อะไรทำให้ขดลวดเหล็กชุบสังกะสีทนต่อการกัดกร่อน?

กระบวนการชุบสังกะสีสร้างชั้นเคลือบสังกะสีที่ทนทานบนขดลวดเหล็กกล้าได้อย่างไร

การชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน: การจุ่ม, การยึดติดเชิงโลหะวิทยา, และการเกิดชั้นสังกะสีที่สม่ำเสมอ

เมื่อม้วนเหล็กผ่านกระบวนการชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน เหล็กจะกลายเป็นวัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อน หลังจากถูกจุ่มลงในสังกะสีหลอมเหลวร้อนประมาณ 450 องศาเซลเซียส สิ่งที่เกิดขึ้นที่นี่แตกต่างจากการทาสีหรือวิธีคล้ายกัน เพราะที่ใต้ชั้นผิวที่เป็นสังกะสีบริสุทธิ์นั้น จะเกิดชั้นอินเตอร์เมทัลลิกพิเศษที่ประกอบด้วยสังกะสีและเหล็กขึ้นมา การทำปฏิกิริยาทางเคมีนี้สร้างลวดลายผลึกที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งยึดเกาะกับเหล็กในระดับอะตอม อันเนื่องมาจากพันธะที่แข็งแกร่งนี้ ชั้นเคลือบจึงยังคงอยู่แม้โลหะจะถูกดัด ตีขึ้นรูป หรือสัมผัสกับอุณหภูมิสุดขั้ว โดยไม่ลอกออกเหมือนชั้นเคลือบทั่วไป

ขั้นตอนสำคัญ ได้แก่ การทำความสะอาดด้วยกรดเพื่อขจอลอกเหล็กและออกไซด์ การเคลือบฟลักซ์เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันก่อนเวลาอันควร การจุ่มอย่างควบคุมเพื่อให้ได้การเคลือบที่ทั่วถึง และการดับด้วยอากาศหรือน้ำเพื่อทำให้ชั้นเคลือบแข็งตัว ต่างจากการพ่นสีหรือชั้นเคลือบโพลิเมอร์ การรวมตัวในระดับอะตอมนี้จะรับประกันความต่อเนื่องของชั้นเคลือบทั่วทั้งขอบ รู และรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน

ตัวแปรกระบวนการหลักที่มีผลต่อความหนาและการยึดเกาะของชั้นเคลือบในการผลิตคอยล์เหล็กชุบสังกะสี

ประสิทธิภาพของชั้นเคลือบขึ้นอยู่กับการควบคุมอย่างแม่นยำในสามตัวแปรที่เกี่ยวข้องกัน

1. ระยะเวลาจุ่ม : การจุ่มนานขึ้นจะเพิ่มการเจริญเติบโตของโลหะผสมสังกะสี-เหล็ก แต่อาจทำให้ความเหนียวลดลงหากมากเกินไป; เวลาที่เหมาะสมจะช่วยสมดุลระหว่างการพัฒนาโครงสร้างโลหะวิทยากับความยืดหยุ่นของผลิตภัณฑ์สุดท้าย
2. ความเร็วในการดึงขึ้น : ควบคุมการไหลออกของสังกะสีและความสม่ำเสมอของความหนา — หากเร็วเกินไปจะทำให้ชั้นเคลือบบางเกินไป; หากช้าเกินไปจะทำให้การสะสมไม่สม่ำเสมอและหยด
3. อัตราการระบายความร้อน : การดับด้วยน้ำจะคงโครงสร้างจุลภาคที่ละเอียด เพื่อเพิ่มความแข็ง; การระบายความร้อนด้วยอากาศช่วยให้ผลึกเกิดช้าลง ซึ่งช่วยปรับปรุงความสามารถในการขึ้นรูปสำหรับการขึ้นรูปลึก

การรักษาระดับอุณหภูมิของอ่างน้ำยาไว้ภายใน ±5°C มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเกิดชั้นโลหะผสมอย่างสม่ำเสมอ และน้ำหนักเคลือบที่คาดการณ์ได้ การตรวจสอบตามมาตรฐานอุตสาหกรรมจะยืนยันมวลเคลือบที่ได้ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ที่ 50–300 กรัม/ตารางเมตร โดยสอดคล้องกับข้อกำหนดการใช้งานสุดท้าย เช่น การใช้งานกลางแจ้ง การใช้งานในงานสถาปัตยกรรมภายในอาคาร หรือโครงสร้างอาคาร

การป้องกันแบบกั้น: ชั้นสังกะสีปกป้องคอยล์เหล็กชุบสังกะสีจากรอยทำลายจากสิ่งกัดกร่อนได้อย่างไร

การแยกทางกายภาพระหว่างผิวเหล็กพื้นฐานออกจากความชื้น ออกซิเจน และเกลือ

ชั้นเคลือบสังกะสีสร้างเกราะป้องกันที่แข็งแรง ซึ่งช่วยกันไม่ให้เหล็กสัมผัสกับสิ่งต่างๆ เช่น ความชื้น ออกซิเจน CO2 และไอออนคลอไรด์ สิ่งที่ทำให้ชั้นเคลือบมีประสิทธิภาพสูงคือการยึดเกาะกันในระดับโลหะ ซึ่งปกคลุมทุกซอกทุกมุม รวมถึงขอบที่แหลมคมและพื้นผิวขรุขระเล็กๆ ที่อาจเป็นจุดเริ่มต้นของการกัดกร่อน หมายความว่าจะไม่มีช่องว่างเล็กๆ ให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีได้ โดยเฉพาะในพื้นที่ที่มีความชื้นสูงหรือใกล้ชายฝั่ง การป้องกันแบบนี้จะช่วยหยุดการเสื่อมสภาพของเหล็กจากการละลายเชิงแอโนด (anodic dissolution) ซึ่งก็คือสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดสนิม ข่าวดีคือการป้องกันนี้เริ่มทำงานทันทีโดยไม่จำเป็นต้องมีการกระตุ้นพิเศษ

คราบคาร์บอเนตสังกะสี: การกลายเป็นผงบางๆ ตามธรรมชาติที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันระยะยาว

เมื่อสังกะสีถูกปล่อยทิ้งไว้ในอากาศเป็นเวลานาน จะเกิดกระบวนการพัสซีเวชันตามธรรมชาติ โดยโลหะจะทำปฏิกิริยากับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และความชื้นในบรรยากาศ จนเกิดเป็นชั้นฟิล์มคาร์บอเนตของสังกะสีที่มีความคงตัวและทนต่อน้ำได้ดี ซึ่งมีสูตรเคมีเป็น Zn5(CO3)2(OH)6 สิ่งที่น่าสนใจต่อไปคือ ชั้นป้องกันนี้สามารถลดอัตราการกัดกร่อนลงได้ประมาณครึ่งหนึ่ง เมื่อเทียบกับผิวชุบสังกะสีใหม่ๆ และยังมีคุณสมบัติพิเศษอีกอย่างคือ ฟิล์มผิวนี้สามารถซ่อมแซมรอยขีดข่วนเล็กๆ ได้ด้วยตัวเอง เนื่องจากสารคาร์บอเนตจะยังคงสะสมตัวต่อไปในบริเวณที่เสียหาย สำหรับอาคารที่ตั้งอยู่ในสภาพแวดล้อมทั่วไป เช่น ในเขตเมืองหรือชนบท การรวมกันระหว่างการป้องกันของวัสดุพื้นฐานกับการพัฒนาของฟิล์มผิวป้องกันนี้ สามารถให้การปกป้องที่มั่นคงจากการผุกร่อนของสภาพอากาศได้นานหลายปี โดยไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษาใดๆ หลายคนมักประหลาดใจที่ทราบว่าชั้นเคลือบนี้มีอายุการใช้งานยาวนานเพียงใด ซึ่งนานกว่าที่คาดไว้จากความหนาของชั้นเคลือกเดิมมาก

การป้องกันแบบสละตัว (แคโทดิก): พลังซ่อมแซมตัวเองของสังกะสีในขดเหล็กชุบสังกะสี

หลักการไฟฟ้าเคมี: สังกะสีทำหน้าที่เป็นแอโนดเพื่อปกป้องแคโทดเหล็ก

ข้อได้เปรียบทางอิเล็กโทรเคมีของสังกะสีอยู่ที่แก่นกลางของเหตุผลที่ทำให้ชั้นเคลือบกัลวาไนซ์มีอายุการใช้งานยาวนาน สังกะสีมีศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานประมาณ -0.76 โวลต์ ในขณะที่เหล็กกล้าอยู่ที่ประมาณ +0.44 โวลต์ เนื่องจากความแตกต่างนี้ สังกะสีจะทำหน้าที่เป็นแอนโอดเชิงพลีชีพ (sacrificial anode) เมื่อมีความชื้นและสารปนเปื้อนสร้างเซลล์อิเล็กโทรไลติก หากชั้นป้องกันเสียหาย เช่น บริเวณรอยตัด รอยขีดข่วน หรือจุดเชื่อม โลหะเหล็กกล้าที่เปลือยจะกลายเป็นแคโทเด ในขณะที่สังกะสีบริเวณใกล้เคียงจะเริ่มผุกร่อนแทนกระบวนการทางไฟฟ้าตามธรรมชาตินี้ช่วยหยุดยั้งไม่ให้เหล็กเกิดสนิม ทำให้โครงสร้างยังคงแข็งแรงแม้บางส่วนของชั้นเคลือบจะสูญเสียไป การวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระบุว่า คุณสมบัติเหล่านี้สามารถทำให้เหล็กกัลวาไนซ์มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเหล็กธรรมดาถึงสองถึงห้าเท่า เมื่อเผชิญกับสภาพอากาศในลักษณะเดียวกัน

ความทนทานในโลกแห่งความเป็นจริง: ความต้านทานการกัดกร่อนที่ขอบตัด รอยขีดข่วน และบริเวณรอยเชื่อม

การป้องกันแบบคาโทดิกมีความสามารถอันน่าทึ่งในการซ่อมแซมตัวเองเมื่อเกิดความเสียหาย เมื่อมีรอยตัดหรือรอยขีดข่วนบนพื้นผิวโลหะ สังกะสีบริเวณใกล้เคียงจะเริ่มกัดกร่อนตามธรรมชาติ โดยสร้างชั้นป้องกันของสังกะสีคาร์บอเนตที่สามารถปิดผนึกจุดบกพร่องเหล่านั้นได้ กระบวนการนี้ยังสร้างกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กขึ้น ซึ่งช่วยยับยั้งการแพร่กระจายของการกัดกร่อน นอกจากนี้ยังเกิดปรากฏการณ์พิเศษระหว่างการเชื่อมด้วย โดยปกติแล้วชั้นเคลือบทั่วไปจะถูกทำลายจากความร้อนที่สูงมาก แต่ชั้นสังกะสีสามารถแทรกซึมเข้าไปในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนขณะเชื่อม จึงไม่จำเป็นต้องเคลือบเพิ่มเติมหลังจากการเชื่อมเสร็จสิ้น การทดสอบในอุตสาหกรรมตลอดหลายปีที่ผ่านมา พบอัตราการกัดกร่อนโดยเฉลี่ยบริเวณที่เสียหายต่ำกว่าครึ่งมิลลิเมตรต่อปี ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงประสิทธิภาพของระบบป้องกันแบบชั้นกั้นร่วมกับการกระทำแบบพลีตน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและไม่สามารถดำเนินการบำรุงรักษาได้อย่างสม่ำเสมอ