Home    |    Contact us    |    Features     |    Links       

การชุบเคลือบสังกะสีแบบจุ่มร้อน (Hot dip galvanizing)

สรุปและเรียบเรียงโดย คณาจารย์และนิสิต ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

1.บทนำ

เหล็กและเหล็กกล้าเกิดสนิมได้ง่ายหากเราวางทิ้งไว้ในอากาศปกติทั่วไป เนื่องจากเกิดการทำปฏิกิริยาระหว่างออกซิเจนและไอน้ำกับเนื้อเหล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งคลอไรด์ (chloride) ซึ่งมีฤทธิ์กัดกร่อนเหล็กได้ดี เกิดเป็นสนิมออกไซด์ของเหล็ก ดังนั้นการเคลือบผิวเหล็กจึงเป็นวิธีหนึ่งที่ใช้ในการป้องกันการเกิดสนิม สังกะสีเป็นที่นิยมนำมาใช้เป็นสารเคลือบ เพราะในอนุกรมกัลวานิกสังกะสีเป็นโลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าเหล็กจึงเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ง่ายกว่า ถ้าทำการเคลือบชิ้นงานด้วยสีแล้วสีเคลือบเกิดการหลุดลอก ชั้นเหล็กจะถูกกัดกร่อนได้ง่ายกว่าชิ้นงานที่เคลือบด้วยสังกะสี ซึ่งลักษณะการใช้โลหะที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำเกิดปฏิกิริยากัดกร่อนแทนโลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าสูงเรียกว่า การป้องกันแบบแคโทดิก (cathodic protection)

เหล็กที่ได้จากการชุบเคลือบสังกะสีเรียกว่า เหล็กกล้าชุบเคลือบสังกะสี (galvanized steel)โดยปัจจุบันกระบวนการเคลือบสังกะสีได้ถูกนำมาใช้ในวงการอุตสาหกรรมเช่น อุตสาหกรรมชิ้นส่วนรถยนต์ อุตสาหกรรมก่อสร้าง หรืออุตสาหกรรมชิ้นส่วนอุปกรณ์ไฟฟ้า การชุบเคลือบสังกะสีมีด้วยกันหลายวิธี หนึ่งในนั้นคือการชุบเคลือบสังกะสีแบบจุ่มร้อน( hot dip galvanizing) ซึ่งมีการใช้งานมามากกว่า 200 ปี ถูกนำออกเผยแพร่ครั้งแรกในปี ค.ศ. 1742 โดยนักเคมีชาวฝรั่งเศส  P.J.Malouin [neutron.rmutphysics,2012] โดยขั้นตอนวิธีการชุบเคลือบสังกะสีแบบจุ่มร้อนมีดังนี้

รูปที่1 ลำดับขั้นตอนการชุบเคลือบสังกะสีแบบจุ่มร้อน [mtec.or.th, 2012]

 

1. การกำจัดสิ่งสกปรก (Soil and grease removal – caustic cleaning) โดยใช้สารละลายด่าง

2. การล้างด้วยน้ำ (Rinsing) ใช้น้ำสะอาดล้างชิ้นงานที่ผ่านการแช่สารละลายด่าง และสารละลายกรดเพื่อกำจัดสภาพด่างและกรดออกจากผิวชิ้นงาน

3. การกัดด้วยกรด (Pickling) ใช้สารละลายกรด เช่น กรดซัลฟิวริก กรดไฮโดรคลอริก ทำความสะอาดผิวโลหะ เพื่อกำจัดฟิล์มออกไซด์และสิ่งปนเปื้อนผิวโลหะออกไป

4. การแช่น้ำยาประสาน (Fluxing) นำชิ้นงานเหล็กมาแช่ในน้ำยาประสาน (สารละลายซิงค์แอมโมเนียมคลอไรด์ – zinc ammonium chloride solution) เพื่อปรับความตึงผิวของเหล็กให้มีความเหมาะสมกับการเคลือบด้วยสังกะสีหลอมเหลว

5. การชุบเคลือบสังกะสี (Galvanizing) นำชิ้นงานที่จะชุบเคลือบไปแช่ในอ่างสังกะสีหลอมเหลว (อุณหภูมิประมาณ 435 – 455 ๐C) เป็นระยะเวลาประมาณ 3-6 นาที (ความหนาของชั้นสังกะสีจะขึ้นอยู่กับระยะเวลาที่ใช้ในการจุ่มแช่ ส่วนผสมทางเคมีของอ่างโลหะสังกะสี และสิ่งเจือปนที่อยู่ในเนื้อเหล็ก) [บริษัท ผาแดงอินดัสทรี จำกัด (มหาชน), 2012]

6.การตกแต่งสำเร็จ (Finishing) เหล็กที่ชุบเคลือบสังกะสีเสร็จแล้ว จะถูกนำมากำจัดเอาสังกะสีส่วนเกินออกโดยใช้วิธีการเขย่า (vibrating) หรือการล้าง (draining) หรือการหมุนเหวี่ยง (centrifuging) จากนั้นลดอุณหภูมิชิ้นงานโดยนำไปเป่าลมเย็น หรือนำไปชุบของเหลว (quenching)

7.การตรวจสอบ (Inspection) ชิ้นงานที่เคลือบสังกะสีแล้วจะถูกส่งมาตรวจสอบความหนาของชั้นเคลือบ[thaitechno, 2012]

2.โครงสร้างในชิ้นงานที่ผ่านกระบวนการ galvanizing

          จากรูปที่2 Phase diagram ของ Fe-Zn ระหว่างกระบวนการ galvanizing จากการทดลองของ[Marder, 2000] พบว่าจะเกิดการฟอร์มเฟสขึ้นมาทำให้ได้ชั้นเคลือบที่แตกต่างกัน ได้แก่ zeta (ζ), delta (δ), gamma11) และ gamma (Γ)


รูปที่2 Phase diagram Fe-Zn [Marder, 2000]

1) Zeta (ζ) phase หรือ FeZn13 มีส่วนผสมทางเคมีของเหล็กอยู่ในช่วง 5-6 wt % เกิดจากการฟอร์มตัวโดยปฎิกิริยา peritectic ระหว่าง delta phase และ liquid zinc ที่อุณหภูมิ 530◦C ซึ่งเฟส zeta นี้จะอยู่ระหว่างชั้นของเฟสของ eta (η) หรือเป็นชั้นที่เป็น Zn-rich เฟสของ delta โดยที่เฟส Zeta จะมีโครงสร้างเป็น monoclinic

 

          2) Delta (δ) phase หรือ FeZn10 มีส่วนผสมทางเคมีของเหล็กอยู่ในช่วง 7-11.5 wt % ฟอร์มตัวโดยปฎิกิริยา peritectic จาก Gamma phase + Liquid zinc ที่อุณหภูมิ 665 องศาเซลเซียส ได้เป็น Delta phase จะมีโครงสร้างเป็น hexagonalถูกพบอยู่ระหว่างชั้นของ Zeta phase กับ Gamma phase

 

 

          3) Gamma11) phase หรือ Fe5Zn21 มีส่วนผสมทางเคมีของเหล็กอยู่ในช่วง 17-19.5 wt %  ที่อุณหภูมิ 450◦C และมีโครงสร้างเป็น face centered cubic (FCC) ฟอร์มตัวโดยปฎิกิริยา peritectoid ระหว่าง Gamma phase(ของเเข็ง1) + Delta phase(ของเเข็ง2) ที่อุณหภูมิ 550 องศาเซลเซียส ได้เป็น Gamma1 phase (ของเเข็ง3) และสามารถเกิดเฟสนี้ได้โดยการให้ความร้อนที่อุณหภูมิไม่สูงมากเป็นเวลานาน  จาก Table 1. พบว่า Gamma1 phase จะมีความแข็งสูงสุด

 

         4) Gamma (Γ) phase หรือ Fe3Zn10 มีส่วนผสมทางเคมีของเหล็กอยู่ในช่วง 23.5-28 wt % ที่อุณหภูมิ 450◦C มีโครงสร้างเป็น body centered cubic  (BCC) ฟอร์มตัวโดยปฎิกิริยา peritectic ระหว่าง α iron + Liquid zinc ที่อุณหภูมิ 782 องศาเซลเซียส ได้เป็น Gamma phase

 

          ดังนั้นเมื่อนำไปส่องดู cross section ของเฟสเหล่านี้จะพบว่าเฟสต่างๆจะเรียงลำดับดังนี้ α iron, Gamma phase, Gamma1 phase, Delta phase, Zeta phase และ Eta phase ตามลำดับ โดยจะพบว่าลำดับในการเกิดของชั้นเฟสต่างๆนั้น ชั้นเฟสของ zeta จะเกิดขึ้นมาก่อนในเวลาแค่ไม่กี่วินาทีหลังจากการเริ่มชุบ จากนั้นจะเกิดเฟส delta ตามมา โดยจะมีโครงสร้างเกรนแบบ columnar เนื่องจากการโตมีทิศทางตั้งฉากกับระนาบ  (0001) basal plane ในโครงสร้าง hexagonal  หากยิ่งชุบนานก็จะทำให้ชั้นของ Zeta แยกเป็น Zeta1 และ Zeta2 เนื่องจากเกิดการ cracks จาก basal plane ของเฟส deta และจะโตเข้าไปในเฟสของ zeta ทำให้ zeta มีสองชั้น ขึ้นอยู่กับ supersaturation ของเหล็กในสังกะสีหลอมเหลว โดยชั้น zeta ที่อยู่ติดกับชั้น delta จะโตต่อในโครงสร้างเกรนแบบ  columnar มากกว่าที่จะโตในรูปผลึกใหม่ของ zeta นอกจากจะมีเหล็กอิ่มตัวในสังกะสีที่เพียงพอในการเกิดนิวเคลียสของผลึก zetaใหม่ ซึ่งเฟส zeta และเฟส delta นี้จะเกิดขึ้นในขณะทำการชุบได้ 5 วินาที จาก (Metallurgical and Materials Transactions, 1986) พบว่าการแพร่ของ Zn เข้าไปยัง α-Fe ทำให้เกิดชั้นเฟสของ Gamma ซึ่งจะเกิดขึ้นหลังจากชุบนาน 30 วินาที ซึ่งสามารถดูได้จากภาพตัดขวางจาก SEM รูปที่3a  

a)

b)

รูปที่3 a) Microstructure ของ Zn coating หลังทำการชุบ 300 s ที่อุณหภูมิ 450C, 0.00 wt% ใน Al bath บน ULC steel substrate. (1) gamma  phase, (2) delta phase (3) zeta phase.  b) ภาพจำลองที่แสดงให้เห็นถึงชั้นเฟสของ Fe-Zn โดย t0 คือเวลาเริ่มชุบ และ t1234 [Marder, 2000]

          โดยชั้นความหนาที่เกิดขึ้นก็จะขึ้นอยู่กับเวลาในการชุบ หากใช้เวลาในการชุบนานชั้นความหนาก็จะเพิ่มขึ้น จากกราฟรูปที่4 เป็นการแสดงให้เห็นถึงชั้นความหนาที่เกิดขึ้นของแต่ละเฟสระหว่างการชุบที่ช่วงเวลาต่างๆ

รูปที่4 กราฟแสดงความหนาของชั้นเฟส gamma (Γ) phase, delta (δ) phase, และ zeta (ζ) phase layer ตามเวลาในการชุบที่เปลี่ยนไปด้วย ULC steel substrate ที่อุณหภูมิ 450C ใน 0.00 wt% Al±Zn bath [Marder, 2000]

ค่าความแข็งในแต่ละชั้นของเฟสต่างๆหลังจากทำกระบวนการ Hot-dip แสดงไว้ในตารางที่1


ตารางที่1 แสดงตารางของการทดสอบค่าความแข็งในแต่ละชั้นของเฟสต่างๆหลังจากทำกระบวนการ Hot-dip  โดยใช้ค่าความแข็งเป็น Vicker Hardness [Marder, 2000]

3.การปรับปรุงชั้นเคลือบ         

 

          จากการนำโลหะเคลือบสังกะสีไปใช้งานที่สภาพแวดล้อมต่างๆนั้น มักจะพบปัญหาอันเกิดจากชั้นของ zeta phase เนื่องจากชั้นของ zeta phase นั้นมีสมบัติทางกลที่ไม่ดี ทั้งยังมีความเปราะสูงรวมถึงมีความสามารถในการยึดเกาะที่ไม่ดี ทำให้เกิดความเสียหายในส่วนนั้นได้เมื่อนำไปใช้งาน จึงได้มีวิธีการปรับปรุงโครงสร้างของชั้นเคลือบสังกะสีให้ดีขึ้น โดยการสร้างชั้น Inhibition layer ซึ่งเป็นวิธีหนึ่งที่ช่วยแก้ปัญหาในการเกิดชั้น zeta phase โดยชั้นของ Inhibition layer ที่เกิดขึ้นระหว่างตัวของเนื้อเหล็กและชั้นของ Zn rich phase นั้นจะทำหน้าที่ยับยั้งไม่ให้อะตอมของเหล็กและสังกะสีแพร่มารวมตัวกันเป็นชั้นของ zeta phase และชั้นที่เกิดขึ้นมาใหม่นี้ยังสามารถยึดเกาะกันได้ดีกว่าชั้นของ zeta phase อีกด้วย [Song, 2012] ในกระบวนการผลิตนั้นการสร้างชั้น Inhibition layer สามารถทำใด้โดยเติมธาตุที่ส่งผลให้เกิดเป็นชั้น Inhibition layer ลงไปในกระบวนการชุบสังกะสี ซึ่งได้แก่การเติมอลูมิเนียมลงไปทำให้เกิดชั้นของ Fe-Al หรือ Fe-Al-Zn หรือการเติมไทเทเนียมก็มีส่วนช่วยในการเกิดชั้นของ Inhibition layer ด้วยเช่นกัน [Culcasi, 1999]

           ในกระบวนการชุบสังกะสีนั้นประเภทของฟลักซ์ที่ใช้ก็มีความสำคัญเช่นกัน เพราะการใช้ฟลักซ์ประเภท NiCl2 จะมีส่วนช่วยในการปรับปรุงโครงสร้างชั้นเคลือบสังกะสี ซึ่งถือว่าเป็นอีกวิธีหนึ่งที่ช่วยให้ชั้นของ zeta phase ที่เกิดขึ้นมีขนาดความหนาที่ลดลง และสามารถยับยั้งการจัดเรียงตัวของชั้น zeta phase ได้เพราะฟลักซ์ชนิดนี้จะทำให้ปริมาณของสังกะสีที่จะไปทำปฏิกิริยามีปริมาณลดลง และเกิดเป็นสารประกอบ ZnCl2 แทน ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ลดความหนาของชั้น zeta phase ที่จะเกิดขึ้นได้ [Boonyongmaneerat, 2010] นอกจากนี้ตัวของ Ni เองยังช่วยทำให้ขนาดของผลึกของชั้น zeta phase ที่เกิดขึ้นมีลักษณะเป็นผลึกขนาดเล็กละเอียดแทนการเกิดเป็นผลึกแบบ Columnar ซึ่งจะช่วยปรับปรุงสมบัติทางกลให้ดีขึ้นได้อีกด้วย [Pistofidis, 2006]