WP YW TOPOGRAFII POWIERZCHNI BLACH NA CECHY POW OK CYNKOWYCH

43 Marek BURDEK Instytut Metalurgii elaza WP YW TOPOGRAFII POWIERZCHNI BLACH NA CECHY POW OK CYNKOWYCH W artykule zaprezentowano wyniki bada, których celem by o okre lenie wp ywu rodzaju topograþ i powierzchni na w a ciwo ci pow ok cynkowych. Badania wykonano z zastosowaniem blach ze stali niskow glowej poddanych obróbce strumieniowo- ciernej i cynkowaniu ogniowemu. Jako cierniwa stosowano elektrokorund zwyk y, elektrokorund szlachetny i mikrokulki szklane w dwóch zakresach rednic. TopograÞ powierzchni wyznaczono z zastosowaniem pomiarów chropowato ci 3D. Uzyskano pow oki cynkowe o ró nej grubo ci i topograþ i powierzchni. S owa kluczowe: blacha, ta ma, pow oka cynkowa, topograþ a powierzchni blach THE EFFECT OF SURFACE TOPOGRAPHY OF PLATES ON CHARACTERISTICS OF ZINC COATINGS The article presents the results of investigations aimed at the determination of the effect of the type of surface topography on properties of zinc coatings. The investigations were carried out using low-carbon steel plates subject to vapour blasting and hot-dip galvanising. Brown fused alumina, white fused alumina and glass beads in two diameter ranges were used as an abrasive material. The surface topography was determined based on 3D roughness measurements. Zinc coatings with different thicknesses and surface topography were obtained. Key words: plate, strip, zinc coating, surface topography of plates 1. WPROWADZENIE W ochronie antykorozyjnej blach szeroko stosowanych w budownictwie, do wyrobu sprz tu AGD i w przemy- le samochodowym, szczególn rol odgrywaj pokrycia cynkowe. Ilo blach cynkowanych zarówno na poszycia wewn trzne jak i karoseri samochodów szybko wzrasta. Od 1985 roku kiedy to cynkowano zaledwie 20% blach wzros o do oko o 60% w 1995 r. i blisko 100% obecnie. W nowo budowanych liniach cynkowniczych wybierana jest jednak prawie wy cznie technologia ogniowo-zanurzeniowa wraz z wy arzaniem w uk adzie ci g ym (proces GA galvannealing), co zwi zane jest z uzyskiwan dob jako ci tych pow ok i ekonomi procesu. Znaczne oszcz dno ci w ca kowitych kosztach wytwarzania gotowego wyrobu mo na uzyska zale nie od wielu z o onych czynników, w tym od zachowania si tej przedgotowo wyko czonej blachy w operacjach przetwórczych [1 4]. We wcze niejszych pracach autora analizowano wp yw topograþ i powierzchni walców na w a ciwo ci wyg adzanych blach [5-8], a tak e kompleksowo badano pow oki cynkowe wytworzone w warunkach przemys owych [9, 10]. Celem artyku u jest przedstawienie wyników bada wp ywu rodzaju topograþ i powierzchni blach przed cynkowaniem na w a ciwo ci pow ok cynkowych. Analizowano chropowato powierzchni blach przed i po cynkowaniu, grubo pow ok cynkowych i ich jako ocenian wizualnie. Badania wykonano z zastosowaniem cienkich blach niskow glowych, które poddano obróbce strumieniowo- ciernej i cynkowaniu ogniowemu. 2. PRZYGOTOWANIE MATERIA U I WYKONANIE OBRÓBKI POWIERZCHNIOWEJ BLACH 2.1. DOBÓR MATERIA U DO BADA Materia em do bada by y blachy metalowe ze stali niskow glowych przeznaczonych do przeróbki plastycznej na zimno w gatunku DC01 o grubo ci 0,8 mm. Blachy przeznaczone do bada mia y form arkuszy, które poci to na pasy o szeroko ci 130 mm, stanowi ce wsad do obróbki powierzchniowej i do dalszych bada. 2.2. OBRÓBKA POWIERZCHNIOWA BLACH Obróbk powierzchniow blach wykonano w piaskarce kabinowej stosuj c jako cierniwa: elektrokorund zwyk y, elektrokorund szlachetny (w obydwu przypadkach uziarnienie 0,18 0,21 mm) i mikrokulki szklane w dwóch zakresach rednic (0,2 mm i 0,4 mm). Takie zestawienie mediów ciernych (ró ne w a ciwo ci Þ zyko-chemiczne, ró na posta oraz granulacja) powinny zapewni uzyskanie ró nej topograþ i powierzchni. 2.3. CYNKOWANIE BLACH Po wykonaniu pomiarów chropowato ci 3D próbki blach o zró nicowanej topograþ i powierzchni (bez obróbki i po obróbce powierzchniowej) zosta y poddane cynkowaniu ogniowemu w warunkach przemys owych. Wszystkie odcinki blach by y cynkowane ogniowo jednocze nie w jednej wannie. Nast pnie wykonano ocen

44 Marek Burdek Prace IM 3 (2014) wizualn pow ok cynkowych, ponowne pomiary chropowato ci 3D oraz pomiary grubo ci pow ok metod grawimetryczn. 3. TOPOGRAFIA POWIERZCHNI BLACH PRZED I PO CYNKOWANIU 3.1. WYZNACZANIE TOPOGRAFII POWIERZCHNI TopograÞ powierzchni blach okre lono na podstawie pomiarów chropowato ci 3D z zastosowaniem urz dzenia Form Talysurf 50 na powierzchni 5 mm 5 mm. W tabelach 1 i 2 zestawiono warto ci wybranych parametrów chropowato ci 3D powierzchni blach bez obróbki, po obróbce strumieniowo- ciernej i po cynkowaniu. Dla ka dego wariantu wykonano po 10 pomiarów chropowato ci 3D wg normy [11]. W celach porównawczych zmierzono chropowato 3D na powierzchni blach od innego dostawcy, oznaczonego jako materia B, przed i po cynkowaniu w wersji bez obróbki powierzchniowej. Stwierdzono, e rodzaj zastosowanego cierniwa wp ywa bezpo rednio na wygl d blach po obróbce powierzchniowej szczególnie widoczne w przypadku zastosowania mikrokulek szklanych oraz na wra enia dotykowe. Przyk adowo, powierzchni blachy po obróbce elektrokorundem okre lono na podstawie oceny dotykowej jako szorstk. Rys. 1. TopograÞa powierzchni blachy bez obróbki powierzchniowej Fig. 1. Surface topography of plate without surface treatment 3.2. TOPOGRAFIA POWIERZCHNI BLACH NIEPOWLEKANYCH W wyniku analizy parametrów chropowato ci zamieszczonych w tabeli 1 stwierdzono, e topograþ e powierzchni materia ów A i B bez obróbki powierzchniowej maj zbli one parametry chropowato ci. Rys. 2. TopograÞa powierzchni blachy po obróbce mikrokulkami szklanymi o rednicy 0,4 mm Fig. 2. Surface topography of plate following treatment with glass beads of 0.4 mm in diameter Tabela 1. Wyniki pomiarów chropowato ci 3D blach niepowlekanych Table 1. Results of 3D roughness measurements of non-coated plates Rodzaj obróbki Sa Ssk Sp Sv Sz Sdq Sdr Vv Spd Spc m - m m m - % mm 3 /mm 2 1/mm² 1/mm bez obróbki materia A 0,95 0,11 5,3 5,5 10,78 0,04 0,09 0,005 24 2,3 bez obróbki materia B 0,87 0,40 5,2 4,7 9,92 0,04 0,08 0,005 20 2,3 Mikrokulki (0,4 mm) 1,68-0,20 12,1 11,2 23,27 0,09 0,37 0,012 27 5,8 Mikrokulki (0,2 mm) 1,82 0,53 22,6 11,1 33,75 0,12 0,72 0,023 37 10,4 Korund szlachetny 1,56 0,05 11,3 8,6 19,89 0,09 0,40 0,011 38 6,4 Korund zwyk y 1,33 0,19 16,8 9,2 25,96 0,09 0,38 0,017 35 8,0 Tabela 2. Wyniki pomiarów chropowato ci 3D blach ocynkowanych Table 2. Results of 3D roughness measurements of zinc-coated plates Rodzaj obróbki Sa Ssk Sp Sv Sz Sdq Sdr Vv Spd Spc m - m m m - % mm 3 /mm 2 1/mm² 1/mm bez obróbki materia A 1,63 0,54 12,8 7,6 20,38 0,05 0,14 0,013 17 4,2 bez obróbki materia B 0,92 0,36 9,0 7,6 16,57 0,04 0,09 0,009 17 2,4 Mikrokulki (0,4 mm) 1,36 0,67 13,4 11,4 24,83 0,06 0,17 0,013 12 4,9 Mikrokulki (0,2 mm) 1,40-0,67 11,6 15,0 26,57 0,06 0,18 0,012 8 3,6 Korund szlachetny 1,88 0,51 14,7 9,9 24,68 0,07 0,24 0,015 19 5,4 Korund zwyk y 1,17-0,69 7,2 12,0 19,15 0,06 0,16 0,007 12 3,4

Wp yw topograþ i powierzchni blach na cechy pow ok cynkowych 45 Obróbka powierzchniowa z zastosowaniem mikrokulek o wi kszej rednicy spowodowa a powstanie topograþ i powierzchni z przewag wg bie nad szczytami (S sk < 0) o niezbyt du ej g sto ci szczytów i stopniu rozwini cia powierzchni. Zastosowanie elektrokorundu zwyk ego w odniesieniu do elektrokorundu szlachetnego spowodowa o powstanie na powierzchni blach wy szych i bardziej ostrych szczytów o porównywalnym stopniu rozwini cia powierzchni i ni szym parametrze S a. Na rys. 1 2 przyk adowo zamieszczono wygl d topograþ i powierzchni przed i po obróbce strumieniowo- ciernej z zastosowaniem mikrokulek szklanych o rednicy 0,4 mm. 3.3. TOPOGRAFIA POWIERZCHNI BLACH OCYNKOWANYCH W wyniku cynkowania uzyskano powierzchnie blach o zró nicowanych parametrach chropowato ci i wygl dzie. Stwierdzono, e najni sz chropowato ci powierzchni S a charakteryzowa a si blacha ocynkowana z materia u porównawczego B. Ocynkowanie blachy z materia u podstawowego A bez obróbki powierzchniowej spowodowa o powstanie topograþ i powierzchni bardziej rozwini tej ni z materia u porównawczego B, o wyra nej przewadze pików nad dolinami. Piki by y bardziej ostre, a ich wysoko ust powa a tylko pikom po obróbce elektrokorundem. Do wysokiej chropowato ci S a, towarzyszy a wysoka falisto powierzchni. TopograÞ a powierzchni blach po obróbce z zastosowaniem mikrokulek szklanych i nast pnie ocynkowanych cechowa a si zbli on chropowato ci S a, zbli onym stopniem rozwini cia powierzchni i najwy sz z badanych falisto ci powierzchni. Równocze nie topograþ a powierzchni po obróbce mikrokulkami o mniejszej rednicy sk ada a si z najmniejszej g sto ci pików o podobnej wysoko ci i ostro ci jak w topograþ i po obróbce mikrokulkami o wi kszej rednicy oraz z wyra nie g bszych dolin, co zdecydowa o o ujemnej sko no ci (S sk ). Zastosowanie do obróbki strumienio- ciernej elektrokorundu spowodowa o powstanie topograþ i powierzchni po cynkowaniu o najwy szym stopniu rozwni cia powierzchni. TopograÞ a po obróbce elektrokorundem szlachetnym charakteryzowa a si najwy sz chropowato ci powierzchni S a, wysokimi ostrymi pikami o najwi kszej g sto ci w ród badanych powierzchni Rys. 4. TopograÞa powierzchni blachy A po obróbce mikrokulkami o rednicy ø 0,4 mm i po cynkowaniu Fig. 4. Surface topography of plate A following treatment with glass beads of ø 0.4 mm in diameter and following zinc plating Rys. 5. TopograÞa powierzchni blachy A po obróbce mikrokulkami o rednicy ø 0,2 mm i po cynkowaniu Fig. 5. Surface topography of plate A following treatment with glass beads of ø 0.2 mm in diameter and following zinc plating i falisto ci zbli on do wariantu z kuleczkowaniem powierzchni mniejszymi mikrokulkami. W topograþ i po obróbce elektrokorundem zwyk ym dominuj wg bienia o warto ciach przekraczaj cych najwy sze piki. Na rys. 3 5 przedstawiono widok przyk adowych topograþ i powierzchni po cynkowaniu powierzchni blachy bez uprzedniej obróbki powierzchniowej i po obróbce mikrokulkami o rednicach 0,4 mm i 0,2 mm. 4. W A CIWO CI POWIERZCHNI BLACH OCYNKOWANYCH 4.1. OCENA WIZUALNA Rys. 3. TopograÞa powierzchni blachy A po cynkowaniu (bez wcze niejszej obróbki powierzchniowej) Fig. 3. Surface topography of plate A following zinc plating (without prior surface treatment) Chropowato S a blach ocynkowanych zawiera a si w przedziale 0,9 < S a < 1,9 m, czyli by a na podobnym poziomie jak blach niepowlekanych. Blachy ocynkowane charakteryzowa y si mniejszym i bardziej zrównowa onym stopniem rozwini cia powierzchni, ni sz g sto ci pików; piki by y ni sze i bardziej zaokr glone, rozrzut ich wysoko ci by mniejszy ni w blachach niepowlekanych, a powierzchnia blachy by a o zbli onym stopniu izotropowo ci.

46 Marek Burdek Prace IM 3 (2014) Na rys. 6 przedstawiono wygl d blach po cynkowaniu. Próbki zestawiono w pary najbardziej do siebie zbli one wizualnie. Jak wida, w zale no ci od rodzaju zastosowanej obróbki powierzchniowej blach niepowlekanych, uzyskano ró ny wygl d pow oki cynkowej. Najwyra niejszy i najwi kszy kwiat cynkowy uzyskano na blachach bez obróbki powierzchniowej (materia podstawowy A i porównawczy B). Wizualnie najgorsz pow ok cynkow posiada y blachy po obróbce mikrokulkami szklanymi o mniejszej rednicy i po obróbce elektrokorundem zwyk ym by y to równocze nie najgrubsze z pow ok cynkowych. dla parametru S p = ok. 5 m uzyskano pow oki z wyra nym kwiatem cynkowym, dla parametru S p = ok. 11 12 m pow oki z ma ym kwiatem cynkowym, dla parametru S p = ok. 17 20 m pow oki bez widocznego kwiatu cynkowego. 4.2. GRUBO POW OKI CYNKOWEJ W celu oceny wp ywu topograþ i powierzchni na w a- ciwo ci pow ok cynkowych wykonano pomiar grubo ci warstwy cynkowej metod grawimetryczn, polegaj c na wyznaczeniu ró nicy mas próbki blachy ocynkowanej przed i po trawieniu kwasem. Na rys. 7 zestawiono rednie warto ci, z dwóch pomiarów ka dy pomiar z innej blachy. Jak wida, w zale no ci od topograþ i powierzchni blach przed cynkowaniem, uzyskano mocno zró nicowane grubo ci warstw cynkowych na badanych próbkach. Najgrubsze warstwy cynku stwierdzono dla materia u po obróbce powierzchniowej z zastosowaniem mikrokulek szklanych o rednicy 0,2 mm i elektrokorundu zwyk ego s to dwukrotnie grubsze warstwy w porównaniu z blach bez obróbki powierzchniowej A. Stwierdzono, e blachy bardziej g adkie sprzyjaj tworzeniu si pow oki cynkowej z wyra nym kwiatem cynku. Podsumowuj c, nale y stwierdzi, e zale nie od topograþ i powierzchni blach wytworzonej w wyniku obróbki strumieniowo- ciernej, uzyskano inny wygl d i grubo pow ok cynkowych (Rys. 6, 7) pomimo, e grubo warstwy cynku (od 45 do 97 m) przekracza a ponad dwukrotnie najwi ksz ró nic mi dzy szczytami a dolinami w topograþ i powierzchni blach niepowlekanych. Rys. 6. Wygl d powierzchni blach po cynkowaniu; topograþe powierzchni blach po obróbce: a) mikrokulkami szklanymi o rednicy ø 0,4 mm, b) elektrokorundem szlachetnym, c) bez obróbki materia podstawowy A, d) bez obróbki materia porównawczy B, e) elektrokorundem zwyk ym, f) kuleczkami szklanymi o rednicy ø 0,2 mm Fig. 6. Surface appearance of plates following zinc plating; surface topographies of plates following treatment with: a) glass beads of ø 0.4 mm in diameter, b) white fused alumina, c) without treatment basic material A, d) without treatment comparative material B, e) brown fused alumina, f) glass beads of ø 0.2 mm in diameter Tak zwany kwiat cynkowy to niekiedy du e, widoczne go ym okiem powierzchniowe kryszta y cynku, daj ce ró ny odblask. Pow oki z wyra nym kwiatem cynku s niekorzystne, m.in. dlatego, e sam cynk jest kruchy, a du e ziarno nasila t niepo dan w a- ciwo. Dlatego producenci wytwarzaj obecnie ma y kwiat cynkowy, gdzie ziarna cynku s go ym okiem niewidoczne, ale warstwa Zn lepiej przyczepna i trwalsza. Z analizy danych (Tabela 1, Rys. 6) wynika, e wygl d pow oki cynkowej jest uzale niony od topograþ i powierzchni blachy przed cynkowaniem, a szczególnie od wysoko ci pików: Rys. 7. Grubo warstwy cynkowej zale nie od topograþi blach niepowlekanych Fig. 7. Thickness of zinc layer depending on topography of non-coated plates 5. PODSUMOWANIE W pracy analizowano wp yw topograþ i powierzchni blach niepowlekanych przed i po obróbce strumieniowo- ciernej z zastosowaniem cierniwa o ró nym kszta cie i wymiarach na w a ciwo ci pow ok cynkowych. Zastosowana obróbka strumieniowo- cierna spowodowa a wytworzenie topograþ i powierzchni blach o zró nicowanych parametrach chropowato ci. W wyniku cynkowania ogniowego w warunkach przemys owych uzyskano blachy z obustronn pow ok cynku. Blachy ocynkowane w odniesieniu do blach niepowlekanych charakteryzowa y si mniejszym i bardziej zrównowa- onym stopniem rozwini cia powierzchni, ni sz g -

Wp yw topograþ i powierzchni blach na cechy pow ok cynkowych 47 sto ci pików; piki by y ni sze i bardziej zaokr glone, rozrzut ich wysoko ci by mniejszy ni w blachach niepowlekanych, a powierzchnia blachy by a o zbli onym stopniu izotropowo ci. W zale no ci od rodzaju zastosowanej obróbki powierzchniowej blach niepowlekanych, uzyskano ró ny wygl d pow oki cynkowej. Najwyra niejszy i najwi kszy kwiat cynkowy uzyskano na blachach bez obróbki powierzchniowej. Wizualnie najgorsz pow ok cynkow posiada y blachy po obróbce mikrokulkami szklanymi o mniejszej rednicy i po obróbce elektrokorundem zwyk ym by y to równocze nie najgrubsze z pow ok cynkowych. Z analizy danych wynika, e wygl d pow oki cynkowej jest uzale niony od topograþ i powierzchni blachy przed cynkowaniem, a szczególnie od wysoko ci pików. Stwierdzono, e blachy bardziej g adkie sprzyjaj tworzeniu si pow oki cynkowej z wyra nym kwiatem cynku. Podsumowuj c, nale y stwierdzi, e zale nie od topograþ i powierzchni blach wytworzonej w wyniku obróbki strumieniowo- ciernej, uzyskano inny wygl d i grubo pow ok cynkowych pomimo, e grubo warstwy cynku przekracza a ponad dwukrotnie najwi ksz ró nic mi dzy szczytami a dolinami w topograþ i powierzchni blach niepowlekanych. LITERATURA 1. Wichern CM, De Cooman BC, Van Tyne CJ.: Surface roughness of a hot-dipped galvanized sheet steel as a function of deformation mode, Journal of Materials Processing Technology 160, 2005, s. 278 288 2. Fasoyinut F.A., Weinberg F.: The surface topography of sheet steel galvanized coatings, Canadian Metallurgical Quarterly, 32, 1993, No. 2, s. 185-192 3. Tobiyama Y., Abotani K.: Hot-dip galvanized steel sheet with excellent surface quality for automotive outer panels, JFE Technical Report, 2004, No. 4, s. 55-60 4. Hong M.-H., Tark H.-J., Park J.-S., Paik D.-J.: Improvement of surface texture on the hot dip galvanized and galvannealed steel sheets, La Metallurgia Italiana, 2012, nr 6, s. 9-13 5. Burdek M., Oddzia ywanie topograþ i powierzchni walców roboczych na topograþ powierzchni wyg adzanych blach stalowych, Prace IM, 2007, 4, s. 27-32 6. Burdek M., Sikorski C.: The inß uence of the surface topography on physical and technological properties of low carbon steel sheets, Steel Research Int., SE; 2008, 79, v. 2, s. 36-41 7. Burdek M.: Wp yw topograþ i powierzchni na w a ciwo ci technologiczne metalowych wyrobów p askich, Prace IM, 2010, t. 1, s. 244-249 8. Burdek M., Miczka M.: Inß uence analysis of 3D roughness parameters on physical and technological properties of steel sheets, Steel Reaserch Int., 2010, V. 81, No. 9, s. 710-712 9. Marcisz J, Koszuta W, Burdek M., Kubiczek M.: Mikrostruktura i wybrane w a ciwo ci pow ok cynkowych oraz pow ok typu galvanealing na blachach stalowych. Materia y XXXIV Szko y In ynierii Materia owej, Krynica 26-29.09.2006, s. 493-500 10. Burdek M., Kubiczek M., Marcisz J.: Metody bada topogra- Þ i powierzchni, sk adu chemicznego i mikrostruktury pow ok cynkowych na wyrobach stalowych, In ynieria powierzchni, 2007, 2, s. 66-68 11. PN-EN ISO 25178-2:2012 SpecyÞ kacje geometrii wyrobów (GPS). Struktura geometryczna powierzchni: Przestrzenna. Cz 2: Terminy, deþ nicje i parametry struktury geometrycznej powierzchni