TAVLI ÇİNKO (GALVANNEALED) KAPLAMALARDA Fe-Zn FAZLARININ GELİŞİMİ ve BUNLARIN KAPLAMA ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ

Transkript

1 TAVLI ÇİNKO (GALVANNEALED) KAPLAMALARDA Fe-Zn FAZLARININ GELİŞİMİ ve BUNLARIN KAPLAMA ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ Oktay ELKOCA Özet: Sıcak daldırmayla çinko kaplanmış (hot dip galvanized) olanlara göre çok daha iyi punto kaynaklanabilme ve boya yapışma özelliği; ayrıca, boyandıktan sonra sağladığı üstün korozyon dayanımıyla tavlı çinko (galvannealed) kaplı çelik saclar otomativ uygulamalarında önem kazanmıştır. Sürekli bir hatta yapılan sıcak daldırmayla çinko kaplama ve ardından gerçekleştirilen tavlama ile kaplama yapısında gelişen (gama), (delta) ve (zeta) fazlarının varlığı ve miktarı yukarıdaki özelliklere ek olarak kaplanmış sacın presle biçimlendirme, elektroforetik boyama gibi özelliklerini de etkilemektedir. Bugüne kadar yapılmış olan çalışmaların gözden geçirildiği derlemede, tavlı çinko kaplamalardaki Fe-Zn fazlarının gelişimi ve bunların kaplama özelliklerine etkileri ortaya konmuştur. Anahtar sözcükler: Sıcak Daldırma Çinko Kaplama (Hot Dip Galvanizing), Çinko Kaplama Tavı (Galvannealing), Fe-Zn Fazları, Tozlaşma (Powdering), Pullanma (Flaking), Punto Kaynağı (Spot Welding), Boyanabilme, Korozyon Dayanımı. 1. GİRİŞ Çinko kaplama tavı, sürekli bir şekilde sıcak daldırmayla çinko kaplanmış çelik sacdaki çinko tabakasının hemen ardından bir tavlamayla Fe-Zn fazlarına dönüştürülmesi işlemidir. Bu işlem çinko kaplanmış çelik sacın çok kısa bir süre için 500 o C civarına ısıtılmasıyla gerçekleştirilmektedir. Tavlı çinko kaplı bir çelik sacdaki kaplama Fe-Zn faz diyagramında görülen fazlardan oluşmaktadır (Tablo 1). Karışık iç yapılarından (kristal yapısı, kimyasal bileşim gibi) dolayı bu fazların mekanik özellikleri birinden diğerine geniş ölçüde değişmektedir. Tavlı çinko kaplamalar sıcak daldırma çinko kaplamalara göre çok daha iyi punto kaynaklanabilirliği, boya yapışma özelliği ve boyanmış durumda korozyon dayanımı özellikleri sunmakta, presle biçimlendirme sırasında daha az yapışma olasılığı taşımaktadır 1,2,3,4,5,6. Ancak, yine presle biçimlendirme sırasında karşılaşılabilen tozlaşma ve elektroforetik boyamadaki krater oluşumları Tablo 1. Fe-Zn faz diyagramındaki fazların özellikleri 6 Faz Kristal yapısı Formül Sertlik (HV) (eta) hegzagonal Zn 37 (zeta) monoklinik FeZn (delta) hegzagonal FeZn (gama) HMK Fe 3 Zn (alfa) HMK Fe 150 optimum kaplama özelliklerinin oluşturulmasıyla çözümlenebilecek sorunlardır 1,2,4,5,6,7. 2. ÇİNKO KAPLAMA TAVI (GALVANNEALİNG) Tavlı çinko kaplamalar, sıcak daldırmayla oluşturulan çinko kaplamanın 500 o C civarındaki sıcaklıkta tavlanması sonucunda yayınma ile ortaya çıkan Fe-Zn fazlarından oluşan kaplamalardır. Tavlama işlemi Şekil 1'de görüldüğü gibi sıvı çinko potasının üstündeki ısıtma ve soğutma ünitelerinde sürekli bir şekilde gerçekleştirilmektedir. Arzu edilen tavlı çinko kaplama özelliklerinin ve iç yapısının elde edilmesinde işin içine giren değişkenler oldukça fazladır. Optimum kaplama özelliklerinin elde edilebilmesi Fe-Zn reaksiyon kinetikleri üzerinde ısıtma hızı, tutma sıcaklığı ve süresi ve soğutma hızının çok iyi kontrol edilmesini gerektirmektedir. İşlem değişkenleri yanında, çinko banyosunun ve taban çelik sacın kimyasal bileşimi de nihai iç yapıyı ve buna bağlı özellikleri etkilemektedir. Bu nedenle önce tavlı çinko iç yapısı gözden geçirilecek, daha sonra bu değişkenlerin kaplama özelliklerine etkileri irdelenecektir Tavlı Çinko İç Yapısı Tavlı çinko kaplamaların kesitten görünen iç yapıları aşağıdaki gibi sınıflandırılmıştır (Şekil 2.) 403

2 a) Tip 0, b) Tip 1, c) Tip 3 8 -Tip 2 : 1 m'dan fazla tabakası ve en üstte yer yer fazıyla birlikte kaplama/çelik ara yüzeyine dik bazal düzlem çatlakları içeren fazından oluşan aşırı alaşımlanmış kaplama Şekil 1. Çinko Kaplama Tavı -Tip 0 : Başlıca fazı içeren az alaşımlanmış kaplama -Tip 1: 1 m'dan daha az tabakası ve yüzeyde küçük bir miktar fazının yer aldığı büyük ölçüde fazı içeren optimum ölçüde alaşımlanmış kaplama Tavlı çinko kaplamaların yüzey şekli de nihai özellikler açısından önemlidir. Van der Heiden ve arkadaşları 2 SEM (Tarama Elektron Mikroskobu) stereo fotoğraflarıyla tipik tavlı çinko kaplamaların yüzeylerini incelemiş ve "krater" oluşumları belirlemiştir. Hot-stage'li bir SEM ile yerinde yapılan gözlemler sonucunda kraterlerin Şekil 3'teki gibi tavlı çinko kaplama tabakası içerisinde yer aldığı, kaplama kalınlığında dalgalanmalar yarattığı ve fışkırma (outburst) oluşumu (Şekil 4) ile ilintili olduğu görülmüştür 2,9,10. Van der Heiden ve arkadaşları 2 kraterlerin görünümüyle fışkırma arasındaki ilişkiyi bir mekanizmayla açıklamışlardır. Bu mekanizmaya göre, önce tabandaki çelik sac yüzeyinin tane sınırlarında Fe-Zn fazlarından meydana gelen bir fışkırma oluşmakta, ardından bu fazlar sıvı çinko içerisine doğru hızlı bir şekilde büyümektedir. Çelik tabandan demirin çok hızlı bir şekilde taşınmasını sağlayan sıvı çinko büyüyen bu kristaller arasında kalmaktadır 3. Kristaller arasındaki kanalların ve gözeneklerin kılcallık etkisi "kuru noktalar" ya da kraterler oluşturacak şekilde hiçbir alaşım oluşumunun gözlenmediği bu bölgeleri boşaltmaktadır. Bu sonuçlar, tümüyle alaşımlanmış bir kaplamadaki iç yapısal gelişimi adım adım açıklayan Şekil 5'teki gibi bir modelin oluşturulmasına neden olmuştur 9. Buradaki adımsal gelişmede reaksiyon kinetiği büyük ölçüde işlem Şekil 3.TiNb-IF Çeliğinde "Krater" Oluşumları: (a) Kesitten SEM backscatter elektron görüntüsü, (b) Yüzeyden SEM backscatter elektron görüntüsü (topografik) 2 Şekil 2. Tavlı Çinko Kaplamaların İç Yapısı 404

3 Şekil 4. Fışkırma (Outburst) Oluşum Mekanizması 3 değişkenlerine, banyo ve taban çeliğin kimyasal bileşimine bağlıdır: -t o : Sıcak daldırmayla çinko kaplama sırasında, çelik sac üzerinde Fe-Zn fazlarının gelişimini engelleyecek şekilde çinko banyosundaki Al içeriğine bağlı olarak Fe 2 Al 5 ara yüzey tabakası gelişir 11,12. Bu tabakanın etkinliği daldırma süresi ve banyo sıcaklığı yanında banyodaki Al içeriğine bağlıdır. -t 1 : Fe 2 Al 5 tabakası tavlama sırasında çelik/kaplama ara yüzeyinde çekirdeklenmesi ve büyümesine yol açacak şekilde kırılır. Bunun yanında Fe-Zn fazlarının hızlı büyümesi fışkırma oluşumuna da yol açabilir 3. Zn atomlarının reaksiyon hızı tavlama işlemindeki sıcaklık profili yanında çelik tabanın kimyasal bileşimine de bağlıdır. Buradaki iç yapı Tip 0 örneğindeki gibidir 8. -t 2 : Tavlama devam ederken fazının yayınma şeklindeki gelişimi sütunsal büyüme şeklini alır ve önceden çekirdeklenmiş olan fazı fazına dönüşür. Sıvı fazındaki demirin aşırı doyması sonucunda (ya da soğuma sırasında) ek fazı çekirdeklenebilir. Ayrıca, çelik/kaplama ara yüzeyinde bir fazı oluşur 8. -t 3 : Daha uzun süreli tavlama durumunda kaplamada yüzeydeki fazının tümüyle tükenmesine yol açacak şekilde Zn azalması görülür. fazı 1 m'lik kalınlığını sabit bir şekilde korurken ve fazı fazını yüzeye doğru iterek gelişmeye devam eder. Bu sırada kaplamadaki Fe içeriği artmaktadır 13. Bu oluşum bir çok yerde optimum tavlı çinko kaplama eldesinde Fe içeriğinin temel alınmasına ( %10 ağ ) yol açmıştır. Bu iç yapı Tip 1'deki tavlı çinko kaplamadır 8. Şekil 5. Tavlı Çinko Kaplamalarda İç Yapısal Gelişimi Açıklayan Model 9 -t 4 : Tavlama sıcaklığındaki daha uzun sürelerde, fazı 1 m'lik sabit kalınlığını korumaya devam ederken fazı fazını tüketerek kaplama yüzeyine doğru büyümeye devam eder. -t 5 : fazı bir kez yüzeye ulaştıktan sonra, fazı fazının büyümesini sürdürebilmesi için kendisinin harcanmasına izin verecek şekilde çelik/fe-zn yayınma çiftinde çinkoca zengin taraf olarak davranır. fazının çelik/kaplama ara yüzeyine paralel bazal düzlemleri boyunca çatlaklar oluşur. Bu iç yapı Tip 2'deki tavlı çinko kaplama olarak ifade edilmektedir İşlem Değişkenleri Sürekli tavlama işleminde, ısıtma, tutma ve soğutma bölümleri Şekil 1'deki gibi kaplama kalınlığını kontrol eden 405

4 hava bıçaklarının üstüne eklenmiştir. Şeridi ısıtmak için gaz alevi, indüksiyon bobinleri ya da şeridin kendi elektriksel direncinden yararlanılmaktadır. Banyo sıcaklığı, çelik sacın ve banyonun kimyasal bileşimi gibi değişkenlerin yanında en temel değişken, ısıtma hızı, tutma sıcaklığı ve soğutma hızı gibi bağımlı tavlama değişkenlerini kontrol eden hat hızıdır. İlk çalışmalar yalnızca tutma sıcaklığı ve süresinin bükme testleri ve tozlaşma gibi mekanik özellikler üzerinde etkileri konusunda yapılmıştır 14. Optimum iç yapı için "işlem aralığı" yaklaşımı ilk olarak tavlama işlemi sırasında kaplamanın iç yapısal gelişimini belirlemek için yapılmıştır 15. Şekil 6'daki gibi çıkarılan haritalar kaplamadaki Tip 0, Tip 1 ve Tip 2'deki yapıları ortaya çıkarmak için gerekli sıcaklık ve zamanı gösterecek şekildedir. Bu çalışmalarda, tavlama sıcaklık ve süresini benzetmek için Gleeble termomekanik test ünitesi kullanılmıştır. Benzeri test koşulları tozlaşma için işlem aralığının belirlenmesinde de kullanılmıştır 2. A. Van der Heiden ve arkadaşları en az tozlaşma için çinko kaplı TiNb- IF çeliğinin tavlama işleminde optimum sıcaklık-tutma süresini belirlemişlerdir. Bu koşullarda gözlenen Fe-Zn fazları Şekil 7'deki gibidir. Şekil 7'den görüldüğü gibi yüksek sıcaklıklarda işlem aralığı daralmaktadır. Presle biçimlendirme sırasında yapışma ya da tozlaşmadan kaçınmak için çinko kaplama fazının yüzeye ulaştığı noktaya (yüzeyde minimum fazının kaldığı durum) kadar alaşımlanmalıdır. Bu yüzden optimum kaplamalar 500 o C civarında sn'lik tutma süresiyle pratikte kontrol edilebilir bir tavlama işlemine müsaade eden yaklaşık 50 o C civarında işlem aralığında gerçekleştirilebilmektedir 2. Modern bir sıcak daldırma ile galvanizleme hattının soğutma kulesi boyunca ilerleyen çelik şeridin hesaplanmış tipik sıcaklık profili Şekil 8'de görüldüğü gibidir. Şeridin maruz kaldığı sıcaklığın asla eşısıl olmadığı bu profilden açıkça görülmektedir. Bu nedenle soğutma kulesinin sıcaklık profilini karekterize etmek son derece önemlidir. Buradaki hatta şerit 450 o C'deki hava bıçaklarından 15 o C/s'lik bir ısıtma hızıyla 505 o C'deki tutma fırınına girmektedir. Şerit bir miktar soğumanın (2 o C/s) olduğu 500 o C civarındaki tutma fırınında 8-9s bekletilmekte ve soğutucularda hava püskürtülerek 17 o C/s'nin üstündeki bir hızla 350 o C'nin altına soğutulmaktadır. Şekil 6. Ti-IF Çeliğinde İç Yapısal Gelişim (%0.10 Al'lu banyo) 15. Şekil 8. Modern bir Sıcak Daldırma ile Galvanizleme Hattının Soğutma Kulesi Boyunca İlerleyen Çelik Şeridin Hesaplanmış Tipik Sıcaklık Profili 16. Kanamura ve Nakayama 17 tavlama sırasında hem hem de fazlarının büyümesini engellemek için ısıtma hızının mümkün olduğunca yüksek olması gerektiğini ileri sürmektedir Hayes 18 tavlama işlemindeki sıcaklık profilini modellemiş ve bir seri alaşım tabanı üstünde banyo Al içeriği, ısıtma hızı, tutma sıcaklığı ve soğutma hızının etkisini araştırmıştır. Hayes tavlamadaki alaşımlamanın eşısıl bekletmeye ek olarak ısıtma ve soğutma sırasında da gerçekleştiğini göstermiştir. Örneğin, alaşım oluşumunu engellemek için çelik kimyasal bileşimine ve tutma sıcaklığına bağlı olarak o C arasındaki ısıtma hızları gereklidir Banyo Alaşım İlaveleri Şekil 7. Tavlama İşlemi Sırasında Kaplama İç Yapısı ve %Fe'deki Değişim 2 Tavlı çinko kaplamaların elde edilmesinde banyonun Al içeriği kontrol edilmesi gereken önemli bir konudur. Sıcak daldırma sırasında Fe-Zn reaksiyonlarının çok hızlı bir şekilde gelişmesi, ardından uygulanacak tavlama işleminde 406

5 alaşım oluşumunun kontrolünü zorlaştıracağından banyonun Al içeriği yeterince yüksek olmalıdır 6. Yine, banyodaki doğal akışı engelleyen ve çinkodan daha yoğun olduğundan banyo tabanına çöken aşırı dros oluşumundan kaçınmak için banyoda serbest Al içeriği hassas bir şekilde kontrol edilmelidir. Aşırı ölçüdeki Al ise tavlama sırasında Fe-Zn reaksiyonlarının gelişimine zaman bırakmayacağından banyo için uygun Al içeriği belirlenmelidir 6. Banyoya ilave edilen Al, banyoda ve ısıtma periyodunda fazının oluşumunun engellenmesinde ve fazının büyümesinin bastırılmasında etkindir. Urai ve arkadaşları 19 %0.16 gibi yüksek Al banyo içeriğinin %0.12 Al içerikli bir banyonunkinden daha yüksek bir / faz oranına sahip bir kaplama verdiğini göstermiştir. Tang 20 tavlı çinko kaplama için optimum Al bileşiminin %0.15 olduğunu ileri sürmüştür. Bu noktada, Fe 2 Al 5 Zn x banyoda bir denge bileşiği olmaktadır. ve fazlarının şiddetli rekabeti yüzünden ara yüzeyde Fe 2 Al 5 tabakasının oluşumu pratikte olanaksız olduğundan banyonun Al içeriği taban dross oluşumunu engelleyecek seviyenin çok üzerinde tutulmaktadır. Pratikte, Fe 2 Al 5 tabakasının kararlılığı kısa dönemde Fe-Zn faz oluşumunu engelleyecek şekilde yüksek Al seviyeleriyle ( %0.15 Al) kazandırılmaktadır 20. Düşük Al içerikli banyoların kaplamalarından elde edilen tavlı kaplamalarda görülen kraterler, fışkırma ile ilgilidir 9. Düşük Al içerikli banyolarda, Al ile durgunlaştırılmış düşük karbonlu çeliklerde Tip 1 türü kaplama oluşumu o C eşısıl tutma sıcaklığı aralığında ve ısıtma hızında çok kısa sürede gerçekleşmektedir 8. Benzeri Al etkileri Ti-IF, Ti/Nb-IF ve fosfor katımlı (rephosphorised) çeliklerde de görülmüştür 8,9. Presle biçimlendirme özelliklerini iyileştirmek için ince bir fazı ile birlikte yüzeye kadar çıkan bir fazının varlığını öngören Kawaguchi ve Hirose 4, galvanizleme banyosuna Mn ilave ederek peritektik dönüşüm (S + 1 ) sıcaklığını (bu sıcaklığın üzerinde fazı artık oluşmamaktadır) daha aşağı sıcaklıklara çekmişlerdir. Çinko banyosuna %0.46 Mn ilavesiyle 520 o C civarında olan peritektik dönüşüm sıcaklığı 495 o C'a indildiğinde geleneksel tavlama sıcaklıklarında fazı kaybolurken tavlı çinko kaplı sacın biçimlenme özelliğininde geliştiği ileri sürülmektedir Çelik Sacın Kimyasal Bileşimi Çinko kaplama sırasındaki banyonun kimyasal bileşimi gibi taban çeliğin kimyasal bileşimi de tavlama sırasında metaller arası bileşiklerin gelişimini etkilemektedir. Katı eriyikteki karbon ve fosfor atomlarının tane sınırlarındaki varlığı ve bunların çinko yayınımını engellemesi yüzünden Al ile durgunlaştırılmış düşük karbonlu çelik kalitelerinin alaşımlanması IF çelik kalitelerine göre daha yüksek tavlama sıcaklıkları gerektirmektedir 6. Hisamatsu o C' deki %0.13 Al içeren banyoda galvanizlenen bir Ti- IF çeliğinin, Al ile durgunlaştırılmış düşük karbonlu bir çeliğe göre o C daha düşük bir tavlama sıcaklığında alaşımlanacağını belirtmektedir. Inagaki ve arkadaşları 21 Ti-IF çeliğini Al ile durgunlaştırılmış düşük karbonlu bir çelik ile karşılaştırdığında, Ti-IF çeliği üzerindeki fazı büyümesinin çok daha yüksek olduğunu bulmuştur. Jordan ve Marder 8 'ın Al ile durgunlaştırılmış düşük karbonlu çelik ve Ti-IF çelikleri üzerinde yaptığı alaşımlama çalışmaları sonrasında %0.15 Al içeren çinko banyosu kullanıldığında dahi Ti-IF çeliğinin Tip 1'deki iç yapıya dönüşüm hızının Al ile durgunlaştırılmış düşük karbonlu çelikten daha yüksek olduğunu görmüştür; yani, banyodaki Al içeriğinin engelleme etkisi Ti-IF çeliğinde önemli ölçüde düşmüştür 8. Benzer bir şekilde, %0.14 Al içeren banyoda kaplanan TiNb-IF çeliklerinde alaşım oluşumunun yine hızlı olduğu görülmüştür 22. IF çeliklerinde alaşım reaksiyonlarının daha hızlı bir şekilde gelişmesinin nedeni, mikroalaşım elementleriyle iyice temizlenen tane sınırlarından dolayı alaşımlamaya daha yatkın bir taban malzemesinin ortaya çıkmasıdır 23. Derin çekmeye uygun ve yaşlanmayan IF çelik kalitelerinin yanında özellikle otomativ sektöründeki yapısal gövde parçalarında gereksinim duyulan daha yüksek dayanım fosfor katımlı (rephosphorized) çeliklerin ortaya çıkmasına neden olmuştur. Fosforun alaşımlama kinetiğini yavaşlatıcı etkisinden dolayı pratikteki tavlama koşullarında alaşım oluşumunun geciktiği tespit edilmiştir. Bu nedenle uygulanan hat hızı ve tavlana koşullarına bağlı olarak çelikteki fosfor içeriği ve banyonun alaşım koşulları ayarlanmalıdır KAPLAMA ÖZELLİKLERİ Genel olarak kaplama yapısı, çelik taban, Fe-Zn fazları ve en üstteki dökün yapısından ( fazı) oluşur. Kaplama tipine bağlı olarak, bu bileşenlerin fiziksel özellikleri ve kimyasal bileşimi nihai özellikleri belirlemektedir. Üzerine kaplanan çinko tabakası ile korunan çelik, kaplı üründen beklenen gereksinimlerini karşılayacak şekilde tasarlanmakta ve bu nedenle kendisinden beklenen dayanım, süneklik ve biçimlenebilirlik gibi belirli mekanik özelliklere dayanarak seçilmektedir. Bununla beraber, taban malzemesinin kimyasal bileşimi tavlama sonrası oluşacak kaplama tipinin belirlenmesinde önemli bir rol oynamakta ve bu sırada oluşan fazların büyüme kinetiğini etkileyebilmektedir. Ti- IF ve TiNb-IF çelikleri ve fosfor katımlı çeliklerde olduğu gibi sacın biçimlenebilirlik özeliklerini geliştirmek için çeliğe yapılan alaşım ilaveleri çinko kaplama ve ardından yapılan tavlama sonrasındaki kaplama iç yapısını etkilemektedir. Çinko kaplı çelik saclardan beklenen temel özellikler, korozyon dayanımı, biçimlenebilirlik, punto kaynaklanabilirliği, boyanabilirlik gibi özelliklerdir. Bu özellikler kaplama iç yapısına göre farklılık göstermektedir. 407

6 3.1. Korozyon Dayanımı Çinko kaplamalar çeliğe korozyon dayanımını değişik şekillerde kazandırmaktadır. İlk olarak, sürekli bir çinko tabakası bir bariyer oluşturarak çeliği korozif ortamdan ayırmaktadır. İkinci olarak, kaplamanın delinmesi, çizilmesi ya da kaplı sacın kesilmesi durumunda galvanik koruma şeklinde kendini kurban ederek altındaki çeliği korumaktadır. Tablo 2'den görüldüğü gibi, Fe-Zn fazlarının korozyon potansiyeli saf demirinkinden (-0.67 V SCE ) daha çok, saf çinkonunkinden (-1.03 V SCE ) ise daha az aktiftir 24. Fe-Zn fazlarındaki Fe içeriği arttıkça korozyon potansiyelleri saf demire doğru kaymaktadır. Bu nedenle Fe-Zn fazları çelik üzerindeki kaplama içerisinde bulunduğunda saf çinkodan daha düşük bir hızda korozyona uğramaktadır. Tablo 2. Fe-Zn Fazlarının Korozyon Potansiyeli ve Polarizasyon Direnci 24 Numune Korozyon Potansiyeli koroz. (V SCE ) Polarizasyon Direnci P D (ohms) I koroz. ( A) Fe 1 2-0,940-0,940-0,822-0,819-0,772-0,772-0,678-0, ,5 4, Biçimlenebilirlik Çelik sac üzerindeki çinko kaplamaların deformasyon davranışı çeliğin presle şekillendirme işlemlerindeki performansını etkilemektedir. Kaplamadan dolayı, biçimlendirme sırasında sac/kalıp ara yüzeyinde artan sürtünme koşulları malzemenin biçimlendirmeye tepkisini değiştirebilmektedir. Kaplamanın sünekliği, Fe-Zn fazlarının varlığına ve kalınlığına bağlıdır. Kaplamadan ayrılıp kalıp yüzeylerinde toplanan partiküller sürtünme davranışındaki değişikliklerin yanısıra biçimlendirilen parçaların yüzeylerinin de bozulmasına neden olmaktadır. Bu nedenle çinko kaplamanın tavlanması sırasında uygun koşulların yaratılmasıyla biçimlendirme için en uygun yüzey özelliklerini verecek iç yapısal gelişimin sağlanması esastır. Çinko kaplı parçaların biçimlendirilmesi sırasında ortaya çıkan pullanma (flaking) ve tozlaşma (powdering) aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır 25 : -Pullanma: Kaplama kalınlığına yakın boyutta partiküllerin ortaya çıkmasına neden olacak şekilde kaplama-çelik taban ara yüzeyinin ayrılması (Şekil 9-a) -Tozlaşma: Kaplama kalınlığından daha küçük boyutta partiküllerin ortaya çıkmasına neden olacak şekilde kaplama içerisindeki kırılmalar (Şekil 9-b) Genel olarak korozyon hızının düşük olması ve iyi boya yapışma özelliğinden dolayı, laboratuvarda yapılan hızlandırılmış korozyon testleri boyanmış durumdaki tavlı çinko kaplı çelik sacların boya altı korozyonuna (underfilm corrosion) dayanım konusunda yine boyanmış durumdaki yalnızca sıcak daldırmayla çinko kaplanmış ve elektrolitik yöntemle çinko kaplanmış çelik saclardan çok daha iyi olduğunu göstermiştir 24. Yüksek Fe içeriklerinden dolayı boyanmış tavlı çinko kaplama yüzeylerinde oluşturulan çizikler üzerinde kırmızı pas oluşumu gözlenmektedir. Bu oluşumu engellemek ve bu şekilde tavlı çinko kaplamaların görünüm korozyonuna (cosmetic corrosion) karşı dayanımlarını iyileştirmek için kaplamada fazı oranının arttırılması (bu şekilde Fe içeriğinin düşürülmesi) önerilmektedir 24. Boyanmamış durumdaki tavlı çinko kaplamaların korozyon dayanımı konusunda kesin bir şey söylenememektedir 1. Orta şiddetteki endüstriyel ortamlarda tavlı çinko kaplamaların servis ömrü aynı kalınlıktaki çinko kaplamalardan bir miktar daha düşükken, denizsel ortamlarda tavlı çinko kaplamalardaki ağırlık kaybı çinko kaplı olanlardan belirgin ölçüde daha azdır 1. Şekil 9. Pullanma ve Tozlaşma 25,31. Fe-Zn fazları gevrek olduğundan biçimlendirilebilirlik tavlı çinko kaplamalarda önemli bir özellik olarak ortaya çıkmaktadır. Biçimlendirme işlemi sırasında ortaya çıkacak tozlaşma ya da pullanma şeklindeki kaplama kusuru korozyon dayanımı ve boyanabilirliğin de düşmesine yol açacaktır. Biçimlenebilirlik, Ball-Drop, Çift Olsen, 180 o U Bükme, 60 o V Bükme, Ters V Bükme, Swift-Cup, Draw Bead gibi bir çok test yardımıyla değerlendirilmektedir 2,7,26,27,30. Bu testlerle farklı deformasyon modlarında değerlendirme yapıldığından ortaya çıkan farklı sonuçların 408

7 uygulanan test yöntemiyle ilintili olduğu düşünülmektedir 28. Genel olarak, tozlaşma derecesi Şekil 10'da görüldüğü gibi hem kaplamadaki Fe içeriği hem de kaplama ağırlığıyla artmaktadır 2,7,26,27,29. Ancak 550 o C'nin üstündeki tavlama sıcaklıklarında kaplamanın Fe içeriği belirgin bir şekilde değişmemesine karşın tozlaşmada görülen artış iç yapının tozlaşma üzerindeki etkisini belirginleştirmektedir 30. Biçimlendirme sırasında ortaya çıkan çatlaklar fazı/ çelik taban ara yüzeyinde ve fazı/ fazı ara yüzeyinde gözlenmektedir 26,28. Tavlama sırasındaki işlem parametreleri Fe-Zn fazlarının büyüme kinetiğini kontrol etmekte ve bu şekilde kaplamanın iç yapısını belirlemektedir. Kaplama iç yapısı, yani, fazı kalınlığı, Fe içeriği, fazı/ fazı oranı, yüzeydeki fazı miktarı gibi Fe-Zn fazlarının boyut, şekil ve dağılımları tozlaşma karakteristiğini belirlemektedir 8,13,14, Kaynaklanabilirlik Şekil 10. Fe İçeriği ve Kaplama Ağırlığının Tozlaşma Üzerindeki Etkisi 31 Yapılan çalışmalar sonrasında kaplamadaki çatlama derecesinin fazının mevcudiyetine, / fazı oranına ya da bu fazlar içerisindeki Fe dağılımına bağlı olduğu ileri sürülmüştür 7,14,28. fazı Fe-Zn fazları arasındaki en sünek faz iken ve fazları gevrek fazlardır. fazı biçimlendirme sırasında kaplamada ortaya çıkan gerilimlerin bir kısmını giderebilir ve sünek olmasından dolayı tozlaşmaya karşı daha iyi bir dayanım sergiler 28. Ancak, fazıyla artan sürtünme gerilimlerinin bir sonucu olarak, biçimlendirme sırasında yetersiz kalan metal akışından dolayı kaplamadan kitlesel kayıplar (pullaşma) artabilir 7. Bu nedenle, yüzeyde bir miktar fazı ve göz yumulabilecek ölçüde ince ( 1 m) bir fazıyla birlikte ana bileşen olarak fazının bulunduğu bir kaplama iç yapısının pullanma yanında iyi bir tozlaşma dayanımı da sergilediği belirtilmiştir 26. Şekil 11 optimum biçimlenebilirlik özelliklerine sahip bölgeyi göstermektedir. Şekil 11. Biçimlendirme Özellikleriyle Kaplamadaki Fe İçeriği ve Fe-Zn Fazları Arasındaki İlişki 31. Punto kaynağı, yüksek hızda ve düşük maliyette kaliteli birleştirmeler yapabilmesi nedeniyle soğuk haddelenmiş saclar için en önemli birleştirme yöntemi olmaya devam etmektedir. Punto kaynağındaki önemli kriterler kaynaklanabilirlik ve elektrod ömrüdür. İyi birleştirmeler kaynak akımı, elektrod kuvveti ve akış süresi gibi malzemeye uygun kaynak değişkenlerine bağlıdır. Şekil 12'den görülebileceği gibi sıcak daldırmayla çinko kaplanmış çelik saclar tavlı çinko kaplı olanlardan daha yüksek kaynak akımı gerektirmektedir. Ulaşılabilecek seviyeler sıcak daldırmayla çinko kaplanmış çelik saclara göre tavlı çinko kaplı olanlarda daha yüksektir. Şekil 12. Sıcak Daldırmayla Çinko Kaplı ve Tavlı Çinko Kaplı Çeliklerin Punto Kaynaklanabilirliği 2. Çinko kaplı parçaların punto kaynağında, bakır elektrodun çinko ile alaşım oluşturması nedeniyle kaynak elektrodlarının ömrünün azalması önemli bir olgudur 32. Bakır elektrodun çinko ile alaşım oluşturması daha yüksek dirence, elektrod ucunun bozulmasına, bölgesel ısınmaların ve oyuklanmaların artmasına yol açmaktadır 32. Sonuç olarak, düşük uç ömrü, kaynak uçlarını yeniden açmak için duruşları sıklaştırmakta bu ise üretimin düşmesine neden olduğundan imalat maliyetini arttırmaktadır. Punto kaynağında elektrod bozulmasının ana nedeni elektrod ve kaplama ara yüzeyindeki sıcaklığın (800 o C) çinkonun ergime noktasından (419 o C) daha yüksek olmasıdır 6. Kaplamadaki çinko kaynak işlemi sırasında Cu/Cr/Zr alaşımı olan elektrodun bakırıyla pirinç oluşturacak şekilde alaşım yapmaktadır. Elektrodun aktif yüzeyinin çapının 409

8 artmasına yol açan pirincin mekanik özellikleri orijinal elektroddan daha düşüktür. Aktif yüzeyin çapının artması kaynak bölgesindeki akım yoğunluğunu ve oluşan mercimek çapını düşürmektedir. Fe-Zn fazları daha sert ve daha yüksek ergime noktasına sahip olduğundan tavlı çinko kaplamalarda bakır elektrodun alaşım oluşturması daha zordur 33. Bu nedenle tavlı çinko kaplamaların punto kaynağı çinko kaplamalara göre daha iyi olup elektrod ömrü daha yüksektir. White ve arkadaşları 34 tavlı çinko kaplamaların kaynaklanabilirliği üzerine çalışmışlar ve tavlı çinko kaplamalarda elektrod ömrünün temel olarak kaynak akımıyla kontrol edildiğini tespit etmişlerdir. Elektrod ömründeki iyileşme elektrod ucunda boşluk oluşturmaksızın dış bükey bir şekil alan tavlı çinko kaplamanın kendi özelliğinden kaynaklanmaktadır 35. Bu olgu yüksek akım yoğunluğunun korunmasına izin vermekte ve elektrod ömrünün artmasına yol açmaktadır Boyanabilirlik Galvaniz kaplamalar sıklıkla olduğu gibi kullanılmalarına karşın bazı uygulamalar boyalı bir yüzey gerektirmekte ve bu durumda boyanabilirlik kaplanmış sac için önemli bir tasarım kriteri haline gelmektedir. Büyük çiçeksi görünümlü kaplamanın boyanması zordur. Bu yüzden çoğu boyanmış ürün ya çiçeksi görünümü en aza indirilmiş ya da temper haddeden geçirilmiş kaplamadır. Tavlı çinko kaplamalar mikro ölçekte pürüzlü ve gözenekli yüzeyleriyle boya için mükemmel bir taban oluşturmaktadır 1,36. Bunun yanında tavlı çinko kaplamalardaki krater oluşumlarının boyanın mekanik olarak tutunmasında olumlu bir rol oynayacağı belirtilmektedir 2. Korozyondan koruma için çoğu boya uygulamasında karmaşık kaplama kompozitleri kullanılmaktadır. Bunlar, çinko kaplamaya ek olarak, çinko fosfat ya da krom oksit tabakasını, birinci ve üstündeki boya katlarını içermektedir. Çoğu zaman boyama kimyasal ön işlemlerin (çinko fosfat ya da krom oksit) üzerine yapılmaktadır. Otomativ endüstrisinde, otomobil gövdeleri bu şekildeki ön işlemin ardından birincil olarak bir elektroforetik boya (e-kaplama) ile kaplanmaktadır. Bu nedenle, e-kaplamada ortaya çıkabilecek krater oluşumuna 37 karşı dayanım önemli bir özellik olmaktadır. Yüksek e-kaplama voltajlarında, biriken boya filminin dielektrik özellikleri aşmasının bir sonucu olarak ortaya çıkan kıvıcım bölgesel ısınmalara yol açarak boyanın önceden kürlenmesine neden olmaktadır 6. Sonuç, boya tabakasında gözle görülebilen ve dış yüzeyler için kabul edilemeyen küçük deliklerin ortaya çıkmasıdır. Tavlı çinko kaplamaların krater oluşumuna duyarlılıkları kaplama yüzeyinde belirli bir miktar fazı bırakılarak yok edilebilmektedir KAYNAKLAR 1 P. E. Schnedler, "Alloying Improves Paintability of Zinc Coatings", Metal Progress, 99 (1971)80. 2 A. Van der Heiden et al., "Galvanneal Microstructure and Anti-Powdering Process Windows", The Physical Metallurgy of Zinc Coated Steel, ed. A. R. Marder, The minerals, Metals & Materials Soc., 1993, p Y. Hisamatsu, "Science and technology of Zinc and Zinc Alloy coated Sheet Steel", GALVATECH '89, The Iron and Steel Institute of Japan, 1989, p H. Kawaguchi, Y. Hirose, "Structural Control of Galvannealed Alloy Layer by Adding Mn to Galvanizing Bath", The Physical Metallugy of Zinc Coated Steel, ed. A.R. Marder, The Minerals, Metals &materials Soc., 1993, p T. Nakamori, Y. Adachi, M. Arai, A. Shibuya, "Coating Adhesion and Interface Structure of Galvannealed Steel", ISIJ International, Vol. 35 (1995), No. 12, p G. Beranger, G. Henry, G. Sanz, "The book of Steel", ed. Intercept Ltd., C. Kato, H. Koumura, Y. Uesugi, K. Mochizuki, "Influence of Phase Composition on Formability of Galvannealed Steel Sheet" The Physical Metallugy of Zinc Coated Steel, ed. A.R. Marder, The Minerals, Metals &materials Soc., 1993, p C. E. Jordan, A. R. Marder, "Morphology development in Hot- Dip Galvannealed Coatings", Met. Mater. Trans., 1994, 25a, p C. E. Jordan, A. R. Marder, "A model for Galvanneal Morphology Development", The Physical Metallurgy of Zinc Coated Steel, ed. A. R. Marder, The Minerals, Metals & Materials Soc., 1993, p C. Coffin, S. W. Thompson, "Galvannealing of Interstitial- Free Sheet Steels Strengthened by Manganese, Silicon, or Phosphorous: An Inıtial Study", The Physical Metallurgy of Zinc Coated Steel, ed. A. R. Marder, The minerals, Metals & Materials Soc., 1993, p A. R. P. Ghuman, J. I. goldstein, "Reaction Mechanisms for the Coatings Formed During Hot Dipping of Iron in 0 to 10 Pct Al-Zn Baths at o C", Met. Trans, 1971, 2a, J. S. Kikaldy, M. Urednicek, "Mechanism of Iron Attack İnhibition Arising from Additions of Aluminum to Liquid Zinc(Fe) during Galvanizing at 450 o C", Z. Meallkde, 1973, 64, C. E. Jordan, K. M. Goggins, A. R. Marder, "Interfacial Layer development in Hot-Dip Galvanneal Coatings on Interstititial-Free (IF) Steel", Met. Trans., 1994, 25a, Y. Hisamatsu, "Science and Technology of Zinc and Zinc Alloy Coated Sheet Steel", GALVATECH '89, The Iron and Steel Institute of Japan, 1989, p C. E. Jordan, K. M. Goggins, A. R. Marder, "Kinetics and Formability of Hot-Dip Galvanneal Coatings", GALVATECH '92, Stahl und Eisen, 1992, p A. Stadlbauer, F. Rubenzucker, K. Zeman, E. Fuhrmann, J. Faderl, L. Schönberger, "A New Galvannealing Process Controller", GALVATECH '95, Iron and Steel Society, 1995, p T. Kanamaru, M. Nakayama, "Alloying Reaction Control in Production of Galvannealed Steel", Mater Sci Res Int, 1995, 1, S. Hayes, "Morphology Development of Galvannealed Coatings Based on Steel Substrate Chemistry and Processing Parameters", M.S. Thesis, M. Uraki, M. Terada, M. Yamaguchi, S. Nomura, CAMP- ISIJ 1988, 1, N. Y. Tang, "Thermodynamics and Kinetics of Alloy Formation in Galvanized Coatings", Zinc-Based Coating Systems: Production and Performance, ed. F. E. Goodwin, TMS, 1998, p

9 21 J. Inakaki, M. Sakurai, M. Yamashita, "Metallurgical Viewpoints for Producing IF Base Galvannealed Steel Sheets with Good Press Formability", IF Steel 2000 Proceedings, p A. R. Marder, "Zinc Coating of Interstitial-Free Steel Sheet", Proceedings of Conference on Interstitial-Free Steel Sheet: Proceedings, Fabrication and Properties, Metallurgical Society of CIM, 1991, J. Inagaki, M. Sakurai, T. Watanabe, "Alloying Reactions in Hot Dip Galvanizing and Galvannealing Process", ISIJ International, Vol. 35 (1995), No. 11, p H. H. Lee, D. Hiam, "Corrosion Resistance of Galvannealed Steel", Corrosion, Vol. 45, No. 10, p S. H. Deits, D. K. Matlock, "Formability of Coated Sheet Steels", Zinc-Based Coating Systems: Metallurgy and Performance, ed. G. Krauss, D. K. Matlock, TMS, 1990, p A. T. Alpas, J. Inakagi, "Effect of Microstructure on Fracture Mechanism in Galvannealed Coatings", ISIJ International, Vol. 40, (2000), No. 2, p J. Angeli, J. Faderl, J. Gerdenitsch, "Identification of Zinc- Iron Phases on Galvannealed Steel Sheets", The Physical Metallurgy of Zinc Coated Steel, ed. A. R. Marder, The minerals, Metals & Materials Soc., 1993, p M. F. Shi, G. M. Smith, M. Moore, D. J. Meuleman, "Galvannealed Coating Optimized for Coating Adhesion Through Dies", Zinc-Based Coating Systems: Metallurgy and Performance, Ed. G. Krauss, D. K. Matlock, The Minerals, Metals & Materials Soc., 1990, p H. Kawaguchi, Y. Hirose, "Structural Control of Galvannealed Alloy Layer by Adding Mn to the Galvanizing Bath", The Physical Metallurgy of Zinc Coated Steel, ed. A. R. Marder, The minerals, Metals & Materials Soc., 1993, p S. Chang, "Characterization and Development of Fe-Zn Alloyed Coating Layer", Zinc-Based Coating Systems: Metallurgy and Performance, Ed. G. Krauss, D. K. Matlock, The Minerals, Metals & Materials Soc., 1990, p "Introduction of Mitsubishi Continuous Galvanizing Line & Continuous Annealing Line for Eregli Demir Çelik Fabrikaları T. A. Ş.", Mitsubishi Heavy Industries Ltd., J. E. Gould, M. Kimchi, "Challenges in Welding New Sheet Steel Products", 33 rd MWSP Conference Proceedings, ISS-AIME, Vol.XXIX , p W. Warnecke et al., "Modern Hot Dip Coated Sheet Steel - Processing, Coating Characteristics and Fabricating Properties", Zinc-Based Coating Systems: Metallurgy and Performance, Ed. G. Krauss, D. K. Matlock, The Minerals, Metals & Materials Soc., 1990, pp C. L. White, F. Lu, M. Kimchi, P. Dong, "Resistance Welding Electrode Wear on Galvannealed Steels", Zinc-Based Coating Systems: Production and Performance, ed. F. E. Goodwin, TMS, 1998, p T. Sakiyama, "Elektrode Tip Life of Hot-Dip Galvannealed Steel", CAMP-ISIJ, 1990, 3, Surface Engineering, ASM Handbook, Vol. 5, ASM International, T. Irie, "Development of Zinc-Based Coatings for Automotive Sheet Steel in Japan", Zinc-Based Coating Systems: Metallurgy and Performance, Ed. G. Krauss, D. K. Matlock, The Minerals, Metals & Materials Soc., 1990, p