Siliciums indflydelse på stål ved varmforzinkning

Varmforzinkning er en udbredt metode til at beskytte stålkonstruktioner mod korrosion, og valget af det rette stål er afgørende for at opnå et optimalt resultat. En af de vigtigste faktorer, der påvirker varmforzinkningsprocessen, er indholdet af silicium i stålet. Denne artikel vil udforske, hvordan tilsætning af silicium til stål påvirker varmforzinkningen, og hvilke krav der skal stilles til stål for at sikre en vellykket og holdbar overfladebehandling.

Siliciums rolle i stål og varmforzinkning

Ved fremstilling af stål tilsættes der ofte silicium eller aluminium for at binde ilt og dermed ”berolige” stålet. Dette forhindrer dannelse af gasbobler under støbningen og forbedrer stålets kvalitet. Stål kan også støbes uden disse tilsætninger og kaldes da for ”uberoliget stål”, men dette er sjældent i moderne produktion på grund af den lavere kvalitet.

Siliciumindholdet i stålet har en betydelig indflydelse på reaktionen mellem jern og zink under varmforzinkningen. Derfor er det essentielt at tage højde for siliciumindholdet ved valg af stål til varmforzinkning. Stål, der er beroliget med aluminium, bør have et lavt siliciumindhold, helst under 0,03 vægtprocent, for at være velegnet til varmforzinkning. Siliciumberoliget stål med et siliciumindhold fra omkring 0,15 vægtprocent kan også varmforzinkes, men det resulterer typisk i et tykkere zinklag sammenlignet med aluminiumberoliget stål.

Ud over silicium spiller fosfor også en rolle, især i koldvalset stål, men andre legeringselementer har generelt en mindre indflydelse på zinklaget.

Sandelinområdet: Et kritisk interval

Der findes et specifikt interval for silicium- og fosforindholdet, kendt som ”Sandelinområdet” (0,03 – 0,14 vægtprocent silicium + fosfor), hvor stålets reaktivitet under varmforzinkning er markant forhøjet. Inden for dette område dannes der typisk tykke og ru zinklag med potentielt dårligere hæfteevne. Det er derfor vigtigt at undgå dette interval, når man vælger stål til varmforzinkning, medmindre man anvender speciallegerede zinkbade, der kan modvirke denne effekt.

Nyere forskning fra FORCE Technology i Danmark har endda vist, at den nedre grænse for Sandelinområdet kan være lavere end tidligere antaget, og at fosforindholdet har en større indflydelse, især på koldvalset stål.

Anbefalinger for stålsammensætning

For at opnå en god overfladefinish efter varmforzinkning under normale krav, anbefales det generelt at vælge aluminiumberoliget stål med følgende betingelse for både varm- og koldvalset stål:

Si+P < 0,03 vægtprocent

Dette betyder, at summen af silicium- og fosforindholdet i stålet skal være under 0,03 vægtprocent.

Hvis der stilles ekstra høje krav til overfladefinishen, f.eks. til arkitektoniske konstruktioner, bør følgende materialevalg overvejes, især for koldvalset stål:

Si < 0,03 og Si+2,5P < 0,04 vægtprocent

Bemærk her koefficienten for fosforindholdet, der indikerer en større vægtning af fosfors indflydelse i dette tilfælde.

For varmvalset stål er siliciumindholdet stadig det mest kritiske, men fosforindholdet har en mindre betydning. Ved høje krav til overfladefinishen for varmvalset stål anbefales:

Si < 0,02 og Si+2,5P < 0,09 vægtprocent

Igen bemærkes koefficienten for fosforindholdet, der er anderledes end for koldvalset stål.

Uventet lav reaktivitet i aluminiumberoliget stål

Selvom aluminiumberoliget stål generelt har lavt siliciumindhold, er det vigtigt at være opmærksom på en nyere udvikling. Stål med meget lavt siliciumindhold (under 0,01%) og højere aluminiumindhold (over 0,035%) er blevet mere almindelige på grund af deres gode egenskaber ved skæring og formning. Men denne kombination kan føre til, at zinklagene bliver tyndere end forventet ifølge varmforzinkningsstandarden DS-EN ISO 1461. Anvendelsen af nikkellegerede zinkbade, som er almindelige i dag, kan yderligere reducere reaktiviteten og resultere i et endnu tyndere lag.

For denne type stål kan det være nødvendigt at aftale en afvigelse fra standarden mellem kunde og varmforzinker. Alternativt kan sandblæsning af stålet før varmforzinkning være nødvendigt for at sikre en tilstrækkelig lagtykkelse.

Stålanalyse og lagtykkelse: Sammenhængen

Forholdet mellem stålets kemiske sammensætning og den opnåede lagtykkelse er komplekst og påvirket af flere faktorer. Aluminiumberoliget stål med et lavt silicium- og fosforindhold (under 0,03 vægtprocent) giver typisk blanke zinklag. Siliciumberoliget stål med et siliciumindhold på 0,15 – 0,21 vægtprocent giver også gode resultater, men med tykkere lag.

Hvis der ønskes endnu tykkere lag, for eksempel i aggressive miljøer, kan stål med et siliciumindhold over 0,22 vægtprocent være en mulighed. Det er teoretisk muligt at forzinke stål med op til 0,35 – 0,40 vægtprocent silicium, men disse stål er meget reaktive og kan resultere i sprøde zinklag, der er følsomme over for beskadigelse under håndtering. Derfor anbefales høje siliciumindhold generelt ikke.

Udover stålets kemiske sammensætning påvirkes lagtykkelsen også af:

• Stålets indhold af silicium og fosfor
• Dypningstiden i zinksmelten
• Stålets overfladeruhed og -tykkelse
• Eventuel varmebehandling

Overfladeruheden har en markant indflydelse på lagtykkelsen. Sandblæsning eller slyngrensning kan øge lagtykkelsen betydeligt (80 – 100 %). Ridser og deformationer på overfladen kan også påvirke overfladeruheden og resultere i varierende lagtykkelser og grå områder på en ellers blank overflade.

Varmebehandlingens effekt på reaktivitet

Koldvalset stål gennemgår normalt glødning under valseprocessen. Denne varmebehandling kan føre til oxidation af silicium på ståloverfladen, hvorved silicium bindes i oxidpartikler. Denne ”indre oxidering” reducerer det frie siliciumindhold i overfladen, som kan påvirke reaktionen under varmforzinkningen.

Koldvalset stål med et siliciumindhold i intervallet 0,15 – 0,21 vægtprocent kan let falde ind i det uønskede Sandelinområde (0,03 – 0,14 vægtprocent) efter glødning. Dette resulterer i høj reaktivitet og et tykt, sprødt zinklag med dårlig vedhæftning. Dybden af den indre oxidering afhænger af temperatur, tid og atmosfære under glødningen. I visse tilfælde kan det være nødvendigt at sandblæse emnet før varmforzinkning for at fjerne den påvirkede zone.

Flamme-, plasma- eller laserskæring af siliciumberoliget stål kan også ændre lagtykkelsen ved varmforzinkning. Disse processer kan påvirke letoxiderbare komponenter som silicium i ståloverfladen, hvilket kan resultere i enten tyndere eller tykkere lag afhængigt af siliciumindholdet og påvirkningen. Ifølge DS/EN ISO 1461 må lagtykkelsesmålinger ikke foretages på flamme-, plasma- eller laserskårne flader eller inden for 10 mm fra kanter eller 100 mm fra emneender.

Varmforzinkning af højstyrkestål

Højstyrkestål anvendes i stigende grad i konstruktioner, der varmforzinkes. Der findes ingen klar definition på grænsen for højstyrkestål, men stål med en flydespænding på 355 MPa og derover betragtes ofte som højstyrkestål.

Erfaringer viser, at visse højstyrkestål typer kan være mindre reaktive end forventet ved varmforzinkning, hvilket kan føre til for tynde zinklag. Andre typer kan være meget reaktive og resultere i tykke lag med dårlig vedhæftning. Generelt gælder de samme regler for valg af højstyrkestål som for almindeligt konstruktionsstål – silicium- og fosforindholdet skal tages i betragtning.

Nogle højstyrkestål typer har et siliciumindhold på omkring 0,10 vægtprocent, altså midt i Sandelinområdet, hvilket gør dem uegnede til varmforzinkning. Disse kan dog ofte bestilles med et højere siliciumindhold (0,20 vægtprocent) for at være bedre egnet til varmforzinkning.

Visse højstyrkestål kan gennemgå varmebehandlinger under produktionen, hvilket kan ændre det frie siliciumindhold i overfladen på grund af indre oxidering og dermed påvirke reaktiviteten. Forskning inden for varmforzinkningsbranchen arbejder på at forstå disse effekter bedre.

Højstyrkestål med en flydespænding (ReH) > 650 MPa kan i visse tilfælde opleve en reduceret udmattelsesstyrke efter varmforzinkning. For stål med lavere styrke er reduktionen minimal. Det er dog vigtigt at bemærke, at korrosion hurtigt kan reducere udmattelsesstyrken i ubehandlet eller dårligt beskyttet stål, hvor varmforzinkning giver en betydelig forbedring af udmattelsesstyrken i et korrosivt miljø.

Højstyrkestål kan under visse betingelser blive sprødt under bearbejdning og/eller varmforzinkning. Der findes derfor særlige forskrifter for varmforzinkning af højstyrkestål. Det anbefales at søge rådgivning hos en varmforzinker eller Nordic Galvanizers for yderligere information.

For at opnå normal lagtykkelse på skærekanter kan det oxiderede lag fjernes ved slibning eller sandblæsning, indtil anløbningsfarverne er væk. Affasning af skærekanter kan yderligere forbedre zinklagets holdbarhed. I nogle tilfælde kan en kraftigere bejdsning eller sandblæsning være tilstrækkelig til at fjerne det påvirkede overfladelag efter varmebehandling. Ved koldbearbejdning og ændringer i overfladeruheden kan en mere intensiv overfladebehandling være nødvendig.

Hvis der ønskes tykkere lag end standarden foreskriver, skal dette aftales med varmforzinkningsvirksomheden, og der skal vælges stål med et højere siliciumindhold for at opnå den nødvendige reaktivitet.

Zinkoverfladens udseende

Varmforzinkning af stål med lavt silicium- eller fosforindhold giver lyse og blanke zinklag. Udendørs vil overfladen med tiden blive mat og lysegrå. Stål med et siliciumindhold på 0,15 – 0,25 vægtprocent giver normalt også lyse lag, medmindre siliciumindholdet er tæt på den øvre grænse. Højere siliciumindhold kan resultere i grå områder eller et gråt net på en lys overflade.

Ved brug af nikkellegerede zinkbade kan stål med et siliciumindhold op til ca. 0,22 % forblive helt blankt. Stål med et højere siliciumindhold (> 0,25 %) giver generelt matte, grå zinklag, der bliver mørkere med stigende siliciumindhold. Disse mørkegrå lag har udelukkende æstetisk betydning, da de yder samme eller endda bedre korrosionsbeskyttelse (ved samme lagtykkelse) som lyse lag. Grå zinkbelægninger har ofte en højere lagtykkelse og dermed en længere levetid.

Ofte stillede spørgsmål (FAQ)

Hvad er Sandelinområdet?

Sandelinområdet er et interval af silicium- og fosforindhold (0,03 – 0,14 vægtprocent silicium + fosfor) i stål, der resulterer i meget høj reaktivitet under varmforzinkning og potentielt grove og sprøde zinklag.

Hvordan påvirker siliciumindholdet zinklagets tykkelse?

Generelt giver et højere siliciumindhold tykkere zinklag. Aluminiumberoliget stål med lavt siliciumindhold giver tyndere lag, mens siliciumberoliget stål giver tykkere lag. Meget højt siliciumindhold kan dog resultere i sprøde lag.

Hvad er den anbefalede siliciumgrænse for stål til varmforzinkning?

For de fleste anvendelser anbefales et siliciumindhold på under 0,03 vægtprocent (for aluminiumberoliget stål) eller omkring 0,15 – 0,21 vægtprocent (for siliciumberoliget stål). Det er vigtigt at undgå Sandelinområdet.

Hvorfor er overfladeruhed vigtig for lagtykkelsen?

En ruere overflade, f.eks. opnået ved sandblæsning, øger overfladearealet og dermed reaktiviteten, hvilket resulterer i et tykkere zinklag.

Kan højstyrkestål varmforzinkes?

Ja, højstyrkestål kan varmforzinkes, men der skal tages særlige hensyn til silicium- og fosforindholdet samt eventuelle varmebehandlinger. Rådfør dig med en varmforzinker for specifikke anbefalinger.

Ved at forstå indflydelsen af silicium og andre faktorer på varmforzinkningsprocessen, kan man træffe de rigtige materialevalg allerede i designfasen og sikre en effektiv og langvarig korrosionsbeskyttelse af stålkonstruktioner.