Val av stål

Vilka krav skall ställas på stål för att de skall vara lämpliga att varmförzinka? Dessa krav bör analyseras redan på ritbordet, då materialvalet till projekterade konstruktioner skall göras. Genom att välja rätt stål kan varmförzinkningens goda möjligheter utnyttjas på bästa sätt, både då det gäller en lång underhållsfri livslängd och god ytfinish.

Inverkan av kisel och fosfor på stålets reaktivitet
Vid gjutning av stål tillsätts antingen kisel eller aluminium för att binda syre, stålet blir tätat. Stål kan även gjutas utan dessa tillsatser, och kallas då otätat. Otätat stål förekommer dock knappast nu för tiden, då det har en lägre kvalitet. Eftersom stålets kiselhalt (Si) är av mycket stor betydelse för reaktiviteten mellan järn och zink under varmförzinkningsprocessen, ska alltid kiselhalten beaktas vid val av stål för gods som skall varmförzinkas. Aluminiumtätade stål lämpliga för varmförzinkning skall ha har låg kiselhalt, under 0,03 viktsprocent. Kiseltätade stål med en kiselhalt från 0,15 viktsprocent fungerar bra vid varmförzinkning, men ger tjockare skikt än de aluminiumtätade stålen. Även fosforinnehållet (P) har en viss inverkan på reaktiviteten, framförallt då det gäller kallvalsade stål. Övriga legeringselement har ingen avgörande effekt på skiktet.

Det finns ett intervall i kisel- och fosforinnehåll kallat ” Sandelin-området ” (0,03-0,14 viktsprocent kisel + fosfor), inom vilket reaktiviteten vid varmförzinkning är mycket hög, och de bildade skikten blir grova och har dålig vidhäftning till stålet. Detta intervall skall undvikas vid val av stål för varmförzinkning, så vida man inte har tillgång till speciellt legerade zinkbad som kan motverka denna effekt.

Studier som på senare tid utförts av FORCE Technology i Danmark, har visat att det undre gränsvärdet för Sandelinområdet är lägre än vad som tidigare angivits inom branschen. Dessutom har det visat sig att effekten av stålets fosforhalt är stor då det gäller kallvalsade produkter. Generellt kan sägas att vid normala krav på godsets ytfinish efter förzinkning gäller följande villkor vid val av aluminiumtätat stål för både varm- och kallvalsat stål:

Si+P < 0,03 vikts-%
dvs stålet skall ha en sammanlagd kisel- och fosforhalt som är under 0.03 viktsprocent.

Om kraven på ytfinish är extra höga, t ex vid arkitektoriska konstruktioner, bör följande villkor för materialval användas då det rör sig om kallvalsat stål:
Si<0,03 och Si+2,5P<0,04 vikts-%
(Observera koefficienten på fosforhalten i formeln ovan). När det gäller varmvalsat stål är det kiselinnehållet som är det mest kritiska, medan fosforinnehållet är av mindre betydelse, och följande villkor rekommenderas vid höga kav på ytfinish för varmvalsat stål:
Si<0,02 och Si+2,5P<0,09 vikts-%
(observera koefficienten på fosforhalten i formeln ovan).

Relationen mellan stålets kemiska analys och skiktets tjocklek
Aluminiumtätade stål, som har en kisel+fosforhalt under 0,03 viktsprocent, ger blanka skikt efter förzinkning och tjocklekar i enlighet med varmförzinkningsstandarden SS-EN ISO 1461.

Kiseltätade stål med 0,15-0,21 viktsprocent Si fungerar bra vid varmförzinkning men ger tjockare skikt än vad som krävs enligt ovan nämnda standard. Önskas ännu högre skikttjocklek, vilket kan vara ett önskemål i mer aggressiva miljöer, skall ett stål med kiselhalt över 0,22 viktsprocent väljas. I princip är det möjligt att förzinka stål med kiselhalter upp mot 0,35-0,40 viktsprocent. Man skall dock vara medveten om att dessa är mycket reaktiva och ger kraftig skikttillväxt. Ett tjockt skikt är bra ur korrosionsskyddande synpunkt, men blir vanligtvis sprött och kan skadas vid hantering av godset, varför dessa höga kiselhalter inte är att rekommendera.

Kallvalsade stål glödgas normalt efter valsningen. Vid denna värmebehandling kan kisel i stålets yta oxideras och därigenom bindas i oxidpartiklar. Denna så kallade inre oxidationen i godsytan medför att den fria halten kisel som kan påverka reaktionen vid förzinkningen blir lägre än stålets bulkanalys. Kallvalsat gods som har en kiselhalt i intervallet 0,15-0,21 viktsprocent kan lätt komma in i det olämpliga Sandelinintervallet mellan 0,03-0,14 viktsprocent i samband med glödgning. Stålet är då mycket reaktivt och får ett tjockt sprött skikt med dålig vidhäftning till godsytan. Hur djup den inre oxidationen blir påverkas av temperatur, tid och atmosfär vid glödgningen. Vanligtvis går det att beta bort den påverkade zonen, men i vissa fall har den blivit djupare och godset kan behöva blästras före förzinkningen.

Sammanställning över kisel- och fosforhaltens inverkan vid förzinkning av kall- respektive varmvalsat gods:

Varmförzinkning av andra stål

Höghållfasta stål
Höghållfasta stål blir allt vanligare i konstruktioner som varmförzinkas. Enligt BSK 99 räknas stål med sträckgränser lika med eller högre än 460 MPa som höghållfasta då det gäller plåt och bredplattstång. Det finns dock ingen enhetlig definition på var gränsen till det höghållfasta området går, utan det är upp till materialleverantörens egen definition av sin produkt.

Erfarenhet har visat att vissa höghållfasta stål är mindre reaktiva vid varmförzinkning än förväntat, medan andra istället är mycket reaktiva. I det första fallet blir resultatet efter varmförzinkning att det bildade skiktet inte uppfyller tjocklekskraven enligt SS-EN ISO 1461. I det senare fallet är skikten istället betydligt mycket tjockare, men problem med dålig vidhäftning och flammiga ytor kan förekomma. Generellt kan sägas att samma regler gäller för val av höghållfast stål som för val av vanligt låglegerat konstruktionsstål, dvs kisel- och fosforhalten måste beaktas. Vissa höghållfasta stål har en kiselhalt på 0,10 viktsprocent, dvs mitt i Sandelinområdet. Dessa är naturligtvis inte lämpliga för varmförzinkning, men brukar kunna beställas med en högre kiselhalt (0,20 viktsprocent) för varmförzinkning. Vissa höghållfasta stål genomgår dessutom olika typer av värmebehandlingar i samband med tillverkning, och kan därför få förändrad fri kiselhalt i ytan på grund av inre oxidation, vilket påverkar reaktiviteten.

Från varmförzinkningsbranschens sida pågår forskning och utveckling för att få en bättre förståelse för hur de höghållfasta stålen fungerar vid förzinkning. Höghållfasta stål med sträckgräns (ReH) > 650 MPa kan i vissa fall få något sänkt utmattningshållfasthet efter varmförzinkning. Observera dock att stål utan ytbehandling eller med ett dåligt valt korrosionsskydd snabbt kan få lokala korrosionsangrepp (t ex punktfrätning), vilket leder till en dramatisk sänkning av utmattninghållfastheten. Vid jämförelse får således varmförzinkat material ganska snabbt en bättre utmattningshållfasthet i korrosiv miljö än material utan eller med dålig ytbehandling.

Automatstål innehållande svavel skall normalt inte användas vid varmförzinkning. Vid svavelhalter över 0,18 % etsas dels stålet kraftigt vid syrabetningen, dels blir järnzinkreaktionen så stark att stålet förstörs.
Rostfria stål, som till exempel AISI 304 eller så kallat syrafast rostfritt stål, AISI 316, varmförzinkas ibland då rostfria detaljer är hopsvetsade med vanligt konstruktionsstål. Zinkskiktet kan då bli tjockt med mer eller mindre grå nyans, vilket beror på högre innehåll av kisel, krom och nickel. Efter varmförzinkningen kan det förekomma fläckar utan zink på den rostfria ytan men då ofta i mindre omfattning. Varmförzinkning av rostfritt material kan ge zinksprödhet, dvs zinkinträngning i korngränserna, om spänningar finns i materialet exempelvis från svetsning eller kallbockning.
Härdade eller kraftigt kallbearbetade stål (HRc > 33) kan uppta atomärt väte vid syrabetningen och uppvisa vätesprödhet. Visserligen kan väteutdrivning vid 275 ºC under minst 4 timmar ske efter betningen, men då sådana stål också kan utsättas för zinksprödhet bör man avråda från varmförzinkning.

Beställning av stål
För att få ett bra resultat vid varmförzinkning räcker det inte att enbart är använda stålbeteckningen (CEN-standard eller handelsnamn) vid beställning och inköp av material. Man måste också ge gränser för stålets kisel- och i vissa fall (se ovan) även fosforinnehåll.

Tyvärr har man inte alltid fritt val när det gäller stålets legeringssammansättning. Vid beställning av större mängder stål är detta ofta inget problem, utan det kommer framför allt när man köper lagervara. Ju tidigare man kan kontakta stålleverantören, desto större möjligheter har denne att leverera rätt material för varmförzinkning.