Drsnost povlaků žárového zinku

Drsný povlak norma připouští, pokud nejde o důležité funkční plochy, které by zákazník předem v objednávce řádně specifikoval.

Struktura povlaku

Při žárovém zinkování ponorem se na zinkovaných součástech tvoří slitinový povlak, který je výsledkem metalurgické reakce. V době, kdy je součást ponořena do zinkové taveniny, dochází mezi železem a zinkem k reakci, při níž mezi oběma kovy vznikají intermetalické vazby. Teplota zinkové taveniny při závěsovém zinkování v komerčních zinkovnách je přibližně 450 °C. Zinek za těchto podmínek částečně difunduje do feritu (železa a), kde v povrchové vrstvičce vytváří jednosložkový substituční roztok s obsahem zinku do 4 %. Na tomto podkladu dále narůstají binární železozinkové fáze. Přímo na substrátu se vytvoří tenká, velice adhezívní vrstvička fáze g. Je to typická elektronová sloučenina o složení Fe₅Zn₂₁. Na ni pak navazuje intermediální slitinová fáze d₁ se složením FeZn₇ a dále fáze z se složením FeZn₁₃. Následně při vynořování pozinkované součásti ze zinkové taveniny ještě na jejím povrchu vždy ulpí čistý zinek (fáze h). Jednotlivé slitinové fáze jsou v povlaku zastoupeny v různém vzájemném poměru a jejich tloušťky i struktura závisejí na celé řadě faktorů ovlivňujících průběh metalurgického děje. Podstatnou roli zde hraje chemické složení zinkované oceli, především obsah křemíku přidávaného do uklidněných ocelí jako dezoxidační činidlo. Vlastnosti povlaku ovlivňuje rovněž struktura a kvalita povrchu oceli i tloušťka její stěny a v neposlední řadě přítomnost cizorodých látek na jejím povrchu. Kombinace všech těchto faktorů vede k tomu, že povlak vytvořený při závěsovém zinkování v komerčních zinkovnách se vyznačuje celou škálou různých morfologických odchylek.

Zvýraznění nerovností

Má-li zinkovaná součást hrubý povrch ještě před pozinkováním, zpravidla po nanesení povlaku dojde ke zvýraznění nerovností. Tento v řadě případů pouze optický efekt je způsoben především kontrastem dosahovaným u lesklého povrchu. Jindy může být příčinou drsného povrchu takzvaná směsná struktura povlaku, která je způsobena místními odchylkami v chemickém složení substrátu. V povlaku jsou vystřídány struktury vyznačující se malou tloušťkou se strukturami tlustými, převážně tvořenými jednoklonnými trsovitě se rozbíhajícími krystaly z-fáze.

Reliéf ve tvaru koláčků

U bezešvých trubek vzácně dochází k tomu, že se takovéto nerovností rozvinou do reliéfu ve tvaru koláčků pokrývajícího podstatnou část povrchu dílce. V povrchové vrstvě podkladu byla zřejmě přítomna cizorodá látka, kterou nelze odstranit běžnými postupy předúpravy. Odzinkováním a opakovaným pozinkováním postižené součásti lze výskyt tohoto jevu ve výjimečných případech napravit.

Tvrdý zinek

V ideálním případě se slitinové fáze povlaku tvoří přímo na povrchové vrstvě podkladové oceli. U ocelí s obsahem křemíku v Sandelinově oblasti však dochází k nadměrnému uvolňování atomů železa, které difundují až do zinkové taveniny obklopující zinkovanou součást. Zde se v poměru 1:13 vážou se zinkem za vzniku takzvaného tvrdého zinku (slitinové fáze z). Tvrdý zinek má mírně vyšší specifickou hmotnost než čistý zinek a klesá ke dnu zinkovací vany. Ve směsi se zinkovou taveninou však tvoří velmi viskózní kašovitou hmotu, která zinkovanou součást obklopuje. Při vynořování dílce z lázně ulpívá na jeho stěně a způsobuje vznik stečenin. Jejich výskyt doprovázený nežádoucím tlustým povlakem souvisí výhradně s obsahem křemíku v mezích 0,03 až 0,12 % v zinkované oceli. Vzniku stečenin lze do značné míry předcházet přídavkem niklu, kterým je v některých zinkovnách legována zinková lázeň.

Podmínky zinkování

U rozměrné součásti při vynořování ze zinkové lázně může být obtížné dosáhnout dostatečného sklonu potřebného pro rychlé odtékání zinkové taveniny. Toho je zapotřebí mimo jiné pro účinné odplavování krystalků tvrdého zinku z míst, kde se tyto mohou hromadit. Jedná se převážně o dutiny a různá zákoutí. Nedostatečně dimenzované drenáže zpomalují odtékání zinkové taveniny a způsobují nahromadění tvrdého zinku. S tímto typem vady povlaku je nutno počítat i v případech, kdy konstrukční prvky součásti jsou uspořádány tak, že tvoří korýtko, které má při zinkování horizontální polohu. Pak při pomalém proudění zinkové taveniny kolem povrchu během vynořování z lázně nejsou krystalky tvrdého zinku dostatečně účinně odplavovány a zůstávají zality ve zbytnělém povlaku. Vyšší obsah křemíku v uklidněné oceli může způsobit zvýraznění tohoto jevu.

Velmi nepříznivě působí takové znečišťující cizorodé částice na povrchu zinkovaných součástí, které nelze rozpustit obvyklými postupy předúpravy. Zůstanou zachyceny především v dutinách součásti, kde zpravidla vstupují do reakce s roztaveným zinkem a znehodnocují ho na tvrdý zinek, jenž při vynořování ze zinkové lázně vždy potřísní okolí drenážního otvoru. Drenážní otvory situované nevhodně nad nejnižším úžlabím dutiny vedou k zadržení mořicího roztoku nasyceného solemi železa. Tento roztok je pak v kontaktu s roztaveným zinkem uváděn do varu, překotně s ním reaguje, a to za zvýšené tvorby tvrdého zinku.

Jakost povrchu oceli

Hrudkovitost může mít příčinu i v  krystalech tvrdého zinku narůstajících bezprostředně na substrátu. Dochází k tomu v případech, kdy podkladový materiál má v povrchové vrstvě částice, které mohou působit jako ojedinělé krystalizační zárodky. Svým vzhledem se projevují stejně jako hrudky vytvořené naplavením. Odlišení je zpravidla možné pouze metalografickým výbrusem.

Nerovnosti uspořádané v pravidelných řadách se nazývají strupovitost a mají většinou původ v necelistvostech v povrchové vrstvě substrátu. Ke zvýraznění tohoto jevu může opět přispět přítomnost křemíku v použité oceli. Poruchy celistvosti na povrchu podkladového materiálu způsobují, že zinek se železem reaguje na volné ploše jinak než ve stísněných prostorách trhlinek a zinkový povlak na substrátu narůstá nepravidelně. Povrchovými necelistvostmi mohou být při nedostatečném dávkování mazacího prostředku postiženy například trubky kalibrované za studena.

Vychlípení jehliček a šupin

Jiný případ nerovného povrchu žárově pozinkovaných součástí představují bezešvé trubky tvářené za tepla. Tyto polotovary se vyznačují četnými povrchovými vadami, přeložkami materiálu, které nemusejí být na černém materiálu vizuálně zjistitelné. Metalurgická reakce mezi substrátem a zinkem vyvolá v povrchové vrstvě podkladu objemové změny a na pozinkovaném povrchu zpravidla dochází k vychlípení jehliček a šupin. Toto postižení je velmi nepříjemné, neboť hrozí nebezpečí poranění. Řešením problému není vyhlazení povrchu (např. smirkovým papírem), které zpravidla vede k obnažení ocelového jádra šupiny. Ačkoliv diskontinuita zinkového povlaku v tak malém rozsahu při expozici v běžném atmosférickém prostředí neznamená riziko koroze obnažené oceli, neboť v takových případech spolehlivě funguje katodická ochrana, norma ČSN EN ISO 1461 absenci povlaku v jakkoliv malém rozsahu nepřipouští.

Třískové obrábění

Na plochách zhotovených třískovým obráběním může dojít ke zvýraznění charakteru obrobené plochy. Toto zvýraznění spočívá částečně ve zvětšené drsnosti, ale rovněž v barevné odlišnosti povlaku, která se projevuje řádkováním. Profil povlaku často sleduje stopu nože, a to i v případech, kdy povrch obrobku před nanesením povlaku byl relativně hladký. Je pravděpodobné, že řezné podmínky vyvolají změny ve struktuře  povrchové vrstvy podkladu, a tyto, opět za spolupůsobení přítomného křemíku, mohou vést k tomu, že povlak narůstá nerovnoměrně. Takové nerovnoměrnosti povlaku se vyznačují geometrickou pravidelností, korespondují se šroubovicí dráhy nože.

U prstence zachyceného na snímku je vnější povrch soustružený a drážka frézovaná. Je na něm strupovitostí postižen pouze soustružený povrch, frézovaná drážka zůstala relativně hladká. Z obrázku je zřejmé, že zdrsnění povlaku je uspořádáno do řad odpovídajících směru pohybu soustružnického nože. Ačkoliv v daném případě nebyla provedena metalografická analýza, z charakteru vytvořeného reliéfu lze usuzovat na strupovitost způsobenou povrchovými necelistvostmi vzniklými při soustružení. Zřejmě nebyly správně nastaveny parametry obrábění a došlo k mechanickému poškození povrchu obrobku.

Závěrem

Povlaky žárového zinku jsou při závěsovém zinkování nanášeny způsobem odlišným od kontinuálních zařízení pro zinkování pásů nebo drátů. Ve specializovaných linkách je pokovován materiál ve standardní neměnné kvalitě a při přesně nastavených standardních podmínkách. Norma ČSN EN ISO 1461 k tomu v kapitole 6 uvádí, že povlaky z kontinuálních zařízení nejsou srovnatelné s povlaky nanesenými v komerčních zinkovnách.

Ing. Vlastimil Kuklík

v.kuklik@wzz.wiegel.de

Wiegel CZ žárové zinkování