MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO 2011 Bc. TOMÁŠ MAREK
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Hodnocení vlastností zinkových protikorozních vrstev Diplomová práce Vedoucí práce: doc. Ing. Vlastimil Chrást, CSc. Vypracoval: Bc. Tomáš Marek Brno 2011
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Hodnocení vlastností zinkových protikorozních vrstev vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne podpis.......
Poděkování Děkuji svému vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Vlastimilovi Chrástovi, CSc. za odborné vedení a cenné připomínky při zpracování diplomové práce. Dále bych chtěl poděkovat panu Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za pomoc při zaznamenávání výsledků měření pomocí metalografického mikroskopu.
Abstrakt Tématem této diplomové práce je hodnocení vlastností zinkových protikorozních vrstev. Cílem práce bylo zpracovat základní parametry, které ovlivňují vlastnosti zinkových protikorozních vrstev. Vytvořit přehled metod hodnocení mechanických vlastností zinkových vrstev a na základě zpracované metodiky vyhodnotit jednotlivé soubory vzorků s nanesenými zinkovými povlaky včetně doporučení pro technickou praxi. Dle popsané metodiky vycházející z příslušných norem byly pokovené vzorky mechanicky namáhány. U těchto vzorků bylo sledováno, zda došlo ke vzniku poškození zinkové vrstvy a pokud ano, tak v jakém rozsahu. Pro ověření antikorozních vlastností, které uvádí odborná literatura byly vzorky po provedení mechanických zkoušek vystaveny agresivnímu prostředí solné mlhy v umělé atmosféře. Tato zkouška prokázala bezvadné ochranné vlastnosti i za předpokladu, že byla porušena ochranná zinková vrstva. Klíčová slova: koroze, ochranné zinkové povlaky, mechanické zkoušky Abstract Presented work is focused on evaluation of zinc based anti-corrosive layers. The main goal of the work was to describe and analyse the basic parameters influencing material properties of zinc-based anti-corrosive layers. The work also overviews the basic and principal methods of zinc layers mechanical properties testing, analyses the experimental data concerning zinc layers and concludes some practical recommendations for technical and manufacturing practice. The zinced specimens were tested in accordance with current standards and the procedures are fully described in the text. The presence and damage criteria of zinc layers were evaluated. In order to verify the anti-corrosive properties presented in literature, the specimens were tested in aggressive environment of salt aerosol in the salt chamber. The experiment proven the protective potential even in the case, when the zinc layer was damaged or eroded. Key words: corrosion, protective zinc layers, mechanical testing
Obsah 1 Úvod... 8 2 Cíl práce... 8 3 Koroze a protikorozní ochrana obecně... 9 3.1 KOROZE... 9 3.2 ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ KOROZE:... 9 3.3 MOŽNOSTI OCHRANY PROTI VZNIKU KOROZNÍCH DĚJŮ... 10 3.4 VLIV KOROZNÍHO PROSTŘEDÍ... 12 4 Zinek, trvale udržitelný kov, nezbytný pro život... 14 4.1 ZINEK A JEHO VÝZNAM... 14 4.2 KOROZNÍ CHARAKTERISTIKA ZINKU... 14 5 Metody nanášení zinkových povlaků... 16 ZINKOVÉ POVLAKY... 16 5.1 ŽÁROVÉ ZINKOVÁNÍ... 16 5.1.1 Reakce mezi železem a zinkem... 16 5.1.2 Technologický postup žárového zinkování... 19 5.1.2.1 Předúprava:... 19 5.1.2.2 Suchý způsob neboli suché zinkování... 20 5.1.2.3 Technologie mokrého zinkování... 21 5.1.2.4 Žárové zinkování drobných dílů... 21 5.1.2.5 Kontinuální zinkování ocelových plechů a pásů... 22 5.2 METALIZACE ELEKTRICKÝM OBLOUKEM (ŠOPOVÁNÍ)... 24 5.3 GALVANICKÉ (ELEKTROLYTICKÉ) POKOVENÍ... 26 5.4 DIFÚZNÍ ZINKOVÁNÍ (SHERARDOVÁNÍ)... 28 5.5 MECHANICKÉ POKOVOVÁNÍ... 31 6 Metody zkoušení mechanických vlastností zinkových povlaků... 32 6.1 ZKOUŠKA HLOUBENÍM... 32 6.2 OHYBOVÁ ZKOUŠKA NA VÁLCOVÉM TRNU... 33 6.3 ODTRHOVÁ ZKOUŠKA PŘILNAVOSTI... 35 6.4 KOROZNÍ ZKOUŠKY V UMĚLÉ ATMOSFÉŘE SOLNÁ MLHA... 35 6.5 STANOVENÍ TLOUŠŤKY POVLAKU... 36 6.6 VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ ZKOUŠEK... 37 7 Metodika práce... 38 7.1 ZKUŠEBNÍ VZORKY... 38 7.2 ZKOUŠKA HLOUBENÍM PODLE ERICHSENA DLE NORMY ČSN EN ISO 1520... 40 7.3 OHYBOVÁ ZKOUŠKA NA VÁLCOVÉM TRNU DLE NORMY ČSN ISO 1519... 40 7.4 ODTRHOVÁ ZKOUŠKA PŘILNAVOSTI DLE NORMY ČSN EN ISO 4624... 40
7.5 KOROZNÍ ZKOUŠKA V UMĚLÉ ATMOSFÉŘE DLE NORMY ČSN ISO 9227... 40 8 Výsledky zkoušek... 40 8.1 ZKOUŠKA HLOUBENÍM (ERICHSEN)... 40 8.1.1 Žárové pokovení suchým způsobem... 41 8.1.2 Žárové pokovení kontinuálním způsobem... 43 8.1.3 Metalizace... 44 8.1.4 Galvanicky pokovené... 45 8.2 OHYBOVÁ ZKOUŠKA PŘES VÁLCOVÝ TRN... 46 8.2.1 Žárové pokovení suchým způsobem... 46 8.2.2 Žárové pokovení kontinuálním způsobem... 47 8.2.3 Metalizace... 49 8.2.4 Galvanicky pokovené... 50 8.3 ODTRHOVÁ ZKOUŠKA PŘILNAVOSTI... 51 8.3.1 Žárové pokovení suchým způsobem... 51 8.3.2 Žárové pokovení kontinuálním způsobem... 51 8.3.3 Metalizace... 51 8.3.4 Galvanicky pokovené... 52 8.4 KOROZNÍ ZKOUŠKA V UMĚLÉ ATMOSFÉŘE (SOLNÁ MLHA)... 52 8.4.1 Žárové pokovení suchým způsobem... 53 8.4.2 Žárové pokovení kontinuálním způsobem... 53 8.4.3 Metalizace... 54 8.4.4 Galvanicky pokovené... 54 9 Diskuze a závěr... 55 Seznam použité literatury... 57 Seznam použitých norem... 58 Seznam obrázků... 59 Seznam tabulek... 61
1 ÚVOD Ocel jako jedna ze základních konstrukčních prvků obklopuje každého z nás. Velká pozornost při užití tohoto materiálu v praxi je věnována především ochraně proti korozi. Koroze jako nežádoucí a nevratný děj způsobuje každý rok po celém světě škody za stovky miliard korun. V technické praxi je známo mnoho způsobů, jak zabraňovat vzniku koroze a tím prodlužovat životnost daných systémů. Je nutno dobře zvážit, která povrchová úprava je pro daný systém nejvhodnější. Mezi hlediska, která stojí na prvním místě při volbě vhodné povrchové úpravy, patří: trvanlivost ochranného systému, náročnost na provedení, ekonomická a ekologická hlediska, vizuální stránka, proveditelnost z technického hlediska atd. Mezi velmi hojně využívané metody ochrany proti korozi patří zinkování. Zinkování obecně znamená vytvoření ochranné vrstvy zinku na základním materiálu. Tato vrstva zabraňuje vzniku koroze dvěma mechanismy a to: působí jako bariéra vůči okolnímu prostředí a současně elektrochemicky, jako anodická ochrana. Způsobů nanášení těchto vrstev existuje několik, nejčastěji však jsou to zinkové vrstvy, vytvořené ponorem do taveniny zinku, galvanické, žárově nastříkané, mechanicky a difúzně nanesené. Každá zinková vrstva musí rovnoměrně a souvisle pokrývat povrch součásti. Vzhledem k tomu, že zmíněná rovnoměrnost a souvislost vrstvy ovlivňuje kvalitu celého protikorozního systému, zaměřil jsem se v této práci na hodnocení vlastností zinkových protikorozních vrstev zejména při mechanickém namáhání či poškození. 2 CÍL PRÁCE Cílem mé práce, je zpracovat základní parametry, které ovlivňují vlastnosti zinkových protikorozních vrstev. Vytvořit přehled metod hodnocení mechanických vlastností zinkových vrstev a na základě zpracované metodiky vyhodnotit jednotlivé soubory zkoumaných vzorků s nanesenými zinkovými povlaky. Navrhnout odpovídající doporučení pro technickou praxi. - 8 -
3 KOROZE A PROTIKOROZNÍ OCHRANA OBECNĚ 3.1 Koroze Koroze je samovolné, nežádoucí, nevratné, postupné rozrušování kovů či nekovových organických i anorganických materiálů vlivem elektrochemické, chemické nebo biologické reakce s okolním prostředím. Nejčastěji se jedná o reakci elektrochemického charakteru. Koroze zpravidla způsobuje poškození funkčnosti kovu, jeho okolí, nebo technického systému, jehož je kov součástí. Jedná se zejména o: změnu mechanických vlastností změnu geometrie povrchu změnu fyzikálních vlastností Vzhledem k tomu, že při výrobě kovů z rud je nutno dodat značné množství energie, reprezentuje kov vyšší energetický stav než ruda. V průběhu korozního děje se kov snaží tuto energii uvolnit a přejít do stabilního stavu v jakém se vyskytuje v přírodě. Korozní produkty proto často obsahují tytéž sloučeniny, ze kterých byl kov původně získán. Vyšší energetický stav však sám o sobě ke vzniku koroze nestačí. Aby došlo k zahájení korozní reakce, musí vstoupit do procesu voda a kyslík, kterého je v běžném prostředí dostatek. 3.2 Základní rozdělení koroze: 1. Chemická v oxidačním prostředí v redukčním prostředí 2. Elektrochemická v atmosféře ve vodě v půdě ve specifickém prostředí Rozdělení koroze z hlediska napadení kovů: rovnoměrná po celém exponovaném povrchu nerovnoměrná o důlková o bodová - 9 -
o nitková o mezikristalická o transkristalická o selektivní o extrakční o skvrnitá Elektrochemická koroze oxidace probíhá na anodě a redukce na katodě, přičemž podmínkou je elektricky vodivé prostředí Činitelé ovlivňující elektrochemickou korozi 1. Standardní potenciál kovu 2. Schopnost pasivace 3. polarizace a depolarizace elektrod 4. faktory související s prostředím 5. faktory související s kovem [1] Ocel je v současné době bezkonkurenčně nejpoužívanější kov. Její jedinou velkou nevýhodou je příliš vysoká korozní rychlost v mnoha běžných korozních prostředích. Chránit výrobky z oceli nebo ocelové konstrukce proti korozi je proto z ekonomického hlediska velmi důležité. Ocel je možné chránit proti korozi následujícími způsoby: 3.3 Možnosti ochrany proti vzniku korozních dějů Legováním oceli Legováním oceli dalšími základními prvky. Přídavkem chromu (>13%) získáme korozivzdornou ocel, která je proti atmosférické korozi ještě odolnější než samotný chrom, jenž byl přidán. Přídavkem niklu, nebo molybdenu může být korozní odolnost ještě zvýšena. Většina slitin je v porovnání s nelegovanými či nízkolegovanými ocelemi podstatně dražší. Velmi důležité je však pro každý konkrétní případ prověřit vhodnost legury pro prostředí, kterému bude ocel vystavena. Úpravou korozního prostředí Snížením relativní vlhkosti (odvlhčení), vysušením a současným zvýšením teploty, nebo přidáním inhibitorů, avšak pouze v uzavřených systémech. - 10 -
Katodickou ochranou Použitím tzv. obětované anody bez anebo s použitím vloženého stejnosměrného proudu. Metoda s obětovanou anodou se může považovat za jednu z forem galvanické koroze, protože se zde kovy vědomě uspořádají tak, aby jeden s nižším potenciálem korodoval a tím chránil druhý kov. Tato metoda je možná aplikovat pouze v prostředích s dostatkem elektrolytu (voda, vlhká půda). Metoda se používá k ochraně lodních trupů, pobřežních zařízení, vrtných plošin, nádrží, potrubních vedení apod. Nejběžněji používaný materiál pro obětované anody je zinek, nebo hořčík, případně jejich slitiny. Anodickou ochranou Princip je založen na faktu, že některé kovy vytváří na svém povrchu vrstvu elektrochemicky ušlechtilejší, ta pasivuje kov a zpomaluje průběh koroze. Pro rychlejší vytvoření vrstvy oxidů se využívá vnějšího zdroje proudu, připojením na kladný pól. Ochranným povlakem Povlakem z anorganického nebo organického materiálu se zabrání přístupu vlhkosti a kyslíku k povrchu oceli. Tato metoda patří k nejběžnějším způsobům protikorozní ochrany. Anorganickými materiály mohou být kovy, slitiny nebo smalty. Organickými povlaky mohou být barvy, bitumenové přípravky nebo plasty. Často se využívá kombinace obou, pro znásobení korozní odolnosti. [1] Vytvoření kovového povlaku Kovový povlak na oceli je technicky možné vytvořit z většiny kovů a slitin a tím zajistit korozní odolnost, odolnost vůči abrazi, nebo vytvořit požadovaný dekorativní efekt. Mnohé kovy jsou však drahé, případně je lze obtížně vyloučit na povrchu oceli. Mohou být nevhodné kvůli své vlastní vysoké náchylnosti korodovat, nebo proto, že jsou ušlechtilejší než ocel. Cílem je použití kovu, který se snadno nanáší, poskytuje dobrou korozní odolnost a je přijatelný z hlediska ekonomického i ekologického. Z pohledu výše uvedených kritérií připadají prakticky v úvahu pouze zinek a hliník. Hliník je zajímavý z hlediska ceny a korozní odolnosti ve většině prostředí. Nevýhodou je však velmi obtížný způsob nanášení, protože snadno oxiduje se všudypřítomným kyslíkem. Znamená to, že vodné elektrolyty se nedají použít a při pokovení je nutné používat ochrannou atmosféru, aby se zabránilo oxidaci. Proto se hliník využívá hlavně v kombinaci se zinkem, v určitém rozsahu se nanáší čistý hliník pomocí metalizace. [2] - 11 -
3.4 Vliv korozního prostředí Při volbě protikorozní ochrany ocelových součástí nebo konstrukcí je třeba brát v úvahu mnoho technických faktorů. Je nutné zmapovat prostředí, kde budou objekty či konstrukce umístěny, stejně tak i zatížení vznikající při dopravě, skladování, nebo montáži. Z pohledu exploatace součásti v prostředí je důležitým faktorem obsah oxidu siřičitého (SO 2 ) v daném prostředí. Asociace českých a slovenských zinkoven ve spolupráci s SVÚOM s.r.o., ČEÚ a ČHMÚ zpracovali mapu atmosférických rychlostí zinku na území ČR. Při volbě technologického postupu či dalších aspektů může konstruktér přihlédnout ke znečištění dané lokality, kam má být výrobek umístněn. Legenda: Roční korozní úbytek Minimální životnost zinkového zinku [µm] povlaku o tloušťce 70 µm [roky] 0,64 0,84 83 0,85 0,98 71 0,99 1,12 62 1,13 1,26 56 1,27 1,57 45 Obr. 1 Korozní rychlost zinku v České republice [3] - 12 -
Při rozhodování nad správnou volbou antikorozního systému nám může býti nápomocna norma ČSN EN 12500, která udává stupně korozní agresivity ve venkovním prostředí viz. tabulka č. 1 Tab. 1 Stupně korozní agresivity atmosfér ve venkovním prostředí podle ČSN EN 12500 [4] Stupeň agresivity C1 C2 C3 C4 C5 Korozní agresivita velmi nízká nízká střední vysoká velmi vysoká Příklad výskytu Suché, nebo studené klimatické oblasti s velmi nízkým znečištěním a dobou ovlhčení, např. pouště, střední Antarktida Mírná klimatická oblast, atmosféry s nízkým znečištěním (SO 2 <12µg m -3 ) venkovské oblasti, malá města. Suché, nebo studené klimatické oblasti s nízkým znečištěním pouště, subarktické oblasti. středním znečištěním, (SO 2 :12 µg m -3 až 40 µg m -3 ) nebo malým vlivem chloridů městské oblasti, přímořské oblasti s nízkým spadem chloridů. Tropické klimatické oblasti s nízkým znečištěním. Mírná klimatická oblast s vysokým znečištěním, (SO 2 :40 µg m -3 až 80 µg m -3 ) nebo značným vlivem chloridů znečištěné městské oblasti, průmyslové oblasti, přímořské mimo zóny s postřikem slanou vodou, silný vliv solí rozmrazovacích prostředků. Tropické klimatické oblasti se středním znečištěním. Mírná klimatická oblast s velmi vysokým znečištěním, (SO2:80 µg m-3až 250 µg m-3) nebo silným vlivem chloridů průmyslové oblasti, přímořské oblasti, zóny s postřikem slanou vodou. Tropické klimatické oblasti s vysokým znečištěním nebo se silným vlivem chloridů. - 13 -
4 ZINEK, TRVALE UDRŽITELNÝ KOV, NEZBYTNÝ PRO ŽIVOT 4.1 Zinek a jeho význam Zinek je lesklý modrobílý, křehký kov, známý již od středověku. Bod tání tohoto kovu je 419,5 C a bod varu 906 C. Jedná se o prvek druhé vedlejší periodické soustavy prvků a řadí se mezi kovy těžké, ochotně tvořící slitiny. Ve sloučeninách je vždy s oxidačním číslem 2 +. Krystalizuje v soustavě šesterečné. Jedná se o kov s velmi dobrými korozními vlastnostmi ve většině atmosférických prostředí a vodách. Právě z tohoto důvodu je často vyhledávaným materiálem v antikorozních systémech, kde se aplikuje jako povlak. Samotné využití zinku ve slitinách je omezené. Zinkové povlaky jsou nanášeny různými technologiemi, jejichž výběr je specifikován druhem výrobku a požadavkem na odolnost. Zinek je přírodní prvek zemské kůry a je přítomen v různých úrovních ve všech oblastech lidského prostředí (vzduch, voda, půda). Patří k nezbytným prvkům pro živé organizmy a je důležitý pro mnoho biologických procesů. 4.2 Korozní charakteristika zinku Zinek je elektrochemicky méně ušlechtilý než většina kovů. Vytvářené ochranné povlaky jsou anodického typu. I když zinek patří k elektrochemicky neušlechtilým kovům, je jeho odolnost v typických prostředích exploatace vyšší, než u ušlechtilejší běžné uhlíkové oceli. Hlavním důvodem je odlišný mechanizmus funkce stimulátorů koroze. Na zinku se v atmosférických a dalších prostředích korozně aktivní látky váží do nerozpustných, či velmi omezeně rozpustných složek a ty vykazují požadované ochranné vlastnosti. Koroze zinku probíhá většinou souvisle v celé ploše. Je známo, že koroze zinku je velmi silně závislá na ph prostředí. Na obrázku č. 2 je zobrazena závislost rychlosti koroze zinku na ph prostředí. [6] - 14 -
Obr. 2 Závislost rychlosti koroze (µm/rok) zinku na ph prostředí [6] - 15 -
5 METODY NANÁŠENÍ ZINKOVÝCH POVLAKŮ Zinkové povlaky Jednou z nejdůležitějších a nejčastěji využívaných vlastností zinku je jeho schopnost chránit ocel proti korozi. Zinkování je proces protikorozní ochrany oceli, při němž se na ocel nanáší zinek. Pokud je ocel opatřena povlakem zinku, její životnost a trvanlivost se výrazně zvyšuje. Takovouto efektivní a cenově dostupnou ochranu oceli neumí poskytnout žádný jiný materiál. Není li ocel chráněna, koroduje téměř v každém prostředí. Povlak zinku chrání ocel dvojím způsobem tvoří barieru od vnějšího prostředí a chrání elektrochemicky. Existuje několik základních metod nanášení povlaku zinku. 5.1 Žárové zinkování Žárové pokovení součásti ponorem do taveniny zinku je jedním z nejstarších způsobů vytváření kovových povlaků. Jedná se o metalurgický proces, při kterém se povlak na ocelovém dílu vytváří vzájemnou reakcí základního materiálu výrobku se zinkovou taveninou v lázni. Touto metodou lze jednoduše a rychle vytvořit ochrannou vrstvu proti korozi o dostatečně velké tloušťce s malou pórovitostí povlaku. Hlavním předpokladem pro použití této metody je, aby základní kov měl vyšší teplotu tání než kov povlakový. Žárové zinkování se provádí většinou v ocelových vanách při teplotě 440 až 470 C. Pouze u vysokoteplotního zinkování (nad 530 C) se používají speciální keramické vany. Vysokoteplotní zinkování se používá zejména pro zinkování spojovacích materiálů a temperované litiny. [5] Ochranné povlaky jsou vytvářeny kontinuálně, nebo individuálním ponorem na tvářených hutních výrobcích, odlitcích nebo konstrukcích. 5.1.1 Reakce mezi železem a zinkem Při reakci kovově čistého povrchu oceli s roztaveným zinkem vznikají postupně slitinové fáze železa a zinku (γ, δ, ζ), ve kterých směrem od rozhraní materiálu a povlaku klesá obsah Fe, viz obr č. 3. Při vytahování z lázně ulpí na slitinových fázích vrstva čistého zinku (fáze η). Pokud v průběhu chladnutí nedojde k zreagování se železem, zůstane povlak kovově lesklý, za přítomnosti legujících prvků, které nejsou rozpustné v pevné ζ fázi zinku (cín, olovo), krystaluje povrchová vrstva zinku a vytváří různě orientované krystaly tzv. květy. - 16 -
fáze η fáze ζ fáze δ fáze γ pokovovaná ocel Obr. 3 Řez povlakem žárového zinku s označením jednotlivých slitinových fází Fe Zn [5] fáze γ - (Fe 5 Zn 21 ) elektronová fáze s krychlovou mřížkou plošně centrovanou, hmotnostní podíl železa činí 17 19,5%, jedná se o velmi tvrdou a křehkou fázi fáze δ - (FeZn 7 ) intermetalická fáze, krystalizující v hexagonální mřížce s obsahem železa 7 11,5 %, teplota tavení 530 672 C, je podstatně silnější než fáze γ a je tvořena tvrdými sloupkovými krystaly kolmými na povrch fáze ζ - (FeZn 13 ) intermetalická fáze s jednoklonnou mřížkou, obsahuje 6-6,2 % železa, teplota tavení 480 530 C, fáze tvoří hrubé sloupcové krystaly, které jsou orientovány kolmo na povrch. Často dochází při procesu zinkování k odplavování této fáze do zinkovací lázně, kde klesá na dno a tvoří tzv. tvrdý zinek fáze η - je převážně tvořena čistým zinkem, který ulpěl na povrchu při vytahování z lázně. Tato fáze je velmi měkká a plastická, což je velmi příznivé při následném zpracování např. u tváření zinkovaného plechu za studena. [5,8] Tloušťka povlaku a vzhled povrchu jsou dány reakcí mezi ocelí a zinkem a tím, jak rychle tuhne vnější zinková vrstva. Průběh reakce závisí na mnoha parametrech. Největší význam má složení a stav povrchu oceli (mimo jiné struktura, velikost zrna, - 17 -
napětí, povrchová drsnost). Dále má vliv složení taveniny a její teplota, stejně jako doba ponoru. Při výrobě oceli se přidává křemík, nebo hliník jako dezoxidační činidlo a ocel se stává uklidněnou. Ocel vyrobená bez těchto přísad se nazývá neuklidněnou. Obsah křemíku (Si) má pro reakce při žárovém zinkování velký význam. [3] Neuklidněné nebo hliníkem uklidněné oceli Do této skupiny se počítají ty oceli, které mají obsah křemíku pod 0,04%. Při žárovém zinkování těchto ocelí se krystaly železo-zinek vytvářejí těsně na sobě a tím slitinová vrstva brání roztavenému zinku dosáhnout povrchu oceli. K reakci může proto dojít pouze mezi zinkem a železem, které prodifunduje slitinovou vrstvou. Výsledkem je, že rychlost reakce a tím rychlost růstu vrstvy s časem klesá a povlak zůstane relativně tenký. Když zinek na povrchu povlaku ztuhne, je vrstva hladká a má lehce namodralý kovový lesk. V některých případech, zejména u tenkého plechu, může zinek ztuhnout ve tvaru náhodně orientovaných krystalů, které povrchu dodávají vzhled květů. Přídavky bismutu, olova, cínu do zinkové lázně mají vliv na tvorbu a velikost zinkového květu. Takto vzniklé květy nemají žádný vliv na změnu korozní odolnosti. Částečně uklidněné oceli (Sandelinovy oceli) Částečně uklidněné oceli s celkovým obsahem křemíku v oblasti 0,04 až 0,14% se v souvislosti se žárovým zinkováním nazývají Sandelinovy oceli. Tyto oceli vyžadují zvláštní složení lázně. V běžné zinkovací lázni je reakce mezi ocelí a zinkem velmi rychlá a vytvořený povlak je tlustý a nepravidelný, často se zhoršenou přilnavostí. Krystaly zeta fáze, tvořící vnější slitinovou vrstvu, rostou v podobě tenkých dlouhých zrn. Zinek v tavenině snadno proniká mezi zrny a růst vrstvy probíhá velmi rychle. Pokud není k dispozici vhodně legovaná zinková tavenina je třeba se tomuto typu ocelí při zinkování vyhnout. Křemíkem uklidněné oceli Oceli uklidněné křemíkem mají obsah Si nad 0,15%. Zeta fáze se tvoří v podobě dlouhých sloupcovitých krystalů. Tato struktura je podobně jako u Sandelinových ocelí rozvolněná a umožňuje zinku pronikat mezi krystaly. Reakce se nezbrzdí jako u - 18 -
neuklidněné, nebo hliníkem uklidněné oceli a zůstává rychlá po celou dobu, kdy se zboží nachází v zinkové lázni. Tloušťka povlaku roste rychle s rostoucí dobou ponoru a vrstva je obecně relativně tlustá. Na rozdíl od Sandelinových ocelí je nárůst řízený a vrstva je rovnoměrná, s dobrou přilnavostí k oceli. Je třeba zdůraznit, že rozvolněné uspořádání krystalů slitinové fáze neznamená, že je zinková vrstva porézní nebo obsahuje dutiny. Dutiny mezi krystaly jsou vždy vyplněny čistým zinkem. Při vytažení ze zinkové lázně tuhne vrstva čistého zinku na slitinové vrstvě tak, jako u ocelí neuklidněných či uklidněných hliníkem. Vlivem vysoké reaktivity pokračuje reakce železo-zinek, i když součást opustí lázeň, a to tak dlouho, dokud teplota neklesne pod 225 C. Vrstva čistého zinku se tak zpravidla přemění na zeta fázi a povrch zinkové vrstvy se tak stane matně šedý. Toto však nemá vliv na změnu korozní odolnosti. Jedná se pouze o hledisko estetiky. [3] 5.1.2 Technologický postup žárového zinkování 5.1.2.1 Předúprava: Procesům vytváření povlaků podle technologie pokovování kompaktních výrobků předchází vstupní předúprava, která rozhoduje o výsledku procesu ponoru. Pokud je povrch oceli znečištěn barvou, nebo struskou po svařování, musí se tyto nečistoty odstranit mechanicky. Formovací písek se z odlitku musí otryskat, protože křemičitany, které písek obsahuje, není možno odmořit v kyselině chlorovodíkové, sírové, nebo chloridu železnatém. Tuky, oleje a dehet se běžně odstraní alkalickým odmašťováním. V současné době se používají ekologičtější lázně s tenzidy a bakteriemi, které mají za úkol likvidovat tuky a oleje. Pro odstranění rzi a okují se zařazuje do procesu tzv. moření oceli. Moření probíhá v kyselině chlorovodíkové (cca 10 až 12% roztok), v kyselině sírové (max. 20%) nebo chloridu železnatém (5% kyselina chlorovodíková a chlorid železnatý). Předúprava může být: Mechanická předúprava - tryskání, broušení Chemická předúprava - odmašťování, moření, máčení v tavidle s mezioperačními oplachy - 19 -
Namáčení povrchu v tavidle je poslední operací prováděnou před samotným ponorem do taveniny. Nanášení tavidla se provádí dvěma základními způsoby, které popisuji v kapitole 5.1.2.2 a 5.1.2.3, jsou to suchý a mokrý způsob zinkování. Cílem použití tavidla je zejména: odstranění špatně opláchnutých solí pokovovaného kovu vznikajících během moření, důkladné odstranění zbytků oxidů, vyloučení vrstvy absorbovaných plynů z povrchu kovu, zajištění očištěného výrobku před opětovným vznikem oxidů na povrchu od okamžiku moření až do doby ponoru do taveniny. Výše vyjmenované druhy předúpravy povrchů je možné provádět v mnoha kombinacích. Nejčastěji se provádí sloučení mechanické předúpravy - tryskáním s chemickou předúpravou. Jedná se sice o nejdražší variantu, ale je schopna zajistit spolehlivou garanci správné přípravy povrchu výrobku. [3, 7] 5.1.2.2 Suchý způsob neboli suché zinkování Po odmaštění, moření a oplachu se zboží ponoří do tavidlové lázně, což je vodný roztok chloridu zinečnatého a chloridu amonného, a usuší se. Regenerací tavidla se udržuje obsah železa pod 1 g/l, což umožňuje minimalizovat tvorbu tvrdého zinku v zinkové lázni. Ponořením do tavidla se na povrchu zboží vytvoří tenká vrstva tavidla, která brání oxidaci. Vrstva tavidla také čistí hladinu roztaveného zinku od oxidů při ponořování zboží. Před ponořením a vynořením zboží se z hladiny roztaveného zinku stírá popel obsahující spálené tavidlo a oxidy zinku. Po vytažení ze zinku se zinkované zboží ochladí ve vodě nebo na vzduchu a je připraveno ke kontrole, eventuálně k následným úpravám, zabalení a expedici. [3] Obr. 4 Princip žárového zinkování suchým způsobem[3] - 20 -
5.1.2.3 Technologie mokrého zinkování Při mokrém způsobu zinkování je hladina zinkovací lázně rozdělena na dvě části přepážkou. V jedné části se na hladině zinkové lázně nachází vrstva tavidla chloridu amonného. Ihned po odmaštění a odmoření se zboží zanořuje přes vrstvu tavidla do zinkové lázně. Poté se zboží protáhne pod hladinou zinkové lázně do druhé části, kde je čistá a volná hladina. Z jejího povrchu se stírá popel ze spáleného tavidla společně s oxidy zinku. Po vytažení ze zinku se zboží ochladí na vzduchu, nebo ve vodě a připraví ke kontrole, eventuálně k následným úpravám, zabalení a expedici. Obě výše uvedené metody poskytují z hlediska kvality a úrovně protikorozní ochrany zcela rovnocenné povlaky. Suchý způsob je nejběžněji používaný, protože se dá snáze mechanizovat. [3]. Obr. 5 Princip žárového zinkování mokrým způsobem [3] 5.1.2.4 Žárové zinkování drobných dílů Drobné díly jako hřebíky, matice, podložky, kování atd. (hromadné zboží) se odmastí a odmoří stejně jako u předchozích metod. Po nanesení tavidla se díly nasypou do perforovaných košů a ponoří do zinkové taveniny. Po vytažení z lázně se koš umístí do stranou stojící odstředivky, případně se odstřeďuje přímo nad zinkovou lázní viz obr. 5. Vlivem odstředivé síly (cca 800 ot. /min) se odstraní přebytečný zinek z povrchu povlaku, který je tím pádem rovnoměrný a hladký. Ponory se zpravidla provádějí při vysoké teplotě (540 až 560 C) a zinková vrstva je poněkud tenčí a má matnější povrch než při kusovém pozinkování při nízké teplotě (450 až 460 C). [3] - 21 -
Obr. 6 Princip vysokoteplotního zinkování s odstřeďováním [3] 5.1.2.5 Kontinuální zinkování ocelových plechů a pásů Tenký plech se žárově zinkuje v kontinuálních zařízeních, kde je celý proces propojen do uzavřeného systému. Základním materiálem je válcovaný plech za studena v podobě svitků, které se v průběhu procesu svařují do nekonečného pásu (obr.6). Po odmaštění se pás moří. Poté se povrch redukcí při 950 C zbaví oxidů. Současně probíhá změkčovací žíhání oceli. Vzniklý povrch oceli je kovově čistý a takto vstupuje v ochranné atmosféře přímo do zinkovací lázně. Po několika sekundách v zinkovací lázni vystupuje pás kolmo vzhůru a prochází mezi tzv. vzduchovými stíracími noži, které jemným proudem vzduchu nebo páry stírají zinkový povlak na požadovanou tloušťku. Řízení tloušťky vrstvy a nastavení stíracích nožů se provádí pomocí tloušťkoměrů, na které dohlíží počítač. Přes ochlazovací sekci a rovnání se pás vede k formátovacím nůžkám, navíjí se na svitky pro expedici nebo pro další povrchovou úpravu např. organickým povlakem nebo k dalšímu tváření. Tenký ocelový plech se zinkuje buď mikrolegovaným, nízkolegovaným nebo vysokolegovaným zinkem. Nejběžnější legurou je v tomto případě hliník. Typické obsahy hliníku jsou od 0,2 % (žárově pozinkovaný plech) přes 5 % (Galfan) po 55 % (Aluzink, Galvalume). [2] - 22 -
Obr. 7 Princip kontinuálního žárového zinkování plechu [3] Doba zinkování Velmi důležitým parametrem procesu zinkování je doba, po kterou setrvá pokovovaná součást v zinkovací vaně. V průběhu této doby dochází k ohřevu součásti na teplotu roztaveného zinku, dočištění součásti účinkem solí obsažené v tavidlu, přes které byla součást ponořena do taveniny a následné pokovení. Především ohřátí je závislé na tloušťce základního materiálu a prodlužuje celkovou dobu zinkování. Prodloužení doby zinkování nad dobu nezbytně nutnou k proběhnutí reakce Fe a Zn má podstatný vliv na tloušťku výsledného povlaku zejména u křemíkem uklidněných ocelí, kde dochází k lineárnímu průběhu rychlosti reakce Fe a Zn. Pouze u těchto ocelí tloušťka povlaku s dobou zinkování významně narůstá. Obecně platí, že na materiálu s větším průřezem stěny vznikají silnější povlaky. Průběh reakce a kvalitu výsledného povlaku včetně tloušťky ovlivňuje i složení zinkové lázně. Obsah nečistot v zinkové lázni kromě železa a cínu nesmí podle normy ČSN EN ISO 1461 přesáhnout 1,5 hm. %. Z technologických důvodů se do lázně přidává Al v koncentracích okolo 0,005 hm. %. Hliník má za úkol snižovat oxidaci povrchu zinkové lázně. Pro zvýšení tekutosti se do lázně také přidává olovo, to je však nahrazováno bizmutem z důvodu dodržení ekologické nezávadnosti. Pro zpomalení rychlosti reakce Fe a Zn při pokovování křemíkem uklidněných ocelí se do lázně - 23 -
přidává nikl v koncentracích 0,05 až 0,06 hm. %. Uvedené legury ovlivňují průběh reakce oceli v tavenině a umožňují snížení teploty zinkování o 5 10 C. Na korozní chování výsledného zinkového povlaku nemají vliv. [7] 5.2 Metalizace elektrickým obloukem (Šopování) Metalizace neboli šopování elektrickým obloukem je jeden ze způsobů povrchové úpravy materiálu, při němž je zinek ve formě drátu nebo prášku taven v aplikační pistoli obr. č. 8 a následně proudem stlačeného vzduchu nanášen na podklad, který zůstává bez tepelného ovlivnění. Jedná se o způsob používaný pro povrchovou úpravu ocelových konstrukcí, zejména pro aplikace vyžadující vysokou životnost povlaků, určené do těžkých korozních prostředí. Dále pak při opravách žárově vytvořených povlaků součástí, které byly mechanicky poškozeny při manipulaci či svařování. Velkou výhodou oproti výše popsaným metodám, které poskytují stejnou antikorozní ochranu, je velká variabilita a mobilita metalizačního zařízení. Žárové zinkování je limitováno rozměrem zinkovací vany, obdobně tak i galvanické pokovování je omezeno rozměrem elektrolytické lázně. Proces Při metalizaci dochází k vytvoření elektrického oblouku mezi dvěma dráty opačné polarity. Účinkem el. oblouku dochází k natavování konců drátů a díky přívodu stlačeného vzduchu jsou tyto částice unášeny směrem k povrchu pokovované součásti. Při aplikaci roztaveného zinku dochází k minimálnímu zahřívání součásti, na kterou je tavenina aplikována. Vazby, které vznikají mezi povrchem součásti a taveninou jsou proto pouze mechanického, nikoliv chemického charakteru a nedochází k deformaci, nebo jiným nežádoucím změnám struktury základního materiálu. Aplikace a účinnost Stejně jako u jiných typů povrchových úprav hraje i u metalizace důležitou roli příprava povrchu. Primárním požadavkem je důkladně odmaštěný a očištěný povrch nejčastěji tryskáním na Sa 2,5 až 3 dle normy ČSN ISO 8501 1 s vysokou drsností. Pro nástřik je možné využít drát o různých průměrech 1,6; 2; 2,5; a 3 mm a v poslední době také drát s průměrem 4,76 mm. Průměr drátu hraje jednu z nejzásadnějších rolí ovlivňující zejména rychlost aplikace a s tím spojenou účinnost nástřiku. Při využití průměru drátu 4,76 mm, který je rozprašován vzduchem pod tlakem - 24 -
minimálně 6 barů, a tloušťce výsledného povlaku 100 µm je rychlost aplikace až 40 m 2 za hodinu. [9] Kvalitu žárově stříkaného povlaku zinku ovlivňuje zejména: - zdrsnění povrchu - předúprava tryskáním - čistota zinku používaného ke stříkání (99.99 %) - dostatečné protavení částic zinku a správný úhel dopadu - teplota povrchu zinkovaného dílu (min. 3 C nad rosným bodem) - doba od otryskání do nástřiku (max. 4 hodiny) [10] Povrch vytvořený metalizací se vyznačuje lehkou porézností a větší drsností, než u ostatních metod pokovení. Běžně se proto používá utěsnění pórovité struktury vhodnými nátěry nebo konverzními úpravami. Povlak dosahuje běžně tloušťky od 30 do 300 µm. Doporučené tloušťky povlaků pro různá korozní prostředí uvádí norma ČSN EN 2063. Některé hodnoty této normy znázorňuje tabulka č. 2 Tab. 2 Minimální doporučené tloušťky povlaků pro různá prostředí dle ČSN EN 2063[10] Prostředí Zinek [μm] s utěsněním bez utěsnění slaná voda nedoporučuje se 100 sladká voda 200 100 městské prostředí 100 50 průmyslové prostředí nedoporučuje se 100 přímořská atmosféra 150 100 suché vnitřní prostředí 50 50-25 -
Obr. 8 Schéma metalizační pistole [9] Obr. 9 Řez povlakem metalizovaného zinku [3] 5.3 Galvanické (elektrolytické) pokovení Přípravné operace před galvanickým zinkováním U technologie galvanického zinkování je kladen důraz na vysokou korozní odolnost. To s sebou přináší i nové druhy kvalitních pasivací a utěsnění. Nezanedbatelné jsou i požadavky na chromáty s vysokou korozní odolností bez obsahu šestimocného chromu, nazývané též tlustovrstvé pasivace. Galvanického zinkování se využívá zejména v automobilovém průmyslu, pro jeho relativně nižší cenu při zachování požadované antikorozní ochrany. Základní operace předúpravy chemické odmaštění, - 26 -
moření elektrolytické odmaštění Moření Z hlediska předúprav patří moření ke klíčovým operacím. Náročnost moření je dána rozdílným stupněm zoxidování povrchu a širokým sortimentem zinkovaných dílů. Procesem moření se odstraňují z povrchu materiálu především oxidační zplodiny a další nečistoty. Z oxidů jsou to Fe O, Fe 2 O 3 a Fe 3 O 4. Nejlépe se odstraňují FeO, nejhůře Fe 2 O 3. Při moření se rozpouští i čisté železo za současného vzniku vodíku. Chemicky popsáno: Fe + 2H + = Fe 2+ + H 2 FeO + 2H + = Fe 2+ + H 2 O Fe 3 O 4 + 8H + = Fe 2+ + 2Fe 3+ + 4H 2 O Fe 2 O 3 + 6H + = 2Fe 3+ + 3H 2 O V současné době se 90% mořených materiálů moří v anorganických kyselinách, z toho nejvíce v kyselině chlorovodíkové, méně kyselině sírové a nejméně v kyselině fosforečné nebo ve směsi kyselin. Volba mořící kyseliny závisí na typu materiálu, stupni oxidace a podle procedury, která následuje po moření. Každá kyselina má své přednosti a nedostatky. Při moření v kyselině chlorovodíkové je výhodou, že lze dosáhnout hladký, téměř lesklý povrch, To lze provádět s dostatečnou účinností již při běžné teplotě 20 C (energetická nenáročnost) za současného nízkého naleptání základního materiálu. Při zvýšení teploty mořící lázně o 10 C se zvýší rychlost moření o 100% a naopak. Zvýšení rychlosti moření až o 30% je možné docílit promícháváním mořící lázně během procesu moření. Při rozpouštění oxidů železa dochází současně i k rozpouštění čistého kovu za vzniku vodíku. Vzniklý vodík má negativní vliv na následující operace i na samotný materiál. Část vodíku má tendence difundovat do kovu, zhoršovat tak jeho mechanické vlastnosti. Tento jev se nazývá vodíková křehkost. Vodíková křehkost Princip vzniku tohoto jevu spočívá v tom, že vodík ve stavu zrodu uvolňovaný při reakci kyseliny s mořeným materiálem snadno intersticiálně vniká do krystalové mřížky feritu. Zde se váže buď do molekul vodíku, nebo v horším případě reaguje s uhlíkem. Molekuly vodíku, které mají větší objem než jeho jednotlivé atomy, nejsou již schopny snadno difundovat ven, tvoří dutiny a silně narušují strukturu oceli. Slučuje-li se vodík - 27 -
s uhlíkem obsaženým v cementitu, váže se na velmi rozměrné molekuly metanu za současného ochuzování oceli o uhlík. To má za následek snižování pevnosti základního materiálu a vznik necelistvosti. [11] Obr. 10 Princip navodíkování povrchu feritické oceli [11] K zamezení těchto nežádoucích vlivů se do mořících lázní přidávají inhibitory, které se sorbují na čistý povrch železa, tento povrch blokují a tím výrazně snižují jeho rozpouštění a tím vzniku vodíku. Často se do mořících lázní společně s inhibitory přidává malé množství smáčedla, které jednak doodmastí mořenou součást, jednak sníží povrchové napětí mořící lázně a umožní její rychlejší a dokonalejší odkapání po vyjmutí. [12] 5.4 Difúzní zinkování (Sherardování) Tato metoda je velmi vhodná u výrobků drobných rozměrů, velkých sérií a u součástí se značnou tvarovou složitostí. Jedná se o tepelně-chemické zpracování materiálu, při kterém difunduje vhodný chemický prvek (v tomto případě zinek) do povrchové vrstvy základního materiálu a změnou chemického složení mění i vlastnosti materiálu. Podobně jako u jiných technologií zinkování se využívá při sherardování kladných vlastností zinku: schopnost pasivovat se tvorba tenké oxidické vrstvy, chránící zinek před další korozí vyšší afinita ke kyslíku oproti železu v korozních prostředích pak slouží Zn jako obětovaná anoda a zajišťuje tím katodickou ochranu - 28 -
Základním materiálem mohou být všechny materiály vykazující větší elektropozitivitu než zinek (viz tab. 3) Nejčastěji se difúzně zinkují legované a nelegované oceli, litiny, a slitiny mědi. Tab. 3 Elektrochemický potenciál vybraných kovů ve vztahu k zinku [13] Kov Iont Elektrochemický potenciál Měď Cu +II + 0,350 Nikl Ni +II - 0,250 Železo Fe +II - 0,450 Chrom Cr +III - 0,710 Zinek Zn +II - 0,770 Technologický postup Předúprava Cílem této fáze technologie je připravit čistý povrch bez nečistot, mastnoty a korozních produktů. otryskání mechanické odstranění nečistot, zejména u odlitků nutno odstranit zbytky formovacího písku, dále pak u pružinové oceli. Jako tryskací materiál se používají ocelové kuličky nebo nasekaný drát. odmaštění provádí se v přípravcích na alkalické bázi, nebo v trichloretylenu moření účelem je odstranění oxidů na povrchu materiálu. Provádí se ve studené, ředěné kyselině chlorovodíkové, či sírové, přidávají se inhibitory pro zabránění vzniku vodíkové křehkosti, lze přidat i činidla pro lepší smáčivost povrchu sušení zamezuje vzniku páry v pokovovacím bubnu během scherardování, pokud by součásti nebyly dostatečně osušené, mohlo by dojít k destrukci bubnu - 29 -
Vlastní sherardizace Proces sherardizace probíhá ve směsi zinku a křemičitého písku v pokovovacím bubnu za teplot přibližně 300 až 400 C, což jsou teploty nižší, než je teplota tavení zinku (419 C). Doba pokovování je závislá od požadované tloušťky zinkového povlaku. Prášková směs Pro výsledné vlastnosti ochranné vrstvy jsou nejdůležitější fyzikální vlastnosti a chemické složení práškové směsi. Pro dosažení lesklého, méně pórovitého povrchu se užívá jemná prášková směs. Jemnější směs navíc potřebuje kratší dobu ohřevu, což je z ekonomického hlediska pozitivní. Prášková směs je tvořena jemnými částečkami zinku (95%) a inertní látkou křemenným pískem nebo křídou. Inertní látka slouží jako unášecí médium a současně zabraňuje slepování Zn prášku do hrudek. Sherardovací buben Jedná se o rotační zařízení, ve kterém jsou zavěšené, nebo převážně volně vložené součásti určené k povrchové úpravě. Rotace bubnu zajišťuje dostatečný kontakt směsi a výrobků. Buben je vybaven topným médiem pro ohřev směsi a chlazením. Chlazení má zamezit přehřívání konstrukce bubnu při dlouhodobé rotaci a současně zabránit natavení směsi. Po vlastním pokovení přichází na řadu konečné chlazení bubnu i s výrobky proudem vody cca 1hodinu. Pro zlepšení korozní odolnosti povrchu lze využít následné pasivace, či nátěrového systému DUPLEX SYSTÉMY. Výsledná vrstva Výsledkem této metody je matná stabilní vrstva s dobrou přilnavostí. Principielně se jedná o slitinový povlak, který je tvořen dvěma fázemi. δ vnější vrstva povlaku s obsahem 7 11% Fe γ vnitřní vrstva povlaku s obsahem 21 28% Fe Takto vytvořené vrstvy mohou dosahovat tloušťky až 80 µm, přičemž tloušťky nad 50 µm jsou určeny pro zvlášť náročné aplikace používané ve vysoce korozních prostředích. Dle normy ČSN EN 13 811 se vrstva dělí do 3 tříd dle dosažené minimální tloušťky. Označení tříd společně s gramáží zinku na m 2 povlaku znázorňuje tab. č 4-30 -
Tab. 4 Označení tříd společně s gramáží zinku [14] Označení povlaku Minimální tloušťka Obsah Zn [g/m 2 ] Třída 15 15 105 Třída 30 30 210 Třída 45 45 315 Pozitivní vlastnosti vrstvy korozní odolnost přibližně srovnatelná s galvanickým a žárovým pokovováním otěruvzdornost relativně vysoká odolnost vůči abrazi odolnost vůči tepelné dilataci rovnoměrnost tloušťky vrstvy vrstva má shodnou tloušťku vrstvy na plochách, hranách i v rozích Negativní vlastnosti vrstvy Nízká tepelná odolnost difúzní zinková vrstva odolává teplotám do 800 C, pokud je potřeba vyšší odolnost využívá se kombinace Al-Zn vrstvy která má vysokou odolnost proti korozi díky Zn a vysokým teplotám díky Al Nerovnoměrnost chemického složení vrstvy ve vrstvě nemusí být zcela rovnoměrné složení Fe a Zn [13] 5.5 Mechanické pokovování Tento způsob je vhodný pro menší součástky o velkých sériích, jako jsou hřebíky či spojovací materiál. Po odmaštění, a moření se součásti nasypou do pokovovacího bubnu spolu se skleněnými kuličkami, zinkovým prachem a chemickými aktivátory. Součásti se omílají v bubnu a zinek se při tomto procesu pomocí skleněných kuliček navaluje na jejich povrch. Tloušťka vytvořeného povlaku se reguluje množstvím přidaného zinku. Běžně se pohybuje kolem 10 až 15 µm, avšak mohou se vytvářet i tlustší povlaky. Tyto povlaky jsou rovnoměrné i na dílech s komplikovanou geometrií. Povrch je poněkud matný. Mechanické zinkování je vhodné pro ušlechtilé oceli s tvrdostí nad 40 HRC, kde u jiných metod hrozí vodíková křehkost. Vytvořené povlaky se vlastnostmi podobají - 31 -
elektrolyticky pozinkovaným. Jistou nevýhodou je omezený objem pokovovacího bubnu. [4] 6 METODY ZKOUŠENÍ MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ ZINKOVÝCH POVLAKŮ 6.1 Zkouška hloubením Jedná se o metodu, která vychází z ČSN EN ISO 1520. Zkouška se provádí na zkušebním zařízení zobrazeném na obrázku č. 11. Obr. 11 Zkušební zařízení pro zkoušku hloubením Připravený vzorek se upne mezi upínací prstenec a matrici uvnitř přístroje. Do zkušebního vzorku je pak vtlačováno polokulovité vtlačovací těleso konstantní rychlostí tak, aby se na vzorku se zinkovou vrstvou, která je na vnější straně, vytvořila deformace ve tvaru polokoule viz. obr. č. 12. Vtlačovací těleso, jehož část, která přichází do styku se zkoušeným vzorkem, je z tvrzené leštěné oceli a je tvořena polokoulí o průměru 20mm. Rychlost vtlačování tělesa by měla být konstantní a to v rozmezí od 0,1mm/s do 0,3mm/s. Deformace se zvětšuje buď do předepsané hloubky, nebo do doby, kdy dojde - 32 -
k prasknutí, či odloupnutí ochranné vrstvy od podkladu. V průběhu zkoušky je zkušební vzorek pozorován pod zvětšovacím sklem či mikroskopem, aby bylo možno spolehlivě určit okamžik vzniku porušení. Hodnota, která reprezentuje hloubku vtlačení tělesa v okamžiku porušení ochranné vrstvy se odečte na digitálním ukazateli. prstenec zkušební vzorek matrice vtlačovací těleso Φ 20 mm Obr. 12 Schéma přístroje pro zkoušku hloubením 6.2 Ohybová zkouška na válcovém trnu Ohybová zkouška na válcovém trnu slouží ke stanovení odolnosti zinkových vrstev vůči vzniku trhlin, anebo vůči odloupnutí od základního materiálu. Tato zkouška se řídí dle ČSN ISO 1519. Pro měření tvárnosti bylo použito zařízení pro měření tvárnosti na válcovém trnu obr. č. 13. Součástí tohoto zařízení je sada zkušebních trnů obr. č. 14, které mají průměry 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 13, 16, 19, 20, 25 a 32 mm. Zkouška se provádí při teplotě 23±2 C a relativní vlhkosti vzduchu 50±5 %. Postup zkoušky se skládá z upevnění vzorku do zařízení, vložení trnu o největším průměru a plynulém ohnutí vzorku o 180 přes zkušební trn. Vzorek se vyjme a pomocí lupy, či mikroskopu se hodnotí, zda vzniklo poškození. V případě, že nebylo zjištěno žádné poškození, je zkouška opakována s trny menšího průměru až do doby, kdy dojde k poškození zinkové vrstvy. - 33 -
Obr. 13 Zařízení pro zkoušku ohybem přes válcový trn Obr. 14 Zkušební trny - 34 -
6.3 Odtrhová zkouška přilnavosti Tato zkouška slouží ke stanovení přilnavosti zinkových vrstev na základním materiálu. Měří se minimální napětí v tahu potřebné k oddělení, nebo odtržení zinkové vrstvy ve směru kolmém k podkladovému materiálu. Cílem této zkoušky je porovnání adhezního chování různých metod nanášení zinkových vrstev. Tato zkouška se řídí dle normy ČSN EN ISO 4624. Principem zkoušky je nalepení zkušebních tělísek o průměru 20mm přímo na povrch zinkové vrstvy. Po vytvrzení lepidla (24hodin) se sestava přilepených tělísek uchytí do tahového zkušebního zařízení obr. č. 15. Přilepená sestava je podrobena kontrolované tažné síle (odtrhová zkouška). Měří se síla potřebná k odtržení zkušebního tělíska. Výsledkem je napětí v tahu nutné k poškození nejslabšího rozhraní, (adhezní porušení) nebo nejslabší složky (kohezní porušení) sestavy. Obr. 15 Tahové zkušební zařízení a zkušební tělíska 6.4 Korozní zkoušky v umělé atmosféře solná mlha Hodnocení korozní odolnosti povlaků dle normy ČSN ISO 9227. Zkoušky solnou mlhou (roztok neutrálního chloridu sodného - metoda NSS) se používá zejména pro - 35 -
zjištění nesouvislostí, např. pórů, trhlin a jiných vad zinkových povlaků. Koncentrace chloridu sodného je (50±5) g/l, ph rozprašovaného roztoku 6,5 až 7,2. Teplota ve zkušební komoře (35±2) C. Zkušební zařízení uvedené na obrázku č. 16 musí zajistit stejnoměrné rozprášení mlhy. Obr. 16 Zkušební komora pro zkoušky solnou mlhou 6.5 Stanovení tloušťky povlaku K měření tloušťky povlaku byla použita nedestruktivní metoda měření přístrojem Permascope PMO (fy Fisher) viz obr. č. 17 Obr. 17 Měřicí přístroj Permascope MPO - 36 -
6.6 Vyhodnocení výsledků zkoušek Pro vizuální vyhodnocení zkoušených vzorků byl použit univerzální metalografický mikroskop Olympus DP 10 obr. č. 18. Vyhodnocení probíhalo metodou světelné mikroskopie. Použité zvětšení snímku (15 ; 100 ; 200 ;400 ;) bylo závislé na druhu zvolené metody pokovení a dále na velikosti trhlin vzniklých mechanickým namáháním. Obr. 18 Univerzální metalografický mikroskop - 37 -
7 METODIKA PRÁCE 7.1 Zkušební vzorky Jako základní materiál pro zkušební vzorky byla použita ocel třídy 11 320. Pro všechny zkoušky mechanické odolnosti zinkových vrstev byly použity vzorky o rozměrech 165 65 0,8mm. K hodnocení mechanických vlastností zinkových vrstev na oceli byly vybrány zinkové vrstvy nanesené následujícími technologiemi. a) žárovým pokovováním suchým způsobem viz kapitola (5.1.2.2), - obr. č. 19, tloušťka ochranné vrstvy zinku: 53 µm Obr. 19 Výsledný povrch vzniklý žárovým pokovením suchým způsobem - 38 -
b) žárovým pokovováním kontinuálním způsobem viz kapitola (5.1.2.5) - obr. č. 20, tloušťka ochranné vrstvy zinku: 21 µm Obr. 20 Výsledný povrch vzniklý kontinuálním žárovým zinkováním c) metalizací viz kapitola (5.2) - obr. č. 21, tloušťka ochranné vrstvy zinku: 174 µm Obr. 21 Porézní povrch vzniklý metalizací - 39 -
d) galvanickým pokovováním viz kapitola (5.3) - obr. č. 22, tloušťka ochranné vrstvy zinku: 11 µm Obr. 22 Galvanicky vyloučený zinkový povlak 7.2 Zkouška hloubením podle Erichsena dle normy ČSN EN ISO 1520 7.3 Ohybová zkouška na válcovém trnu dle normy ČSN ISO 1519 7.4 Odtrhová zkouška přilnavosti dle normy ČSN EN ISO 4624 7.5 Korozní zkouška v umělé atmosféře dle normy ČSN ISO 9227 8 VÝSLEDKY ZKOUŠEK 8.1 Zkouška hloubením (Erichsen) Destruktivní zkouška hloubením byla provedena na zkušebním zařízení Elcometer 1620 Cupping tester. Zkušební těleso bylo vtlačováno do vzorků a následně zaznamenány hodnoty, při kterých došlo k prvním známkám vzniku trhlin či poškození. - 40 -
8.1.1 Žárové pokovení suchým způsobem - počátek vzniku mikrotrhlin již při vtlačení tělesa do hloubky 0,3 mm, poté se zvyšujícím se zdeformování docházelo ke zvětšování mikrotrhlin, avšak k prasknutí ochranné vrstvy nedošlo. Na následujících snímcích je vidět, jak docházelo ke zvětšení mikrotrhlin se zvyšujícím se zatížením. Každý snímek je popsán: při jaké hloubce vtlačení tělesa a při jakém zvetšení byl snímek zaznamenán. Obr. 23 Hloubka vtisku 0,3 mm; zvětšeno 15 Obr. 24 Hloubka vtisku 1,0 mm; zvětšeno 15-41 -
Obr. 25 Hloubka vtisku 2,0 mm; zvětšeno 15 Obr. 26 Hloubka vtisku 6,0 mm; zvětšeno 15-42 -
Obr. 27 Hloubka vtisku 6,0 mm; zvětšeno 200 8.1.2 Žárové pokovení kontinuálním způsobem - zkouška prováděna do hloubky vtisku 6,5 mm a poté přerušena (nedošlo k žádnému poškození) Obr. 28 Hloubka vtisku 6,5 mm; zvětšeno 15-43 -
Obr. 29 Hloubka vtisku 6,5 mm; zvětšeno 200 8.1.3 Metalizace - u této metody zinkování došlo k prvotnímu vzniku poškození již při 0,8 mm (vzorek č. 4); celkový přehled znázorňuje tabulka č. 5 Tab. 5 Okamžik porušení vrstvy na základě hloubky vtisku tělesa Pořadí zkoušených vzorků 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Hloubka vtlačeného zkušebního tělesa (mm) 1,2 1,3 1,6 0,8 1,9 1,5 0,9 1,1 1,3 1,6 (okamžik porušení vrstvy) - 44 -
Obr. 30 Prvotní vznik porušení již v hloubce vtisku 0,8 mm; zvětšeno 15 8.1.4 Galvanicky pokovené - u galvanicky pokoveného vzorku byla zkouška prováděna do hloubky vtisku zkušebního tělesa 6,5 mm a poté přerušena. Na zkušebním zařízení nebyly zaznamenány žádné druhy porušení ochranné vrstvy. Při pozdějším detailním pozorování na metalografickém mikroskopu byla zaznamenána přítomnost mikrotrhlin, které jsou znázorněny na obrázku č. 31 a 32. Obr. 31 Hloubka vtisku 6,5 mm; zvětšeno 100-45 -