Az acélminőség hatása a bevonat tulajdonságaira

Írásunkat egy olyan kérdés tárgyalásával kezdjük, mely egy teljesen „soha” el nem végzett feladata a tűzihorganyzó vállalatoknak és a nemzeti szövetségnek. Ennek elsődleges oka, hogy mindig új és új vállalatok, szakemberek kerülnek kapcsolatba a technológiával, de a már gyakorló „horganyoztatók” esetében is mindig akad csiszolnivaló a még jobb termékminőség érdekében. Az acélszerkezetek gyártói (mint a védelem megrendelői) és a horganyzóüzemek között talán a leggyakrabban felmerülő kérdés a tűzihorganyzáshoz optimális acélminőségek megválasztása.
Még mielőtt olvasóink közül bárki valami különleges, nehezen teljesíthető követelményre gondol, kijelentjük, hogy a legtöbb szerkezeti acél, sőt az öntöttvasak is tűzihorganyozhatók, és horganyrétegeik megfelelő védelmet nyújtanak a korrózió támadásaival szemben. Az viszont természetesen nem mindegy, hogy a rajtuk képződött védőbevonatoknak milyenek a tulajdonságai és hogyan alakul a bevonatképzés költsége. A mérnöki szempontok (a tűzihorganyzott szerkezet műszaki jellemzői) mellett ma már nagy jelentőségük van a piaci követelményeknek (esztétika és gyártási költségek). Nézzük, mit is mond erről az EN ISO 14713-2:2009 előírás [1] 6.1 pontja:
„A legtöbb acél az EN ISO 1461 szabványnak megfelelően tűzihorganyozható, így például az ötvözetlen acélok (lásd pl.: EN 10025-2), a finomszemcsés acélok (lásd pl.: EN 10025-3 és EN 10025-4), a nemesíthető acélok, melegen hengerelt zártprofilok (lásd pl.: EN 10210-1), hidegen hajlított zártszelvények (lásd pl.: EN 10219-1), betonacélok (lásd pl.: EN 10080), acélminőségek a kötőelemek számára (lásd pl.: ISO 898), valamint szürke (lásd pl.: EN 1561) vagy temperöntvények (lásd pl.: EN 1562).”
A fentiektől eltérő vagy bizonytalan acélminőségek esetében a tűzihorganyzótól célszerű próbahorganyzást kérni, ennek az üzemek díjtalanul és szívesen tesznek eleget. Erősen ötvözött és kéntartalmú
automataacélok általában nem megfelelőek az eljárásra.
A fent felsorolt horganyozható acél-minőségeken „belül” is végezhetünk csoportosításokat annak megfelelően, hogy a kialakuló védőréteg tulajdonságai milyenek lesznek. A képződő horganybevonat ugyanolyan vastagságú darabon lehet fényes és még kellően vastag, tetszetős, de lehet túlzottan vastag, érdes és matt szürke is (1–3. ábra).

A képeken jól látható, hogy esztétikai szempontból sem azonosak az egyes fémrétegek. Ezt a kérdést részben érintettük cikksorozatunk első részében, ezért részletesebben itt nem foglalkozunk vele. Ám fontos megjegyeznünk, hogy a fényes és szürke bevonatok korrózióállóság szempontjából egyenértékűnek tekinthetők. Az esztétika és gazdaságosság érdekében a továbbiakban tekintsük át a tűzihorganyzás szempontjából fontos acélminőségeket (1. táblázat).

A táblázat szerint az A típusú acélok esetében optimális bevonatot nyerünk, mely fényes, esztétikus és gazdaságos, tehát leginkább piacképes. A B típusú acélösszetételek esetében szintén még tetszetős és gazdaságos védőrétegekkel számolhatunk, de az acél szilíciumtartalmának növekedésével (→0,25%) egyre vastagabbak lesznek a horganyrétegek, és már szürke felületek is kialakulhatnak. A C és D típusú acélminőségek (ún. reaktív acélok) esetében általában vastag és legtöbbször sötétebb árnyalatú (matt szürke vagy leopárdmintás), érdes fémrétegekkel számolhatunk. Ezeket az acélokat azért nevezik szakmai körökben reaktív acéloknak, mert a horganyzási folyamat során nagyon intenzív reakciók játszódnak le a horganyolvadék és a vas (acél) között, s ennek eredményeképpen nagyon vastag horganyrétegek képződnek a tárgyfelületen. Ilyenkor vastagságuk akár 3-4-szerese is lehet, mint a megkívánt minimális érték, emiatt egyre többe kerül, ezért a piac általában nem igényli és nem is „finanszírozza” meg, azaz veszteséget jelent a gyártónak. Ennek megfelelően például 3-4%-os horganyfelvétel helyett akár 6-8%-os értéket is elérhet a szerkezet tömegnövekedése, s ezt természetesen ki kell fizetni a horganyzónak. Gondoljuk csak meg, hogy egy több száz tonnás létesítmény esetén ez mekkora veszteséget vagy éppen megtakarítást jelenthet. (A bevonatképződés mechanizmusával kapcsolatban bővebb információkat a Sínek Világa 2013/1. számában, a cikksorozat 1. része tartalmaz.)
Az acélok gyártói nagy mennyiségben gyártják a tűzihorganyzásra optimális acélminőségeket, melyeket már az acélszerkezet tervrajzaira célszerű felvezetni,és ennek megfelelően kell rendelni az acélt a kereskedőtől. Ez semmiféle felárat nem jelent, mert szokásos tömegacélokról van szó, csupán az acélszerkezetek gyártóitól követel meg nagyobb odafigyelést. Ennek a többletfigyelemnek a jutalma esztétikus, fényes és a lehető leggazdaságosabb horganybevonat lesz.

Konstrukciós ajánlások

Alfejezetünkkel elérkeztünk ahhoz a ponthoz, amelynél elsősorban az acélszerkezetek tervezőinek vannak fontos feladatai. Először is azt ajánljuk, hogy aki teheti, látogasson el egy tűzihorganyzó üzembe, és az ott szerzett gyakorlati tapasztalatokat felhasználva nagyon könnyen képes lesz a technológiához alkalmas szerkezeti megoldásokat tervezni, illetve gyártani.
Mielőtt az irányelvek taglalásába kezdünk, röviden összefoglaljuk a tűzi úton felvitt horganybevonatok technológiájának legfontosabb hatásait, melyek miatt néhány egyszerű tervezési (és gyártási) szempont betartása szükséges (2. táblázat).

Az alábbiakban röviden ismertetjük a 2. táblázat szerinti hatások miatti legfontosabb tudnivalókat. Megjegyezzük, hogy még részletesebb információkat az MSZ EN ISO 14713-2:2010 és az MSZ EN ISO 1461:2010 szabványban, szakmai kiadványokban, illetve a Magyar Tűzihorganyzók Szervezete honlapján (www.hhga.hu), valamint a tűzihorganyzó vállalatoktól kaphatnak.

A tűzihorganyzásra kerülő termékek méretei

A termékméretek meghatározásánál két tényezőt szükséges vizsgálni:

1. az acélszerkezeti elemek befoglaló méreteit,
2. a legnagyobb darab tömegét.

A legelső szabály, hogy az acélszerkezeti darabok teljes felületének (külső-belső) érintkeznie kell az előkezelő folyadékokkal (lásd: Sínek Világa 2013/1.). Ennek hiányában a horganyolvadékban nem jön létre a bevonat. Fontos, hogy az acélszerkezetek tervezése előtt tájékozódjunk a rendelkezésre álló horganyzókád legnagyobb technológiai méretéről. A kádak belső mérete nem azonos a szabadon felhasználható méretekkel, s ennek technológiai okai vannak. A 4. ábrán mutatjuk be a szokásosan alkalmazható méreteket.

A horganyzókádak belső méretei általában összhangban vannak az előkezelő sorban levő technológiai kádak méreteivel, de javasoljuk ennek ellenőrzését is.
A legnagyobb acélszerkezeti elem tömege nem haladhatja meg a horganyzóüzem emelőberendezéseinek (darurendszer) teherbírását. Ezt a bevonást végző vállalattal még a tervezési fázisban tisztázni kell.

A szerkezetek konstrukciója

A témakör alapos tárgyalása messze meghaladná cikkünk terjedelmi keretét, ezért csak a legfontosabb iránymutatásokra térünk ki. Ennél részletesebb információkkal csak az idevonatkozó kézikönyvek [2], a nemzeti szövetség vagy a tűzihorganyzó üzemek szolgálnak.
A horganyfürdő kb. 450 °C-os hőmérsékletű, amelyben az acélszerkezetek – kialakításuktól függően – 8…15 percet töltenek annak érdekében, hogy anyaguk teljes keresztmetszetében átvegye a fémolvadék hőmérsékletét. Ennek hiányában nem jön létre megfelelő bevonat. Ezen a hőmérsékleten az acélok anyagában levő belső (gyártási) feszültségek bizonyos mértékben átrendeződnek, feloldódnak, ami kedvezőtlen esetben akár látható deformációkban is megnyilvánulhat. Ennek az az oka, hogy az acéloknak meghatározott a folyáshatáruk, ami a darab hőmérsékletének emelkedésével csökken, így a tűzihorganyzás hőmérsékletén akár 25-30%-kal is alacsonyabb lehet, mint szobahőmérsékleten. Az acélokban levő gyártási feszültségek csúcsai, melyek elérik a lecsökkent folyáshatárt, leépülnek, és lokális anyagfolyások jönnek létre, s ez alakváltozáshoz vezet. Ezt az összefüggést mutatjuk be az (5. ábrán).

Az acélszerkezeti elemek felhasználás szempontjából káros deformációinak megelőzése érdekében a következő tervezési szempontokat célszerű figyelembe venni:

1. A termék keresztmetszete optimálisan pontszimmetrikus, vagy a két egymásra merőleges tengelyre szimmetrikus kialakítású legyen (6–7. ábra).
2. Kerülni kell a nagy vastagságkülönbségű elemek oldhatatlan kötéssel (hegesztéssel) történő egyesítését (kb. Lvmax < 5 × Lvmin). Az ilyen kapcsolatot csak horganyzás után hozzuk létre.
3. A hegesztési és hővel történő megmunkálások terveit úgy készítsük, hogy a keresztmetszet súlyponti tengelyeire lehetőleg szimmetrikus legyen a belső feszültségek eloszlása.
4. A hegesztési varratok erősségét – a minimális hőbevitel érdekében – az éppen szükséges minimálisra válasszuk, ugyanis a hegesztési varratok jelentős mértékű húzófeszültségeket ébresztenek az acél anyagában.
5. Az acélszerkezetek rúdszerű, sík vagy térbeli egységek is lehetnek, ám a jobb termékminőség érdekében törekedni kell a minél egyszerűbb kialakításra (pl. L alakú korlátok síklapra bontása).
6. A legnagyobb termékméretet akkorának kell választani, hogy lehetőleg egy merítéssel tűzihorganyozható legyen. Egyes horganyzóvállalatok vállalnak kétszeri horganyzást is, ám ekkor a káros alakváltozások és színbeli eltérések kockázata fennáll.

 A fenti alapelvek betartása mellett gondoskodunk arról, hogy konstrukciós oldalról szerkezeteink megfelelnek a kívánalmaknak.

Átlapolásos kapcsolatok

Az utóbbi két-három évtizedben egyre többször találkozni ún. átlapolásos kapcsolatokkal. Ha ezt korróziós szempontból vizsgáljuk, bizonyos kockázatokat jelenthet abban az esetben, ha az átlapolásnál használt hegesztési varratok nem gáztömörek, illetve szakaszos kialakításúak. Ilyenkor – mivel az átlapolt felületek élei nincsenek kellően lezárva – a nyitott élek miatt a lemezfelületek alatt korróziós gócok alakulnak ki. Ugyanez vonatkozik a tűzihorganyzásra is azzal a különbséggel, hogy a felületi tisztátalanság, az előkezelő folyadékok és a horganyzókád magas hőmérséklete deformációkhoz vagy akár robbanáshoz is vezethet (8. ábra).
Az átlapolások alatt nem alakul ki védőbevonat.
Általánosságban elmondhatjuk, hogy tűzihorganyzás szempontjából nem kedvező az egymásra fektetett és hegesztett kötések alkalmazása, de az irányelvek betartásával megfelelő minőségű termékek állíthatók elő (9. ábra).

Technológiai nyílások tűzihorganyzott acélszerkezetekhez

A szükséges technológiai nyílások helyét minden esetben a horganyolvadékba történő bemerítés szöge (felfüggesztési pozíció) határozza meg (3. táblázat). Ebből kell kiindulni a nyílások tervezésénél. Ez kis gyakorlással könnyen elsajátítható.

A megfelelő helyen levő, szükséges méretű és darabszámú furatoknak, kivágásoknak döntő jelentőségük van a technológia végrehajtása során. Ez nemcsak minőségi kérdés, hanem a termék épségének megőrzése és a balesetveszély elkerülése érdekében is kiemelten fontos. Ennek az oka, hogy az acélszerkezeti darabok felületének minden pontjával érintkezni kell az előkezelő folyadékokkal (zsírtalanító, pácoló, víz, flux) azért, hogy fémtiszta felületet nyerjünk. Így teljesülni fog a bevonat kialakulásának egyik feltétele, azaz nem képződhetnek légzsákok a munkadarabon.
Másik tényező, hogy a darabokban (darabokon) nem képződhetnek folyadékzsebek. Ennek legfőbb oka, hogy a folyadék nem tud kiszáradni a szárítás ideje alatt, és a vízzsebekből a víz a horganyzókád magas hőmérsékletén gőzzé válva (több száz bar) heves robbanást okozhat. Ez különösen vonatkozik a tartályok és hőcserélők bevonására. A teljesség igénye nélkül a megfelelő technológiai nyílások kialakításának érdekében mellékelünk néhány ábrát, melyekből egyértelműen érthetővé válnak a szükséges intézkedések (10–13. ábra).

Megjegyezzük, hogy nincsenek minden acélszerkezetre érvényes ábrák, tökéletes megoldások. Ezért javasoljuk – főleg a nullszériás szerkezetek esetében –, vegyék fel a kapcsolatot tűzihorganyzással foglalkozó szakemberrel vagy egy üzemmel a megfelelő szerkezeti rajzok kialakítása érdekében.

Lemezfelületek kialakítása

Bizonyos felület/vastagság arányoknál fennáll a káros deformációk (hullámosodás) kockázata (14. ábra).
Ezek megelőzése érdekében vagy a lemezt külön horganyozzák és utólag építik össze az acélszerkezettel, vagy gondoskodni kell a nagy felületű lemez megfelelő merevítéséről. A helyes megoldás, ha alkalmas méretű bordák, hajlítások segítségével akadályozzuk meg a káros alakváltozást (15. ábra).
A fentieken kívül még számos szakmai „finomítás” jöhet szóba, ezért javasoljuk, hogy a tűzihorganyzással foglalkozó szakemberek rendszeresen tanulmányozzák a szakirodalmat és tartsanak fenn szoros kapcsolatot horganyzó üzemükkel. Az irányelvek betartásával biztosíthatók a kiváló minőségű és évtizedekre megfelelő acélszerkezetek.

A gyártásra vonatkozó általános iránymutatások

A tervezés-gyártás-tűzihorganyzás háromoldalú együttműködés nélkülözhetetlen a minőségi termékek előállításához. Az előzőekben szóltunk az első kettőről, a továbbiakban néhány gondolat erejéig felhívjuk olvasóink figyelmét az acélszerkezetek gyártásakor ajánlott szempontokra. Ezek között nem kívánunk fontossági sorendet felállítani, valamennyi kihat a képződő védőréteg és a termék minőségére.

Alapanyagok darabolása
Alapelvként javasoljuk, hogy lehetőség szerint minél kisebb hőbevitellel oldják meg a rúd és lemezanyagok darabolását. Legalkalmasabbak a hidegen végzett darabolási módok (fűrészelés, ollózás). Amennyiben ez nem lehetséges, lokális és minél kisebb anyagtömeget érintő hőbevitelre kell törekedni (pl. plazmavágás, lézervágás stb.). Ezek az intézkedések csökkentik a belső feszültségek mértékét, ami mindenképpen hasznos.
Termikus darabolások esetén javasoljuk, hogy a vágott felületről simító köszörüléssel néhány tized millimétert le kell munkálni, mert ellenkező esetben túl vékony horganybevonat alakulhat ki az így vágott éleken.
Olyan vágási technikáknál, melyeknél éles sarkok képződnek, szintén előnyös, ha a sarkokat simító köszörüléssel tompítják a bevonat még jobb ütésállósága érdekében.

Hegesztéssel kapcsolatos követelmények
A hegesztés során, miként azt jól ismerjük, húzófeszültségek keletkeznek a hegesztési varrat környezetében. E feszültségek iránya és nagysága több tényezőtől függ. Amennyiben nem kellő hozzáértéssel történik a hegesztési paraméterek (sorrend, irány, varraterősségek stb.) meghatározása, már a lehűlt acélszerkezeten komoly alakváltozások alakulhatnak ki. Az ilyen deformációk, melyekről már cikkünk elején szóltunk, befolyásolják az adott darab felhasználhatóságát. A jelenség előfordulhat akár egyszerű szerkezetek esetén is. Az acélszerkezetek anyagában visszamaradt húzófeszültségek minimalizálása és szabályozása tehát elemi érdek már az adott elem legyártásánál is.
A fentieknek megfelelően a hegesztés során az alábbi fő szempontokat javasoljuk betartani:

• A hegesztési terv összeállításakor arra kell törekedni, hogy a képződő húzófeszültségeket minimalizáljuk, illetve azok hatásai szimmetrikusak legyenek a termékkeresztmetszet súlyponti tengelyeire.
• A hegesztési varratok képzése – bonyolult szerkezetek esetében – mindig belülről kifelé történjen.
• A varratok erőssége az éppen szükséges minimális legyen.
• A hegesztési varratok mindig legyenek lezártak és hibamentesek.
• Ügyelni kell arra, hogy a hegesztési varratok gázzárványmentesek legyenek.
• A hegesztési paramétereket úgy kell beállítani, hogy ne kelljen használni fröcskölés-feltapadás gátló spray-ket. Amennyiben ez mégis szükséges, akkor szilikont nem tartalmazó típust kell alkalmazni. Ellenkező esetben csúnya horganyhiányos csíkok jelennek meg a varratok környezetében (16. ábra).
• A hegesztési salakokat a felületről maradéktalanul el kell távolítani.

 A horganyzóba szállítandó darabok felületi tisztasága
A fémolvadékban zajló termodiffúzió alapfeltétele, hogy a vasfelületen ne legyenek szennyeződések. Ha e feltétel nem teljesül, nem alakul ki fémréteg a felületen, a bevonat horganyhiányos lesz. Ennek megelőzése érdekében a következő ajánlásokat tesszük az acélszerkezet-gyártóknak:

• A hegesztésből, darabolásból származó valamennyi salakot maradéktalanul el kell távolítani a felületről.
• Olyan festékeket (pl. jelölések), melyek vízben nem oldhatóak, szintén el kell távolítani, mert a horganyzóüzemben erre nem alkalmasak a technológiai folyadékok. A festékmaradványok horganyzási hibához vezetnek (17. ábra).
• Vastag zsír-, olajmaradványoktól, felragadt bitumen- stb. nyomoktól meg kell tisztítani az acélszerkezet felületét, mielőtt beszállítják horganyzásra.
• A kereskedelmi állapotú rozsdás acélanyagok minden további intézkedés nélkül horganyozhatók, azok felületét nem kell letisztítani. Ám ha a felületben vastag belehengerelt reveréteg, revefészek van, azt már az acélszerkezet-gyártás előtt célszerű eltávolítani (revetörés, szemcseszórás).

A felület érdességének hatása
Általános elv, hogy azonos acélminőség és termékkialakítás mellett az érdesebb felületeken vastagabb lesz a horganybevonat is. Ebből következik, hogy a szemcseszórással kezelt munkadarabokon néhány százalékkal vastagabb bevonatot mérhetünk. Ez azt jelenti, hogy egy 5 mm vastag acélszerkezeti elemen például 120-130 ?m bevonatvastagság helyett akár 140 ?m is lehet a rétegvastagság.
A termékek felületén horganyzás után is meglátszik a durva köszörülés nyoma, ezért igényesebb szerkezeteknél ennek megfelelően kell eljárni (18. ábra).

A DASt-Richtlinie 022 előírásai

Írásunk végén feltétlenül meg kell említenünk egy fontos előírást. Mivel a magyar vállalkozások nagy mennyiségben szállítanak acélszerkezeteket német piacra, ezért az alábbiak érdekesek lehetnek számukra.
A német Deutscher Ausschuß für Stahlbau (DASt; Német Acélépítészeti Bizottság) 2009 augusztusában kiadta DASt-Richtlinie 022. számú előírásait. Ez a németországi építőipari piacra beszállítható valamennyi acélszerkezeti termékre vonatkozik. Az irányelv célja, hogy a tűzihorganyzott acélszerkezeteknél a folyékony fém okozta feszültségkorróziós repedések (Flüssigmetallinduzierte Spannungsrisskorrosion, Liquid metal embrittlement: LME) okozta kockázatokat lényegében eliminálja.
A szabályozás az acélszerkezetek tervezésére, gyártására és tűzihorganyzására, valamint ellenőrzésére vonatkozó teendőket taglalja közel 30 oldalon. Azoknak a vállalatoknak, amelyek a német piacra szállítanak, feltétlenül ismerniük kell ezeket az irányelveket. A tűzihorganyzó üzemeknek ki kell alakítaniuk az ennek megfelelő technológiát és ellenőrzési rendszert, melyet ellenőriztetni és tanúsíttatni is kell. Ezt időszakonként meg kell újítani. A szabályok betartása minimálisra csökkenti a repedések kialakulásnak kockázatát [3].
Az acélszerkezetek gyártóinak különösebb új feladataik általában nincsenek (elsősorban ellenőrzés), azonban bizonyos kritikus szerkezeti megoldások és anyagvastagságok esetében lényeges szempontokat kell figyelembe venniük.

Irodalomjegyzék
[1] EN ISO 14713-2:2009 Zinc coatings – Guidelines and recommendations for the protection against corrosion of iron and steel in structures – Part 2: Hot dip galvanizing, 2009.
[2] P. Maaß; P. Peißker: Handbuch Feuerverzinken. WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA, Weinheim, 2008.
[3] DASt-Richtlinie 022, Deutscher Ausschuß für Stahlbau, Feuerverzinken von tragenden Stahlbauteilen, Stahlbau Verlags- und Service GmbH, Düsseldorf, 2009.