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TESI DI LAUREA Proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione di componenti protetti mediante zincatura a caldo Lorenzo Redolfi Fig. 1 - Rivestimento prodotto con il trattamento di zincatura Fig. 2 - Particolare della superficie di frattura nel campione zincato Per proteggere dalla corrosione strutture e manufatti d’acciaio di medie e grandi dimensioni l’uomo ha a sua disposizione un ampio ventaglio di opportunità, che vanno dalla verniciatura ai rivestimenti metallici. Tra questi, la zincatura a caldo è, attualmente, uno dei rivestimenti metallici più diffusi. Il suo impiego è in costante incremento grazie ai ridotti tempi di applicazione, al costo limitato e alle elevate prestazioni garantite. Il rivestimento di zinco viene depositato mediante immersione del componente in un bagno contenente zinco fuso e piccole percentuali di altri elementi. I rivestimenti così prodotti aderiscono in modo ottimale al substrato grazie alla formazione di diversi strati di leghe ferro-zinco. La grande capacità protettiva di tali rivestimenti è dovuta sia all’effetto barriera sia al fatto che, qualora lo strato protettivo sia difettoso oppure venga danneggiato, lo zinco, fungendo da anodo sacrificale, protegga il substrato d’acciaio [1]. Nel bagno vengono aggiunte piccole quantità di elementi allo scopo di migliorare la bagnabilità e le caratteristiche estetiche del rivestimento[2-3]. Il piombo agevola la fluidificazione dello zinco fuso e consente di ottenere un risultato ottimale sia dal punto di vista estetico che di protezione ma, purtroppo, il suo impiego impone grande attenzione per la tutela della salute e dell’ambiente; per questo motivo, la percentuale di tale elemento pesante deve essere ridotta. In questa direzione si inseriscono le recenti normative europee in termini di controllo degli elementi inquinanti. Per questa ragione molte zincherie si sono trovate di fronte alla necessità di dover variare la composizione del bagno per adempiere alle disposizioni comunitarie. Sono state proposte diverse soluzioni legate, in particolare, all’impiego di stagno o bismuto [4,5]. Le conseguenze della sostituzione del piombo con altri elementi non sono state ancora indagate in modo approfondito. Sebbene lavori e sperimentazioni dedicate siano molto rare, alcuni esperti di zincatura unitamente a costruttori di strutture di acciaio paventano che la scelta del bagno di deposizione possa influenzare negativamente le proprietà meccaniche del substrato, diminuendo in particolare la tenacità a frattura e la resistenza a fatica di componenti zincati [6-7]. Il lavoro presentato vuole indagare se effettivamente vi sia un decremento nelle proprietà meccaniche e se vi siano delle variazioni nella resistenza alla corrosione. Sono stati confrontati due bagni: il primo è un bagno di zincatura tradizionale (contenente piombo), il secondo è innovativo (esente da piombo e con una percentuale molto ridotta di bismuto). L’attività sperimentale è stata condotta su campioni di acciaio S 275J (secondo lo standard EN 10025), un tipico acciaio da costruzione, che si presta ad essere zincato a caldo. Sono stati impiegati campioni di 3 geometrie differenti: campioni a clessidra per la determinazione delle proprietà meccaniche a trazione, campioni intagliati per valutare l’effetto di concentrazione delle tensioni e campioni 70 4 COSTRUZIONI METALLICHE LUG AGO 09
C(T) compact tension per prove di tenacità a frattura. Le metallografie condotte sui campioni zincati hanno mostrato dei rivestimenti molto simili e confrontabili con quanto presente in letteratura. In entrambi i casi sono stati rilevati spessori di circa 100 μm. Sono evidenti le fasi ferro-zinco (più ricche in ferro in prossimità del substrato), tipiche di questi componenti. Sono inoltre presenti cricche, soprattutto nelle fasi Γ e δ che, in certi casi, possono essere riscontrate anche nella fase ζ. La presenza di questi difetti nel ricoprimento è frequentemente riscontrata nella pratica ed è riconducibile alla contrazione volumetrica differenziale tra lo zinco ed il substrato durante il raffreddamento. Le superfici dei campioni sono state ulteriormente esaminate al microscopio elettronico a scansione per acquisire anche informazioni sulla presenza di elementi chimici in prossimità degli apici delle cricche. Tali verifiche sono state motivate dai timori riportati in letteratura in merito all’accumulo anomalo all’apice della cricca di elementi chimici provenienti dal bagno di zincatura. In tutti i C(T), sia zincati con bagno tradizionale che innovativo, è stata verificata la penetrazione dello zinco all’interno della fessura. Nelle vicinanze dell’apice della fessura sono state rilevate fasi intermetalliche molto ricche in ferro (probabilmente a causa della limitata presenza dello zinco), che favorisce la creazione di composti ricchi di questo elemento. Lo zinco è sempre riuscito a colmare la fessura. Non è mai stato osservato un accrescimento della fessura causato dal trattamento di deposizione. L’analisi chimica ha inoltre rilevato la presenza solo di zinco, ferro e manganese (questo ultimo derivante dal substrato d’acciaio) all’apice della fessura. Solamente alla radice dell’intaglio ed in corrispondenza del rivestimento di zinco sul percorso superficiale della fessura sono state rinvenute tracce di bismuto e piombo. Questo ultimo, presente solo nel bagno tradizionale, è chiaramente visibile sotto forma di piccoli precipitati chiari. Le prove di trazione eseguite su campioni ad “osso di cane”, hanno consentito di rilevare le proprietà meccaniche sia di elementi grezzi che zincati. Tra questi ultimi non sono state riscontrate variazioni significative nella resistenza statica del materiale. Pertanto si può asserire che la deposizione non vada ad affliggere né la resistenza a trazione né l’allungamento a rottura. I risultati ottenuti sui campioni con intaglio a V non hanno fornito dati contrastanti. Anche in presenza di uno stato triassiale di sforzo non viene osservato nessun effetto di infragilimento introdotto con il processo di deposizione. I campioni C(T) di meccanica della frattura hanno permesso di rilevare dati inattesi. L’analisi di tali campioni ha fornito valori del fattore di intensità degli sforzi KQ che mostrano un effetto benefico sulla resistenza a frattura. Quindi è lecito dire che nessuno dei due bagni induca un qualche fenomeno di infragilimento, ma l’esatto contrario, con un lieve incremento nella resistenza a frattura. L’aumento di K Q è maggiore della deviazione standard dei risultati sperimentali, fatto che porta ad escludere una fluttuazione statistica dei dati. Infine i campioni sottoposti solamente ai trattamenti di decapaggio e di pre-riscaldamento propedeutici alla zincatura non hanno evidenziato il medesimo miglioramento manifestato dai campioni zincati rispetto a quelli tal quali. Tale miglioramento sembra quindi attribuibile solo alla deposizione dello zinco. Gli ultimi due provini della campionatura sono stati impiegati per ricavare un parametro valido di meccanica della frattura atto a quantificare l’entità dell’aumento di tenacità a frattura indotto dal processo di zincatura a caldo. Sono state condotte prove di meccanica della frattura in campo elasto-plastico, in modo da esprimere la tenacità a frattura in termini di J IC (parametro valido in campo sia elastico che elasto-plastico). Si osserva in particolare come il processo di zincatura porti ad un incremento del valore di tenacità a frattura da quasi 70 kPa•m a 150 kPa•m. Tale incremento indica ad ogni modo un effetto benefico della zincatura sulla tenacità a frattura. Le prove di corrosione hanno confermato quanto era ragionevole attendersi; in nessun caso sono state rilevate differenze significative tra il comportamento del rivestimento ottenuto mediante zincatura con bagno tradizionale e innovativo. Pertanto non vi sono ragioni che inducano a sconsigliare l’uso di quello esente da piombo. Lorenzo Redolfi Università degli Studi di Trento Relatori: dr. ing. Stefano Rossi, prof. ing. Virgilio Montanari Correlatore: ing. Matteo Benedetti. Tesi premiata nell’ambito del concorso indetto da Acai/Collegio degli Ingegneri di Padova, Comitato “costruire con l’Acciaio”, C.T.A. (Collegio dei Tecnici dell’Acciaio), rivista “Costruzioni Metalliche”, a.a 2007-2008 BIBLIOGRAFIA [1] – S. Rossi: I rivestimenti metallici per la protezione contro la corrosione, ASSIM, Amorth, Trento, 2003. [2] – G. Vourlias, N. Pistofidis, G. Stergioudis, E. Pavlidou, D. Tsipas: Influence of alloying elements on the structure and corrosion resistance of galvanized coatings, Phys. Stat. Sol., 201, 1518 (2004). [3] – R. Fratesi, N. Ruffini, M. Malavolta, T. Bellezze: Contemporary use of Ni and Bi in hot-dip galvanizing, Surface and Coatings Technology, vol. 157, 34 (2002). [4] – P.C. Camurri, G.R. Benavente, S.I. Roa, C.C. Carrasco: Deformation and fatigue behaviour of hot dip galvanized coatings, Materials Characterization 55, 203 (2005). [5] – N. Katiforis, G. Papadimitriou: Influence of copper, cadmium and tin addition in the galvanizing bath on the structure, thickness and cracking behaviour of the galvanized coatings, Surface and Coatings Technology, 78, 185 (1996). [6] – E. Tzimas, G. Papadimitriou: Cracking mechanisms in high temperature hot-dip galvanized coatings, Surface and Coatings Technology, 145, 176 (2001). [7] – G. Reumont, J.B. Vogta, A. Iost, J. Foct: The effects of an Fe_Zn intermetallic-containing coating on the stress corrosion cracking behaviour of a hotdip galvanized steel, Surface and Coatings Technology, 139, 265 (2001). 4 COSTRUZIONI METALLICHE LUG AGO 09 71
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