Hot-Dip Galvanizing Process of Cold Rolled Flat Steels
Dr. D. Ali YAŞACAN, Selçuk YILMAZ, Gizem Eda VAROL İstanbul Teknik Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
ÖZET
Malzemeler çevreleriyle olan etkileşimleri sonucu korozyona uğramaları nedeniyle, korozyon konusu -özellikle çelik sektörü açısından- oldukça önemlidir. Çeliği korozyondan korumak için uygulanan yöntemlerden biri olan sıcak daldırma yöntemi ile galvaniz kaplama prosesi oldukça etkili bir yöntemdir. Korozyona karşı etkili olan bu yöntemle yüzey hazırlama, tavlama, galvanizleme ve soğutma, yüzey temperleme ve pasivasyon ve son olarak yüzey muayene proses aşamalarından sonra, soğuk haddelenmiş yassı çeliğin korozyon direnci galvaniz kaplama sayesinde arttırılır. Çinko banyosu kompozisyonuna göre galvaniz kaplama prosesi çeşitlilik gösterir. Uygulama alanlarına ve istenen kaplama özelliklerine göre, soğuk haddelenmiş yassı çelik yüzeyine çinko kaplama prosesi uygulanır.
Anahtar kelimeler: Korozyon, Soğuk Haddelenmiş Yassı Çelik, Sıcak Daldırma Yöntemi ile Galvaniz Kaplama, Fe-Zn İkili Faz Diyagramı, Çinko Kaplama Prosesleri.
ABSTRACT
Materials tend to corrode due to interaction with their environments; consequently, corrosion is one of the most important issue; especially for the steel industry. It is well known that corrosion has been prevented by hot-dip galvanizing process effectively. The principles of hot-dip galvanizing have been become more of an issue by being so effective for cold rolled flat steels. The hot-dip galvanizing process steps which are named as surface preparation, annealing, galvanizing and cooling, tempering and passivation and inspection are applied to strengthen the corrosion resistance of cold rolled flat steels. According to the composition of the zinc bath, there are a number of hot-dip galvanizing processes which are applied to steel surface depending on the applications and the desired coating features.
Keywords: Corrosion, Cold Rolled Flat Steels, Hot-Dip Galvanizing, Fe-Zn Binary Phase Diagram, Zinc Coating Processes.
1- Giriş
Korozyon, malzeme ile malzemenin bulunduğu çevrenin etkileşimi sonucu gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar neticesinde malzeme yapısının bozulması prensibine dayanır. Korozyon oluşumunun temel mantığı sistemdeki Gibbs serbest enerjiyi düşürmektir [1].
Malzemeyi korozyondan korumak için önlem alınması, malzemenin kullanım ömrü açısından oldukça önemlidir. Örneğin malzeme üzerine kaplanan boya, korozyonu önlemek için etkili bir yöntemdir; fakat bu etki, boya yüzeyinin deformasyonuna kadar etkisini sürdürür. Diğer bir yöntem olan metalik kaplamada ise çelik yüzeyine çinko, çinko/aluminyum alaşımı, çinko/silisyum alaşımı veya saf aluminyum kaplama yapılır [2]. Sıcak daldırma yöntemi ile galvaniz kaplama iki kat koruma sağlama açısından en yaygın metalik kaplama yöntemidir. Bu yöntem sayesinde demir ile çinko arasında metalurjik bağlanma gerçekleşir ve kaplama malzemesi bariyer görevi görür [3].
Sıcak Daldırma Yöntemi ile Galvaniz Kaplama Prosesi
Şekil 1’ de şematik olarak gösterilen sıcak daldırma yöntemi ile galvaniz kaplama prosesi 5 aşamadan oluşmaktadır: Yüzey hazırlama, tavlama, galvanizleme ve soğutma, yüzey temperleme ve pasivasyon ve son olarak yüzey muayene.
Şekil 1: Sıcak daldırma yöntemi ile galvaniz kaplama proses şeması [4]
1. Yüzey hazırlama
Yüzey hazırlamadaki amaç, soğuk haddeden gelen yağ ve demir tozlarını çeliğin yüzeyinden arındırmaktır. Bunun için temizleme ünitesinde alkali deterjanlar vasıtasıyla fırçalama yapılır. Fırça, çelik yüzeyinde dönme hareketi ile baskı uygular ve mekanik etki ile demir tozlarını ve yağı yüzeyden kaldırır. Bunu takiben durulama ve kurulama sonrasında pürüzsüz ve yağdan arınmış bir yüzey elde edilir [5].
2. Tavlama
Temizleme ünitesinden sonra malzemeye istenilen mekanik özellikleri kazandırmak amacıyla tavlama fırınında çeliğe ısıl işlem uygulanır. Fırında, koruyucu gaz olan hidrojen ve nitrojen gaz karışımı (HNX) ortamında çelik yüzeyinde oksitlenme engellenir. Isıl işlem görmüş malzeme soğutma işlemine tabii tutulur [6]. Dikey ve yatay fırınlar için proses parametreleri Tablo 1’ deki gibidir.
Tablo 1: Dikey ve yatay fırınlar için tavlama proses parametreleri [6]
Şekil 2: Çelik malzemenin potaya girişi ve çinko kaplı halde çıkışı [8]
3. Galvanizleme ve Soğutma
Yassı haddelenmiş sac, tavlama fırını çıkışı koruyucu atmosfer ortamı içeren snout’ tan geçirilerek genellikle 460°C sıcaklıktaki çinko potasına daldırılır. Pota içerisindeki merdanelerin arasından geçen çelik sac yüzeyinde, kaplama için gerekli olan reaksiyonlar gerçekleşir. Dikey bir şekilde potada ilerleyen malzeme, guide roll ve stabilising roll’u geçerek potadan çıkış yapar. Potadan çıkan sac yüzeyindeki fazla çinko, hava bıçakları (air knives) yardımıyla yüzeyden temizlenir; böylece istenilen kaplama miktarı hava bıçağı basıncıyla ayarlanır. Pota sıcaklığı indüktörler vasıtasıyla sabit tutulur [7]. Şekil 2’ de çeliğin fırın çıkışından potaya girişi ve çelik yüzeyinin galvaniz kaplı halde potadan çıkışı gösterilmektedir.
Potadan çıkan çelik, soğutma kulesinden geçirilerek quench tanka girmeden önce, kaplamanın çelik yüzeyinde katılaşması sağlanır. Dikey olan soğutma kuleleri 60 m’ yi bulabilir [7].
Şekil 3: Skinpass mill [10]
4. Yüzey Temperleme ve Pasivasyon
Çelikte yüzey temperleme, Skinpass Mill sayesinde gerçekleştirilir. Yağ içeren sıvı çözelti, yüzeydeki kaplamayı korumak için işlem sırasında kullanılır. Merdaneler vasıtasıyla malzemede uzama olur ve istenilen akma mukavemeti sağlanır. Yüzey kalitesi müşteri talebine göre ayarlanır. Skinpass Mill (Temper Mill) Şekil 3’ te verilmiştir [9].
Galvanizlenmiş yassı çeliği korozyondan korumak için, kaplama üzerinde krom oksit tabakası oluşuturularak pasivasyon işlemi yapılır. Cr+6 kullanımı proses için oldukça yaygınken çevreye zarar vermesinden ötürü kullanımı azaltılmıştır. Cr+3 kullanımı da aynı şekilde bazı koşullar altında Cr+6’ ya dönüştüğü için pek kullanılmamaktadır. Bu amaçla Cr-free uygulaması geliştirilmiştir [11].
Galvaniz kaplı yassı çelik üzerine pasivasyon işlemi uygulanmış ve 48 saat tuz püskürtme testinde tutulmuştur. Pasivasyon uygulanmış galvaniz kaplı yassı çeliğin, pasivasyon uygulanmamış galvaniz kaplı yassı çelik ile kıyaslaması Şekil 4’ te gösterilmiştir [12].
5. Yüzey Muayene
Galvanizlenmiş çelik, yüzey gözlemde gözle analiz edilir. Çok hızlı ve kolay olan bu işlemde, hata görülmesi esnasında o kısımdan numune alınarak laboratuvarda inceleme yapılır. Test sonuçlarının kalite standartlarına uygunluğu ölçülür [13].
Sıcak Daldırma Yöntemi ile Çinko Kaplama Mekanizması
Çinko potasının kompozisyonuna göre, potaya daldırılan çelikteki demir ile potadaki çinko arasında reaksiyonlar gerçekleşir. Fe-Zn ikili faz diyagramına göre oluşan fazlar şu şekildedir: Zeta (ζ), Delta (δ) ve Gama fazı (Г) [14]. Şekil 5’ te Fe-Zn ikili faz diyagramı ve çinko kaplanmış çeliğin enine kesit görünümü verilmiştir.
Diyagramda gösterilmeyen ve kaplamanın en üstünde bulunan eta fazı (η) ise ağırlıkça 0,03 % Fe içerir ve saf çinko olarak kabul edilir [14]. Tablo 2’ de kaplama esnasında oluşan fazların formülleri, kristal yapıları ve Vickers sertlikleri verilmiştir
Şekil 5: Fe-Zn ikili faz diyagramı ve 450°C’ de sıcak daldırma yöntemi ile 300 s süre sonunda galvaniz kaplı çeliğin enine kesit görünümü: (1) gama fazı, (2) delta fazı, (3) zeta fazı [14]
Tablo 2: Kaplama fazlarının formülleri, kristal yapıları ve Vickers sertlikleri [14]
Sıcak Daldırma Yöntemi ile Çinko Kaplama Prosesleri
Çinko kaplama çeşidini potadaki kompozisyon farklılığı belirler. Bu kompozisyonlardan Al oranı, kaplama çeşitliliğini etkileyen en önemli parametredir. Al, çelik yüzeyini parlatmada da etkilidir [14].
Galvaniz Kaplama (% Al <1)
Potaya ağırlıkça % 0,1-0,3 Al ilavesi yapılır. Al ilavesi ile Fe2Al5(Zn) inhibisyon katmanı oluşturularak, kırılgan yapıdaki Fe-Zn intermetalik fazın büyümesi engellenir. Ayrıca galvanizleme işleminde spangle (çiçeksi) yapı denilen iri yapılı taneler oluşabilir. Spangle, kaplamadaki saf çinko kabul edilen eta fazının polikristal yapısındaki haline denir. Potaya Pb, Sn ya da Bi ilavesi ile spangle yapısı kontrol edilebilinir [14]. Şekil 6’ da spangle yapısı gösterilmektedir.
Galfan Kaplama (% 5 Al-Zn)
Yassı çeliğin % 5 Al içeren çinko potasına sıcak daldırma yöntemi ile daldırılması sonucu galfan kaplama yapılır. Bu kaplamaya çoğu zaman % 0,5’ e kadar mishmetal (lantanyum ve seryum) ile % 0,5 Mg ilavesi yapılır. Bu ilave metaller sayesinde, kaplama verimi negatif yönde etkilenmeyecek şekilde, potanın akışkanlığı artar ve spangle oluşumu minimize edilir [14].
Şekil 6: Galvaniz kaplamadaki tipik spangle (çiçeksi) yapı [14]
Galvalume Kaplama (% 55 Al-Zn)
Potaya ağırlıkça % 55 Al ve % 1,5 Si ilavesi yapılır. Galvalume kaplamada, Al dendritleri barındıran spangle yapısı oluşur [14].
Galvannealed Kaplama
Galvaniz kaplamadan farklı olarak Al oranı daha düşüktür (ağırlıkça % 0,11-0,14) ve çinko potasına daldırılan çelik, pota çıkışındaki fırın içerisinde ısıl işleme tabi tutulur [7]. Şekil 7’de galvannealed kaplama proses şeması gösterilmektedir.
Şekil 7: Galvannealed kaplama [7]
Potaya daldırılan çelik, fırın içerisinde 500°C-565°C derece sıcaklıklarda 10 sn tutulur. Bu proseste galvaniz kaplamada olduğu gibi, Al ve çelik reaksiyona girer ve (Fe2Al5) inhibisyon katmanı oluşur. Isıl işlem sonucu kaplamadaki demir oranı ağırlıkça % 6-23’ leri bulur [7]. Dört farklı yöntem içeren sıcak daldırma yöntemi ile galvaniz kaplama uygulama alanları ve kaplama özellikleri Tablo 3’ teki gibidir [7].
Tablo 3: Çinko kaplama çeşitleri uygulama alanları ve kaplama özellikleri [7]
KAYNAKLAR
[1] Shaw, B., & Kelly, R. (2006 Spring). What is Corrosion? The Electrochemical Society’s Interface.
[2] Schuenke, T. (2015). Metallic Coatings. In Corrosion Protection of Steel Structures – Construction Technology (p. 8,11). Budapest University of Technology and Economics.
[3] Shibli, S. M. A., Meena, B. N., Remya, R. (2015). A review on recent approaches in the field of hot dip zinc galvanizing process. Surface & Coatings Technology, Volume 262, 210-215.
[4] <http://www.csc.com.tw/csc_e/pd/prs13.htm>, Alınış tarihi: 09.11.2015.
[5] SMS SIEMAG. Cleaning. (n.d.). Hot-Dip Galvanizing Line for Top Quality Demands, p. 12.
[6] Astesiano, D., Ghira D., Leoncini C. (2012). Strip Annealing Furnaces for New Galvanizing Lines. La Metallurgia Italiana, 46.
[7] Koutsaris, C. (2011). Description of the continuous galvanizing process, Difference between galvanizing and galvannealing. In Metallic Foam Formation During Continuous Hot-Dip Galvanizing of Steel Sheet (pp. 4, 6-9). Université de Montréal.
[8] TATA Steel, (18 Kasım 2013). Strip stabilization/vibration. HDG Line, vEenennaam/Noort.
[9] SMS SIEMAG. (n.d.). Skin-Pass Mills for a perfect finish.
[10] <http://cnsunnychina.en.alibaba.com/product/205555870-801671206/Skin_pass_mill.html>, Alınış tarihi: 10.11.2015.
[11] Oliveira, M., Ferreira, J.M., Santos, W., Tomachuk, C.R., Rossi, J.L., Costa, I. (n.d.). Passivation Treatments for Galvanized Steel as Potential Replacements to Chromate Conversion Coatings.
[12] <http://www.cest.at/en/research/investigation-of-corrosion/>, Alınış tarihi: 10.11.2015.
[13] American Galvanizers Association, (n.d.). Hot-Dip Galvanizing for Corrosion Protection.
[14] Marder, A. R. (2000). Fe±Zn phase equilibria and kinetics, Overlay coating formation. In The Metallurgy of Zinc-Coated Steel (Vol. 45, pp. 201, 203, 235, 236, 238, 240). Progress in Materials Science.