نقش آلومینیوم در فولاد گالوانیزه

مقدمه

در طی قرن‌ها فلز روی به‌عنوان یکی از عناصر برای افزایش طول عمر و کارایی فولاد به‌کار گرفته شده است. لعاب‌دهی توسط فلز روی یکی از راه‌های موثر و اقتصادی برای محافظت فولاد در برابر خوردگی است. لعاب روی یا گالوانیزه فولاد باعث ایجاد ترکیب بی‌نظیری از خصوصیات مثبت می‌شود که در زیر به برخی از آنها اشاره می‌کنیم:

* استحکام بالا که توسط لایه‌های زیرین فولادی تعیین می‌شود. 

* قابلیت شکل‌پذیری که برای ورق‌های فولادی لعاب داده شده تحت عملیات نورد، یک خصوصیت کلیدی است. 

* وزن سبک فولادهای ساختمانی در مقایسه با مواد دیگر. 

* مقاومت خوردگی در دراز مدت در کنار حفظ زیبایی ظاهری 

* قابلیت بازیافت هم برای ضایعات به جا مانده از سازه‌های ساختمانی و هم برای پایان چرخه حیات. 

* قیمت مناسب در رقابت با مواد ساختمانی با کیفیت مشابه. 

با این دلایل، فولاد گالوانیزه به عنوان یک ماده ایده آل برای کاربرد انبوه در ساختمان‌ها است. در بازار سازه‌های مسکونی، فولاد گالوانیزه، نقش ویژه و بسیار موثر را در اسکلت‌ها، سقف‌ها، آبراهه‌ها و ناودانی‌ها، کانال‌ها (سرمایشی، گرمایشی و تهویه) و نیز اسباب منازل دارا است. فولاد گالوانیزه در برابر خوردگی مقاوم است. در کشورهای صنعتی، حداقل 4 درصد از تولید ناخالص داخلی (GDP) در هر سال به‌دلیل خوردگی آسیب می‌بیند و در 15 سال گذشته گرایش خریداران و تولیدکنندگان به سمت نیاز به افزایش مقاومت در برابر خوردگی به واسطه استفاده بهینه از فلز روی و کاربردهای بیشتر فولاد لعاب داده شده با روی، بوده است. 


نحوه عملکرد روی به‌عنوان محافظ

فولاد لخت در اکثر محیط‌های موجود خورده می‌شود. پوشش روی با دو روش محافظتی موجب افزایش مقاومت فولاد در مقابل خوردگی می‌شود که این دو روش سد فیزیکی و عامل کاتودی هستند که در زیر به آنها اشاره خواهیم کرد. 


سد محافظتی

اندودکاری با روی یک سد فلزی ثابت و غیرقابل نفوذ به‌وجود می‌آورد که مانع از تماس رطوبت با فولاد مورد نظر می‌شود. بدون تماس مستقیم با رطوبت، خوردگی نیز به‌وجود نخواهد آمد. اگرچه، با فرسایش تدریجی روی به‌دلیل افزایش تخریب آهسته با توجه به‌وجود آب و آلاینده‌های محیطی در کاربردهای فضای آزاد، عمر محافظت متناسب با ضخامت پوشش قطعه است. 

این مسئله تا سال‌ها از موضوعات مورد علاقه محققین بوده و در مطبوعات همواره گزارش‌های زیادی در مورد کارایی فلز روی در شرایط متفاوت با افزایش آلیاژهای مختلف به پوشش و ضخامت‌های متفاوت پوشش‌ها، دیده شده است. 

در صورتی که حفاظ جداره بیرونی کامل باشد، خوردگی در ساختار داخلی (اسکلت جداره‌ها و خرپاهای شیروانی) قابل توجه نخواهد بود. 

بدون آنکه مجبور باشیم ضخامت پوشش را افزایش دهیم، عمر ماندگاری پوشش محافظتی را می‌توان به روش‌های مختلف بهبود بخشید. افزودن آلومینیوم به ترکیب آلیاژ پوشش از قبیل گالفانا(Galfana) و گالوالوم (Galvalumea)، یا استفاده آن به صورت پوشش رنگی، به مقدار قابل توجهی عمر پوشش ورق‌های فولادی را افزایش خواهد داد. 


محـافظت کاتـودی

از دیگر مکانیزم‌های مهم محافظتی، توانایی الکتریکی (galvanically) قابل توجه روی برای محافظت از فولاد است. وقتی میله فولادی به دلایلی مانند لب پر شدن یا خراش سطحی در معرض رطوبت قرار گیرد، فلز روی به اصطلاح خود را فدا می‌کند و در مجاورت فولاد صدمه دیده، مصرف می‌شود و از فولاد محافظت می‌کند. با حضور بی‌درنگ فلز روی، فولاد خورده نخواهد شد تا اینکه روی کاملا مصرف شود. این مزیت ورق‌های فولادی اندودکاری شده، به‌خصوص زمانی که زیر لایه‌های آلومینیومی یا پوشش رنگ محافظ به تدریج از بین رود، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. وجود روی در حفاظت کاتودی یک امر کلیدی است. تمام پوشش‌های فلزی که در آنها فلز روی به‌کار می‌رود، شامل گالفانا و گالوالوم، از این خصوصیت سودمند بهره‌مند هستند. 


شکـل‌پذیری و کشش سطحی

زمانی که اسکلت‌ها و سقف‌های فولادی در ساختمان‌های مسکونی به‌کار گرفته شوند، تمامی پوشش‌هایی که در آنها روی وجود دارد به‌طور مداوم تحت عملیات‌های آماده‌سازی غوطه وری و پیش گرم قرار می‌گیرند بدین صورت که ورق‌های فولادی در حمامی از روی مذاب یا آلیاژ روی فرو برده می‌شوند که به این فرآیند گالوانیزه پیوسته می‌گویند. 

باند میانی بین فولاد و روی یک باند متالورژیکی است به‌طوری که یک حلقه فولادی لعاب داده شده با روی می‌تواند بدون اینکه پوشش آن صدمه ببیند برش بخورد، سوراخ شود و یا شکل بگیرد. با توجه به ضخامت فولاد، محدودیت‌های شعاع خمش و وزن پوشش وجود دارد، اما این موارد شناخته شده هستند و به تولیدکنندگان ورق‌های فولادی لعاب داده با کاربردهای ساختمانی بستگی دارند. 


نقش آلـومینیوم در فولاد گالـوانیزه

اگرچه روی استفاده شده برای پوشش فولادها هیچ‌گاه به صورت خالص به‌کار نمی‌رود لیکن همواره با دیگر عناصر (فلزی یا غیرفلزی) ترکیب می‌شود. یکی از مهمترین و رایج‌ترین عناصر فلزی آلومینیوم است. آلیاژ خالص آلومینیوم به دلایل متعدد از قبیل، افزایش کاربرد روی در بهبود قطعی خصوصیات شکل‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی پوشش فولاد، به آن افزوده می‌شود. 

بنابر گزارش‌های اخیر تنها برای یک فرآیند پوشش‌دهی به روش غوطه وری گرم پیوسته، کلاف فولادی تحت عملیات نورد گرم و نورد سرد قرار می‌گیرد، سپس به ترتیب باز شده، تمیز می‌شود، به آن حرارت داده شده یا تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرد، از حمام مذاب روی عبور داده می‌شود، سرد شده و در آخر دوباره کلاف می‌شود. 


پوشش گالوانیزه

پوشش گالوانیزه به‌دست آمده از فرآیند غوطه‌وری گرم پیوسته و اکثر محصولات رایج فولاد گالوانیزه، به روش غوطه‌وری فولاد در حمام مذاب روی تولید می‌شوند که این حمام شامل مقدار کمی از فلز آلومینیوم (1/0 تا 3/0 درصد) و در صورت امکان آنتیموان و نیز فلز روی (03/0 تا 1/0 درصد) است. در دمای بالا در حمام مذاب روی، روی و آهن به صورت یک لایه بین فلزی ترد بین فلز پایه (فولاد) و پوشش آن (روی) واکنش می‌دهند. وظیفه آلومینیوم ممانعت از انجام این واکنش و کاهش ضخامت لایه بین فلزی است. 

ساختار پوشش مورد نظر در بهترین حالت از یک لایه روی بر فولاد تشکیل شده است که این دو با یک لایه نازک از آلومینیوم خالص از یکدیگر جدا می‌شوند. این پوشش برای تولید محصولاتی با خصوصیات مطلوب مقاوم در برابر خوردگی و شکل‌پذیری، اقتصادی است. 


پوشش گالفان (®Galfan)

گالفان یک آلیاژ روی شامل 5 درصد وزنی آلومینیوم است. در روند تولید بین پوشش‌های گالفان و گالوانیزه، تنها اختلاف اساسی، آلیاژ مخلوط به کار گرفته شده در حمام مذاب روی است. 

ریزساختار این پوشش، در اصطلاح یوتکتیک نامیده می‌شود که از یک ترکیب آلیاژی تشکیل شده که در دمای خاصی منجمد می‌شود که به آن دمای یوتکتیک آلیاژ می‌گویند. ساختار یوتکتیک یک زنجیره متناوب و ظریف، غنی از فلز روی در زمینه‌ای از صفحات آلومینیوم است. بعد از خارج کردن فولاد لعاب داده شده از حمام فلز مذاب، برای ایجاد یک ساختار فلزی محکم و خواص مطلوب پوشش، سرد کردن با سرعت بالا ضروری است. 

ساختار محکم این پوشش دارای خاصیت شکل‌پذیری عالی است. گالفان می‌تواند در کاربردهای شکل‌دهی سخت از قبیل کشش بالا (Deep Drawing) مورد استفاده قرار بگیرد. میزان آلومینیوم موجود (بیشتر از استاندارد پوشش‌های گالوانیزه) موجب افزایش خوردگی بیشتر از پوشش گالوانیزه می‌شود. این درحالی است که وجود آلومینیوم باعث افزایش هزینه آلیاژ می‌شود، همچنین با کاهش میزان روی در حقیقت توان حفاظتی الکتریکی روی نیز کاهش می‌یابد. 


پوشش گالوالوم (Galvalume ®)

گالوالوم یک آلیاژ روی شامل 55 درصد وزنی آلومینیوم و 5/1 درصد وزنی سیلیسیوم است. همانند گالفان تنها تفاوت اساسی در روند تولید با پوشش‌های گالوانیزه، آلیاژ مخلوط به‌کار گرفته شده در حمام مذاب روی است.
ساختار این آلیاژ از یک مجموعه دندریتی به همراه رشته‌های پراکنده و به هم تنیده از فازهای غنی از روی و آلومینیوم و همچنین ذرات سیلیسیوم خالص، شکل گرفته است. به دلیل وابستگی این آلیاژ به آلومینیوم بالای موجود در آن می‌توان گفت که این آلیاژ رفتاری همانند یک پوشش آلومینیومی به همراه روی دارد در حالی که آلیاژ گالفان دارای رفتاری مانند یک پوشش روی به همراه آلومینیوم است. 

در نتیجه گالوالوم دارای یک خاصیت مقاومت بالا در برابر خوردگی و حرارت است، اما محافظت الکتریکی آن پایین است. هزینه تولید آن نیز به‌دلیل افزایش قیمت آلیاژ به کار رفته و نیز احتیاج به حمام مذاب با دمای بالاتر، از پوشش‌های گالوانیکی بیشتر است. 


تفسیر کلی گالفان و گالوالوم

همان‌گونه که گفته شد وجود روی در حفاظت کاتودی یک امر کلیدی است. تمام پوشش‌های فلزی که در آنها فلز روی به‌کار می‌رود، شامل گالفان و گالوالوم، از این خصوصیت سودمند بهره‌مند هستند. هر دوی این پوشش‌ها، محصولات اختصاصی هستند و تحت لیسانس شرکت‌های دارنده حق انحصاری این دو محصول تولید می‌شوند. 


مباحث زیست‌محیطی

آنچه که روشن است فلز روی از نظر زیست‌محیطی یک انتخاب مناسب است و همواره قابل بازیافت است. زمانی که اثرات محیطی پوشش‌های دارای روی مطرح می‌شود، تاثیرات محلی در حد کلان و تاثیرات بلندمدت باید مورد توجه قرار گیرد. 

فلز روی یکی از عناصر موجود در طبیعت است که برای بقای تمامی موجودات زنده، از قبیل انسان، حیوانات، گیاهان و جانداران میکروسکوپی ضروری است. هنگامی که پوشش مورد نظر در معرض محیط آزاد قرار داشته باشد مقدار کمی از روی موجود در آن شسته خواهد شد که این مقدار روی معمولا از نظر زیستی غیرقابل دسترسی است و مقدار آن به قدری است که تاثیر خاصی بر اکوسیستم مجاور خود ندارد. 

اما در مقیاس کلان، با استفاده از پوشش‌های روی دار، عمر و دوام محصولات فولادی در برابر خوردگی افزایش می‌یابد که این امر متقابلا کمک شایانی به حفظ منابع طبیعی و کاهش هزینه‌های نگهداری، تعمیر و جایگزینی آن می‌کند. 


کمال‌الدین غفوری 
منبع: Steelworld