Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus S 3 Overiladebehandlin g Stå l Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannels e i et samarbejde mellem : Dansk Ingeniørakademi, Dansk Teknologisk Institut, FORCE-Institutterne, Forskningscenter Risa m.fl. 1993
Overfladebehandlin g Stå! 1. udgave, 2. oplag, 1997 O Undervisningsministeriet - lov 27 1 Grafisk design : Grethe Jensen og Inger Vedel, DTI/Grafik Sats: Repro-Sats Nord, Skage n Tryk : R. Rødgaards Bogtry k Dansk Teknologisk Institut DTI Industri's Forla g ISBN 87-7756-287-9 Kopiering i uddrag tilladt med kildeangivelse
Overfladebehandlin g Stå l Forord 1 1 Forord til S3 1 3 Korrosionsbeskyttels e 1 Korrosionsklasser og korrosionsmiljøer 1 5 1.1 Korrosion i atmosfæren, korrosionsklasser...... 1 5 1.2 Korrosion i jord 1 7 1.3 Korrosion i vand 1 8 1.4 Hensigtsmæssig konstruktion 1 8 2 Beskyttelsesprincipper.. 2 1 2.1 Anvendelse af korrosionsbeskyttende belægninger 2 1 2.1.1 Organiske belægninger 2 1 2.1.2 Metalliske overfladebeki gninger. 2 1 2.2 Andre beskyttelsesmetoder 23 3 Varmforzinkning 2i 3.1 Metode 27 3.1.1 Varmfurzinkning.. 27 3.1.2 llc3jtemperaturtoriinkning 2`t 3.2 Konstruktionsudformnin g 3.3 Ståltyper og zinklagtykkelse 31 ).;_, 3.3.1 Varmva(set eller gimlet stal 1.3.2 Kolc.lvalset stil 3 3 3.3.3 Varmforzinkning at grat stobegcis, aducergod s og sta(str+begods 34 3.4 Revnedannelse ved varmforzinkning 3-1 3.4.1 l3rintskorhed ; 1 3.4.2 Iinkindtra'ngning 35
3.5 Kontrol 35 3.6 Korrosionshastigheder for zink 37 3.6.1 Korrosion i atmosfæren 37 3.6.2 Korrosion i vand 38 3.6.3 Korrosion i jord 38 4 Metallisering 4 1 4.1 Metode 4 1 4.2 Anvendelse 42 4.3 Forbehandling 44 4.4 Konstruktionsudformning 44 4.5 Kontrol 44 5 Galvanisk og kemisk udfælded e overfladebelægninger 47 5.1 Galvaniske metoder 47 5.2 Konstruktionsudformning 49 5.3 Belægninger af zink og zinklegeringer 49 5.4 Andre belægninger 50 5.5 Kemisk udfældede nikkellegeringer 52 5.6 Belægninger opnået ved "dip-spin-metoder" 53 5.7 Kontrol 5 3 6 Forbehandling af stål til maling o g plastbelægninger 55 6.1 Fjernelse af olie, fedt og salte. 55 6.2 Mekaniske forbehandlingsmetoder 56 6.2.1 Sandblæsning. Slyngrensning og fristråleblæsning 56 6.2.2 Slibning og stålborstning 57 6.2.3 Flammerensning... 58 6.2.4 Konstruktionsudformning 58 6.3 Kemiske forbehandlingsmetoder.. 59 6.3.1 Fosfatering;.. 59 6.3.2 Konstruktionsudformning 60 6.3.3 Kontrol 6 1
7 Maling og plastbelægninger 63 7.1 Belægningens opbygning 63 7.1.1 "Våde" malingssystemer 63 7.1.2 Plastbelægning 68 7.2 Valg af belægningssystem 70 7.3 Påføring 7 1 7.3.1 "Vade" malingssystemer 7 1 7.3.2 Pulverbelægninger 72 7.4 Kontrol 73 7.5 Miljøforhold 73 7.6 Korrosionsbeskyttelse med bind og påklæbed e belægninger 7 4 8 Overfladebehandlet ståltyndplade 75 8.1 Metalliske overfladebelægninger 75 8.2 Metalliske + organiske overfladebelægninger 78 9 Andre beskyttelsesmetoder 8 1 9. 1 9. 2 9. 3 9.4 9.5 Luftaffugtning... Olie- og voksbaserede beskyttelsesmidle r Konverteringslag. Korrosionsinhibitorer. Katodisk beskyttelse 8 1 83 84 85 85 14 Overfladebehandlingerne s anvendelsesmuligheder 87 Sliddele og værktøje r 11 Overfladebehandling - sliddele og værktøje r 12 Generelle krav ~) 1 12.1 Grundmateriale ~) 1 12.2 Overfladens beskaffenhed c) ~
12.3 Procesbestemte faktorer 9 2 13 Lidt om kontaktmekanik 9 5 13.1 Overfladens topografi 9 5 13.2 Kontaktarealer 9 7 13.3 Friktion 98 13.4 Tribologisk system 10 1 14 Karakterisering af slid 105 14.1 Definition 105 14.2 Adhæsivt slid 109 14.2.1 Hvor optræder adhæsivt slid 113 14.2.2 Hvorledes mindskes adhæsivt slid 113 14.3 Abrasivt slid 114 14.3.1 Hvor optræder abrasivt slid 11 8 14.3.2 Hvorledes mindskes abrasivt slid 11 9 14.4 Tribokemisk slid 11 9 14.4.1 Hvor optræder tribokemisk slid 120 14.4.2 Hvorledes mindskes tribokemisk slid 120 14.5 Udmattelsesslid 12 1 14.5.1 Hvor optræder udmattelsesslid 122 14.5.2 Hvorledes mindskes udmattelsesslid 12 3 14.6 15 Prøvning af materialers slidegenskaber 123 Slidstål 127 15.1 Borlegerede stål 127 15.1.1 Karakteristiske egenskaber 127 15.1.2 Anvendelse 129 15.2 Manganlegerede stål - Hadfield-stål 13 O 15.2.1 Karakteristiske egenskaber 130 15.2.2 Anvendelse 130 15.3 Hvidt støbejern 13 1 15.3.] Karakteristiske egenskaber 13 1 15.3.2 Anvendelse 131
16 Diffusionsprocesser 13 3 16.1 Kulstofindsætning (karburering) 136 16.1.1 Procesbeskrivelse : Gasindsætning 139 16.1.2 Procesbeskrivelse : Saltbadsindsætning 142 16.1.3 Procesbeskrivelse : Granulatindsætning 147 16.1.4 Varmebehandling efter kulstofindsætning 149 16.1.5 Anvendelse til sliddele og værktøjer 154 16.1.6 Fordele og ulemper 154 16.2 Kabonitrering 155 16.2.1 Procesbeskrivelse 156 16.2.2 Anvendelse til sliddele og værktøjer 159 16.2.3 Fordele og ulemper 159 16.3 Nitrering 160 16.3.1 Procesbeskrivelse : Gasnitrering 166 16.3.2 Procesbeskrivelse : lonnitrering 167 16.3.3 Anvendelse til sliddele og værktøjer 168 16.3.4 Fordele og ulemper 170 16.4 Nitrokarburering 170 16.4.1 Procesbeskrivelse : Tenifering 173 16.4.2 Procesbeskrivelse: Sulfinuz-processen 176 16.4.3 Procesbeskrivelse: Nitemper- og Nitroc-processerne 177 16.4.4 Anvendelse til sliddele og værktøjer 179 16.4.5 Fordele og ulemper 180 16.5 Andre diffusionsprocesser 18 1 16.5.1 Borering;. 18 1 16.5.2 Krorasering_. 183 16.5.3 T1)-processen 184 17 Overfladehærdende processer uden diffusion. 18 7 17.1 Procesbeskrivelse: Flammehærdning 18 8 17.2 Procesbeskrivelse: Induktionshærdning. 19 3 17.3 Anvendelse til sliddele og værktøjer 19 8 17.4 Fordele og ulemper 201)
18 Galvaniske processer 20 1 18.1 Hårdforkromning 20 1 18.1.1 Procesbeskrivelse 20 1 18.1.2 Anvendelse til sliddele 202 18.1.3 Anvendelse til værktøjer 203 18.1.4 Stål 203 18.1.5 Fordele/ ulemper 204 18.2 Kemisk nikkel 207 18.2.1 Procesbeskrivelse 20 7 18.2.2 Anvendelse til konstruktions- og sliddele 208 18.2.3 Anvendelse til værktøjer 209 18.2.4 Stål 209 18.2.5 Fordele/ulemper 210 18.3 Kemisk nikkel dispersionsbelægninger 21 3 18.3.1 Procesbeskrivelse 21 3 18.3.2 Anvendelse til sliddele 21 4 18.3.3 Anvendelse til værktøjer 21 5 18.3.4 Fordele/ulemper 21 5 18.4 Børsteplettering 21 6 18.4.1 Procesbeskrivelse 21 7 18.4.2 Anvendelse til konstruktions- og sliddele 21 8 18.4.3 Anvendelse til værktøjer 21 8 18.4.4 Fordele / ulemper 220 19 Diverse overfladeteknikker 223 19.1 Påsvejste belægninger 22 3 19.2 Termiske sprøjteprocesser 22 5 19.3 Overfladebehandling med laser 23 1 20 Tørre belægningsprocesser 235 20.1 cvd 23 5 20.1.1 Procesbeskrivelse 23 5 20.1.2 Anvendelse 242 20.1.3 Fordele og ulemper 242 20.2 PVD 243 20.1.1 Procesbeskrk else 24 3 20.2.2 Fordele og ulemper 248 20.2.3 Anvendelser 249
20.3 lonimplantering 249 20.3.1 Procesbeskrivelse 249 20.3.2 Anvendelser 253 20.3.3 Fordele og ulemper 254 21 21.1 Overfladebehandling, skematisk oversigt_ 257 Skematisk oversigt 257 22 Valg af overfladebehandling 26 3 Stikord 26 5
Forord Denne lærebog indgår i et omfattende, modulopbygget system af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til at arbejde optimalt med såvel nye som kendte materialetyper. Systemet dækker således alle materialetyper fra støbejern, stål, rustfrit stål, aluminium og diverse metallegeringer over plast, fiberforsta?rket plast og sandwichmaterialer til keramiske og pulvermetallurgiske materialer. For hver materiale - type vil der være kurser i relevante emner som grundlæggende materialekendskab, materialevalg, forarbejdning og konstruktion, nedbrvdningsformer og tilstandskontro l m.m.m. Tanken med det modulopbyggede efteruddannelsessyste m er, at virksomheder - eller enkeltpersoner - har mulighe d for at sammensætte et kursusforløb, som er tilpasset det aktuelle behov, hvad enten det drejer sig om at gå i dybde n med et materialeområde, eller man onsker at udvide sin e kvalifikationer til flere materialetyper f.eks. inden for e t emne som forarbejdningsprocesser. Det er naturligvis vore s håb, at denne lærebog enten i forbindelse med det pågælden - de kursus - eller ved selvstudium vil være et godt bidra g til en sådan opgradering af kvalifikationerne hos den enkelte. For at bogen kan tjene bade som kursusmateriale, opslags - bog og kilde til supplerende viden, er den forsynet me d mange figurer, der underbygger teksten, samt margentekste r og index, der letter opslag. Visse afsnit i teksten vil være skrevet med andre typer, samt forsynet med en gra streg langs margen som indikation at, at det pagældende afsnit speciel t henvender sig til læsere med ingeniormæssig baggrun d el.lign.. I forbindelse med kurser vil bogen blive ledsaget a f en arbejdsmappe indeholdende supplerende materialer, ovelsesvejledninger, opgaver m.v. Kurserne er udviklet i et konsortium bestaende af Danmark s Ingeniorakademi (maskinafdelingen), Dansk 'Teknologis k Institut, FORCF: Institutterne og Forskningscenter RIS(-) sam t en række danske virksomheder. 1 denne forbindelse skal der Ivde en tak til de mange rundt omkring i virksomhederne,
der har bidraget til udviklingsarbejdet i form af klarlægnin g af behov og løbende vurdering af materialet ved deltagelse i følgegrupper m.v. (ingen nævnt - ingen glemt!). Udviklings - arbejdet er foretaget med støtte fra Undervisningsministerie t (Lov 271 - Lov om Efteruddannelse) og herunder har Ind - satsgruppen for Materialeteknologi samt de tilknyttede refe - ree's ligeledes ydet en god indsats med henblik på afstemning mellem erhvervslivets behov og materialets indhold. Taastrup, marts 199 3 På konsortiets vegne - Lorens P. Sibbese n (projektadministrator) 12
Forord Denne bog danner grundlaget for undervisningsmodulet S3 : Overfladebehandling - Stål, hvor der undervises i : A Overfladebehandling som korrosionsbeskyttels e B Overfladebehandling af sliddel e C Overfladebehandling af værktøje r Sammen med en kursusmappe udgør bogen det kursusmateriale, der anvendes i modulet S3. Bogen indeholder 22 kapitler, som falder i to dele, hvora f første del, som er kapitel 1-10 omhandler overfladebehand - ling af stål med henblik på korrosionsbeskyttelse. Anden de l udgøres af kapitlerne 11-22, som omhandler overfladebehandling af sliddele og værktøjer. Der gives en gennemgang af konventionelle overfladebehandlingsprocesser samt af nye, avancerede processer. Herudover er der lagt vægt på at beskrive, hvorledes en overfla - debehandling kan vælges (behovsanalyse, kravspecifikation, fremgangsmåde), samt hvordan en overfladebehandlings kvalitet kan kontrolleres. Denne bog er planlagt og forfattet af I lenrik Reitz, Dorthe Bred m.fl. Tribologicentret, Proces & Værktøj, DTI; Niel s Lund Jensen, Overfladeteknik, DTI; Kim Glavind Rasmussen, Industriel Metallurgi, DTI samt af Torben Jensen og Jørgen Moller FORCE Institutterne. Arhus, marts 199 3 Kirsten Arndal Rotvel Christen A. Stræd e Civilingenior Sektionsleder, I.ic. scient. 13
14
Korrosionsklasser og korrosionsmiljøer 1 Korrosion af stål opstår ved metallets reaktion med omgivel - serne, under dannelse af jernforbindelser, f.eks. rust, der e r mere stabile end metallisk jern. Der skelnes normalt mellem vådkorrosion og hojtemperaturkorrosion. Vådkorrosion af stål kan beskrives med folgende reaktion: Vadkorrosio n Stål + ilt + vand ~ korrosionsprodukter (rust ) Ilt og vand er således forudsætning for, at korrosionen ka n forlobe. I stærkere surt miljo kan stel korrodere under brintudvikling, d.v.s. under iltfrie forhold : Stål + syre ---> korrosionsprodukter + brint Vand er dog stadig en forudsætning, idet syre pr. definition er en vandig oplosning. Hojtemperaturkorrosion opstår i de fleste tilfælde ved direkte reaktion mellem stål og en iltholdig gasatmosfære ved temperaturer fra ca. 300 C og opefter. Den nedre temperaturgrænse afhænger af stillegeringen og af gasatmosfærens sammensætning. Hojtemperaturkorrosion kan også forekom - me i iltfri atmosfære og er nærmere beskrevet i (ref. 1). I det folgende omtales kun vådkorrosion. Hojtemperaturkorrosio n Korrosion i atmosfæren, korrosionsklasser Udover direkte befugtning ved nedbor eller dugdannelse, sker fugtpåvirkning ogsa som folge af, at stor og snavs, der uundgåeligt afsættes pa ståloverfladerne, tiltrækker luften s indhold af vanddamp, hvorved der dannes en tynd og næppe synlig fugtfilm på staloverfladen. Stål vil normalt være udsat for korrosion, blot den relative luftfugtighed (RE) over - stiger ca. h0 Det er dog furst over ca. 80% RE, at korrosionen forlober med en hastighed, der rnedforer egentligt materialetab. 1. 1 Hvordan opstar fugtpavirknin g O vennævnte forudsætter, at ståloverfladen ikke er forurene t nyed sirligt hygroskopiske salte. Som eksempel kan nævne~,
at ståloverflader med calciumchloridforurening vil korrodere fra ca. 32 1a RF, mens zinkchlorid medfører korrosion allerede fra ca. 10% RF. By- og industriområder Marine områder Stål korroderer med væsentlig større hastighed i by- og industriområder end i landområder. Bette skyldes især luftens indhold af svovldioxid, men også partikelforurening inde - holdende bl.a. sulfat og surt sod. I marine områder medfører afsætning af salte fra havvan d også forøget korrosion. På grund af vindforholdene vil det marine område strække sig adskillige km ind i landet ve d vestvendte kyster. Ved østvendte kyster forekommer det marine område kun helt lokalt. Frie ståloverflader vil under atmosfæriske forhold korrodere relativt jævnt og typisk med hastigheder på 20-70 gm/år. Større korrosionshastigheder kan dog forekomme lokalt. Korrosionsklasser Tabel 1.1 angiver de fem korrosionsklasser (ref. 2), hvor der er foretaget en relativ grov opdeling af korrosionsmiljøern e Tabel 1.1 Angiver de fem korrosionsklasser, hvoraf det kun er de fire først, der omfatter egentlige atmosfæriske miljøer. Korrosions - klasse Miljøet s aggressivitet Miljøeksempler 0 Ingen - Indendørs i tørre lokale r (relativ fugtighed < 60% ) 1 Ubetydelig - Indendørs i uopvarmede, velventilerede ru m Middel Indendørs ved skiftend e fugtpåvirknin g - I landatmosfære langt fra industri og tæt bebyggelse Stor - Ved tæt bebyggelse - I industriområde r - Over vand og ved kysten 4 Meget stor I konstant fugtigt miljo, i vand og jord - Ved kemiske fabrikker 1 6
efter aggressivitet. Korrosionsklasserne er et hjælpeværktø j til beskrivelse af de miljøpåvirkninger, stål samt øvrige brugsmetaller forventes udsat for, og anvendes bl.a. ved specifikation af overfladebehandling. I korrosionsklasserne 2, 3 og 4 vil det generelt være nødven - digt at korrosionsbeskytte stål for at undgå materialetab. I korrosionsklasse 1 vil der ikke forekomme måleligt materia - letab, men til visse anvendelser, f.eks. værktøjer og maskindele, foretages korrosionsbeskyttelse, idet selv mindre rust - dannelser er uacceptable. I korrosionsklasse 0 og 1 udføres overfladebehandling også af æstetiske årsager. Korrosion i jord 1.2 Ubeskyttet stål i jord vil være udsat for korrosion i form a f fladetæring, d.v.s. et ensartet jævnt angreb, samt i form a f grubetæring, der er dybere, lokale angreb med ringe udbredelse. Fladetæringen forløber typisk med hastigheder fra 20-100 µm/år, afhængigt af fugtforholdene, jordens permeabilitet for ilt, indhold af korrosive salte, ph-værdi m.v. Grubetæringshastigheden vil typisk være 3-6 gange større end fladetæringen. Korrosionselementer kan dog føre til væsentlig større korrosionshastigheder, der kan forekomme helt lokalt, men også pä større flader, afhængigt af forholdene. Korrosionselementet kan dannes på grund af forskelle i jordens iltindhold. F.eks. er kompakte lerlag og vandmættede jordlag mindr e permeable for ilt og dermed iltfattige i forhold til mere torre og porøse jordlag. På stålkonstruktioner eller stålror, de r løber igennem både iltholdige og iltfattige områder, vil korrosionen være koncentreret til de iltfattige områder. Er areal - forholdet ugunstigt d.v.s. stor ståloverflade i iltholdig jord kan korrosionshastigheden blive flere mm pr. ar. Korrosionselementer kan også opsta ved, at stålet kobles direkte sammen med et- niere ædelt metal, f.eks. kobber i form af ror, jordspyd, net eller lignende. Stålet vil da være udsa t for galvanisk korrosion, der kan forlobe meget hurtigt, hvis stålet har beskedent overfladeareal i forhold til kobberet, og kobberet er placeret i iltholdige jordlag. Korrosionsstromme n kan lobe over store afstande gennem jorden ved iontransport. Korrosionselementer kan for e til starre korrosionshastighede r Galvanisk korrosio n 17
Tilsvarende forhold gælder for stål, der har metallisk kontak t til stålarmering i beton. Stålarmeringen vil ofte være ædel i forhold til det nedgravede stål, arealforholdet vil ofte være ugunstigt, og omfanget af galvanisk korrosion vil afhænge a f iltdiffusionen gennem betonen frem til stålarmeringen. Glødeskal medfører grubetæring Glødeskal på varmvalset stål optræder også ædelt i forhold til den metalliske ståloverflade. Uafrenset stål, der nedgraves i jord, vil derfor blive udsat for lokale, kraftige tæringer, hvo r glødeskallen er brudt ved rustangreb eller fjernet ved bearbejdning. 1.3 Korrosion i van d Stål, der anvendes i iltfrit vand, vil ikke være udsat for nævneværdig korrosion. Dette udnyttes bl.a. i centralvarmeanlæg og andre lukkede rørsystemer, hvor iltindholdet i det tilsatte brugsvand hurtigt forbruges ved korrosion. Korrosionen stopper herefter, forudsat at der ikke sker yderligere ilttilførsel. Foruden ilt indeholder brugsvand også opløste salte, hvora f visse fremmer ståls korrosion. Afsætninger af slam og snavs eller algevækst forøger risikoen for grubetæring især i stille - stående vand. Ubeskyttet stål kan derfor normalt ikke anvendes i brugsvand eller i ferskvand iøvrigt. Begroning og afsætninger p ä ståloverfladerne medføre r grubetæring Tilsvarende forhold gælder for havvand, der foruden ilt ogs å indeholder op til 3,5 vægt% salte, hvilket øger ståls korrosion. Begroning og afsætninger på ståloverfladerne i tilnærmelsesvist stillestående vand medfører grubetæring, der ka n forløbe med en hastighed op til ca. 1 mm pr. år, men aftagen - de med tiden. Korrosionsbeskyttende belægninger kombineret med katodisk beskyttelse er almindelig anvendt til stål i vand. 1.4 Hensigtsmæssig konstruktion En stålkonstruktions udformning har stor betydning for den s levetid og de nødvendige omkostninger til vedligehold a f korrosionsbeskyttelsen. Nedenfor nævnes en række forhold, som bor tages i betragtning ved konstruktionens udformning : 18
Konstruktionen skal udformes, så korrosion modvirkes. Konstruktionen udformes, så korrosionsbeskyttelsen ka n udføres effektivt på alle flader, og så overfladerne senere e r let tilgængelige for eventuelt vedligehold. Korrosion modvirkes ved korrekt konstruktionsudformnin g Konstruktionen udføres med et tillæg i godstykkelse, hvi s korrosionstab med den givne beskyttelse og det mulig e vedligehold ikke kan undgås. Konstruktioner, der er placeret udendørs i luft, bor udformes, så fugtpåvirkningen bliver mindst mulig. Vand skal fri t kunne lobe af alle flader. Områder, hvor støv og snavs sam - les, forøger også vådtiden og bor derfor undgås. Det samm e gælder for snævre spalter, der via kapillarvirkning kan holde på vand. For indendørs konstruktioner er det også hensigtsmæssig t med en udformning, der ikke får større ansamlinger af stø v og snavs. Nedgravede konstruktioner bor udformes, så der ikke fore - kommer hylder eller "kar", der fanger nedsivende vand fra nedbør. Der er ingen væsentlige muligheder for at lempe korrosione n på stålkonstruktioner i vand. Der er således ingen særlige krav til konstruktionsudformningen ud over, at korrosions - beskyttelsen skal kunne udføres effektivt på alle flader. De forskellige overfladebehandlinger eller korrosionsbeskyttelser stiller hver især deres specifikke krav til udformningen, hvilket er beskrevet senere i forbindelse med den enkelte beskyttelsesmetode. Korrosionstillæg kan hovedsageligt kun anvendes til statis k belastede stalkonstruktioner og forudsætter, at korrosionsfor - holdene er velkendte og medfører relativt jævn og ensarte t tæring. Korrosionstillæg anvendes til stalkonstruktioner, der ikk e korrosionsbeskvt:tes, herunder konstruktioner i rusttrægt sta l (CorTen). Korrosionstillæg anvendes bl.a. også, hvor overfla - debehandlingen ikke er tilgængelig for vedligehold, elle r hvor der gar længere tid mellem vedligeholdsarbejdets udforelse. 19
Referente r 1. K. Borggreen et al, FORCE Institutterne : "Nedbrydnings - former, stål, højstyrkestål og støbejern", DTI-forlag, Kobenhavn (1992), 1. udg. 2. DS/R 454: "Dansk Ingeniørforenings anvisning for korrosionsbeskyttelse af stålkonstruktioner", Teknisk Forlag, København (1982), 1. udg. 20
Beskyttelsesprincipper 2 Korrosion modvirkes ved anvendelse af forskellige beskyttelsesmetoder. Principperne, som beskyttelsen er baseret på, beskrives kort nedenfor. Anvendelse af korrosionsbeskyttende belægninger Organiske belægninger Organiske belægninger - d.v.s. maling og plastbelægninger på stål danner en barriere mod, at vand og ilt trænger frem til ståloverfladen. Ingen organiske belægninger er dog fuldstændigt uigennemtrængelige. Under fugtpåvirkning vil vand og ilt ved diffusion efterhånden nå frem til ståloverfladen, hvorved rustdannelse kan opstå. Ofte anvendes en grundmaling/primer, de r foruden at give god vedhæftning til ståloverfladen, også indeholder et pigment, der modvirker korrosion. Virkningen kan bestå i, at pigmentet er svagt vandopløseligt, og at det i oplast form er rustbeskyttende. Pigment af zinkfosfat o g zinkchromat er eksempler herpå. Zinkprimere indeholde r små partikler af metallisk zink, der virker katodisk beskyttende, og som ved at korrodere modvirker, at ilt når frem ti l ståloverfladen. En yderligere virkning er, at opløste zinkkorrosionsprodukter hæmmer rustangreb. 2. 1 2.1.1 Barrierevirknin g Korrosionsbeskyttend e pigmente r Pigmentets korrosionshærnmende virkning, sammen med god vedhæftning af primeren til ståloverfladen, har også betvdning for, hvor hurtigt rustangrebet breder sig ind unde r belægningen ved gennemgaende porer og skader, som uundgåeligt vil forekomme. Metalliske overfladebelægninger 2.1.2 Metalliske belægninger, undtagen pasprojtede, er diffusionstætte for bade vand og ilt og skulle således være den ideell e rustbeskyttelse af stal. At dette ikke generelt et- tilfældet skul - des, at hela'gningerne sjældent kan pålægges, sa de er fuldstændigt fri for gennemgaende porer eller revner. Korrosion i
belægningsmetallet kan ligeledes føre til, at ståloverflade n blottes og udsættes for korrosion. Betydningen af revner og porer Betydningen af gennemgående revner og porer i belægnings - metallet afhænger af, om dette er ædelt (har højere korrosionspotentiale) i forhold til stål, eller er uædelt (har lavere korrosionspotentiale) i forhold til stål, som illustreret på figu r 2.1. Figur 2. 1 Viser korrosionsforholdene ve d pore eller revne i en belægning, der er : a) ædel i forhold til stål, b) uædel i forhold til stål. a) Katode Ædel belægnin g f.eks. nikke l eller chrom stå l T Anode b) Anode Uædel belægnin c f.eks. zin k Katod e Belægninger af nikkel, chrom eller kobber er ædle i forhol d til stal. Revner og porer i belægningsmetallet resulterer i, a t stilet, foruden almen korrosion, også er udsat for galvanis k korrosion, hvilket efterhanden kan medfore blæredannelse og afflagning af metalbelægningen. De tynde fugtfilm, der forekommer under atmosfæriske forhold, begrænser strom -
men i den galvaniske korrosion, således at katodefladen ku n når 2-3 mm væk fra revnen eller poren. Arealforholdet mel - lem katodeflade og anodeflade er således ikke så ugunstigt, som det kan være tilfældet under neddypning i vand med god ledningsevne (f.eks. havvand), hvor store katodeareale r kan medfore meget kraftig galvanisk korrosion i revner og porer. Zinkbelægninger er uædle i forhold til stål og behøver derfor ikke at være revne- og porefri for at beskytte stålet effektivt mod korrosion. Under atmosfærisk brug vil små områder, hvor ståloverfladen er blottet, blive katodisk beskyttet af den omgivende zinkbelægning, der virker som offeranode. Under neddyppede forhold vil selv større frilagte ståloverflade r blive katodisk beskyttet, forudsat at vandet har tilstrækkeli g god ledningsevne. Zinkbelægninger behøver ikke at være revne- og porefr i Belægninger af aluminium er også uædle i forhold til stål, men aluminiums tilbøjelighed til at passivere gennem dannelse af et tyndt lag aluminiumoxid bevirker, at belægninge n ikke har nogen egentlig katodisk beskyttelseseffekt. Det er kun i miljoer, der er særligt korrosive over for aluminium, a t der kan konstateres en vis katodisk virkning, f.eks. i havatmosfære eller i havvand. I ref. 1 side 32 er der givet en oversigt over metallernes potentialer. Andre beskyttelsesmetoder Korrosionsbeskyttelse ved affugtning er baseret pa, at luftfugtigheden holdes tilstrækkeligt lav, så ståloverfladerne ikke udsættes for fugtpåvirkning. Normalt er det tilstrække - ligt at holde luftfugtigheden på ståloverfladen under RF, men det forudsætter, at ståloverfladen ikke er forurenet me d særligt hygroskopiske salte, jvf. 1.1. 2. 2 Korrosionsbeskyttelse ve d affugtnin g Den relative fugtighed ved stiloverfladen kan også sænke s ved at oge ståloverfladens temperatur i forhold til tempera - turen af den omgivende luft. Dette udnyttes bl.a. ved konservering af hedefladerne i kedler i stilstandsperioder samt i visse elektriske apparater. Dampfaseinhibitorer er stoffer, der via et beskedent damptryk fordeler sig i den omgivende luft og overfares til stal- Dampfaseinhibitore r 23
overfladerne. Typisk anvendte dampfaseinhibitorer er cyclohexylcarbaminat (CHC) og dicyclohexylaminnitrit (DCHN), der har damptryk på 0,4 mm og 0,0001 mm Hg ved stuetemperatur. Inhibitorerne modvirker korrosionsprocesserne s anodereaktion, men menes også at have anden indvirkning, bl.a. ved at modvirke lave ph-værdier på ståloverfladen. Olie- og voksbaserede beskyttelsesmidler Brunering af stå l Fosfatering Katodisk beskyttelse af stål Olie- eller voksbaserede produkter anvendes til midlertidig korrosionsbeskyttelse af stål og påføres i lagtykkelser, der varierer fra få gm til flere hundrede gm, afhængigt af miljøpåvirkningerne og ønsket beskyttelsestid. Beskyttelsen op - nås ved olie- eller voksfilmens barrierevirkning mod fugt o g ilt. Flere af produkterne er tilsat korrosionsinhibitorer for at forbedre beskyttelsesevnen. Brunering af stål frembringer et tyndt overfladelag, der hovedsageligt består af jernoxid. Bruneringslaget har en beske - den beskyttelsesevne, der normalt forbedres ved påforing af olie- eller voksbaserede produkter. Behandlingerne beskytte r mod rustangreb i svagere korrosionsmiljøer gennem barrierevirkning. Fosfatering er en metode til konvertering af ståloverfladen, gennem dannelse af et krystallinsk lag af tungtopløselige me - talfosfater. Fosfatering anvendes bl.a. som forbehandling fo r lakering, men zinkfosfatering og manganfosfatering med efterfølgende olie-/voks-behandling anvendes også som rustbeskyttelse af stål under svagt korrosive forhold. Beskyttelsen er primært baseret på barrierevirkningen, men fosfatforbindelserne, der i beskeden udstrækning opløses ved fugt - påvirkning, hæmmer også rustangrebet. Katodisk beskyttelse af stål i jord eller i vand opnås ved a t påtrykke stålet et negativt potentiale - d.v.s. skabe et overskud af elektroner i ståloverfladen. Betydningen heraf ses bedst ved at betragte korrosionsprocessens delreaktioner : anodeproces : Fe F=~ Fe+ + 2 e katodeproces : %O, + H2O + 2 e.,_ 20H Overskuddet af elektroner (e-) bevirker dels, at anodeproces - sen forhindres i at lobe mod højre, dels at iltreduktionen - jvf. katodeprocessen - forløber alene med elektroner tilfor t udefra. 24
Reference r 1. K. Borggreen et al, FORCE Institutterne: "Nedbrydnings - former, stål, højstyrkestäl og støbejern", DTI-forlag, København (1992), 1. udg. 25
26
Varmforzinkning 3 Korrosionsbeskyttelse af stål ved brug af zink har varet kendt i mere end 200 år, men praktisk anvendelse af varmforzinkning er først startet omkring 1840. Metoden har dog undergået en væsentlig udvikling frem til i dag, hvor varm - forzinkningen udføres i effektive anlæg med stor kapacitet. Varmforzinkning er i dag en meget anvendt korrosionsbeskyttelse til stål især til atmosfærisk brug, hvor der kan opnås lang holdbarhed. Undertiden betegnes metoden galvanisering eller varmgalvanisering, hvilket er misvisende, ide t zinkbelægningen ikke udfældes ved hjælp af stram. Metode 3. 1 Varmforzinkning Varmforzinkning udføres i faste anlæg ved dyppeprocesser, der består af folgende trin : 3.1. 1 Varmforzinkning udfures ve d dyppeprocesse r 1. Affedtnin g 2. Syrebejdsnin g 3. Skylning 4. Flusning 5. Dypning i zinksmelte ved 450-460`C. 6. Klargøring. I visse varmforzinkningsanlæg er trin 1 og 2 slået sammen, idet bejdsesyren, der normalt bestar af fortyndet saltsyre, er tilsat affedtningsmiddel (figur 3.1). Under syrebejdsningen afrenses stålemnerne for rust og glodeskal, således at der opnås metallisk rene overflader. Emnerne dyppes herefter i flusoplosning (zinkarnmoniumchlorid) ved 40-60'C. Ståloverfladerne torrer hurtigt op efter flusningen, således at de r efterlades et tyndt lag flusmiddelsalte. Opvarmningen under dvpning i zinksmelte bevirker, at saltene spaltes og afgive r ammoniak- og saltsyredampe, der opløser den tynde jernoxidfilm, som ståloverfladerne har dannet efter svrebejdsning. zinksmelten kan dermed reagere med en metallisk re n staloverflade og danner en zinkbela gning hestaende ~.rf flere jernzink-legeringslag. Varmforzinkning udfures ve d dyppeprocesse r 27
Figur 3. 1 De forskellige procestrin ved varmforzinknin g Efter afkøling fjernes tappe og grater af zink, og zinkbelæg - ningen kontrolleres for fejl. Fordele og ulemper ved varm forzinkning Fordele og ulemper ved metoden er kort beskrevet nedenstå - ende. Fordel e Jævn og ensartet belægning også på skarpe kanter, indven - digt i ror m.m. Belægningen er relativ robust og medfører lang tids korrosionsbeskyttelse uden vedligehold. Ståloverfladen i mindre porer eller skader beskyttes katodisk, og der opstår ingen underrustning. Let og sikker kvalitetskontrol. Ulempe r Udføres kun som værkstedsproces. Begrænset emnestørrelse. Stiller krav til stålets sammensætning og til konstruktions - udformning. Risiko for kastninger (blivende deformation) i visse svejst e konstruktioner. 28
Højtemperaturforzinkning 3.1.2 Højtemperaturforzinkning indeholder de samme forbehandlingsprocesser som almindelig varmforzinkning, men afviger ved at zinksmelten har en temperatur på 540-560 C. Metoden anvendes hovedsageligt til små emner som bolte, skruer, som, skiver og beslag, der pakkes i en cylindrisk kurv fo r dypning i zinksmalte. Umiddelbart efter optragik fra zinksmelten bringes kurven i rotation i en centrifuge, hvorve d overskydende zink slynges af emneoverfladerne (figur 3.2). Hojtemperaturforzinknin g anvendes til små emne r Forzinkning med centrifugering - Ti l Slutkontrol Bejdsning Flusning Skylning Torring Omlastning i centrifuge Forzinkning o g centrifugering Køling i vand Torrin g Figur 3. 2 De forskellige procestrin ved hojtemperaturforzinkning af centrifuge - gods. Temperaturen på 540-560 C bevirker, at stålets siliciumind - hold ikke har nogen afgørende indflydelse på belægnings - struktur og i.inklagtvkkelse. Zinklagtvkkelsen, der opnås ved hojtemperaturforzinkning, er noget mindre end ved almindelig varmforzinkning og lig - ger typisk inden for 50-80 pm. Konstruktionsudformning 3. 2 Varmforzinkningen foretages ved dyppeprocesser. Stilemnerne skal derfor have en størrelse og udformning, sä de let lader sig dyppe, og sa iinksmelten frit kan na alle flader, uden at der dannes luftlommer eller ansamlinger af zink. F:mnestorrelsen begrænses af de kar, som anvendes ved varmforzinkning. Varmforzinkeren bor derfor sporges til
råds om emnestørrelser. Det er dog muligt at anvende "dobbeltdypning", hvor konstruktionens ene ende og derefter den anden efter tur dyppes i zinksmelte, hvorved selv meget lange konstruktioner kan varmforzinkes. Lukkede hulrum ma ikke forekomme Lukkede hulrum må ikke forekomme, da de under dypning i zinksmelte kan forårsage eksplosion af emnet og medfør e store person- og materialeskader. Årsagen er, at indespærre t væske udvider sig meget kraftigt ved opvarmningen ti l 460 C. Lukkede hulrum skal forsynes med gennemstrømningshuller for luft og zink i passende størrelse, så emnet s dyppetid i zinksmelten så vidt muligt ikke påvirkes heraf. Snævre spalter - f.eks. mellem to ståldele der er samlet me d afbrudte svejsesømme - medfører "syrespalter" og må ikk e forekomme. Fuldsvejsning skal anvendes og svejsesømmen e skal være helt tætte. Konstruktionerne skal videre udformes, så de kan optag e spændingerne, der opstår ved stålets udvidelse under opvarmningen i zinksmelten, så kastninger (blivende deformation) undgås. "Håndbog om Varmforzinkning" (ref. 1) giver eksempler p å hensigtsmæssig konstruktionsudformning. 3. 3 Ståltyper og zinklagtykkelse For varmvalsede konstruktionsstål afhænger zinkbelægningens tykkelse og struktur hovedsageligt af : Stålets siliciumindhol d Stålets godstykkelse Stålets overfladeruhed Dyppetid i zinksmelte Stålets indhold af silicium har stor betydning Godstykkelse I almindelige varmvalsede konstruktionsstål er det i det væ - sentlige stålets indhold af silicium, der har betydning for zinkbelægningens struktur og tykkelse. Stålets øvrige legeringselementer forekommer normalt i så små mængder, at de ikke får nævneværdig indflydelse pa belægningens opbygning (figur 3.3). Stålets godstykkelse har også en vis indflydelse pa den opnaede zinklagtykkelse, idet denne normalt ages med godstykkelsen. Effekten er tvdeligst for godstykkelser under 6 30
Nm 400 Figur 3.3 Kurverne viser sammenhænge n mellem dyppetider og zinklag - tykkelse for stil med forskellig e siliciumindhold. Kurverne er baseret pä middelværdier, hvorfo r der kan forekomme afvigelse r herfra. 300 200 Zinkbadets temperatur 460 C Dyppeti d 5 10 15 mm og skyldes antageligt, at større godstykkelse medføre r øget overfladeruhed og øget dvppetid i zinksmelten. Større overfladeruhed vil ogsa medføre taget zinklagtvkkelse. Tidligere undersøgelser (ref. 3) har vist, at der tilnærmelses - vist kan opnas en fordobling af zinklagtykkelsen pa uheroligede og aluminiumherøligede stal ved sandblæsning til en overfladeruhed pa minimum K, 12 pm. Sandbla2sning med - Overfladeruhe d 31
fører kun en mindre forøgelse af lagtykkelsen på silicium-beroliget stål. Flammeskærin g Flammeskæring af stål før varmforzinkning medfører reduceret zinklagtykkelse på silicium-beroliget stål. Flammeskår - ne kanter vil opnå samme zinklagtykkelse som et stål uden eller med meget lavt silicium-indhold. Årsagen er, at silicium i ståloverfladen oxideres og bindes til ilt, hvorefter det i modsætning til ferritopløst silicium ikke indvirker på jern - zink reaktionen. Lagtykkelsesreduktionen kan undgås ved at afslibe den flammeskårne kant, så denne er jævn og fri fo r anlobningsfarver. 3.3.1 Stål, der er egnede til varm forzinkning ' (Stål med aluminiumindhold over 0,020 vægt%) Varmvalset eller glødet stål Stålene har en sammensætning, der er egnet til varmforzinkning, når følgende krav til indhold af silicium (Si) er overholdt : a) Uberoliget stål (uden aluminium) : b) Aluminiumberoliget stål l : Si < 0,04 vægt`%, Si < 0,02 vægt% c) Siliciumberoliget stål (med elle r uden aluminium) : 0,15 vægt% < Si < 0,35 vægt% Stål med en sammensætning, der er uegnet til varmforzink- ving er : Stel, der er uegnede til varm forzinkning d) Stål uden aluminium : 0,04-0,14 vægt% Si e) Aluminiumberoliget stål : 0,02-0,14 vægt% Si Stål under ovennævnte punkt a) og b) opnår typisk zinkbe - Iægninger på 60-90 µm, der har en glat og metallisk blan k overflade. Overfladerne vil antage et lyst, gråligt udseende efterhånden, när de udsættes for korrosion. Det metallisk blanke udseende skyldes, at zinkbelægningens yderste del består af et renzinklag, hvorimod den inderste del består af jernzink-legering. Belægningen er relativ robus t over for stod og slag. Stål med Si-indhold som angivet i ovenstående punkt d) og e) er uegnede til varmforzinkning, da zinksmelten kan reagere meget kraftigt med stålet og danne tykke, mørkegrå zinklag, der let skaller af. I de værste tilfælde opstår der afskal - 32
vinger allerede under emnernes afkøling efter optræk fr a zinksmelten. Zinklagtykkelsen, der opnås på de siliciumberoligede stål, jvf. pkt. c, kan variere inden for meget vide grænser, men vil typisk ligge i intervallet 100-400 gm. Lagtykkelsen stiger både med siliciumindholdet og med dyppetiden. Til brug, hvor der ønskes ensartede og lyst, grålige zinkoverflader, kan der anvendes stål med siliciumindhold på 0,15-0,22 vægt%, hvorved det er muligt at overholde et lagtykkelseskrav på minimum 100 gm (klasse B, jvf. DS/ISO 146 1 (1980)). Stål med siliciumindhold over 0,22 vægt% kan få relativt høj e zinklagtykkelser, og belægningen bliver helt eller delvis t mørkegrå. Årsagen er, at belægningen hovedsageligt bestå r af jernzink-legering, der når helt ud i overfladen. Overflade n vil efterhånden antage en rødbrun farvenuance, idet jern i jernzink-legeringen frigøres ved korrosionen og oxideres ti t Fe 203 (rust). En rødbrun overflade betyder altså ikke nødvendigvis, at zinkbelægningen er borttæret. Stål med Si-indhold over 0,35 vægt% kan også varmforzinkes, men lagtykkelsen stiger meget hurtigt med dyppetiden. De tykke zinkbelægninger er generelt mere sprøde og får lettere belægningsafskalninger som folge af stad og slag unde r transport og håndtering. Koldvalset stål 3.3. 2 Varmforzinkning af koldvalsede stål kan resultere i mege t tykke, mørkegrå zinkbelægninger, der er tilbøjelige til a t skalle af. I de værste tilfælde kan afskalningerne= opstå allerede under afkolingen efter optræk fra zinksmelten. Afskalningsprohlemerne kan erfaringsmæssigt undgås ved at vælge stål med særligt lave indhold af silicium og fosfor. Som en håndregel giver f lansel (ref. 2) folgende krav til ind - hold af silicium (Si) og fosfor (1') i koldvalset stål : I koldvalset stal skal indholdet af Si og P være meget lavt Si vxgt"~, + 2,5, I' vægt%, < 0,05 vægt Koldvalset stal, der overholder ovennævnte handregel, vi l normalt opha zinkhelægninger pa 60-90 gm. 33
3.3. 3 Varmforzinkning af gråt støbegods, aducergods og stålstøbegod s Gråt støbegods kan ikke varmforzinkes ved det procesforløb, der anvendes til almindelige konstruktionsstål. Årsagen er, at overfladens indhold af grafit i form af kugler eller lamelle r frilægges ved bejdsningen. Ophobningen af grafit på overfladerne resulterer i bare pletter og stærkt uregelmæssige zink - belægninger. Afrensningen udføres derfor ved sandblæseventuelt efterfulgt af en kortvarig neddypning i bejdsesyren, flusning og dypning i zinksmelte. I aducergods (tempergods) og stålstøbegods forefindes kulstoffet ikke i form af grafit og giver ikke de samme problemer ved varmforzinkning som gråt støbegods. Afrensning ved sandblæsning er dog stadig hensigtsmæssig til at fjerne støbehud og eventuelle sandrester fra støbeformene. Støbegodsets indhold af silicium har ikke den samme indflydelse på zinklagtykkelsen, som det er tilfældet for konstruktionsstålene. Krav til zinklagtykkelse på minimum 65 gm kan generelt overholdes, og i visse tilfælde er varmforzinkningen også udført med væsentlig større zinklagtykkelse. 3.4 Revnedannelse ved varmforzinknin g 3.4. 1 Brintskørhed Brintskørhed opstår ikke ved varmforzinkning af almindelig t anvendte konstruktionsstål, men kan forekomme i hærded e stål, hvis der ikke træffes særlige foranstaltninger for at und - gå dette. Som en god håndregel frarådes det at varmforzinke stål me d trækstyrke på 800 N/mm 2 eller derover som almindeligt lona rbejde. Forsinket brud Ilvis stålet er meget følsomt over for brint, kan revnerne op - stå allerede under bejdsning og varmforzinkning. Der kan også være tale om forsinket brud, d.v.s. brud, der først opsta r flere måneder efter forzinkning, typisk inden for 1-3 døgn efter, at stålemnet er belastet. Brinten vil efterhånden diffundere ud af stålet igen, men afgivelsen af brint hæmmes af zinkbelægningen, der virke r 34
som diffusionsbarriere. Brintafgivelsen fremmes af forhøjet temperatur, hvilket kan udnyttes ved en brintuddrivende Brintuddrivende varmevarmebehandling, der normalt foretages ved ca. 200 C. Var- behandling mebehandlingen kan dog ikke genskabe stålets egenskaber, hvis der allerede er opstået brintrevner. Zinkindtrængning 3.4.2 Zinkindtrængning eller LME (Liquid Metal Embrittlement ) kan opstå under varmforzinkning af stål, hvor ståloverfladen er udsat for trækspændinger nær flydegrænsen. Zinkindtrængning er karakteriseret ved, at zinksmelten angriber stålet s korngrænser og danner zinkfyldte, interkrystallinsk forlobende revner (ref. 5). Zinkindtrængning kan opstå som følge af : a) Varmforzinkning af koldbukket/koldformet stå l b) Varmforzinkning af konstruktioner i hærdede stål p å grund af svejsespændinger eller termisk betingede spændinger ved dypningen i zinksmelten c) Svejsning på zinkbelagt stå l Risikoen for zinkindtrængning under ovennævnte punkt a) kan undgås ved afspændingsglodning eller normaliserin g for varmforzinkning. Zinkindtrængning kan undgä s ved afspændingsglodning elle r normaliserin g Risikoen for zinkindtrængning, jvf. punkt b), er ikke undersigt detaljeret, men vi mener, risikoen er lille for stål me d trækstyrke under 800 N/mm 2. Proveforzinkning bor foretages i tvivlstilfælde. Svejsning på varmforzinket stål hor kun foretages efter afrensning af zinkbelægningen ved svejsezonen. Herved und - gås risikoen for metalindtrængning samt gener fra svejse - røgen, og svejsningen får bedre kvalitet. Kontrol For varmforzinkning er det tilstrækkeligt at foretage slutkontrol, idet mangler ved forbehandling eller forzinkning vi l give anledning til belægningsfejl, der kan konstateres umid - delbart efter behandlingen. 3. 5 Slutkontrol er tilstrækkelig t Krav til zinkbelægningerne er- angivet i Fantik Standard IBS /1SO 1459 og US/ISO 1461, der omfatter krav til overfla - dernes udseende og til zinklagtvkkelse. :Y5
Det kontrolleres visuelt, at overfladerne er fri for bare pletter og fri for større ansamlinger af zinkaske/flusmiddel og for dråber, tappe og grater af zink, som er skadelige for emnet s brug og håndtering. Zinklagtykkelser kontrolleres ved den magnetiske målemetode i henhold til DS/ISO 2178 og DS /ISO 2064. Lagtykkelseskrav DS/ISO 1461 indeholder lagtykkelsesklasserne A-F (se tabe l 3.1), der hver omfatter to lagtykkelseskrav. Det første angiver minimumkrav til gennemsnitlig zinklagtykkelse, hvor måle - punkternes antal og placering bør aftales på forhånd. De en - kelte måleværdier angiver den lokale zinklagtykkelse, de r skal overholde det andet lagtykkelseskrav. Ofte vil det være tilstrækkeligt kun at lade kontrollen omfatte kravene til lokal zinklagtykkelse. Når der ses bort fra småemner og centrifugegods, vil der kun undtagelsesvist forekomme emner, der ikke kan overholde kravene til gennemsnitslagtykkelse, når kravene til lokal lagtykkelse er over- Tabel 3.1 Minimumkrav ti l zinklagtykkelse, jvf. DS/ISO 1461, i zinkbelægningens masse pr. arealenhed elle r lagtykkelse. form af Produktkategori Klasse Minimum gennemsnitsværd i for aftalte antal prover Minimumværdi for hver enkelt prove g/m2 µm g/m'- µ m Godstykkelser større end 5 mm A B i ) 500 800 70 115 450 700 65 100 Godstykkelser mellem 1 og 5 mm Godstykkelser under 1mm Skruer og metrikker med gevinddiameter større end 9 mm Støbegods (sti ål og støbejern) C 420 60 350 50 D 350 50 300 45 I~. 375 50 300 45 F 500 70 450 65 i )De angivne værdier kan ikke altid opnås uden anvendelse af f.eks. eller sandblæsning. siliciumberoligede sta l 36
holdt. Det er yderligere den lokale zinklagtykkelse, der ha r størst betydning for korrosionsbeskyttelsens holdbarhed. Den gennemsnitlige lagtykkelse er mindre væsentlig. Korrosionshastigheder for zink 3. 6 Korrosion i atmosfæren 3.6.1 Zink og zinkbelægninger korroderer tilnærmelsesvist jævn t under atmosfæriske forhold. På zinkoverfladen dannes førs t et tyndt lag korrosionsprodukter bestående af zinkhydroxi d og zinkoxid. Dette omdannes gennem reaktion med luftens kuldioxid til tungt opløselig basisk zinkkarbonat, hvilke t medfører lave korrosionshastigheder. Zink og zinkbelægninger korroderer hurtigere i by- og indu- SO 2 og NO X foruger zinks striområder i forhold til landområder. Dette skyldes luftforu- korrosio n reningen, hvor luftens indhold af svovldioxid og kvælstofoxider sammen med partikelforurening indeholdende sulfat og sod øger korrosionen. Chloridforurening er årsag til, at der ved især vestvendte kyster forekommer relativt høje korrosionshastigheder. Tabel 3.2 giver en oversigt over zinks korrosionshastighede r under atmosfæriske forhold samt zinkbelægningens leveti d ved forskellige minimumlagtykkelser. Levetiden angiver he r det antal år, der mindst vil gå, for der begynder at ske gennemtæring af zinklaget. Tabel 3.2 Korrosionshastigheder for zink samt beregnet levetid ved forskellige zinklagtykkelser under atmosfærisk brug i Danmark. Område Korrosionshastighed for zink (pm/ar) Zinkbelægningens levetid ved forskellige minimumlagtykkelser : Min. 50 pm Min. 1OO pm Mn x. I)0 prn Min. 2(R) p m Landområd e (korrosionsklasse 2) Bv- /industriomrade (korrosionsklasse 3) larint omrade ude n salte andsstxn k (korrosionsklasse 3) 1-2 2 5-50 år 50-10() ar 75-15() ar 100-20() a r 2-5 10-25 år 20-50 ar 30-75 ar 40-100 ar?... 5 10-25 ar 20-50 ar 3(1-7') a r 40-1(10 ar 3 7
Det bemærkes, at der undtagelsesvist kan forekomme korrosionshastigheder over 5 gm/år i forbindelse med særlige forureningskilder eller tæt på kyster, hvor overfladerne er udsa t for saltvandssprøjt. 3.6.2 Korrosion i vand Zinks korrosionshastigheder udviser store variationer i vand, afhængig af vandets indhold af salte, surhedsgrad og temperatur. Uden for ph-intervallet 5,5-12,5 vil korrosionshastighe - den normalt være meget stor, idet zink både i surt og i basis k miljø opløses under brintudvikling. Stigende temperatur op til ca. 60 C øger korrosionen, og højere temperaturer øger ri - sikoen for grubetæringer, idet zink kan skifte potential og op - træde ædelt i forhold til stål. Dette har særlig betydning ved brug af varmforzinkede rør i brugsvandsinstallationer, hvor - om der henvises til speciallitteratur (ref. 4). Korrosionshastigheder for zink i forskellige vandtyper er givet i tabel 3.3. Tabel 3.3 Korrosionshastigheder for zink i forskellige vandtype r (ref. 1). Vandtype Hårdt vandværksvan d Blødt vandværksvan d Korrosionshastighed (µm/ar ) 2-4 4-1 0 Demineraliseret vand 50-20 0 Havvand : Østersøen og Nordsøen 10-1 2 Verdenshavene, gennemsnit 15-25 Det bemærkes, at blødt vand og især demineraliseret van d på grund af lavt eller manglende kalkindhold, kan medføre høje korrosionshastigheder. 3.6.3 Zinks korrosionshastigheder i jord kan ligeledes variere in- den for meget vide grænser. Korrosionshastigheden er normalt begrænset i sand og i kalkholdig jord (ca. 4-10 pm/år), Iltningselementer medforer lokalt kraftig korrosion Korrosion i jord 38
men dannelsen af iltningselementer - f.eks. på varmforzinke t stål, der er nedgravet i lerblandet sand, som krydser grundvandsspejlet - kan lokalt resultere i højere korrosionshastig - heder. Sand med højt saltindhold, tørve- og mosejord, må påregne s at medføre høje zinkkorrosionshastigheder. Reference r 1. R. Thomas, T. Wallin "Håndbog om varmforzinkning", Nordisk Forzinkningsforening, Stockholm (1989), udg. på dansk af Foreningen af Danske Varmforzinkere. 2. G. Hänsel : Proceedings for 13th International Galvanizin g Conference, London (1982). 3. O. Borring Sorensen, "Varmforzinkning af sandblæs t stål", Korrosionscentralen (1980), rapport nr. 80/04 d-e. 4. SBI-anvisning 129, "Korrosionsforebyggelse i VVS-installationer", Statens Byggeforskningsinstitut (1982). 5. M.G. Nicholas, C.F. Old, B.C. Edwards, "A Summary o f Literature Describing Liquid Metal Embrittlement", AERE Harwell, London (1981). 39
40
Metallisering 4 Metode Metallisering (eller metalsprøjtning) udføres ved en sprøjteproces, hvor belægningsmetallet, der normalt tilføres pistolen i form af tråd, smeltes og slynges mod den afrensed e ståloverflade med trykluft. De små partikler af smeltet metal deformeres kraftigt, når de rammer ståloverfladen, hvor d e fastholdes ved mekanisk binding og danner en belægnin g med et vist porevolumen, typisk omkring 10%. De smeltede metalpartikler medfører kun en ganske ringe varmemængde, der hurtigt afgives til stålunderlaget. Metallisering regnes for at være en kold metode, da ståloverfladen maksimalt udsæt - tes for temperaturer op til 150 C. Metallisering foretages enten ved flammesprøjtning, hvor belægningsmetallet smeltes i en gasflamme (figur 4.1, 4.2), eller ved lysbuesprojtning, hvor smeltningen sker i en lysbue mel - lem to tråde af belægningsmetal, der fores frem i pistole n samtidigt. 4. 1 Metallisering udfares i e n sprojteproce s Flammesprojtning elle r lysbuesprojtnin g Figur 4. 1 Princip i metalliseringspistol ti l flammesprojtnin g Trykluft 41
Figur 4.2 Skitse af mundstykke i pistol ti l flammesprøjtning Tråd af belægningsmeta l Til korrosionsbeskyttelse anvendes belægningsmetal af zink, zink/aluminium 85/15 (85% Zn, 15% Al) eller aluminium. Andre belægninger, der kan udføres ved metalsprøjtning, er beskrevet i ref. 1. Vedhæftnin g Flammesprøjtning og lysbuesprøjtning medfører ingen kvalitetsmæssige forskelle, når belægningsmetallet er zink elle r zink/aluminium. På korrekt forbehandlet stålunderlag opnås god vedhæftning ved begge metoder, typisk 6-12 MP a målt ved aftrækningskraften. Aluminiumbelægninger opnå r den bedste vedhæftning ved lysbuesprøjtning, hvor der er målt værdier på omkring 20 MPa. 4.2 Anvendelse Metallisering med zink, zink/aluminium eller aluminium udføres i henhold til DS/ISO 2063 (1986) og anvendes til korrosionsbeskyttelse af stålkonstruktioner, enten som eneste behandling, med en efterfølgende forsegling, eller som grundbehandling i et malingssystem. Metalliseringslaget er porost Metallisering anvendes normalt i belægningstykkelser fra 40 til 200 pm, men større belægningstykkelser kan udføres. Zink og zink/aluminium i lagtykkelser på 40-50 pm anvendes ofte som grundbehandling i malingssvstemer. Metalliseringe n skal sædvanligvis forsegles med en primer, der er udviklet specielt til sprojtemetallisering, for at undgå pustninger fr a det porøse metalliseringslag, og for at opnå god vedhæftnin g af malingssystemet. Forsegling og malebehandling skal ud - føres hurtigst muligt efter metalliseringen, sa fugtpåvirkning og forurening af det porøse metalliseringslag undgås. 42