Fizykochemiczne podstawy racjonalnego kształtowania zanurzeniowych powłok aluminiowych na żelazie

• Autorzy: Liberski P.

Warianty tytułu

EN

Physicochemical basis of rational shaping of aluminium dip coatings on iron

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Na podstawie analizy literatury w pracy wykazano, że istnieją odstępstwa kinetyki wzrostu warstwy przejściowej powłoki aluminiowej od przebiegu parabolicznego. Oznacza to, że na proces dyfuzyjnego wzrostu faz międzymetalicznych powłoki aluminiowej ([eta] + [theta]) wywierają wpływ także inne procesy, zachodzące w kąpieli aluminiowej. Pozwoliło to sformułować tezę, że wzrost zanurzeniowej powłoki aluminiowej jest wynikiem zależności między procesami dyfuzyjnego wzrostu oraz rozpuszczania fazy [theta]-Al3Fe. Założono także, że poznanie zjawisk cząstkowych procesu wzrostu warstw umożliwi jego modelowanie matematyczne. Badania procesu rozpuszczania metalu stałego w ciekłej kąpieli metalicznej dowiodły, że na jego przebieg ma wpływ transport masy w fazie ciekłej. Odbywa się on na drodze dyfuzji żelaza w ciekłym aluminium, a także w wyniku konwekcji termicznej, mechanicznego mieszania lub ruchów wyrobu w kąpieli metalicznej. Im bardziej intensywny jest proces mieszania, tym rozpuszczanie przebiega szybciej. W pracy przeanalizowano trzy warianty procesu rozpuszczania się fazy [theta] w ciekłym aluminium: dyfuzyjne rozpuszczanie, dyfuzyjne rozpuszczanie z udziałem ruchów konwekcyjnych kąpieli oraz rozpuszczanie kinetyczne dla maksymalnej szybkości rozpuszczania. Na podstawie rozkładu stężeń żelaza (odniesionych do temperatury procesu metalizacji), w przeprowadzonych eksperymentach określono współczynniki dyfuzji w powstających fazach układu Fe-Al oraz w ciekłej kąpieli. Otrzymane w wyniku tych eksperymentów różne wartości współczynników dyfuzji wskazują na wpływ innych, poza dyfuzją, mechanizmów transportu masy, których istnienie eksperyment zakładał. Porównanie tych wartości daje podstawy do twierdzenia, że zjawiska intensyfikujące proces rozpuszczania mają istotny wpływ na wartość współczynników dyfuzji w fazach Fe-Al oraz w ciekłej kąpieli aluminiowej. Potwierdza to przyjętą tezę pracy. Określano także metodą wirującego dysku wartość stałej szybkości rozpuszczania, wówczas gdy szybkość rozpuszczania przestaje zależeć od szybkości wirowania. Stwierdzono w warunkach kinetycznych, że istnieje taka szybkość rozpuszczania, powyżej której szybkość narastania faz międzymetalicznych jest równa szybkości ich rozpuszczania. Zaproponowano model, który zakłada, że w wyniku reakcji na granicy żelazo - ciekłe aluminium powstają fazy międzymetaliczne z układu równowagi Al-Fe wzrastające w wyniku dyfuzji reakcyjnej i jednocześnie faza będąca w kontakcie z cieczą rozpuszcza się w kąpieli. Żelazo rozpuszczone w warstewce przypowierzchniowej osiąga stężenie nasycenia, charakterystyczne dla temperatury metalizacji, co stwarza warunki sprzyjające wtórnej krystalizacji rozpuszczonej fazy, która przebiega w uprzywilejowanych miejscach Na podstawie przeprowadzonych badań opracowano model matematyczny procesu. Uwzględniono w nim strumień wymiany masy będący ekwiwalentem ruchów konwekcyjnych kąpieli. Przeprowadzona symulacja wykazuje dużą zgodność z eksperymentem i pozwoliła określić, że wzrost wartości tego założonego strumienia ekwiwalentnego powoduje zmniejszenie grubości tworzących się faz, a także sprawia, że intensyfikuje się proces rozpuszczania. Wyniki badań pracy stanowią wkład w rozwój metalizacji zanurzeniowej. Przedstawiony w pracy mechanizm może opisywać także wzrost innych rodzajów powłok zanurzeniowych.

EN

Rational shaping of dip coatings should be based on the knowledge of layers' structure and the mechanisms of their growth. The analysis of aluminium dip coatings structure carried out in the paper allows us to affirm that the transitory layer of a coating consists of two intermetallic phases of the Al-Fe system, i.e. [theta]-Al3Fe and [eta]-Al5Fe2.Based on an analysis of the literature, it has been shown in the paper that there are departures of the kinetics of growth of an aluminium coating transitory layer from a parabolic course. It means that the process of diffusion growth of the intermetallic phases of an aluminium coating ([eta]+[theta]) is also influenced by other processes which take place in an aluminium bath. This allowed us to formulate a thesis that the growth of an aluminium dip coating is a result of the relation between the processes of diffusion growth and the [theta]-Al3Fe phase dissolution. It has also been assumed that getting acquainted with partial phenomena of the layers' growth process will enable one its mathematical modelling. Investigations of the process of solid metal dissolution in a liquid metallic bath have proved that its course is influenced by transport of the mass in a liquid phase. It takes place by means of iron diffusion in liquid aluminium and also, as a result of thermal convection, mechanical mixing or motion of a product in the metallic bath. The more intensive the mixing process, the faster the dissolution. In the paper, three variants of the process of [theta] phase dissolution in liquid aluminium have been analysed: diffusive dissolution, diffusive dissolution with the participation of the convection bath motion and kinetic dissolution for a maximum dissolution rate. On the bases of iron concentrations distribution (referred to the metallization process temperature), in the conducted experiments diffusion coefficients were determined in the phases being formed in the Fe-Al system as well as in a liquid bath. The different values of diffusion coefficients obtained as a result of those experiments indicate an influence of other than diffusion mass transport mechanisms, whose existence-was assumed in the experiment. A comparison of these values gives reasons for stating that the phenomena which intensify the dissolution have a significant influence on the value of diffusion coefficients in Fe-Al. phases and in a liquid aluminium bath, this confirms the thesis assumed in the paper. By means of a spinning disk, the value of the dissolution constant rate has been determined when the dissolution rate does not depend on the spinning rate any more. It was found under kinetic conditions that there exists such a dissolution rate, above which the rate of intermetallic phases growing equals the rate of their dissolution. A model has been proposed which assumes that on the boundary: iron/liquid aluminium, intermetallic phases are formed from the equilibrium system Al-Fe, which grow as a result of reaction diffusion and simultaneously, the phase being in contact with the liquid dissolves in the bath. The iron dissolved in the close-to-surface film reaches the concentration of saturation characteristic of the metallization temperature, which creates conditions conducive to secondary crystallization of the dissolved phase which runs in privileged places. A mathematical model of the process has been developed based on the conducted research. The model takes account of the mass exchange stream being an equivalent of the bath convection motion. The simulation carried out shows significant consistency with the experiment and it has allowed us to determine that an increase of the value of that assumed equivalent stream causes a decrease of the thickness of the phases being formed and makes the dissolution process intensify itself. The results of the research described in this paper are a contribution to the dipping metallization development. The mechanism presented here can also depict the growth of other types of dip coatings.

Słowa kluczowe

PL

powłoka aluminiowa; powłoka zanurzeniowa; metalizacja zanurzeniowa; żelazo

EN

dip coating; aluminium coating; dipping metallization; iron

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Hutnictwo / Politechnika Śląska
• Rocznik: 2002
• Tom: z. 64
• Strony: 7--124
• Opis fizyczny: Bibliogr. 170 poz.

Twórcy

autor

Liberski P.

• Katedra Technologii Stopów Metali i Kompozytów Politechniki Śląskiej, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 8, tel. [phone],