Porovnání korozní odolnosti pasivaèní vrstvy vytvoøené na pozinkovaných dílcích v bubnové lince a ve speciálním zaøízení pro dokonèovací úpravy

Transkript

1 Porovnání korozní odolnosti pasivaèní vrstvy vytvoøené na pozinkovaných dílcích v bubnové lince a ve speciálním zaøízení pro dokonèovací úpravy P. Kovanda, P. Vavřička Aquacomp Hard s.r.o. Ledeč nad Sázavou vavricka@aquahard.cz Bylo vyvinuto a vyrobeno modelové zařízení pro dokončovací operace po galvanickém zinkování drobných dílců v rotačním koši. V modelovém zařízení byly v pasivační lázni bez obsahu šestimocného chromu pasivovány pozinkované dílce. Stejný typ pozinkovaných dílců byl v pasivační lázni totožného složení a za stejných experimentálních podmínek pasivován v bubnové lince v pokovovacím bubnu. Pomocí zrychlené korozní zkoušky v neutrální solné mlze se stanovovala korozní odolnost pasivační vrstvy vytvořené v obou typech zařízení. Vyšší korozní odolnost vykazuje pasivační vrstva pozinkovaných dílců upravovaných v rotačním koši. ÚVOD Nejrozšířenější galvanickou povrchovou úpravou je zinkování. Zinkové popř. zinkoslitinové povlaky jsou v naprosté většině případů dále upravovány - pasivovány nebo chromátovány, dále event. utěsňovány anebo je na ně nanášena vrstva kluzného prostředku apod. Dokončovací (následné, finální) úpravy podstatně zvyšují korozní odolnost, mohou dát povlakovému systému požadovaný optický vzhled a zlepšit mechanické, např. kluzné, vlastnosti povrchu. V posledních letech v oblasti dokončovacích úprav zinkových a zinkoslitinových povlaků dochází k velkým změnám. V důsledku zvyšujícího se tlaku na ochranu životního prostředí a zdraví je omezováno používání technologií na bázi šestimocného chromu. Dalším podstatným trendem je zvyšování požadavků na korozní a tepelnou odolnost, vzhled a další vlastnosti povlakových systémů a to zejména ze strany automobilového průmyslu. Tyto změny a požadavky si vyžádaly vyvíjení nových technologií dokončovacích úprav a jejich zavedení do praxe. Dříve používané chromátování s šestimocným chromem je dnes již z velké části nahrazeno pasivacemi na bázi trojmocného chromu, většinou ještě utěsňovanými v různých typech utěsňovacích přípravků. Určitou nevýhodou však u vrstev bez šestimocného chromu je to, že nemají tzv. samohojící schopnost (poškození vrstvy se v určitém rozsahu zacelí) jako vrstvy s šestimocným chromem, a proto každé poškození vrstvy výrazně snižuje korozní odolnost. Velmi široký sortiment drobných dílců je, ať už z technických anebo ekonomických důvodů, nutné anebo výhodné zinkovat a následně upravovat hromadně. V současnosti nejrozšířenější způsob hromadné úpravy spočívá v provádění zinkování i dokončovacích operací v jedné a téže mechanizované či automatizované bubnové lince v jednom a témž pokovovacím bubnu s horizontální osou rotace za velmi nízkých otáček. Použití této techniky v nově nastalé situaci je však velice problematické, a to mj. z následujících důvodů: vysoká pravděpodobnost poškození vrstev u linek se sušením v odstředivkách (v praxi velmi časté řešení) během přesýpání dílců s ještě nevytvrzenými vrstvami z bubnů do odstředivek; velké riziko poškození vrstev kabelovými kontakty u bubnů s tímto typem kontaktů (v praxi nejpoužívanějším); nebezpečí nerovnoměrnosti tloušťky nebo dokonce nehomogenity vrstev u některých přípravků (např. některé typy utěsnění) včetně event. tvorby kapek, ucpání slepých otvorů nebo vzájemného slepování dílců. Následkem pak může být snížení korozní odolnosti anebo vznik vzhledových vad. [1] V rámci programového projektu Impuls byl proto řešen vývoj a výroba prototypu speciálního zařízení pro dokončovací úpravy, které by mělo umožnit šetrnější zpracování dílců (eliminovalo nebo alespoň minimalizovalo výše uvedená rizika) a dosáhnout vysoké a stabilní kvality povrchových úprav nejrozmanitějších dílců. Vývoj zařízení byl současně zaměřen i na docílení snížení výnosu lázní a spotřeby oplachové vody, a tím k dosažení snížení zatížení životního prostředí a úspory provozních nákladů na chemikálie a vodu. Nová koncepce je založena na vyčlenění veškerých dokončovacích operací z galvanické linky a jejich provádění v samostatném speciálním zařízení navazujícím na pokovovací linku. Toto zařízení je založeno na využití odstřeďovací techniky, kdy dílce jsou upravovány v ro- Koroze a ochrana materiálu 54(4) (2010) 212

2 tačních (odstředivkových) perforovaných koších s vertikální osou rotace s možností naklápění vertikální osy a možností rotace oběma směry za účelem optimalizace smáčení povrchu dílců lázní či oplachovou vodou a okapávání přebytečné lázně či vody z dílců. Dílce přitom zůstávají během celého procesu následných úprav včetně sušení v jednom a témž koši. Ústřední komponentou zařízení je speciální manipulátor, který zajišťuje veškeré pohyby koše vertikální pohyby (namáčení do van, zvedání z van), rotaci (v pozici koše nad hladinou i odstředění při relativně vysokých otáčkách), naklápění i transport linkou. Mimo to je manipulátor vybaven přívodem vody dovnitř koše za účelem oplachu zboží postřikem [2]. To umožňuje po oplachu ponorem ve vaně provést po vyzvednutí koše nad hladinu oplach postřikem. Tím je proveden další, i když ne vždy plnohodnotný, stupeň oplachu v jedné a té samé pozici linky. Voda použitá pro postřikový oplach volně vytéká z koše do oplachové vany, čímž se vytváří efekt kaskádového oplachu. Toto řešení umožňuje v některých případech i velmi podstatně snížit spotřebu oplachové vody nebo snížit počet oplachových van. Koš je po celou dobu fixován na manipulátor, manipulátor a koš tak spolu tvoří během zpracování jednu jednotku. Lázně a oplachy se nacházejí v podstatě v jednoduchých vanách, které však mají zvýšené okraje z důvodu záchytu kapaliny při odstřeďování. Popis a funkce modelového zaøízení pro dokonèovací operace V modelovém (prototypovém) zařízení (Obr. 1) jsou dílce upravovány v nerezovém rotačním koši (Obr. 2) o průměru 632 mm, výšce 464 mm a celkovém objemu 110 dm 3 a s perforací o průměru 3 mm. Koš se plní dílci do hmotnosti max. 100 kg a objemu max. 55 dm 3. Hlavní části modelové zařízení jsou: převážecí vozík s vaničkou na vodu a s rotací koše, speciální manipulátor se čtyřmi stupni volnosti (Obr. 3) tvořený těmito základními částmi: horizontálním vozíkem s pohonnými jednotkami pro pojezd po pojezdové dráze a pro zdvih; vertikálním vozíkem s otočným (naklápěcím) rámem; unášečem koše s mechanizmem pro uchopování koše, pohonnou jednotkou pro otáčivý pohyb a rotační hlavou zajišťující přívod tlakového vzduchu k uchopovacímu mechanizmu a vody k trysce pro oplach dílců v koši postřikem; pohyblivou vaničkou pro zachycení úkapů z koše při přejíždění z jedné operace do druhé, která před spuštěním koše do vany odjíždí do strany. Manipulátor umožňuje naklonění vertikální osy koše pod úhlem 45, otáčení koše oběma směry a to při svislé orientaci osy v rozsahu 10 až 150 ot. min -1 a při naklonění v rozsahu 10 až 30 ot. min -1, vanová část tvořená vanami na vyjasnění, pasivaci tenkovrstvou, pasivaci silnovrstvou, 2stupňový protiproudý oplach, chromátování, 2stupňový protiproudý oplach a utěsnění sestavenými v tomto pořadí do jednořadé linky a podle své funkce vybavenými elektrickými topnými tělesy, vzduchovým mícháním, cirkulačními čerpadly, hladinoměry, přepady, výpustnými ventily apod., sušící odstředivka s automatickým otevíráním a nastavitelnými otáčkami, překlápěcí a vysýpací stanice, čisticí zařízení s komorou s postřikovým systémem, nádržemi na čisticí lázeň a oplachovou vodou, čerpadly atd., řídicí systém umožňující nastavení celé řady parametrů, jako jsou sled operací, jednotlivé operační časy, počet otáček nebo směry otáčení. Tyto hlavní části pak doplňují ještě různá zabezpečující zařízení (např. dmychadlo pro výrobu nízkotlakého stlačeného vzduchu určeného na míchání lázní), technologické rozvody vzduchu, vody, demineralizované vody a odpadních vod, elektroinstalace, odsávací vzduchotechnika a ocelové konstrukce. Obr. 1. Modelové zaøízení Obr. 2. Rotaèní koš Koroze a ochrana materiálu 54(4) (2010) 213

3 Pozinkované dílce se vsypou přes násypku do koše uloženého ve vaničce převážecího vozíku. Pro šetrnější nasýpání je vanička naplněna vodou. Koš se při plnění otáčí z důvodu rovnoměrného rozložení dílců v koši. Po naplnění koše je voda z vaničky vypuštěna a vozík za stálého otáčení koše zaveze koš na výchozí pozici. Otáčení koše se provádí kvůli odstředění zbytků vody z dílců. Na výchozí pozici je koš uchopen speciálním manipulátorem, který poté provede dokončovací operace ve vanové části podle předem naprogramovaného technologického postupu. V každé vaně manipulátor provede ponoření koše do lázně nebo oplachové vody, naklonění koše, rotaci koše oběma směry při nižších otáčkách, vyzvednutí koše nad hladinu po uplynutí operačního času, rotaci koše oběma směry při nižších otáčkách za účelem okapání lázně nebo vody, sklonění koše (do svislé polohy osy) a rotaci při vyšších otáčkách pro odstředění zbytků lázně či vody. U druhých stupňů oplachů je pak navíc při rotaci koše nad hladinou v nakloněném stavu proveden oplach dílců postřikem dovnitř koše z trysky umístěné na unášeči. Po těchto krocích ve vanové části založí manipulátor koš do sušicí odstředivky. Po uplynutí sušícího cyklu převeze manipulátor koš do překlápěcí a vysýpací stanice, kde je koš překlopen a dílce vysypány např. do palety. Pokud je součástí technologického postupu utěsnění, je prázdný koš poté manipulátorem zavezen do čisticí stanice. Zde je vrstva utěsňovacího přípravku z koše odstraněna postřikem roztokem čisticího přípravku a poté je koš rovněž postřikem opláchnut. Obr. 3. Speciální manipulátor EXPERIMENTÁLNÍ ÈÁST Zkoušky byly prováděny s dílci (Obr. 4) lisovanými z ocelového plechu o tloušťce 2 mm, hmotnosti cca 80 g a povrchu cca 1 dm 2. Hmotnost šarže dílců pro jednu zkoušku činila vždy 40 kg. Předúprava (odmašťování, moření, elektrolytické odmašťování, aktivace) a zinkování byly prováděny vždy stejným způsobem v mechanizované bubnové lince výrobce Kovofiniš v bubnu BDZ 150 7/7 (Obr. 5) s parametry: buben tvaru 7bokého hranolu, vnitřní délka 810 mm, opsaný průměr 394 mm, objem 75 l, perforace 7 mm 7 mm, otáčky 9,5 min -1 ve vaně i na dopravním manipulátoru, kabelové kontakty s vlastními kontakty o průměru 50 mm a délce 50 mm. Dokončovací operace byly poté prováděny dvěma způsoby. U 2 šarží dílců byly dokončovací operace provedeny návazně hned po zinkování (a následném oplachu) v bubnu v mechanizované bubnové lince, u 2 šarží dílců byly dokončovací operace realizovány v koši v modelovém zařízení. Pro pasivaci byl použit dvousložkový přípravek s komerčním názvem Lanthane TR 175, jehož jedna složka (A) obsahuje sloučeniny Cr 3+ a Co 2+ a druhá složka (B) nanočástice SiO 2. Pasivační lázně v bubnové lince i v modelovém zařízení byly připraveny dle předpisu výrobce, pracovní teplota byla Obr. 4. Dílec použitý pøi zkouškách Obr. 5. Pokovovací buben Koroze a ochrana materiálu 54(4) (2010) 214

4 vždy 30 C a ph 2 (optimální pracovní podmínky doporučené výrobcem), lázně byly míchány vzduchem. Před pasivací bylo vždy provedeno vyjasnění v roztoku HNO 3 o koncentraci 5 g l -1. Dokončovací operace v bubnové lince byly prováděny podle následujícího postupu: vyjasnění 30 s, okap 16 s, pasivace 60 s, okap 16 s, oplach 2stupňový protiproudý průtočný - v každém stupni 30 s a okap 16 s. Poté byly dílce z bubnu výsypkou vysypány do sušicí odstředivky a sušeny při teplotě 80 C po dobu 10 min. Z každé šarže dílců pak byly po usušení přímo z odstředivky odebrány 3 dílce na korozní zkoušky, aby byl eliminován vliv event. poškození pasivační vrstvy při vysypávání dílců z odstředivky do palety. Dokončovací operace v modelovém zařízení byly prováděny následujícím způsobem: Po zinkování a oplachu byly dílce z pokovovacího bubnu vysypány do přepravky a přemístěny k modelovému zařízení. Zde byly dílce vysypány do koše (za rotace koše) ponořeného ve vodě ve vaničce převážecího vozíku. Po naplnění koše byla voda vypuštěna a koš převezen (za rotace koše) na výchozí pozici a zde odebrán speciálním manipulátorem. Parametry jednotlivých kroků dokončovacích úprav jsou uvedeny v Tab. 1. Poté byl koš manipulátorem založen do sušicí odstředivky a dílce sušeny při teplotě 80 C po dobu 10 min. Z každé šarže dílců pak byly po usušení přímo z odstředivky odebrány 3 dílce na korozní zkoušky, aby byl eliminován vliv event. poškození pasivační vrstvy při vyspávání dílců z koše do palety. Korozní odolnost pasivační vrstvy byla zjišťována zkouškou v mlze neutrálního roztoku chloridu sodného (NSS) dle ČSN EN ISO Korozní zkoušky v umělých atmosférách - Zkoušky solnou mlhou. Použita byla solná komora výrobce Liebisch typ SKB 1000 A-TR. VÝSLEDKY A DISKUZE Vyhodnocení korozních zkoušek bylo prováděno podle ČSN EN ISO Metody korozních zkoušek kovových a jiných anorganických povlaků na kovových podkladech - Hodnocení vzorků a výrobků podrobených korozním zkouškám. Byla zjišťována doba do objevení bílých korozních produktů, resp. rozsah jejich výskytu. Výsledky jsou shrnuty v Tab. 2 a 3. U dílců pasivovaných v bubnu se bílá koroze poprvé objevila po 96 h v neutrální solné mlze a to u dvou vzorků ze šesti. Po 120 h již všechny vzorky byly napadeny bílou korozí. Průměrná korozní odolnost pasivační vrstvy vytvořené v bubnu byla 112 h v neutrální solné mlze. Tabulka 1. Popis jednotlivých kroků dokončovacích úprav Operace Čas (s) Otáčky koše (min - ) Poznámka vyjasnění s rotace jedním směrem, 15 s druhým směrem pasivace s rotace jedním směrem, 30 s druhým směrem 1. stupeň oplachu s rotace jedním směrem, 15 s druhým směrem 2. stupeň oplachu s rotace jedním směrem, 15 s druhým směrem oplach postřikem dovnitř koše okap bez rotace koše 10 0 Koroze a ochrana materiálu 54(4) (2010) 215

5 Tabulka 2. Rozměry a hmotnost ošetřených vzorků před zahájením experimentu Vzorek č. Doba trvání zkoušky (h) bílá koroze žádná žádná žádná* žádná* bílá koroze stupeň změny vzhledu R A -/10 -/9 vs A -/9 vs A -/7 vs C -/4 vs C 2 bílá koroze žádná žádná* žádná* bílá koroze bílá koroze stupeň změny vzhledu R A -/10 -/8 vs A -/7 vs A -/5 vs C -/4 s C 3 bílá koroze žádná žádná žádná* žádná* bílá koroze stupeň změny vzhledu R A -/10 -/9 vs A -/8 vs C -/7 vs C -/4 vs C 4 bílá koroze žádná žádná žádná* žádná* bílá koroze stupeň změny vzhledu R A -/10 -/9 vs A -/8 vs A -/8 vs A -/4 vs C 5 bílá koroze žádná žádná žádná žádná* bílá koroze stupeň změny vzhledu R A -/10 -/10 -/9 vs A -/8 vs A -/5 vs C 6 bílá koroze žádná žádná* žádná* bílá koroze bílá koroze Stupeň změny vzhledu R A -/9 vs A -/9 vs A -/7 vs C -/5 vs C -/3 s C * začínající bílá koroze hran Tabulka 3. Výsledky korozních zkoušek dílců pasivovaných v rotačním koši Vzorek č Doba trvání zkoušky (h) bílá koroze žádná žádná žádná* žádná* žádná* žádná* bílá koroze stupeň změny vzhledu R A -/10 -/9 vs A -/9 vs A -/7 vs C -/7 vs C -/7 vs C -/4 vs C bílá koroze žádná žádná žádná žádná* žádná* žádná* bílá koroze Stupeň změny vzhledu R A -/10 -/10 -/9 vs A -/8 vs A -/7 vs C -/7 vs C -/5 vs C bílá koroze žádná žádná žádná* žádná* žádná* bílá koroze bílá koroze stupeň změny vzhledu R A -/10 -/9 vs A -/8 vs A -/7 vs C -/7 vs C -/4 s C -/3 s C bílá koroze žádná žádná žádná* žádná* bílá koroze bílá koroze bílá koroze stupeň změny vzhledu R A -/10 -/9 vs A -/8 vs A -/7 vs C -/5 vs C -/5 vs C -/3 s C bílá koroze žádná žádná žádná žádná žádná* žádná* bílá koroze stupeň změny vzhledu R A -/10 -/10 -/9 vs A -/9 vs A -/8 vs C -/7 vs C -/5 vs C bílá koroze žádná žádná žádná žádná* žádná* bílá koroze bílá koroze stupeň změny vzhledu R A -/10 -/9 vs A -/9 vs A -/7 vs C -/7 vs C -/5 vs C -/4 s C * začínající bílá koroze hran ZÁVÌR U dílců pasivovaných v rotačním koši se bílá koroze poprvé objevila po 120 h v neutrální solné mlze. Po 144 h se bílá koroze objevila u poloviny zkoumaných vzorků. Teprve po 168 h byly všechny vzorky napadeny bílou korozí. Průměrná korozní odolnost pasivační vrstvy vytvořené v rotačním koši byla 152 hv neutrální solné mlze. Průměrná doba do objevení bílé koroze při zkoušce v neutrální solné mlze je u pasivační vrstvy vytvořené v rotačním koši o cca 36 % vyšší, než u pasivační vrstvy vytvořené v bubnu. U experimentálně sledovaných dílců bylo dosaženo vyšší korozní odolnosti pasivační vrstvy v neutrální solné mlze u dílců upravovaných v rotačním koši. Z toho lze usuzovat, že vyvinuté zařízení pro provádění dokončovacích úprav v rotačním koši skutečně umožňuje šetrnější zpracování dílců oproti zpracování v pokovovacím bubnu a snižuje poškození při dokončovacích úpravách vytvořených vrstev. Výsledky by však bylo vhodné ještě potvrdit dalšími experimenty s využitím jiných technologií dokončovacích úprav anebo s dílci jiného charakteru (jiného tvaru a hmotnosti). Koroze a ochrana materiálu 54(4) (2010) 216

6 Podìkování Tento projekt byl realizován za fi nanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu v rámci programového projektu Impuls Výzkum ekologických technologií povrchových úprav kovů ev. č. FI-IM5/055. Literatura 1. Moderní řešení pro bubnové linky povrchových úprav, 42. Celostátní aktiv galvanizérů; Ing. Holoubek, V., Ed.; Česká společnost pro povrchové úpravy: Jihlava, Ing. Holoubek, V.; Ing. Kalhotka, J.; Ing. Kovanda, P. Unášeč odstředivkového koše. Užitný vzor CZ 21335U1, Oct 13, Koroze a ochrana materiálu 54(4) (2010) 217