فولاد و آهن از جمله فلزاتی هستند که در صنایع مختلف مانند کشاورزی، تولید خودرو، ساختمان سازی، ساخت درب و پنجره و غیره کاربردهای فراوانی دارند. متأسفانه این فلزات در برابر بسیاری از عوامل مخرب مانند رطوبت، مقاومت کافی نداشته و اگر برای طولانی مدت در معرض این عوامل قرار گیرند با اکسیژن موجود در هوا وارد واکنش می شوند؛ نتیجه این فرآیند شیمیایی پدیده ای به نام اکسید آهن یا زنگ زدگی است!
طبیعتاً فولاد و آهن زنگ زده مقاومت اولیه خود را از دست داده و استفاده از آنها می تواند خسارات غیر قابل جبران به بار آورد. گالوانیزه کردن یا Galvanization ورق‌های آهنی و فولادی، یک راهکار عالی برای افزایش مقاومت فولاد و آهن در برابر رطوبت و زنگ زدگی است. در ادامه قصد داریم به بررسی فرآیند گالوانیزه کردن ورق‌های فولادی، کاربرد ورق گالوانیزه و همچین مزایای بکارگیری آن بپردازیم.
هنگامی که روی در آبکاری الکتریکی معمولی و بدون عملیات خاص مورد استفاده قرار می گیرد (بعد از مدتی) در هوا به رنگ خاکستری تیره در می آید؛ در ورق گالوانیزه گرم نوع و ضخامت پوشش های تشکیل شده در مرحله نخست متاثر از سینتیک میان فلز پایه و فلز روی مذاب است. پوشش های ورق گالوانیزه گرم معمولا از سه ناحیه مجزای فلزی تشکیل شده که از واکنش متالوژیکی میان آهن و روی حاصل می شود. سیستم های حفاظتی عموما در دو گروه قرار می گیرند:
گروه اول مثل اکثر رنگ ها و پلاستیک ها، پوشش حفاظتی را بر روی نمونه مورد نظر به وجود می آورد. برای آشنایی بیشتر می توانید مقاله رنگ مخصوص ورق گالوانیزه را مطالعه کنید.
گروه دوم متشکل از سیستم حفاظتی نظیر اکثر پوشش های روی است که با استفاده از مکانیزم حفاظت فداشوندگی عمل کرده و حتی بعد از بروز خسارت هم این نوع حفاظت انجام می شود.
بنابراین دو حالت پوشش تشکیل می دهد: نخست آن هایی که روی با فلز پایه، آلیاژی تشکیل نمی دهد و نوع بعدی پوشش هایی است که روی یا همان زینک یک ترکیب آلیاژی با فلز پایه ایجاد می کند که در این میان روش غوطه وری گرم، یکی از مهم ترین انواع پوشش ها بر روی ورق گالوانیزه از نوع دوم است.
برای تولید ورق های فولادی گالوانیزه متدهای مختلفی وجود دارد که در زیر به طور خلاصه به شرح هر یک خواهیم پرداخت:
1- روش حرارتی (Hot-Dip Galvanizing)
اولین و مهمترین روش برای تولید ورق های گالوانیزه، متد گالوانیزه حرارتی است. در این روش، فولاد یا آهن در استخری از فلز روی مذاب که دمای آن در حدود 860 درجه فارنهایت (460 درجه سانتی‌گراد) است، فرو برده می شود؛ این حمام مذاب یک پیوند متالورژیکی بین روی و فولاد ایجاد می کند.
پس از خارج کردن فلز از استخر مذاب، فولاد با قرار گرفتن در معرض هوا واکنش نشان داده و روی خالص با اکسیژن مخلوط شده تا اکسید روی تشکیل شود. اکسید روی با کربن دی اکسید وارد واکنش شده و کربنات روی تشکیل می شود.
کربنات روی تشکیل شده نقش یک لایه محافظتی را برای آهن یا فولاد بازی می کند؛ روش گالوانیزه حرارتی، یک انتخاب اقتصادی و مقرون به صرفه است که می تواند به سرعت بر روی اشکال ساده و پیچیده فولاد اجرا شود.
گالوانیلینگ (Galvannealin)
گالوانیلینگ نتیجه ترکیب فرآیندهای حرارتی (hot-dip) و گداختگی (annealing) به منظور تولید یک نوع روکش خاص بر روی فولاد است. فرآیند گالوانیزاسیون از طریق حرارت دهی و گداختگی آنی انجام می شود که نتیجه آن تولید یک نوع فلز به رنگ خاکستری مات خواهد بود!
فولاد گالوانیل یک محصول آلیاژی (روی – آهن) است. برای تولید ورق های فولادی گالوانیل، فلز مادر توسط فرآیند حرارتی توصیف شده در بالا پوشش دهی (روکش) می شود. سپس برای ایجاد و تحکیم پیوند بین فولاد و روکش روی مذاب در کوره های گداخته حرارت داده خواهد شد.
پیش گالوانیزه (Pre-galvanizing)
این روش بسیار شبیه به روش گالوانیزه حرارتی است. ورق های فلزی ابتدا در یک ماده تمیز کننده غلطانده می شوند. این کار باعث می شود که ورق های فلزی سریع تر برای فرآیند گالوانیزه آماده شوند. سپس این فلز در امتداد یک استخر از روی مذاب به حالت رفت و برگشت، حرکت داده می شود. روکش ایجاد شده بر روی فلز در این روش نسبت به روش حرارتی از یکپارچگی بیشتری برخوردار است.
الکتروگالوانیزه(Electrogalvanizing)
برخلاف متدهای قبلی در این روش، فلز را در مخزنی از روی مذاب نمی برند! یک جریان الکتریکی به محلول الکترولیتی (سولفات روی) که بعداً بر روی فلز استفاده خواهد شد، اعمال می شود. در صنعت خودروسازی برای تولید بدنه خودروها از ورق های فولادی الکتروگالوانیزه استفاده می شود. دلیل این امر این است که ضخامت لایه محافظتی در این روش کمتر از لایه محافظتی در روش گالوانیزه حرارتی است. بنابراین، رنگ آمیزی ورق ها آسانتر خواهد بود.
برای آشنایی کامل با انواع روش های گالوانیزه می توانید مقاله مربوط به آن را ملاحظه کنید.
در فرآیند گالوانیزاسیون آهن در نقش “کاتد” و روی به عنوان “آند” بر روی ورق گالوانیزه عمل می کند؛ در واقع این پوشش خود را فدا می کند تا فلز مادر در امان بماند. ضخامت این پوشش بسته به نوع مصرف می تواند تا 200 میکرون باشد. رنگ این پوشش سفید و مایل به خاکستری است و می تواند حالت تزئینی هم داشته باشد. به طور کلی پوشش ورق گالوانیزه را به دو طریق می توان ایجاد کرد:
در حقیقت این لایه محافظتی است که قربانی می شود نه فولاد و آهن! بسته به ضخامت لایه محافظتی، میزان مقاومت آن در برابر زنگ زدگی متفاوت خواهد بود. قاعدتاً هر چه ضخامت این لایه بیشتر باشد مقاومت آن در برابر پوسیدگی و خوردگی نیز بیشتر خواهد بود.
از خواص مهمی که پوشش روی باید بر روی ورق گالوانیزه داشته باشد تا به عنوان یک پوشش ایده آل برای فولاد شناخته شود، قابلیت شکل پذیری مناسب است. ورق های مورد استفاده در بدنه خودرو ابتدا تحت فرایند گالوانیزاسیون قرار گرفته و بعد از اعمال پوشش بر روی ورق توسط قالب های مختلف به اشکال متنوع در می آیند.
بنابراین قابلیت شکل پذیری پوشش روی باید طوری باشد که در حین فرایند شکل دهی از سطح ورق گالوانیزه جدا نشده و دچار گسیختگی نگردد. از طرفی بعد از عملیات شکل دهی همچنان خاصیت حفاظت از خوردگی ورق فولادی را حفظ نماید. خواص مهمی که در بالا ذکر شد، همه تحت تاثیر عوامل مختلفی مانند ساختار پوشش و میزان تمیزی سطح ورق گالوانیزه هستند.
شناخت دقیق این عوامل قبل از فرایند گالوانیزاسیون دارای اهمیت است به طوری که با تغییر این عوامل می توان به بهترین حالت پوشش دست یافت. در رابطه با عوامل موثر بر قابلیت شکل پذیری و مقاومت به خوردگی ورق گالوانیزه مطالعات و آزمایش های بسیاری صورت گرفته که در بعضی مواقع حتی نتایج متضادی هم به دست آمده است.
مقاومت روی در برابر شرایط اتمسفریک بستگی به ماهیت و طبیعت حفاظتی لایه های سطحی حاصل از اکسیدهای پوشش دارد. این لایه های نازک عمدتا از اکسید روی، هیدروکسید روی و کربنات روی تشکیل شده اند. نرخ خوردگی یا قدرت محافظت پوشش های ورق گالوانیزه به شرایط محیطی نیز بستگی دارد.
روی توسط هوای خالص حتی در صورتی که حاوی رطوبت نسبی متوسطی باشد خورده می شود. این عوامل در فلزات دیگر هم اثرات مشابهی دارد ولیکن نرخ خوردگی روی به طور محسوسی کمتر از انواع فولاد در شرایط اتمسفریکی است. بعضی اوقات پوشش های ورق گالوانیزه تحت عملیات بعدی قرار می گیرند مثل رنگ آمیزی که به سیستم دوبلکس معروف است یا عقیم سازی پوشش مثل کروماته کردن که در هر دو حالت بر عمر پوشش افزوده می شود.
مشخصه بارز فلز روی این است که از میان تمام فلزات دیگر به کار رفته جهت ایجاد پوشش محافظ کمترین هزینه را به ازای واحد وزن دارا است. رفتار شیمیایی روی به نحوی است که از آهن فعالتر است و احیا کننده قویتری می باشد. لذا نسبت به آن بیشتر اکسید می شود و آهن را از خوردگی محفوظ می دارد.
فولاد گالوانیزه به دلیل طول عمر بالا و مقاومت زیاد در برابر خوردگی (علاوه بر استحکام و شکل پذیری بالا) یکی از محبوب ترین و پرکاربردترین انواع فولاد است. در ادامه به شرح کاربردهای ورق گالوانیزه در صنایع مختلف خواهیم پرداخت:
حفاظت ارائه شده توسط گالوانیزاسیون داغ شونده برای محصولاتی است که به طور مداوم در معرض مواد خورنده مانند اسیدها از جمله باران اسیدی در فضای باز استفاده می شوند. برای آشنایی با مراحل خرید ورق گالوانیزه می توانید با کارشناسان مرکزآهن تماس بگیرید.
پروژه های خورشیدی پس از نصب باید دارای گردش مداوم باشند. هر گونه تعمیر و مراقب می تواند منجر به اختلال در فرآیند خدمات رسانی شود. این بدین معنا است که کاربرد ورق فولادی گالوانیزه به علت مقاومت بالا در برابر پوسیدگی در پروژه های خورشیدی بسیار ضروری است چرا که از ایجاد اختلال در کار به علت پوسیدگی پنل ها، جلوگیری می شود.
کاربرد ورق گالوانیزه در صنعت کشاورزی نیز بسیار شایع و متداول است. رطوبت و آب دو جزء لاینفک صنعت کشاورزی هستند. بنابراین نیاز است که تجهیزات فلزی به کار برده شده در این صنعت در برابر پوسیدگی و خوردگی از مقاومت کافی برخوردار باشند. ورق های فولادی گالوانیزه گزینه ای ایده آل هستند چرا که حتی در محیط های خورنده و مرطوبی چون گلخانه ها مدت زمان طولانی دوام می آورند.
اگرچه تا دهه هشتاد میلادی ورق های فولادی گالوانیزه تنها در تولید خودروهای لوکس و مدل بالا مورد استفاده قرار می گرفت، اکنون کاربرد ورق فولادی گالوانیزه در تولید بدنه اتومبیل ها در صنعت خودروسازی بسیار عادی و طبیعی است و حتی به یک استاندارد تبدیل شده است. دلیل اصلی این امر مقاومت شدید ورق های فولادی گالوانیزه در برابر پوسیدگی است.
از جمله کاربردهای ورق گالوانیزه در صنعت ساختمان سازی است. خاصیت ضد پوسیدگی و طول عمر بالا، این ورق ها را به گزینه ای محبوب در این صنعت تبدیل کرده است. یکی دیگر از دلایل کاربرد ورق گالوانیزه در صنعت ساخت و ساز، زیبایی ظاهری این ورق هاست. درخششی که فولاد گالوانیزه دارد حالتی مدرن به آن بخشیده و استفاده از آن در معماری مدرن رایج است.
نگهداری و مراقبت از خطوط تلفن کار راحتی نیست چرا که این خطوط در ارتفاع قرار دارند و دسترسی به آنها کار آسانی نیست. بنابراین، در سیم کشی خطوط تلفن از ورق فولادی گالوانیزه استفاده می شود که در این صورت خطر آسیب دیدن و نیاز به تعمیر و نگهداری به شدت کاهش می یابد.
از دیگر کاربردهای ورق گالوانیزه در تولید کیس های کامپیوتر و ابزارهای دقیق است. دلیل این امر نیز به مقاومت بالای ورق های فولادی گالوانیزه در برابر خوردگی و پوسیدگی است.
همانطور که در بالا اشاره شد صنایع زیادی از محصولات گالوانیزه استفاده می‌کنند. از جمله مزایای بکارگیری ورق گالوانیزه عبارتند از:
هزینه تمام شده ورق های فولادی گالوانیزه در مقایسه با انواع فولاد نسبتاً پایینتر است. ممکن است در مقایسه با سایر فولادهای موجود در بازار که با روش های دیگر مقاوم سازی شده اند، هزینه اولیه این نوع ورق های فولادی زیاد به نظر برسد، اما از آنجایی که این نوع ورق ها بسیار مقاوم هستند هزینه تعمیر و نگهداری زیاد نیست. بنابراین این محصولات برای سرمایه گذاری طولانی مدت مقرون به صرفه هستند.
انتظار می رود که ورق های فولادی گالوانیزه در شرایط نرمال و عادی بیش از 50 سال و در شرایط آب و هوایی نامناسب و محیط های خورنده بالای 20 سال دوام بیاورند.
میزان آهن موجود در فولاد بسیار مستعد پوسیدگی و زنگ زدگی است. اضافه شدن لایه محافظتی روی (zinc) از پوسیدگی فولاد جلوگیری می کند چرا که این لایه مانند یک مانع بین فولاد، رطوبت و اکسیژن عمل می کند.
ورق های فولادی گالوانیزه علاوه بر اینکه در برابر پوسیدگی و زنگ زدگی بسیار مقاوم هستند از سختی بالایی نیز برخوردارند؛ بدین معنا که در برابر آسیب ها به راحتی تسلیم نمی شوند (آسیب های ناشی از حمل و نقل یا جابجایی).
با توجه به عدم انتقال گازهای سمی و خطرناک به محیط اطراف و عدم نیاز به مراقبت و نگهداری به علت مقاومت بالا در برابر پوسیدگی، گفته شده که ورق های فولادی گالوانیزه، دوستدار محیط زیست هستند.
از پوشش های معمول در صنایع مختلف مخصوصا صنعت اتومبیل سازی، فلز روی است که ورق فولادی مورد استفاده در ساخت بدنه خودرو توسط آن پوشش داده می شود. فلز روی در مقایسه با آهن در جدول پتانسیل فلزات فعال تر است بنابراین در یک محیط خورنده به صورت آند فدا شونده عمل کرده و قبل از آهن خورده می شود.
صنعت قالبسازی خودرو در دنیای کنونی به یک صنعت کلیدی تبدیل گردیده و نیازمند تولید محصولات جدید و با کیفیت برای ماندن در صحنه رقابت پیشرفت در این صنعت است؛ از طرفی طول عمر محصولات تولید شده و کیفیت ظاهری آنها برای مصرف کننده بسیار حائز اهمیت است. به همین دلیل تکنولوژی در پوشش دهی اهمیت بالایی دارد.
ترکیب این دو علم در صنایع مختلف از جمله صنعت اتومبیل مطرح شده است. از دلایل مهم استفاده از علم پوشش دهی، دور نگه داشتن بدنه خودرو یا هر قطعه صنعتی دیگری از خوردگی و صدمات ناشی از آن است. بدین منظور بر روی قطعه فوق، لایه ای از یک فلز فعال تر را می نشانند تا با فدا شدن در محیط خورنده از خوردگی فلز پایه جلوگیری کنند.
کلام آخر
همان طور که پیشتر اشاره شد، فولاد و آهن در برابر زنگ زدگی و پوسیدگی مقاوم نیستند و در اثر قرارگیری در شرایط آب و هوایی نامساعد و مرطوب به راحتی تسلیم شده و از بین می روند؛ بنابراین برای جلوگیری از فروپاشی سازه‌های فولادی، لازم است که ورق های فولادی مورد استفاده در برابر زنگ زدگی و خوردگی طی فرآیندی به نام گالوانیزاسیون، مقاوم شوند. برای این کار یک لایه محافظ فلزی از جنس روی بر سطح ورق فولادی اعمال می کنند تا خوردگی را به حداقل برسد و عمر قطعه یا ورق فولادی افزایش پیدا کند. این روش بسیار اقتصادی و به صرفه است.