Thermodynamic and Kinetic Aspects of the Hot Dip (Zn) - Coating Formation. Part I

• Autorzy: Wołczyński W. , Pogoda Z. , Garzeł G. , Kucharska B. , Sypień A. , Okane T.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amm-2014-0212

Warianty tytułu

PL

Termodynamiczne i kinetyczne aspekty formowania powłoki cynkowej metodą zanurzeniową. Część I

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A hot dip (Zn) – coating formation is carried out in the industry conditions. Two types of the steel substrate are applied to the experiment. Two morphologically different coatings are obtained, accordingly. A hot dip (Zn) – coating formation is also carried out in the laboratory conditions for making some additional explanations of the revealed phenomena. The thickening of the - phase sub-layer is observed in details to determine time of the transition from stable into meta-stable solidification. The Fe-Zn phase diagrams for stable and meta-stable equilibrium are calculated, respectively. The phase diagram for dissolution is also determined. The criterion of the higher temperature of the solid/liquid (s/l) interface is successfully applied to the Fe-Zn system to justify the competition between stable and meta-stable solidification. The mass balance verification is performed for the (Zn) - coating in order to define the nominal Zn–solute concentration required by dissolution and next by solidification. The Zn – solute concentration in the dissolution, super-saturation and saturation zones are determined thermodynamically. The growth kinetics is described for all the sub-layers in the (Zn) – coating.

PL

Przeprowadzono formowanie powłoki cynkowej metodą zanurzeniową w warunkach przemysłowych. W eksperymencie użyto dwu rodzajów podłoży. Stosownie, uzyskano dwa rodzaje powłok zróżnicowanych morfologicznie. Przeprowadzono również formowanie powłoki w warunkach laboratoryjnych celem uzyskania dodatkowych wyjaśnień dla ujawnionych zjawisk. Szczególnie obserwowano pogrubianie podwarstwy fazy celem określenia momentu przejścia od krystalizacji stabilnej do metastabilnej. Stosownie do tego przejścia obliczono diagramy fazowe Fe-Zn zarówno dla równowagi stabilnej jak i metastabilnej. Dodatkowo obliczono diagram fazowy dla zjawiska rozpuszczania. Skutecznie zastosowano kryterium wyższej temperatury frontu krystalizacji w odniesieniu do diagramu fazowego Fe-Zn celem uzasadnienia współzawodnictwa miedzy krystalizacją stabilną a metastabilną. Przeprowadzono obliczenia bilansu masy dla powłoki (Zn) celem określenia nominalnego stężenia cynku wymaganego przez rozpuszczanie a następnie przez krystalizację. Termodynamicznie określono stężeniu cynku w strefach rozpuszczania nasycenia i przesycenia. Kinetyka wzrostu została opisana w odniesieniu do wszystkich podwarstw powłoki cynkowej.

Słowa kluczowe

EN

(Zn)-coatings; meta-stable solidification; phase diagrams; mass balance; growth kinetics; peritectic reaction

PL

powłoka cynkowa; krystalizacja metastabilna; diagramy fazowe; bilans masy; kinetyka wzrostu; reakcja perytektyczna

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 59, iss. 3
• Strony: 1223--1233
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wołczyński W.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Sciences, 25 Reymonta Str., 30-059 Kraków, Poland

autor

Pogoda Z.

• Jagiellonian University, Faculty of Mathematics and Computer Science, 6 Łojasiewicza Str., 30-348 Kraków, Poland

autor

Garzeł G.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Sciences, 25 Reymonta Str., 30-059 Kraków, Poland

autor

Kucharska B.

• Częstochowa University of Technology, Faculty of Production Engineering and Materials Technology, 19 Armii Krajowej Str., 42-200 Częstochowa, Poland

autor

Sypień A.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Sciences, 25 Reymonta Str., 30-059 Kraków, Poland

autor

Okane T.

• AIST – National Institute of Advanced Industrial Science & Technology, 305 8568 Tsukuba, Umezono 1-1-1, Japan

Bibliografia

• [1] A. Bohran-Tavakoli, Formation and growth of the σ 1 phase in the Fe-Zn system. Part 1. Zeitschrift für Metallkunde 75, 350-355 (1984).
• [2] J. Inagaki, M. Sakurai, T. Watanabe, Alloying reactions in hot dip galvanizing and galvannealing processes. ISIJ International 35, 1388-1393 (1995).
• [3] C. E. Jordan, A. R. Marder, Fe-Znphases formation in interstitial – free steels hot-dip galvanized at 450°C. Journal of Materials Science 32, 5593-5602 (1997).
• [4] J. D. Culcasi, P. R. Sere, C. I. Elsner, A. R. Sarli, Control of the growth of zinc – iron phases in the hot dip galvanizing process. Surface and Coatings Technology 122, 682-686 (1999).
• [5] E. Scheil, H. Wurst, Über die reaktionen des eisens mit flüssigem zink. Zeitschrift für Metallkunde 29, 225-228 (1937) (in German).
• [6] D. Kopyciński, Krystalizacja faz międzymetalicznychi cynku na żelazie oraz na jego nisko-i wysokowęglowych stopach podczas procesu cynkowania, Rozprawy Monografie AGH 149, 131 (2006) (in Polish).
• [7] M. A. Ghoniem, K. Lohberg, Über die feuerverzinkung entstenden σ 1p und σ 1k schichten, Metall 26, 1026-1030 (1972) (in German).
• [8] P. J. Gelliings, E. W. Bree, G. Gierman, Synthesis and characterization of homogeneous intermetallic Fe-Zn compounds. Part1. Zeitschrift für Metallkunde 70, 312-314 (1979).
• [9] P. J. Gelliings, E. W. Bree, G. Gierman, Synthesis and characterization of homogeneous intermetallic Fe-Zn compounds. Part 2. Zeitschrift für Metallkunde 70, 315-317 (1979).
• [10] C. E. Jordan, A. R. Marder, Morphology development in hot-dip galvanneal coatings. Metallurgical and Materials Transactions 25A, 937-947 (1994).
• [11] C. R. Xavier, U. R. Seixas, P. R. Rios, Further experimental evidence to support a simple model for iron enrichment in hot-dip galvanneal coatings on IF steel sheets. ISIJ International 36, 1316-1317 (1996).
• [12] M. Danielewski, Diffusion in multicomponent systems.
• [13] M. Zapponi, A. Quiroga, T. Perez, Segregation of alloying elements during the hot-dip coating solidification process, Surface and Coatings Technology 122, 18-20 (1999).
• [14] J. Maćk owiak, N. R. Short, Metallurgy of galvanized coatings, International Metals Reviews 237, 1-19 (1979).
• [15] W. Xiong, Y. Kong, Y. Dub L. Zikui, M. Selleby, S. Weihua, Thermodynamic investigation of the galvanizing systems, I: Refinement of the thermodynamic description for the Fe-Zn system, CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermo-Chemistry 33, 433-440 (2009).
• [16] Y. K. Chuang, D. Reinisch, K. Schwerdtfeger, Kinetics of diffusion controlled peritectic reaction during solidification of iron-carbon alloys, Metallurgical Transactions 6A, 235-238 (1975).
• [17] W. Wołczyński, T. Okane, C. Senderowski, D. Zasada, B. Kania, J. Janczak-Rusch, Thermody-namic justification for the Ni/Al/Ni joint formation by a diffusion brazing, International Journal of Thermodynamics 14, 97-105 (2011).
• [18] J. Schramm, Ubereine neue phase in system eisen – zink, Zeitschrift für Metallkunde 29, 222-225 (1937) (in German).
• [19] W. Wołczyński, Back-diffusion phenomenon during the crystal growth by the Bridgman method, Chapter 2. in the book: Modelling of Transport Phenomena in Crystal Growth, p.19-59, WIT Press, Southampton–Boston), 2000, eds. J. Szmyd& K. Suzuki.
• [20] W. Wołczyński, J. Janczak-Rusch, J. Kloch, T. Rutti, T. Okane, A model for solidification of intermetal-lic phases from Ni-Al system and its application to diffusion soldering, Archives of Metallurgy and Materials 50, 1055-1068 (2005).
• [21] I. Tuah-Poku, M. Dollar, T. Massalski, A study of transient phase bonding process applied to a Ag/Cu/Ag sandwich joint, Metallurgical Transactions 19A, 675-686 (1988).
• [22] W. Wołczyński, E. Guzik, D. Kopyciński, T. Himemiya, J. Janczak-Rusch, Mass transport during diffusion soldering or brazing at constant temperature, Proceedings of the 13thInternational Heat Transfer Conference, Sydney 2006, ed. begell house, inc. publishers, eds G. de Vahl & E. Leonardi, CD, (2006), MST-11, 12 pages.
• [23] P. Perrot, J. C. Tissier, J. Y. Dauphin, Stable and metastable equilibria in the Fe-Zn-Al system at 450°C, Zeitschrift für Metallkunde 83, 786-790 (1992).
• [24] T. Umeda, T. Okane, W. Kurz, Phase selection during solidification of peritectic alloys, Acta Materialia 44, 4209-4216 (1996).
• [25] W. Wołczyński, T. Okane, C. Senderowski, B. Kania, D. Zasada, J. Janczak-Rusch, Meta-stable conditions for diffusion brazing, Archives of Metallurgy and Materials 56, 311-323 (2011)