The Influence of Cutting Metal Elements on The Nature and Corrosion Resistance of The Zinc Coating

Sylwia Wȩgrzynkiewicz

Doctoral thesis

Abstract:

Cięcie gazowe (PAT) należy do najbardziej popularnych i ekonomicznych procesów kształtowania elementów. W pewnych przypadkach, np. w cynkowaniu ogniowym może spowodować trudności z uzyskaniem wymaganej grubości i przyczepności powłok cynkowych. Determinuje to ich odporność oraz wpływa na czas eksploatacji wyrobów. W praktyce problem jakości powłok Zn jest znaczący, szczególnie jeżeli chodzi o zabezpieczenie przed korozją elementów osprzętu sieciowego do elektroenergetycznych linii napowietrznych. Celem pracy jest określenie metody kształtowania i przygotowania elementów osprzętu sieciowego gwarantującej uzyskanie powłoki cynkowej o równomiernej grubości i wysokiej odporności korozyjnej. Do badań wybrano osprzęt sieciowy do elektroenergetycznych linii napowietrznych - łączniki. Obiektem zainteresowania badawczego był łącznik dwuuchowy płaski typu SLINK 626502006 produkcji BELOS-PLP S.A wykonany ze stali S355JR. Celem udowodnienia tezy pracy podjęto badania, które ukierunkowane były na: • wskazanie przyczyn zróżnicowania grubości powłoki Zn na elementach ciętych termicznie, • analizę kinetyki wzrostu powłoki cynkowej na powierzchniach ciętych różnymi sposobami, • wyeliminowanie zróżnicowania grubości powłoki przez zastosowanie innego od dotychczas stosowanych sposobu cięcia (strumień wody, laser) oraz dokładne oczyszczenie powierzchni przed cynkowaniem (elektropolerowanie, szlifowanie), Badania podzielono na dwie części: badania wstępne i zasadnicze. Badania wstępne dotyczyły aktualnie prowadzonego procesu produkcji osprzętu sieciowego. Ich celem była ocena stanu obecnego - sformułowanie problemu oraz wskazanie przyczyn zróżnicowania grubości powłoki cynkowej na powierzchni łącznika kształtowanego przez cięcie gazowe (PAT). Na podstawie wyników badań wstępnych wyznaczono kierunki badań zasadniczych. Badania zasadnicze przeprowadzono w dwóch etapach. W pierwszym etapie oceniano wpływ różnych sposobów cięcia na strukturę i odporność korozyjną powłoki cynkowej. Do porównania z cięciem gazowym (PAT) wytypowano z metod termicznych: cięcie laserem, a nietermicznych: cięcie strumieniem wodno-ściernym. W drugim etapie badano wpływ dodatkowej obróbki po cięciu gazowym (PAT) na strukturę i odporność korozyjną powłoki cynkowej. Porównywano następujące rodzaje obróbki: wyżarzanie normalizujące, szlifowanie i elektropolerowanie. Po cięciu i dodatkowej obróbce technologicznej badany materiał poddano obróbce strumieniowo - ściernej i obróbce chemicznej. Proces cynkowania wykonano w warunkach przemysłowych w stosując stałe parametry: temp. 457oC, czas zanurzenia t=2,5min. Stwierdzono, że istnienie strefy wpływu ciepła w materiale po cięciu PAT i, w konsekwencji, większa twardość mogą mieć wpływ na tempo dyfuzji na krawędzi stal / powłoka. Jest to efekt rozpuszczania, które wpływa na wzrost powłoki cynkowej. Zmniejszenie szybkości dyfuzji żelaza ze stali do powłoki Zn na powierzchni ciętej PAT jest prawdopodobnie przyczyną mniejszej grubości oraz zróżnicowania podwarstw. Ma to związek ze zmniejszeniem rozpuszczalności stali, co wynika z charakteru warstwy wierzchniej po cięciu PAT. Wyniki przeprowadzonych badań są podstawą doboru właściwych rozwiązań w zakresie usunięcia wad powłoki cynkowej powstającej na powierzchniach stalowych ciętych termicznie. Mogą być wykorzystane przez biura projektowe oraz zakłady świadczenia usług cynkowniczych, jak również przez firmy zajmujące się produkcją osprzętu sieciowego.

Abstract:

Oxy-acetylene blowpipe cutting (OAB) belongs to one of the most popular and economic methods of elements formation. In particular cases, e.g. in hot-dip galvanizing, it may cause difficulties with achieving the required thickness and adhesiveness of zinc coatings. It determines their corrosion resistance and the period of their exploitation. In practice the problem of zinc coatings quality is significant, especially taking into consideration the corrosion protection of network equipment elements used in electrical overhead power lines. The aim of the dissertation is to determine the method of cutting and preparing fittings for overhead power lines guaranteed to obtain zinc coating of a uniform thickness and high corrosion resistance. The research was focused on a double eye link type SLINK 626502006 made of S355JR steel. The research will be conducted in a few directions: •indication of the reasons for the diversification of the Zn coating thickness achieved on the surface shaped by thermal cutting, •determining the growth kinetics of the Zn coating on the surfaces cut by various methods, •elimination of the coating thickness diversification by application of other (apart from OAB) cutting method (water-abrasive, laser), more thorough cleaning of the steel surface area before galvanizing (electropolishing, grinding). The study was divided into two parts: preliminary and fundamental. Preliminary research was based on the current production process of links fittings for overhead power lines (double-eye links). The aim was to evaluate the current situation - the formulation of the problem and the causes of a difference in thickness of the zinc coating on the surface shaped by OAB cutting. Based on the results of preliminary studies, the directions of the fundamental research were determined. Fundamental research was conducted in two stages. In the first stage the influence of cutting on the nature and corrosion resistance of the zinc coating was evaluated. For comparison with the OAB cutting methods: laser cutting and abrasive water-jet cutting were selected. In the second stage the aim was to determine the effect of additional treatment performed after the OAB cutting on the structure and corrosion resistance of the zinc coating. For comparison, normalizing annealing, grinding and electropolishing were applied. After cutting and additional technological treatment prepared materials were subjected to an abrasive blasting – steel and chemical treatment. The hot – dip Zn galvanizing process was conducted in industrial conditions. Parameters were fixed (temperature 460oC,dipping time 2,5min). It has been proved that the existence of HAZ in the OAB cutting material and, as a consequence, bigger hardness have an impact on the diffusion pace on the edge of steel/coating, and on the processes of substrate melting which assist zinc coating growth. The reduced iron diffusion rate to Zn coating on the cut side surface is probably the reason of both thickness of the entire coating and its individual sublayers diversification due to the reduction of the solubility of the steel basis resulting from the creation of HAZ zone. The results of the conducted research are the grounds for the selection of proper solutions in order to remove zinc coating failures, which occur on steel surfaces after thermal cutting. They may be used by design offices and galvanizing plants, as well as by companies producing fittings for overhead power line.

Keywords

Cięcie strumieniem wodno-ściernym, ciecie laserem, cięcie PAT, wyżarzanie normalizujące, szlifowanie, elektropolerowanie, Strefa Wpływu Ciepła, obróbka mechaniczna, obróbka chemiczna, śrutowanie, odporność korozyjna, struktura powłoki cynkowej, cynkowanie ogniowe, twardość, stal S355JR, osprzęt

Keywords

Water-abrasive cutting, laser cutting, OAB cutting, normalizing annealing, grinding, electropolishing, Heat Affected Zone, mechanical treatment, shotblasting, chemical treatment, corrosion resistance, zinc coating structure, zinc coating thickness, hot dip zinc galvanizing, hardness, S355JR steel, fittings, network equipment

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 5. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 15. 7. 2015
• Supervisor: Jitka Podjuklová
• Reader: Stanislav Lasek, Jarmila Ševčíková, Kateřina Kreislová

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Strojírenská technologie