ONTWERPREGELS VOOR HET VERZINKEN VAN STAAL

Transcriptie

1 ONTWERPREGELS VOOR HET VERZINKEN VAN STAAL K. van Niekerk, K. Prins, R. Meertens & J.R. Meijer Wanneer een ontwerper een opdracht krijgt voor het vervaardigen van een product die onderhevig is aan het buitenklimaat, en tevens geconstrueerd wordt met behulp van staal, dan zal hij/ zij zeker te maken krijgen met het aanbrengen van een corrosiewerende laag op het staal. In veel gevallen bestaat deze laag uit zink. Zink is met behulp van verschillende methodes redelijk goed aan te brengen op staal, het beschermd staal geruime tijd tegen corrosie, en het heeft een mooi uiterlijk. De ontwerper moet in de wirwar van verzinkmethodes en verschillende factoren, die de zinklaagdikte bepalen, zich een weg banen tijdens het ontwerpproces. Vandaar dat er door vier studenten van de T.U. Delft besloten is van deze wirwar aan informatie een bruikbaar systeem te maken. De informatie die de ontwerper nodig heeft wordt aan de hand van tabellen, constructieve wenken en een stappenplan samengebundeld tot een model waarin de ontwerper snel zijn weg vindt. ANALYSE VAN HET VERZINKEN De methodes van verzinken Zink kan met behulp van vijf verschillende methodes worden aangebracht op staal: Thermisch Loonverzinken Thermisch Continuverzinken Sherardiseren Shooperen Elektrolytisch verzinken Afhankelijk van de grootte van het product wat verzinkt dient te worden, de seriegrootte en de kwaliteit, wordt de methode gekozen. Zo worden bouten en moeren, door hun grote aantal en het hebben van schroefdraad geshardiseerd, en zo wordt op siervoorwerpen een dunne zinklaag aangebracht die een fraai uiterlijk heeft, waar elektrolytisch verzinken weer uitermate geschikt voor is. Echter de methode die het meest gehanteerd wordt is het thermisch loonverzinken. Niet alleen blijkt dit al uit de hoeveelheid van verzinkbedrijven die met zinkbaden werken, maar ook de goede eigenschappen die het thermisch verzinken met zich meebrengt, zijn een goede indicatie van de populariteit van deze methode. De goede hechting, de hoge weerstand tegen mechanische belasting, en de goede slagvastheid zijn er een paar van. Het is om deze populariteit dat er gekozen is om deze methode verder uit te werken in een model, waaruit de ontwerper zijn ontwerpregels kan halen. De noodzaak van ontwerpregels Het ontwerpen van producten is een complex systeem van eisen en wensen, waar de ontwerper rekening mee moet houden. Hij moet daarom veel informatie tot zich nemen, niet alleen in het begin van de productontwikkeling, maar ook tijdens. Kan hij/ zij in een vroeg stadium de problemen analyseren, dan zal de kans op problemen in een later stadium een stuk kleiner zijn. Dit zal tijdens de productontwikkeling aanzienlijk tijd en geld kunnen besparen. Ook tijdens de optimalisatie zal de ontwerper snel een overzicht moeten hebben van gegevens, die hem/ haar helpen het product te realiseren. Ontwerpregels zijn hierbij een graag gezien hulpmiddel 1

2 WAT IS THERMISCH LOONVERZINKEN? Een van de karakteristieke aspecten van het loonverzinkte product is de dikke zinklaag c.q. het hoge zinklaaggewicht. Een laagdikte tussen 45 µm en 120 µm is normaal: de laagdikte is afhankelijk van de badtemperatuur, de dompeltijd, de materiaaldikte, de oppervlaktegesteldheid en de samenstelling van het staal, zodat aanzienlijk dikkere lagen kunnen voorkomen. De maximale lengte van een loonverzinkt product is 27 m, i.v.m. de grootte van het zinkbad. De maximale badgrootte is 15 meter. De producten zijn zilverkleurig met zinkbloemen en ze kunnen goed geschilderd worden. Proces Het loonverzinken bestaat uit de volgende processtappen: Allereerst vindt er een dompelontvetting plaats in een sterk alkalische oplossing met en temperatuur van 70-80º Vervolgens wordt het object gespoeld in water Daarna wordt het object gebeitst in een ca. 14 % zoutzuuroplossing met beitsrem ter voorkoming van overbeitsing. Door dit beitsen worden de aanwezige roest en walshuid verwijderd. Tenslotte wordt het object in water gespoeld, waarna het verzinken zelf kan plaatsvinden. Hiervoor moet het te verzinken object eerst nog voorzien worden van een flux-laag (zinkammoniumchloride). De fluxlaag moet zorgen voor een goede benatting van het staal door het gesmolten zink. Hiervoor zijn twee processen in gebruik, te weten: nat verzinken en droog verzinken. Bij droog verzinken wordt het object eerst in een fluxoplossing gedompeld, waarna de fluxlaag moet drogen. Vervolgens kan het object nu in een zinkbad gedompeld worden. Doordat de objecten geheel in het zinkbad worden ondergedompeld, omsluit het vloeibare zink het object geheel waardoor het zowel in- als uitwendig tegen corrosie wordt beschermd. Dit laatste geldt ook voor natverzinken. Bij nat verzinken wordt het te verzinken object in het zinkbad via een op het bad liggende fluxdeken gedompeld. Slechts een deel van het badoppervlak is bedekt met een fluxdeken. Op het andere deel van het bad bevindt zich geen fluxdeken en dat deel wordt gebruikt om het object uit het bad te hijsen. Tenslotte wordt het object uit het bad gehesen en gekoeld aan de lucht of in water, net als bij droog verzinken. Resultaten van het proces Een goed loonverzinkt object heeft een mooi zilverglanzend uiterlijk, dat na verloop van tijd door verwering doffer wordt. Plaatselijke oneffenheden doen geen afbreuk aan de bescherming tegen corrosie. De weerstand tegen slijtage van thermisch verzinkte objecten is hoog door de gevormde legeringslagen, die vaak harder zijn dan het onder de lagen aanwezige staal. De lagen zijn de volgende: gamma- of hechtingslaag, delta- of palissadelaag, zèta-laag èta- of stollingslaag. Het ijzerpercentage in de lagen van het staaloppervlak neemt af naar buiten toe. DUPLEXSYSTEMEN In veel gevallen wordt het verzinkte staal voorzien van een extra laagje. Het verzinken en daarna verven van het staal wordt tezamen een duplexsysteem genoemd. Dit soort systemen worden gebruikt om het staal een extra lange levensduur te geven (verhoging van 1,5 tot 2 maal), of omdat de constructie in een agressief milieu staat. Zo zorgt een industrieklimaat voor een zinklaagafname van 4 tot 10 µm per jaar, in tegenstelling tot een afname kleiner dan 1 µm binnenshuis. Natuurlijk wordt het duplexsysteem ook veel gebruikt om het staal van een mooi kleurtje te voorzien. 2

3 ONTWERPREGELS Constructieve wenken De geometrie van het te verzinken product is van groot belang voor het goed verlopen van het verzinkproces. Er is een indeling van drie typen constructies, waar aandacht aan moet worden besteed: Buis en holle constructies Constructies die bestaan uit vlakke plaat Gelaste constructies Bij buisconstructies moet men rekening houden dat het vloeibaar zink er snel kan toe en wegvloeien. Dit bevordert de kwaliteit van het verzink werk en voorkomt eventuele vervorming. Men moet rekening houden met gaten van 3/4 van de profielmaat van de constructie voor een goede en snelle toe-/afvoer. Ook dienen deze toe en afvoer gaten op de juiste plaats aangebracht te worden. Het is levensgevaarlijk wanneer sporen vocht in afgesloten ruimten achterblijven. Bij de verzink temperatuur wordt overhitte stoom gevormd met drukken tot enige honderden Bar, waardoor gevaar voor explosie bestaat. Bij grotere objecten zoals tanks en vaten moeten in- en uitstroom openingen diagonaal tegenover elkaar aangebracht worden. De gaten moeten een minimale diameter van 100 mm hebben voor elke 0,5 kubieke meter inhoud van het vat. Ieder van deze indelingen zijn voorzien van "goed-fout-plaatjes". In één oogopslag is te zien waar de ontwerper rekening mee moet houden. Dit helpt hem/ haar tijdens de optimalisatie van het product. Tevens wordt aan het onderdeel "constructieve wenken" nog enkele tips toegevoegd, die de ontwerper dient te weten. Deze tips voorkomen dat bepaalde wensen van de ontwerper niet uitvoerbaar zijn. Tips over merktekens, ophanggaten, lassen, schroefdraad, enzovoort. Als voorbeeld is de tip toegevoegd dat er voor gezorgd dient te worden dat bij bewegende delen 1 a 3 mm vrije ruimten aanwezig is, waardoor vastkleven wordt voorkomen. Praktische wenken De uiteindelijke laagdikte is afhankelijk van drie belangrijke gegevens, namelijk De materiaaldikte De levensduur De klimaatomstandigheden. 3

4 Met behulp van een handig te gebruiken stappenplan wordt de ontwerper geleidt door de verschillende aspecten waarmee hij/ zij rekening moet houden om tot een juiste materiaaldikte te komen. Stappenplan in het kort: 1. Bepaal de constructie 2. Bepaal het soort klimaat milieu: Zinklaagafnam e (µm/ jaar) 1.) Beschermingsduur in jaren bij een zinklaagdikte van: 2.) Binnenshuis < 1 70 µm *3.) 120 µm *3.) Platteland Stad Kust (vanaf meer dan 300 m v/h strand) Industrie ) In de meeste gevallen zal de jaarlijkse zinklaagafname binnen de opgegeven grenzen liggen. Incidentieel, afhankelijk van lokale omstandigheden, kan de afname hoger zijn. 2.) De beschermingsduur is berekend uit de jaarlijkse zinklaagafname. 3.) * betekent dat de beschermingsduur praktisch oneindig is. 3. Bepaal mogelijke laagdikte 4. Bepaal benodigde laagdikte, aan de hand van de formule 5/4 * levensduur * afname per jaar 5. Aan de hand van het verschil tussen benodigde en mogelijke laagdikte worden adviezen gegeven wat betreft de mogelijkheden tot het komen van acceptabele laagdiktes. 6. Op het eind worden nog prijsindicaties gegeven die de ontwerper helpen een uiteindelijk kosten plaatje te maken HET PRODUCT Uit het onderzoek is een opzet voor een ontwerpsysteem ontwikkeld, waarmee de ontwerper stap voor stap de informatie die hij nodig heeft kan langsgaan, zodat hij/ zij in aanzienlijk korte tijd het hele principe van verzinken kan overzien. Ten eerste helpt de tabel de ontwerper te kiezen tussen de verschillende verzinkmethodes. Daarna kan hij/ zij aan de hand van constructieve wenken de geometrie van het product bepalen. En tenslotte kan met behulp van het stappeplan een acceptabele zinklaagdikte gekozen worden, en heeft de ontwerper een indicatie van hoeveel het gaat kosten. Natuurlijk geeft dit geen uitsluitend en duidelijk beeld van het verzinken. Zo zijn de andere vier methodes niet uitgewerkt. Dit "product" is een opzet voor een uitgebreid systeem die alle methodes omvat, en eventueel in een computermodel samengebracht kan worden. Misschien komt het er dan nog van dat de ontwerper met een enkele druk op de "enter"-toets een kant en klare opzet heeft van hoe het product verzinkt dient te worden. 4

5 Figuur 1 Stappenplan GERAADPLEEGDE LITERATUUR Tijdschrift "Oppervlaktetechnieken en corrosiebestijding": Ing. F. Sjoukes, Ing. G.J. Lolling, van Oeteren, Dhr. G.H.J. Reimerink, J.O'Grady, C. Stouten, Ing. R.I. de Jong, A.F.P.M. van Veggel, Dr. Klaus Wittel, T. van der Klis, C. van Rijn Verzinkerij Weert (bezoek), plus folder "Een uitgesproken visie op corrosieweerstand, Verzinkerij Weert ElectroCoat" Stencils van Bammens B.V., Maarssen, plaatwerkerij en verzinkerij, en folder "Sherardiseren" Publicaties van de Stichting Doelmatig Verzinken, "Thermisch verzinkt staal in de industrie" en "Thermisch verzinkt staal", "Constructieve wenken voor thermisch te verzinken onderdelen en constructies", "Zink op staal, duurzame bescherming van staal tegen corrosie", folder Stichting Doelmatig verzinken. Publikatie "Koudverzinken, een technisch ontoelaatbaar begrip", door Ing. A.L. van Veen NEN-normen: 915, 1275, 1332, 5253, NPR 5254, ISO (E) 5