Lubrikace, pasivace a hydrofobizace monomolekulární samoorganizující se vrstvou

V souvislosti s  modernizací střeliva tzv. východních ráží i nově zaváděných ráží a přechodem na nový materiál nábojnice –  mosaz CuZn 30 – vyvstal zásadní problém funkce v zavedených automatických zbraních, a to především extrakce vystřelené nábojnice po výstřelu. Problém trápí všechny výrobce střeliva.

V souvislosti s řešením problematiky bezchybné funkce náboje v automatické zbrani byly stanoveny základní technické požadavky na nově řešenou technologii lubrikace povrchu nábojnice či náboje:

• kluzný povrch musí být nanesen rovnoměrně na povrchu nábojnice,
• lubrikovaný povrch nesmí reagovat s prachovou náplní náboje,
• povrch i přípravky v procesu vytváření a používání nesmí být karcinogenní a toxické, nesmí produkovat VOC,
• nanesený kluzný povrch musí dobře držet na materiálu nábojnice, nesmí být snadno smývatelný a nesmí měnit své vlastnosti v průběhu výroby, manipulace, balení a skladování,
• povrch musí zabezpečovat kluznost povrchu náboje a následně i nábojnice v celém rozsahu použití nábojů, a to od –50 °C do +55 °C,
• nesmí docházet k zásadní změně kluzného povrchu vlivem dlouhodobého skladování,
• vytváření kluzného povrchu musí být prováděno v procesu výroby nábojnice a pokud možno s minimálním vstupem lidského faktoru,
• při výstřelu nesmí případné zplodiny z přípravku obtěžovat střelce.

Nově vyvíjená technologie pro současnou lubrikaci, pasivaci a hydrofobizaci povrchu vylučuje použití běžných lubrikantů. Nově vyvinutý přípravek Pragolub 1300 využívá poznatky z nanotechnologií. Při aplikaci aktivní složky přípravku reagují s povrchem kovu a vytváří se monomolekulární, vysoce organizovaná vrstva organických látek. Velmi tenká vrstva zajišťuje všechny požadavky na lubrikaci a korozní odolnost, stálost povrchové úpravy a další vlastnosti. V odborné literatuře se tyto vrstvy nazývají „Samoorganizující se monomolekulární vrstvy“ a označují se zkratkou SAM (Self-Assembled Monolayer).

Princip tvorby vrstvy

Funkční složky přípravku Pragolub 1300 jsou povrchově aktivní organické látky. Ve struktuře molekuly obsahují funkční skupiny schopné chemické reakce s povrchem kovů. Zbývající část molekuly je tvořena uhlovodíkovými řetězci. Chemickou reakcí se organická molekula prostřednictvím silné chemické vazby pevně zakotví na kovovém povrchu. Na kovový povrch se postupně připojují další organické molekuly, dokud není aktivní povrch kovů zcela obsazen. Uhlovodíkové řetězce jsou těsně uspořádány kolmo k povrchu kovu a konce řetězců jsou částečně pohyblivé a deformovatelné. To dává upravenému povrchu výborné lubrikační vlastnosti i při zanedbatelné tloušťce vrstvy.

Pro snadnější vysvětlení je možný příměr z makrosvěta. Lubrikační vrstvu je možné přirovnat k fotbalovému trávníku. Tráva je kořínky pevně zakotvena v zemi, ale listy trávy jsou volně pohyblivé. Při pádu fotbalisty na zem se tráva pružně deformuje ve směru jeho pohybu a fotbalista si při skluzu neodře koleno.

Těsným uspořádáním organických molekul a obsazením volného povrchu kovu se silně omezí přístup vody a agresivních složek atmosféry k povrchu kovu a získá se i vysoká korozní odolnost výrobku. Funkční složky přípravku reagují i s jinými kovy jako Cu, Ag, Fe, Ni, Zn. Přítomnost vrstvy se projevuje hydrofobicitou povrchu, ostatní vlastnosti těchto vrstev ještě nejsou dostatečně prozkoumány.

Vlastnosti vrstvy

Lubrikační vlastnosti vrstvy se zvyšují se vzrůstající teplotou. Dlouhodobé vystavení lubrikovaného povrchu teplotám (např. 125 °C po dobu 10 hodin) způsobí ztmavnutí povrchu mosazi, ale lubrikace povrchu se neztrácí. Lubrikace kovového povrchu je velmi stálá a trvalá. Oproti lubrikaci oleji, vazelínami a vosky se nedá odstranit opláchnutím vodou nebo rozpouštědly, nedá se otřít apod. Vzhledem k hydrofobicitě vrstvy však klasické lubrikanty z ropných produktů dobře přijímá. Vrstva se nedá odstranit běžným mořením v anorganických neoxidujících kyselinách ani většinou odmašťovacích prostředků. Dále, na rozdíl od běžných lubrikací s ropnými produkty, nesnižuje lesk upraveného povrchu. Pro sejmutí vrstvy lze využít katodické elektrolytické odmaštění, oxidační moření v kyselinách (opalování v roztocích kyseliny dusičné nebo kyseliny sírové s peroxidem vodíku a stabilizátory peroxidu), omílání s některými chemickými kompoundy. Silná vazba k povrchu kovů prakticky znemožňuje následné galvanické pokovování nebo tvorbu konverzních vrstev (chromátování, fosfátování,…), bez předchozího sejmutí vrstvy.

Hydrofobicita lubrikovaného povrchu zvyšuje odolnost proti postřiku a kondenzaci vody. Tato skutečnost je rychlou orientační zkouškou kvality a přítomnosti lubrikace. Vytvoření kvalitní vrstvy se pozná při důkladném opláchnutí povrchu tekoucí vodou. Hladký dobře lubrikovaný povrch je silně nesmáčivý, hydrofobní. Malé kapénky čisté vody o průměru okolo 1 mm mají na horizontálně orientovaných površích úhel smáčení povrchu okolo 90°, i více než 90°. Ze šikmých a kolmo orientovaných ploch větší kapky vody okamžitě stékají a neudrží se na povrchu. Oklepnutím nebo ofouknutím povrchu se kapky vody odstraní a lze získat suchý povrch bez nutnosti odpaření vrstvy vody. Hrubé a drsné povrchy zadržují více vody. Hydrofobizovaný povrch má omak obdobný navoskovanému povrchu.

Korozní odolnost lubrikovaných povrchů kovů se zvýší pro běžná atmosférická prostředí. Dobrou odolnost poskytuje pasivovaný a hydrofobizovaný povrch slitin mědi a stříbra v chloridových prostředích a při dlouhodobém ponoru do vody. V prostředí se sulfanem nebo jinými sirnými stimulátory koroze je korozní odolnost nižší. Při expozici ve zrychlené korozní zkoušce s thioacetamidem mosazné povrchy ztmavnou po 48hodinové expozici, ale zachovají si lubrikační schopnost. Při kapkové zkoušce roztokem 0,01 M AgNO₃ na nepasivovaném mosazném povrchu dojde ke ztmavnutí povrchu kovu okamžitě, na povrchu kovu pasivovaného chromanovou pasivací nebo pasivací adsorpční (1% Pragokor Inhibitor MS 4) přibližně po 60 sekundách, zatímco po lubrikaci a pasivaci povrchu v 2% roztoku přípravku Pragolub 1300 ztmavne povrch až po 2 až 5 minutách. Tato zkouška je vhodná jako kontrolní metoda pro zjišťování kvality pasivace.

Aplikace přípravku

Pragolub 1300 je čirá nebo lehce zakalená nažloutlá viskózní kapalina charakteristického zápachu, která při zředění ve vodě tvoří mikroemulzi. Hustota kapaliny je 0,95 až 0,97, pH koncentrátu 7–8 (měřeno papírky PHAN). Obsahuje organické lubrikační látky, adsorpční inhibitory, emulgátory, solubilizátory, hydrotropní látky a rozpouštědla. Přípravek není hořlavina.

Pragolub 1300 se aplikuje v koncentraci 2–4 % na aktivní povrchy kovů, které vznikají po moření, odmašťování, galvanickém pokovení, omílání, hydrofinišování apod. Dobře lubrikovaný povrch se vytváří po dobu minimálně 10 minut za normální teploty. Pokud to podmínky aplikace dovolí, je účelné dobu působení prodloužit na 20 minut až několik hodin. Vytvoření organizované struktury organických látek na povrchu je řízeno difuzí, proto aplikační dobu zkracuje jen zvýšení teploty, nikoliv zvýšení koncentrace mimo doporučené rozmezí. Zvýšení teploty až na 60 °C rychlost tvorby vrstvy zkracuje na asi 5 minut. Aplikační dobu je nezbytné ověřit technologickými zkouškami. V některých případech je výhodné lubrikaci provádět ve slabě kyselém prostředí (pH 2,5–5), které udržuje dosud neobsazený povrch kovu v aktivním stavu. Proto není nutné po moření nebo jiných operacích v kyselém prostředí provádět dokonalý oplach před aplikací nové technologie. Přípravek se nesmí dostat do jiných funkčních lázní které vyžadují aktivní povrch kovů, jako jsou galvanické, mořicí nebo fosfatizační lázně. Kontaminace přípravkem může tyto lázně zničit.

Technologický postup pro omílání a lubrikaci nábojnic

1. Vibrační omílání bez pomocných tělísek – chemické odmaštění a předleštění. Slabě kyselý kompound Pragopol 809, 2–5 %, 10–15 min Slabě kyselý kompound Pragopol 809, 2–5 %, 10–15 min
2. Oplach
3. Vibrační omílání bez pomocných tělísek – leštění a odstranění barevných změn povrchu vlivem selektivního odzinkování při tepelné úpravě hrdla nábojnic. Silně kyselý kompound Pragopol 812, 2–5 %, 10–15 min Silně kyselý kompound Pragopol 812, 2–5 %, 10–15 min
4. Oplach
5. Vibrační omílání bez pomocných tělísek – lubrikace + pasivace + hydrofobizace. Pragolub 1300, 2–4 %, 10–15 min
6. Oplach
7. Sušení horkým vzduchem 100–130 °C Sušení horkým vzduchem 100–130 °C

Funkční zkoušky nábojů lubrikovaných novou technologií

Výsledky funkčních zkoušek nábojů předčily očekávání. Prakticky zmizely problémy se zasekáváním nábojů z různých automatických zbraní i u notoricky problematického cvičného střeliva v celém rozsahu teplot (–50 °C až +55 °C). Navíc se zvýšila kadence střelby u zkoušených zbraní až o 30 %, zvýšila se rychlost střely a snížil se rozptyl střelby. Byly splněny i podmínky kompatibility střelných prachů s lubrikovaným povrchem (zkoušky provedla firma Explosia, a. s., Pardubice).

Další zkoušky pokračují ve VOP-026 Šternberk, s. p., divize VTÚVM Slavičín s nábojem 12,7 x 107 mm PRACT s lubrikovanou a nelubrikovanou střelou.

Závěr

Nová technologie lubrikace, pasivace a hydrofobizace může být vhodnou povrchovou úpravou i pro řadu jiných aplikací. Ne vždy je nezbytné využít všechny vlastnosti povrchu současně. Dají se s výhodou použít i jen dílčí vlastnosti povrchu, například hydrofobicita upraveného povrchu.

Technologie tvorby vrstvy je chráněna užitným vzorem a na mezinárodním veletrhu povrchových úprav For Surface 2007 získala cenu Grand Prix.

Ing. Petr Szelag, Ing. Václav Svachouček, CSc., Ing. Jiří Hejný, Ing. Ján Roman, Ing. Jaroslav Bejšovec

Pragochema

vyzkum@pragochema.cz

www.pragochema.cz