ReadyPlanet.com
Zinc – Nickel Galvanizing

 Zinc – Nickel Galvanizing

 
โดยทั่วไป ผู้ชุบต้องปรับสภาวะกระบวนการชุบให้เหมาะสมกับชิ้นงานแต่ละประเภท เพื่อให้ได้ผิวชุบที่มีคุณภาพ โดยค่าใช้จ่ายในการชุบต้องสามารถแข่งขันได้ แต่ปัญหาส่วนมากผู้ชุบมักไม่ทราบข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติของชิ้นงาน โดยเฉพาะปริมาณซิลิกอนในเหล็กที่นำมาชุบ หากอยู่ในช่วงที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้เกิดปัญหาในการชุบต่างๆ ตามมาได้ เช่น ผิวชุบด้าน ผิวชุบแตกร่อน ผิวชุบหนาเกินไป ดังนั้นจึงต้องหาทางแก้ไขปัญหาเหล่านี้
การแก้ปัญหาเกี่ยวกับปริมาณซิลิกอนที่เหมาะสม อาจทำได้โดยการเลือกเหล็กที่มีปริมาณซิลิกอนอยู่ในช่วงที่เหมาะสมมาชุบ หรือหากรู้ว่ามีปริมาณซิลิกอนอยู่ในช่วงที่จะทำให้ผิวชุบหนา ก็อาจลดอุณหภูมิ หรือระยะเวลาในการชุบ แต่โดยทั่วไปมักไม่สามารถระบุหรือทราบปริมาณซิลิกอนของเหล็กที่นำมาชุบ ฉะนั้นวิธีที่จะช่วยลดปัญหาดังกล่าวได้ คือการเติมอัลลอยบางชนิดลงไปในสังกะสี 
การใช้ Zinc-Nickel galvanizing เป็นวิธีที่เหมาะสมและมีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาซิลิกอนในเหล็กสำหรับการชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน ซึ่งจะได้ผลที่ดีมากหากค่าซิลิกอนไม่เกิน 0.25% (สำหรับเหล็กที่มีค่าซิลิกอนมากกว่า 0.25% จะให้ผลไม่ดีเท่า) เหล็กที่มีซิลิกอนสูงจะทำให้อัตราการเกิดชั้นโลหะผสมสูงกว่าในสภาวะการชุบเดียวกัน ทำให้ผิวชุบหนา การยึดเกาะไม่ดีและมีสีหมองคล้ำ
ผิวชุบที่ได้จาก Zinc-Nickel galvanizing จะเรียบ มีความสว่างสดใส ไม่หมองหรือเป็นลายเหมือนการชุบแบบปกติ และลดความหนาผิวชุบซึ่งเป็นการประหยัดสังกะสีในการชุบ
 
ปัญหา Reactive Steel
ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณซิลิกอนในเหล็กกับความหนาผิวชุบ ดังรูปที่  1 แสดงให้เห็นผลของซิลิกอนต่อความหนาผิวชุบที่สภาวะการชุบปกติ จะเห็นว่าความหนาผิวชุบเพิ่มเมื่อมีปริมาณซิลิกอนมากกว่า 0.05% จนถึงจุดสูงสุดที่ปริมาณซิลิกอนประมาณ 0.1% (Sandelin peak) จากนั้นความหนาจะลดลงเล็กน้อย แล้วจึงเพิ่มขึ้นอีกครั้ง จนถึงจุดสูงสุดที่ปริมาณซิลิกอนประมาณ 0.4% นอกจากนี้ส่วนประกอบอื่นๆ ในเหล็ก โดยเฉพาะฟอสฟอรัสก็มีผลต่อความหนาผิวชุบเช่นกัน
 
รูปที่ 1: ผลของปริมาณซิลิกอนในเหล็กต่อความหนาผิวชุบสังกะสี
 
ผลของซิลิกอนต่อผิวชุบแบบ Microstructure ภายใต้สภาวะการชุบปกติ ดังรูปที่ 2 ปริมาณซิลิกอนที่สูงทำให้ผิวชุบหนาเกินไป การยึดเกาะของผิวชุบไม่ดี และผิวชุบมีสีหมองคล้ำ ดังรูปที่ 3 นอกจากนี้ยังทำให้เกิดดรอส และสิ้นเปลืองสังกะสีมาก ช่วงของซิลิกอนที่ทำให้เกิดปัญหามักเป็นช่วงที่พบในการผลิตเหล็กหล่อแบบต่อเนื่องซึ่งปัจจุบันนำมาผลิตเหล็กโครงสร้างเป็นส่วนใหญ่ ดังนั้นปริมาณซิลิกอนในเหล็กจึงเป็นปัญหาที่ผู้ชุบต้องประสบอยู่เสมอ
 
รูปที่ 2: Microstructure ของผิวชุบสังกะสีของ                                                          รูปที่ 3: ผิวชุบสังกะสีหมองคล้ำของ Reactive steel
              Non-reactive และ Reactive steel                                                                              เทียบกับผิวชุบของ Non-reactive steel           
ผลกระทบจากปริมาณซิลิกอนเกิดจากการทำปฏิกิริยาของเหล็กกับสังกะสีหลอมเหลวในบ่อชุบที่มากเกินไป วิธีหนึ่งที่จะช่วยลดปัญหานี้คือ ลดอุณหภูมิบ่อชุบและระยะเวลาในการชุบลง วิธีนี้สามารถช่วยได้ แต่มีข้อจำกัดที่ว่า เราไม่สามารถระบุได้ว่าเหล็กที่นำมาชุบนั้นเป็นเหล็กประเภทไหน อีกวิธีหนึ่งที่ใช้ได้ในทางปฏิบัติและได้ผล คือ การเติมนิเกิลลงในบ่อชุบ
 
Zn-Ni Process ช่วยแก้ปัญหา Reactive Steel ได้อย่างไร
การใช้นิเกิลแก้ปัญหาซิลิกอนถูกค้นพบในช่วงปี 1960 ที่ประเทศแคนาดา จากนั้นได้มีการพัฒนาและนำไปใช้ครั้งแรกในยุโรปในช่วงปี 1980 หลังจากนั้นจึงมีการใช้ Zn-Ni process กันอย่างกว้างขวางในยุโรป ออสเตรเลีย และอเมริกาเหนือ
การเติมนิเกิลลงในบ่อชุบให้มีนิเกิลอยู่ในช่วง 0.05 – 0.14% ได้รับการรับรองแล้วว่าช่วยลดผลกระทบของซิลิกอนในเหล็ก เมื่อปริมาณซิลิกอนน้อยกว่า 0.2% รูปที่ 4 และ 5 แสดงให้เห็นผลของนิเกิลต่อความหนาและโครงสร้างผิวชุบของ Reactive steel จะเห็นว่าความหนาชั้นโลหะผสมลดลงอย่างมากเมื่อปริมาณซิลิกอนในเหล็กน้อยกว่า 0.2% และความหนาจะลดลงเล็กน้อยเมื่อปริมาณซิลิกอนสูงกว่า 0.2% 
โครงสร้างผิวชุบของ Reactive steel ที่ชุบด้วย Zn-Ni จะเหมือนกับชุบเหล็กที่มีซิลิกอนต่ำด้วยกระบวนการชุบปกติ ผิวชุบที่ได้ก็มีจะคุณภาพดี ผิวเรียบและสว่างสดใส ถ้านำเหล็ก Reactive steel ชุบด้วยกระบวนการปกติ ผิวชุบที่ได้จะหมองด้าน ผิวชุบที่ได้จากการชุบ Zn-Ni จะสามารถทนการกัดกร่อนได้เหมือนกับผิวชุบที่ได้จากการชุบปกติ นอกจากนี้ยังสามารถขึ้นรูป และต้านทานความเสียหายทางกลได้
 
                                            รูปที่ 4: ผลของการเติม Ni ต่อความหนาชั้นสังกะสีผสม                                   รูปที่ 5: ผลของการเติม Ni ต่อโครงสร้างผิวชุบของ Reactive steel (0.15% Si)
ของ Reactive steel (450oC)                                                                             (a) ชุบปกติ
                                                                                                                                                                       (b) ชุบด้วย Zn-Ni ที่มี Ni 0.06%   
จากการทดลองพบว่าผลของซิลิกอนจะลดลงอย่างมากเมื่อปริมาณนิกเกิลในบ่ออยู่ที่ประมาณ 0.06% ดังรูปที่ 6 จะเห็นว่าความหนาผิวชุบของ Reactive steel ที่มี 0.17% Si สามารถลดความหนาลงได้ 80% เมื่อปริมาณนิกเกิลในบ่ออยู่ที่ 0.064% การเพิ่มนิกเกิลไปที่ 0.095% และ 0.13% ทำให้ความหนาลดลงอีก แต่ลดลงไม่ถึง 20% และการเพิ่มปริมาณนิกเกิลในบ่ออาจลดประสิทธิภาพของนิกเกิล รวมถึงอาจเกิดผลเสียอื่นๆ
 
 
รูปที่ 6: น้ำหนักผิวชุบของเหล็กที่มีซิลิกอนต่างๆ ขึ้นอยู่กับปริมาณนิกเกิลในบ่อ
 
ข้อเสียอย่างหนึ่งของการชุบ Zn-Ni เมื่อเทียบกับการชุบปกติ คือ อาจมีดรอสเกิดมากขึ้นกว่า เนื่องจากนิกเกิลไปลดค่าการละลายของเหล็กในสังกะสี เหล็กที่เกินจากค่าที่สามารถละลายได้จะจับกับนิกเกิลและสังกะสี เกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อน หรือที่เรียกว่าดรอส ประมาณไว้ว่าดรอสเกิดขึ้นมากกว่าการชุบปกติประมาณ 15% โดยมีนิกเกิลติดไปกับดรอสประมาณ 40 – 60% ติดไป ash เล็กน้อย ส่วนนิกเกิลที่เหลือจะติดไปกับผิวชุบ จะเห็นว่าทั้งดรอสและชั้นโลหะผสมต่างก็ประกอบไปด้วยนิกเกิลค่อนข้างมาก เพราะฉะนั้นในการเติม Zn-Ni มักต้องเติมมากกว่าค่าที่ต้องการควบคุมประมาณ 4 เท่า อย่างไรก็ตาม การเกิดดรอส, ปริมาณนิกเกิลที่ติดไปกับดรอส และปริมาณนิกเกิลที่ติดไปกับผิวชุบ ขึ้นอยู่กับขั้นตอนในการเติม Zn-Ni และขั้นตอนในการผลิตเป็นอย่างยิ่ง
นอกจากนี้ยังอาจมีข้อเสีย ถ้าปริมาณนิกเกิลในบ่อชุบสูงมาก (มากกว่า 0.1%) ในกรณีนี้ ความหนาผิวชุบของเหล็กที่มีซิลิกอนต่ำอาจลดลง ซึ่งอาจทำให้ความหนาไม่ผ่านมาตรฐาน ปริมาณนิกเกิลที่สูงยังทำให้เกิดดรอสมากและผิวชุบไม่เรียบเนื่องจากมีเม็ดดรอสติดที่ผิวชุบ ด้วยเหตุผลเหล่านี้จึงมักควบคุมปริมาณนิกเกิลในบ่อที่ 0.05 – 0.08%
 
 Zn-Ni Bath Management
 
Alloying Method
โดยทั่วไป การเติมนิกเกิลลงบ่อชุบจะเติมในรูป Master alloy ใน Zn-Ni master alloy จะมีนิกเกิลอยู่ในรูปสารประกอบ NiZn โดยมีสังกะสีเป็นธาตุหลัก จุดหลอมเหลวของเฟส NiZn จะสูงกว่าอุณหภูมิบ่อชุบปกติ ดังนั้นจึงต้องใช้เวลาในการละลายนิกเกิลลงในบ่อชุบ ระหว่างนี้อาจมีอนุภาครวมตัวกันกลายเป็นดรอสก่อนที่มันจะละลาย ซึ่งเป็นการสิ้นเปลือง ปัจจัยที่มีผลต่อการรวมตัวของอนุภาค ได้แก่ ขนาดของอนุภาคสารประกอบเชิงซ้อน, อุณหภูมิและการกระเพื่อมของบ่อ การใช้ Pre-alloy (เช่น 0.5% Ni) มีข้อดีตรงที่สารประกอบเชิงซ้อนของนิกเกิลจะน้อยและมีการกระจายตัวสม่ำเสมอ  จากการทดลองพบว่านิกเกิลถูกนำไปใช้จริงจากการใช้ Pre-alloy ประมาณ 33% จากการใช้ 2% Master alloy ประมาณ 20%
 
Intermetallics and Dross
จาการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างเฟสของ Zn-Ni-Fe พบว่าค่าการละลายของเหล็กในสังกะสีหลอมเหลวที่ 450oC ลดลงจาก 0.029% เมื่อในบ่อไม่มีนิกเกิลในบ่อ เป็นศูนย์เมื่อมีนิกเกิลในบ่อ 0.229% ดังรูปที่ 7 เมื่อมีเหล็กเกินค่าการละลาย จะเกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อนขึ้น ซึ่งจะกลายเป็นดรอสที่ก้นบ่อ หรือบางทีอาจติดผิวชุบ
 
รูปที่ 7: ผลของปริมาณนิกเกิลในบ่อชุบต่อการละลายของเหล็ก
Operating Temperature 
จากรูปที่ 7 จะเห็นว่าค่าการละลายของเหล็กและนิกเกิลในสังกะสีหลอมเหลวขึ้นอยู่กับอุณหภูมิบ่อชุบเป็นอย่างมาก การลดอุณหภูมิบ่อชุบลงทำให้ค่าการละลายลดลง
ดังนั้น ถ้าอุณหภูมิบ่อชุบลดลงอย่างมาก ค่าการละลายของเหล็กและนิกเกิลจะลดลง และปริมาณสารประกอบเชิงซ้อนเพิ่มมากขึ้น ทำให้ดรอสเพิ่มขึ้น เมื่อเพิ่มอุณหภูมิบ่อชุบขึ้น เหล็กและนิกเกิลจะละลายได้มากขึ้น แต่ถ้าหลังจากนั้นอุณหภูมิลดลง สารประกอบเชิงซ้อนก็จะเกิดเพิ่มขึ้นอีก ดังนั้นจึงควรควบคุมอุณหภูมิบ่อชุบให้นิ่งที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้นิกเกิลสูญเสียน้อยที่สุด
 
Other Alloying Additions (Pb and Al)
การเติมตะกั่วลงในบ่อชุบช่วยลดความหนืดของสังกะสีได้ จึงช่วยทำให้ผิวชุบเรียบสม่ำเสมอ และตะกั่วยังช่วยลดผลของซิลิกอนได้เล็กน้อย  ดังนั้นโดยทั่วไปจึงยังคงรองตะกั่วที่ก้นบ่อเมื่อทำการชุบ Zn-Ni
ส่วนการเติมอลูมิเนียมพบว่าจะไปลดประสิทธิภาพของนิกเกิลลง ดังนั้นควรเติมอลูมิเนียมให้น้อยที่สุดแต่อาจยังคงต้องเติมเพื่อทำให้ผิวสว่างสดใสขึ้น และลดการเกิดออกซิเดชั่นของสังกะสี โดยควรควบคุมปริมาณอลูมิเนียมที่ 0.002%
 
ข้อดีของ Zn-Ni Galvanizing Process
1. ช่วยให้คุณภาพผิวชุบดีขึ้น ผิวชุบสว่าง, เรียบ และการยึดเกาะดีขึ้น
2. ทำให้ความหนาผิวชุบที่ได้ใกล้เคียงกัน ถึงแม้ปริมาณซิลิกอนในเหล็กจะต่างกัน
3. ช่วยลดปัญหาซิลิกอนในเหล็กให้กับผู้ชุบ
4. ช่วยลดความหนาผิวชุบ โดยเฉพาะเมื่อปริมาณซิลิกอนในเหล็กน้อยกว่า 0.25%
5. ช่วยลดปัญหาผิวชุบเป็นลายรังผึ้ง (ดังรูปที่ 8) หรือหมองคล้ำ (ดังรูปที่ 9)
 
รูปที่ 8: ผิวชุบเป็นลายรังผึ้ง
 
รูปที่ 9: ผิวชุบหมองคล้ำ
 
 
 
Reference

Paul S. K. and Colin J.A., “Galvanizing Reactive Steel…What are your options?”, Cominco Ltd.
G.P.Lewis and J. Pedersen, “Optimizing The Nickel-Zinc Process for Hot Dip Galvanizing”, Cominco Ltd.
“Cominco’s Direct Alloying Process for Ni-Zn Galvanizing”, Cominco Ltd.
 



Technical - Galvanizing

Hot Dip Galvanizing for Steel Corrosion Projection (fabricated steel itmes)
Improving Productivity and Quality In the Hot Dip Galvanizing Process
ดรอสและฝ้าในกระบวนการชุบสังกะสี
ผิวชุบหมอง (Dull grey coating)
การตรวจสอบชิ้นงานชุบสังกะสี
The current situation of GI and GA application
How to get the high quality of galvanized work
กระบวนการเคลือบสังกะสีสำหรับการป้องกันการกัดกร่อน