De oppervlakken van de hitte-behandelde werkstukken van fig. 2b en 3b zijn zeer geschikt voor het aanbrengen van een verdere coating zoals bijvoorbeeld een organische deklaag zoals een poedercoating. De aanhechting aan dergelijke oppervlakken is zeer goed. Bij de proefnemingen bleek zich 15 een zinkoxyde-laag op het werkstuk te vormen. Teneinde dit te voorkomen kan bijvoorbeeld stikstof worden toegepast als schermgas in de oven.

Een verdere proef hield in dat een werkstuk gedurende twaalf uur bij 380 graden Celsius alsmede een kwartier op 450 20 graden Celsius werd verhit. Het oppervlak na deze behandeling was grof en vertoonde de kenmerken van een Si-staal. Bij het vervolgens aanbrengen van een coating ontstond enigszins meer ontgassing dan normaal. De hechting was echter goed. Voor het indienen van deze aanvrage waren nog geen nauwkeurige 25 analyses uitgevoerd met betrekking tot de percentages Fe en Zn in de nieuw gevormde toplagen. Vastgesteld werd dat de legeringslagen in totaal in hoofdzaak 20-50%, ofwel ongeveer 30% dikker zijn dan voor de hittebehandeling in de oven. De toplaag vóór de behandeling omvat ongeveer 0,08% Fe. De laag 30 na de behandeling omvat bij voorkeur ten minste 5% Fe ofwel de hoeveelheid Fe als in de voormalige δ (delta)-laag 3 of ζ (zêta)-laag 4.

1 Gil; 13 9

De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot de boven beschreven voorkeursuitvoeringsvorm; de gevraagde rechten worden bepaald door de navolgende conclusies, binnen de strekking waarvan velerlei modificaties denkbaar zijn.

1022263

Claims (19)

1. Werkwijze voor het verzinken van een werkstuk omvattende staal, omvattende stappen voor: 5. het in contact brengen van het werkstuk met vloeibaar zink met een temperatuur in een eerste temperatuurbereik van 420-800 graden Celsius voor het verkrijgen van een aantal legeringslagen aan het staaloppervlak, gekenmerkt door 10. het gedurende een tijdsperiode van 1 seconde - 24 uur verwarmen van het werkstuk bij een temperatuur in tweede temperatuurbereik van 420-800 graden Celsius voor het verkrijgen van nieuwe laagsamenstellingen met een door de behandeling verkregen gewenste samenstelling.

2. Werkwijze voor het behandelen van een verzinkt stalen werkstuk omvattende stappen voor het gedurende een tijdsperiode van 1 seconde tot 24 uur verwarmen van het verzinkte werkstuk bij een temperatuur in een tweede temperatuurbereik van 420-800 graden Celsius voor het 20 verkrijgen van nieuwe laagsamenstellingen met een door de behandeling verkregen gewenste samenstelling.

3. Werkwijze volgens een of meer van de voorgaande conclusies waarbij het tweede temperatuurbereik 420-600 graden Celsius en bij grotere voorkeur 440-560 graden Celsius 25 is.

4. Werkwijze volgens een of meer van de voorgaande conclusies waarbij het eerste temperatuurbereik 400-550 graden Celsius en bij voorkeur 440-460 graden Celsius is.

5. Werkwijze volgens een of meer van de voorgaande 30 conclusies waarbij de tijdsperiode ligt in het bereik van 5- 1000 minuten, bij voorkeur 6-300 minuten en bij grotere voorkeur 10-60 minuten.

1 J " Ό 3

6. Werkwijze volgens een of meer van de voorgaande conclusies, omvattende stappen voor het tussen het in contact brengen met het vloeibare zink en het verwarmen van het werkstuk laten afkoelen van het werkstuk tot tenminste een 5 vooraf bepaalde temperatuur.

7. Werkwijze volgens een of meer van de voorgaande conclusies waarbij tijdens het verwarmen van het werkstuk gebruik wordt gemaakt van een vooral bepaalde atmosfeer.

8. Werkwijze volgens conclusie 7 waarbij de atmosfeer 10 een reducerend gas omvat.

9. Werkwijze volgens conclusie 7 waarbij de atmosfeer zuurstof omvat.

10. Werkwijze volgens een of meer van de voorgaande conclusies waarbij de tijdsduur van de verwarming zodanig is 15 dat bij de toegepaste temperatuur in de bovenste oppervlakte laag een ijzergehalte van 2-14%, bij voorkeur 4-12% en bij grotere voorkeur van 6-11% aanwezig is.

11. Werkwijze volgens een of meer van de voorgaande conclusies waarbij het verwarmen in een oven plaatsvindt.

12. Werkwijze voor het coaten van een werkstuk na het ondergaan van een werkwijze volgens een of meer van de voorgaande conclusies.

13. Werkwijze volgens een of meer van de voorgaande conclusies waarbij het werkstuk een aantal perforaties of 25 openingen, zoals bijvoorbeeld in een perfostaalplaat, omvat.

14. Werkwijze volgens een of meer van de conclusies 1-12 waarbij het werkstuk een hekwerk of roostervormig element omvat.

15. Werkwijze volgens een of meer van de conclusies 30 1-12 waarbij het werkstuk een bouwelement of constructie- element voor in de bouw omvat.

16. Werkwijze volgens conclusies 15 waarbij het bouwelement een latei is. 1022263

17. Verzinkt product verkregen door middel van een werkwijze volgens een of meer van de voorgaande conclusies.

1 Cr ; ' '