Гнуття, зварювання, цинкування -
процеси обробки сталевого листа
Шлях від листа до готового виробу зазвичай проходить через чотири групи операцій: різання, холодне формування, з'єднання та антикорозійний захист. Кожна з них висуває до матеріалу інші вимоги, і частина з них суперечить одна одній. Сталь, що легко формується, має нижчу міцність. Сталь з низьким вуглецевим еквівалентом легше зварюється, але її склад часто обмежують інші вимоги. Вміст кремнію, сприятливий для механічних властивостей, може подвоїти товщину покриття при гарячому цинкуванні зануренням і змінити його вигляд.
Тому вибір матеріалу під процес полягає у визначенні, які з цих вимог є жорсткими, а які можна обійти зміною послідовності операцій.
Гнуття і холодне формування
Під час гнуття зовнішній шар матеріалу розтягується, а внутрішній стискається. Чим менший радіус гнуття відносно товщини, тим більша деформація зовнішнього шару і тим вищий ризик тріщини. Виробники вказують мінімальні радіуси як кратні товщини, наприклад для листа з цинково-магнієвим покриттям рекомендація становить щонайменше подвійну товщину матеріалу.
У цеховій практиці мають значення ще три явища.
Напрямок гнуття відносно напрямку прокатки. Прокатаний матеріал має структуру з видовженими зернами, що робить його менш податливим до деформації в одному з напрямків. Розташування лінії гнуття поперек напрямку прокатки зменшує ризик тріщини на зовнішньому радіусі.
Пружинення. Після зняття навантаження матеріал частково повертається до початкової форми. Чим вища межа текучості, тим більше пружинення за того самого радіуса і тієї самої товщини. Перехід на гатунок вищої міцності без коригування інструменту призводить до відхилення кута гнуття.
Деформаційне старіння. Це найменш очевидне явище, яке найчастіше стає несподіванкою. Атоми вуглецю та азоту, присутні у твердому розчині заліза, з часом мігрують до дислокацій і блокують їх, що відновлює верхню межу текучості. Наслідком є смуги Людерса, тобто видимі смуги на поверхні штампованої деталі. Азот має тут більше значення, ніж вуглець.
Від цього матеріал захищають дресируванням або правленням з розтягуванням. Деформація щонайменше 0,5 відсотка усуває верхню межу текучості, а видовження в межах 1,25-2,0 відсотка забезпечує близько шести місяців стійкості до смуг Людерса. Цей час помітно скорочується, коли матеріал обробляють за температури понад 38 градусів Цельсія, за якої твердість може зрости приблизно на 10 одиниць за шкалою Роквелла B протягом двох тижнів. Звідси рекомендація використовувати матеріал для штампування протягом приблизно шести місяців від поставки. Повністю явище усувають сталі з наднизьким вмістом вуглецю, а обмежують добавки алюмінію, титану, ніобію або бору, що зв'язують вуглець і азот.
Дугове та контактне зварювання
Зварюваність низьковуглецевих сталей оцінюють за вуглецевим еквівалентом, що описує сукупний вплив вуглецю та легувальних елементів на загартовуваність. Стандарт EN 10025-2 визначає його максимальні значення для окремих гатунків, а фактичне значення для партії наводить сертифікат приймального контролю 3.1 за EN 10204.
Однак самого еквівалента недостатньо для планування технології. EN 1011-2 ставить температуру попереднього підігріву в залежність від чотирьох параметрів одночасно: вуглецевого еквівалента, сумарної товщини з'єднання, вмісту дифузійного водню в наплавленому металі та погонної енергії зварювання. Заміна зварювального матеріалу на варіант з низьким вмістом водню може знизити потрібну температуру підігріву або повністю її усунути за того самого основного металу.
Тонкі листи висувають додаткові вимоги. Надмірне тепловкладення призводить до пропалів і деформацій, а зварювальні деформації в елементах великої площі буває складніше опанувати, ніж саму якість шва. Звідси перевага методів з контрольованою погонною енергією та контактного зварювання в серійному виробництві.
Зварювання оцинкованих елементів
Окремим питанням є зварювання матеріалу, вже покритого цинком. Кожен шов, виконаний на оцинкованій поверхні, руйнує покриття в місці шва і пошкоджує його в прилеглій зоні. Рекомендація галузевих інститутів однозначна: покриття слід видалити на відстані приблизно від 25 до 100 мм з обох боків запланованого шва, найефективніше шліфуванням, а після зварювання відновити захист покриттям з високим вмістом цинку.
Однак відновлене покриття не має металургійного зв'язку з основою, який дає гаряче цинкування зануренням, тому його довговічність нижча. Це головний аргумент на користь того, щоб зварювання передувало цинкуванню, а не навпаки.
До цього додаються вимоги безпеки. Цинк випаровується за температури дуги й окиснюється на повітрі до оксиду цинку, утворюючи дим. Вплив цього диму спричиняє металеву лихоманку, нездужання з грипоподібними симптомами, що зазвичай з'являються через кілька годин після впливу і минають протягом однієї-двох діб. Граничні рівні впливу, прийняті у США, становлять 5 мг/м3 як середньозважене значення за восьмигодинну зміну і 10 мг/м3 як короткочасне значення. Практичні рекомендації охоплюють місцеву витяжку біля дуги, загальну вентиляцію, утримання голови поза потоком диму, а за недостатніх технічних заходів захист органів дихання.
Гаряче цинкування зануренням
Процес полягає в зануренні готового елемента у ванну з розплавленим цинком температурою близько 443 градусів Цельсія. Ванна містить понад 98 відсотків чистого цинку з добавками, що не перевищують 2 відсотки і покращують плинність та вигляд покриття.
Вимоги до товщини покриття визначає EN ISO 1461 залежно від товщини сталевого елемента.
| Товщина сталі | Мін. місцева товщина | Мін. середня товщина |
|---|---|---|
| понад 6 мм | 70 µm (505 g/m2) | 85 µm (610 g/m2) |
| понад 3 до 6 мм | 55 µm (395 g/m2) | 70 µm (505 g/m2) |
| від 1,5 до менш ніж 3 мм | 45 µm (325 g/m2) | 55 µm (395 g/m2) |
| менше 1,5 мм | 35 µm (250 g/m2) | 45 µm (325 g/m2) |
Сама ванна не змінює механічних властивостей сталі: межа міцності при розтягуванні, межа текучості, властивості при гнутті та ударна в'язкість залишаються незмінними. Вона може, однак, спричиняти деформації асиметричних і тонкостінних елементів, що потрібно враховувати вже на етапі проєктування.
Стандарт висуває також конструктивні вимоги. Елемент повинен мати достатню кількість отворів відповідного розміру, що забезпечують безпечне відведення повітря та стікання цинку. Невентильовані замкнені порожнини не можна цинкувати, оскільки це загрожує вибухом. Галузеві настанови рекомендують отвори діаметром щонайменше 12 мм, розташовані по діагоналі, якомога ближче до стінки елемента, щонайменше по два отвори на кожному закритому кінці. Подробиці конструктивних рішень містить EN ISO 14713-2.
Склад сталі та вигляд покриття
Товщина та вигляд покриття залежать не лише від процесу, а передусім від складу сталі, особливо від вмісту кремнію та фосфору. Це явище, відоме як ефект Санделіна, буває джерелом непорозумінь між замовником і цинкувальним підприємством.
| Вміст кремнію | Ефект |
|---|---|
| менше 0,03-0,04 відсотка, сталь, розкиснена алюмінієм | тонші покриття, близько 50-65 µm, світлі та блискучі, з часом матовіють |
| близько 0,04-0,06 відсотка, зона піку реактивності | товсті, матово-сірі покриття з гіршою естетикою |
| близько 0,15-0,25 відсотка, сталь, розкиснена кремнієм | товсті покриття, близько 120-300 µm, матово-сірі, але передбачувані |
Фосфор діє подібно: вміст понад 0,02 відсотка може давати надмірно товсте, крихке покриття, схильне до відшаровування. Галузеві настанови вказують як безпечні діапазони вміст кремнію нижче 0,04 відсотка або в межах 0,15-0,22 відсотка, оминаючи проміжну зону.
Практичний висновок для замовника важливий: якщо виріб має цинкуватися зануренням і має значення його вигляд, хімічний склад сталі потрібно узгодити до закупівлі матеріалу, а не перед зануренням у ванну. Матово-сіре товсте покриття на сталі з невдалим вмістом кремнію не є дефектом виконання, а наслідком матеріалу.
Фарбування та дуплекс-системи
Підготовку поверхні перед фарбуванням описує ISO 8501-1, визначаючи ступені очищення: Sa 1 видаляє слабко зчеплені забруднення, Sa 2 більшу частину окалини та іржі, Sa 2,5 залишає лише легкі знебарвлення у вигляді плям або смуг, а Sa 3 дає однорідний металевий вигляд. Ручне та механізоване очищення позначають символами St 2 і St 3.
Дуплекс-система, тобто лакофарбове покриття, нанесене на цинк, вимагає окремої підготовки оцинкованої поверхні. Визнані методи охоплюють застосування розчину фосфату цинку з додаванням солей міді, травильні ґрунтовки для вивітрених покриттів, легку абразивоструминну обробку (sweep blasting) під тиском не більше приблизно 2,7 бара, а також природне вивітрювання покриття щонайменше шість місяців з подальшим механічним очищенням. У всіх випадках поверхню потрібно попередньо очистити від оливи, мастила та забруднень, а фарба має бути призначена для застосування на оцинкованій сталі.
Послідовність операцій
З усіх наведених залежностей випливає одне впорядковувальне правило: уся механічна обробка і зварювання повинні передувати цинкуванню.
Різання, гнуття, свердління та зварювання оцинкованого елемента руйнує покриття саме там, де воно найбільш потрібне, тобто у швах і на кромках. Відновлення його фарбою дає слабший захист, ніж металургійне покриття. Цинкування, виконане наприкінці, охоплює всю поверхню готового елемента, включно з кромками, отворами та швами.
Винятком є конструкції з листа з безперервним покриттям, у яких покриття наносять на стрічку до формування. Там послідовність за визначенням зворотна, а захист різаних кромок ґрунтується на катодній дії цинку, ефективній передусім у тонкому матеріалі.
Під час планування виробництва варто визначати цю послідовність разом з вибором матеріалу, оскільки вимоги окремих процесів можуть вказувати на різні гатунки.
Доступні гатунки сталі, види покриттів та формати рулонів, поздовжньо різаної стрічки і листів подає пропозиція сталевого листа HEN-STOL, з окремими сторінками про оцинкований лист, холоднокатаний лист і гарячекатаний лист.
Перевірте, як ми можемо допомогти
HEN-STOL допомагає підібрати матеріал з одночасним урахуванням вимог формування, зварювання та антикорозійного захисту. Надішліть специфікацію та опис процесу, і ми перевіримо доступність та запропонуємо найвигідніший варіант.
Найчастіші запитання
Який мінімальний радіус гнуття листа?
Його вказують як кратне товщини матеріалу, і він залежить від гатунку та від напрямку гнуття відносно напрямку прокатки. Для листів з цинково-магнієвим покриттям виробник рекомендує радіус щонайменше вдвічі більший за товщину. Дані для конкретного гатунку наведено в паспорті матеріалу.
Чому на штампованій деталі з'являються смуги?
Це смуги Людерса, наслідок деформаційного старіння. Вуглець і азот з часом мігрують до дислокацій і блокують їх, відновлюючи верхню межу текучості. Запобігають цьому дресирування або правлення з розтягуванням, а також використання матеріалу в розумний строк після поставки.
Чи можна зварювати вже оцинкований елемент?
Технічно так, але покриття слід видалити на відстані від 25 до 100 мм з обох боків шва і відновити після зварювання покриттям з високим вмістом цинку. Відновлений захист менш довговічний, ніж металургійне покриття, тому перевагу надають цинкуванню після завершення зварювання.
Яка потрібна товщина цинкового покриття?
За EN ISO 1461 вона залежить від товщини елемента: для сталі понад 6 мм середня товщина становить щонайменше 85 µm, для 3-6 мм 70 µm, для 1,5-3 мм 55 µm, а менше 1,5 мм 45 µm.
Чому покриття після цинкування буває сірим і матовим?
Найчастіше через вміст кремнію в сталі. У зоні піку реактивності покриття надмірно наростає і втрачає блиск. Це наслідок хімічного складу матеріалу, а не дефект виконання покриття.
У якій послідовності виконувати обробку і цинкування?
Спочатку різання, гнуття, свердління і зварювання, наприкінці цинкування. Це вимагає передбачити отвори для відведення повітря та стікання цинку в остаточній геометрії елемента.
Джерела
- EN ISO 1461, Цинкові покриття, нанесені методом гарячого занурення на вироби зі сталі та чавуну
- EN 1011-2, Зварювання - рекомендації щодо зварювання металевих матеріалів, дугове зварювання феритних сталей
- ISO 8501-1, Підготовка сталевих поверхонь перед нанесенням фарб
- GalvInfo Center, GalvInfoNote 2.8.1, Strain Ageing in Galvanized Low Carbon Steel Sheet
- American Galvanizers Association, Silicon Content of Steel та Can You Weld Galvanized Steel
- Galvanizers Association, настанови щодо технологічних отворів і фарбування оцинкованої сталі
- American Welding Society, Safety and Health Fact Sheet No. 25, Metal Fume Fever