Témata
Reklama

Otěruvzdornost povlaků žárového zinku s přídavkem cínu

Žárové zinkování ponorem představuje jeden z nejrozšířenějších způsobů ochrany ocelových materiálů kovovými povlaky. Životnost takto zhotovených povlaků je v běžném prostředí více než 50 let, a proto nevyžadují údržbu. Vlastnosti zinkového povlaku lze navíc podle použití částečně ovlivňovat přídavkem některých prvků do oceli nebo zinkové lázně. V rámci výzkumu na Ústavu strojírenské technologie ČVUT v Praze bylo cílem zhodnotit odolnost proti otěru zinkového povlaku v závislosti na obsahu cínu v zinkové tavenině.

Cílem experimentů bylo zhodnotit otěruvzdornost zinkového povlaku v závislosti na množství cínu přidaného do zinkové lázně. Za tímto účelem byly vytvořeny vzorky s povlaky žárového zinku o různém chemickém složení, které byly následně testovány na odolnost vůči abrazivnímu opotřebení na zařízení Taber Abraser. Všechny vzorky byly provedeny z  plechu tl. 2 mm jako kotouče o průměru 105 mm, z oceli podle značky S235JRG1 uklidněné hliníkem a byly odebrány ze stejného přířezu. Běžně používané lázně pro žárové zinkování obsahují pouze malé množství cínu, a proto bylo nezbytné lázně s vyššími obsahy cínu vytvořit. Lázně s obsahy cínu 0,62 % a 1,23 % byly připraveny přidáním potřebného množství čistého cínu do lázně od společnosti ACO Industries, k. s., o známém chemickém složení. Pro porovnání vlastností jednotlivých povlaků byly dále použity vzorky opatřené povlaky žárového zinku od společnosti Wiegel CZ, s. r. o. Chemické složení jednotlivých povlaků udává tabulka 1. Složení zinkovacích lázní bylo stanoveno pomocí spektrometru Q4 Tasman. Uváděné obsahy legujících prvků jsou v hmotnostních %.

Reklama
Reklama

Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Předúpravy povrchu

Odmaštění kruhových vzorků (ø105 x 2 mm – S235JRG1) bylo provedeno v průmyslové ultrazvukové vaně K-2IE v 10% roztoku alkalického odmašťovacího prostředku Star 75 PN. Odmašťovací proces probíhal 15 minut při teplotě 65 °C. Po odmaštění byl proveden dvoustupňový oplach v demineralizované vodě. Moření probíhalo při pokojové teplotě zavěšením vzorků do lázně s 11% roztokem HCl. Povrch vzorků nevykazoval výrazné korozní napadení. Následně byl proveden dvoustupňový oplach a po něm bylo na vzorek naneseno tavidlo. Tím byl vodný roztok chloridu zinečnatého (ZnCl2) a chloridu amonného (NH4Cl) v poměru 3:2. Protože se v laboratorních podmínkách jednalo o suchý proces žárového zinkování, bylo nanesení tavidla provedeno ponořením vzorku do lázně o teplotě 48 °C a setrváním v ní po dobu 5 minut. Po vynoření z tavidla byl vzorek vysušen horkovzdušnou pistolí, aby se zabránilo rozstřiku zinku při ponořování vzorků do zinkové lázně. Zvýšená pozornost byla věnována vysušení místa pod závěsem, kde by mohla zůstat vlhkost.

Zinkování vzorků

V každé z lázní podle tab. 1 byly připraveny tři vzorky. Do vyhodnocení byly převzaty aritmetické průměry pro každou sérii. Vzorky z lázní s obsahy Sn 0,00 % a 0,13 % byly zajištěny v komerčních zinkovnách, vzorky z lázní s obsahy Sn 0,62 % a 1,23 % byly připraveny v laboratorních podmínkách. Před samotným žárovým zinkováním bylo nutné připravit odpovídající zinkovou lázeň. Lázně s obsahy Sn 0,62 % a 1,23 % vznikly přidáním vypočteného množství cínu do lázně poskytnuté zinkovnou ACO Industries. Žárové zinkování bylo provedeno v zinkovacím kelímku ve tvaru válce o průměru 120 mm s hloubkou 70 mm (obr. 1 a 2). Žárové zinkování probíhalo při teplotě 450 °C. Osušený vzorek byl opatrně ponořen do zinkové lázně s dobou prodlení pět minut. Po vyjmutí z lázně se vzorek nechal na vzduchu vychladnout.

Obr. 1. Laboratorní zinkovací zařízení Obr. 2. Pohled na zinkovací lázeň

Otěruvzdornost jednotlivých povlaků

Měření odolnosti proti otěru bylo provedeno na tribometru Taber Abraser model 503 Standard Abrasion Tester (obr. 3). Pro měření na Taber Abraseru je důležité, aby byl povrch vzorku relativně hladký bez výrazných nerovností. Toto kritérium splňovaly vzorky pozinkované v profesionálních zinkovnách z lázní s obsahy Sn 0,00 % a 0,13 %. Vzorky, které byly pozinkovány v laboratoři, měly na svém povrchu výraznější nerovnosti a stečeniny. Příčinou byly pravděpodobně malé rozměry zinkovacího kelímku, které omezovaly možnost manipulace se vzorky. Před zahájením experimentů byly všechny vzorky lehce přebroušeny. Pro zkoušky byly zvoleny otěrové kotouče Calibrade H-18 a každé rameno přístroje bylo zatíženo závažím o hmotnosti 500 g. Odolnost proti otěru byla vyhodnocována metodou úbytku hmotnosti a tloušťky.

Obr. 4. Vzorek č. 3 z lázně s 0,13 % Sn (zhora) po 1 200 cyklech, 2 000 cyklech, 2 800 cyklech (označená místa bez Zn povlaku)
Obr. 3. Taber Abraser model 503 Standard Abrasion Tester Obr. 4. Vzorek č. 3 z lázně s 0,13 % Sn (zhora) po 1 200 cyklech, 2 000 cyklech, 2 800 cyklech (označená místa bez Zn povlaku)


Z obrázku 5 je patrné, že s vyšším obsahem cínu v lázni se zrychluje úbytek hmotnosti v závislosti na počtu cyklů. To znamená, že dochází k výraznějšímu otěru. U vzorků z lázně s 1,23 % Sn došlo k prodření povlaku na základní materiál dokonce už při 2 200 cyklech. Stejné výsledky ukazuje i obrázek 6, ze kterého lze vyčíst, že s vyšším obsahem cínu v lázni dochází k rychlejšímu úbytku tloušťky zinkového povlaku v závislosti na počtu cyklů. Tento graf neukazuje výsledky tak přehledně jako graf úbytků hmotnosti, ale závislosti jednotlivých lázní se v první polovině grafu překrývají. Překrytí je způsobeno různou počáteční tloušťkou povlaku. I přesto se ale výsledky shodují. Například vzorky z lázně s 0,62 % Sn dosahovaly průměrně největší počáteční tloušťky povlaku, ale k opotřebení na základní ocelový materiál došlo už po 2 600 cyklech (tzn. druhé nejrychlejší opotřebení).

Obr. 5. Úbytky hmotnosti v závislosti na počtu cyklů pro povlaky Zn lázní s různým obsahem Sn
Obr. 6. Závislost tloušťky povlaku na počtu cyklů pro Zn lázně s různým obsahem cínu

Metalografie ukazuje strukturu povlaků

Na obrázku 7A je struktura zinkového povlaku z lázně s 0,00 % Sn. Ta odpovídá struktuře zinkového povlaku na oceli s velmi nízkým obsahem křemíku (do 0,03 % Si), pro kterou je typická souvislá vrstva fáze δ. Nad touto vrstvou jsou vidět krystaly fáze ζ, které k sobě dobře přiléhají. Na rozhraní s vrstvou čistého zinku jsou krystaly fáze ζ rozvolněné. Průměrná tloušťka povlaku je 59,34 µm. Z obr. 7B je vidět, že struktura zinkového povlaku z lázně s 0,13 % Sn se liší pouze větším podílem rozvolněných krystalů fáze ζ a slabší vrstvou čistého zinku (fáze η). Průměrná tloušťka povlaku je 60,2 µm. Na struktuře zinkového povlaku z lázně s 0,62 % Sn (obr. 7C) je ještě výraznější vrstva rozvolněných krystalů fáze ζ, které prostupují do čistého zinku. Fáze δ je zde zastoupena v podobné tloušťce jako u lázně s 0,13 % Sn. Průměrná tloušťka povlaku je 57,1 µm. Struktura zinkového povlaku z lázně s 1,23 % Sn (obr. 7D) se od ostatních liší nejvíce vrstvou fáze δ, která je u ní nejtenčí. Vrstva fáze ζ je tvořena krystaly, které k sobě přiléhají podobně jako u povlaku z lázně s 0,00 % Sn. V této struktuře je oproti povlakům z lázně s 0,13 % Sn a 0,62 % Sn výraznější vrstva čistého zinku (fáze η). Průměrná tloušťka povlaku je 54,9 µm.

Obr. 7. Struktura jednotlivých Zn povlaků

Závěr

Zajímavým poznatkem z provedené metalografie zkoušených vzorků je skutečnost, že u vzorků zinkovaných v lázních 1 a 2 narůstá fáze ζ ve dvou na sobě uložených vrstvách. Příčiny vzniku této modifikace struktury povlaku nejsou v dostupné literatuře popsány. Měření odolnosti proti otěru ukázalo, že s vyšším množstvím cínu v lázni docházelo k rychlejšímu úbytku hmotnosti vzorků, tzn. k rychlejšímu opotřebení. Stejné výsledky potvrdilo i kontrolní měření tloušťky povlaku. Tloušťka povlaku se v závislosti na počtu cyklů měření snižovala rychleji u vzorků pozinkovaných v lázni s vyšším obsahem cínu. Z výsledků měření je tedy patrné, že přítomnost cínu v zinkové lázni snižuje odolnost proti otěru. To ovšem nemusí znamenat, že je přítomnost cínu v zinkové lázni nevýhodou. Vždy závisí na oblasti použití daného výrobku, kde odolnost proti otěru nemusí být nejdůležitější vlastností.

Tento příspěvek byl podpořen projektem SGS16/217/OHK2/3T/12.

FS ČVUT

Ing. Jan Kudláček, Ph.D.

Jan.Kudlacek@fs.cvut.cz

//povrchari.cz/

Reklama
Související články
Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

Komplexní způsob kontroly procesu odmaštění

Článek pojednává o možnostech komplexní kontroly procesu odmaštění v průmyslových aplikacích, tj. především o možnostech kontroly stavu povrchu výrobků před procesem odmaštění a po něm a o kontrole stavu odmašťovacích kapalin pomocí UV-VIS spektroskopie.

Stříkání a lakování - trendy jsou nepochybné

Nutnost zvyšovat technicko-ekonomickou úroveň firmy je na denním pořádku. Inovace zvyšují podnikovou konkurenceschopnost, kterou lze spatřovat zejména ve flexibilitě, tvorbě přidané hodnoty, efektivnosti a kvalitě. Také v oboru povrchových úprav je trendem automatizace a robotizace.

Související články
Vakuové odpařování - technologie budoucnosti

Vakuové odpařování je v České republice poměrně málo používaná technologie. Má však velký potenciál pro budoucí rozšíření. Tato technologie nachází využití v povrchových úpravách, chemickém, strojírenském, potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Firma Kovofiniš je jednou z prvních českých firem, která nabízí vlastní vakuové odparky.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Kompozitní povlaky jako možná náhrada za povlaky na bázi CrIV

Tento příspěvek se týká oblasti povrchových úprav, zejména elektrolyticky vyloučených kovových povlaků, a to způsobu vytvoření kompozitní povrchové úpravy na bázi niklu s vysokou odolností proti opotřebení. Výsledkem provedeného výzkumu je technologický postup závěsového pokovení pro nový kompozitní povlak NiP-XLS, který by mohl nahradit povlaky na bázi CrIV.

Zvýšení výkonu u tribo stříkání

Stříkání práškových barev systémem tribo je založeno na fyzikálních principech, které do značné míry určují výsledné parametry stříkacího zařízení. Výrobce stříkacích pistolí je postaven před úkol navrhnout optimální konstrukci, která bude poskytovat nejlepší možný výstup, jakým je dostatečně nabitý prášek, který vystupuje v požadovaném množství a s použitelnou rychlostí z ústí nabíjecí trubice. Jak název napovídá, nabíjení prášku tribo je založeno na principu tření.

Šetrné a účinné čištění těžko dostupných míst

Klasické postupy čištění ve vodě se dostávají na hranice svých možností, když jde například o kapilární struktury nebo komplexní geometrie. Za takové situace se nově na scénu dostávají tzv. CNP technologie (Cyclic Nucleation Process). Tato technologie pracuje na principu cyklické nukleace (tvorby krystalových zárodků z přesycených roztoků).

Ako zvýšiť kvalitu povrchových úprav

Dokonale čistý a odmastený povrch dielov je základnou črtou pre všetky povrchové úpravy, ktorý má veľký vplyv na výslednú kvalitu produktu. Predovšetkým rôzne spôsoby nanášania kovov si vyžadujú starostlivú prípravu povrchu, aby sa zabránilo vzniku škvŕn, ktoré vznikajú v dôsledku povrchovej kontaminácie počas tvárnenia kovov.

Vývoj epoxidových barev na konstrukce

Trendem dnešní doby je snižování nákladů na nátěrové systémy na konstrukce. Tyto systémy jsou ve většině případů složeny ze základní nátěrové hmoty (NH) epoxidového typu a vrchního polyuretanového emailu. V rámci úspory nákladů byla vyvinuta NH, která plní funkci obou těchto nátěrových hmot, to znamená, že má antikorozní vlastnosti, splňuje funkci vrchní NH a je možné ji aplikovat pouze v jedné vrstvě.

Lehké konstrukce automobilů - Specifické povlaky hlubokotažných ocelí

Na konstrukční materiály používané při stavbě automobilové karoserie jsou kladeny mimořádné požadavky. Specifické podmínky musejí splnit zejména vnější povrchové díly karoserie, které jsou nositeli designu vozu a které tím i do značné míry rozhodují o prodejnosti a úspěšnosti daného modelu. Kromě základních mechanických podmínek musejí povrchové díly splnit perfektní lakovatelnost, mimořádnou korozní odolnost, ale také musejí mít schopnost bezproblémového zpracování – ať už lisováním, nebo rozmanitými technologiemi spojování, jako je laserové pájení a lepení.

Tryskání a hlavní příčiny, které snižují životnost ocelových konstrukcí

Nové metody abrazivního tlakovzdušného tryskání, které oproti tradičním technologiím staví na přesném nastavení a elektronické kontrole procesu, jsou určeny pro dokonalou a včasnou přípravu povrchu ocelových konstrukcí před nanášením povrchových úprav. Jsou spolehlivější, rychlejší, tím i výrazně úspornější v provozních nákladech a také v celkové ekonomice technologie.

Funkční materiály pomocí depozice atomových vrstev

Depozice atomových vrstev (ALD – Atomic Layer Deposition) je technologie využívající depozice tenkých vrstev na povrch substrátu s přesností v atomovém měřítku, založená na řadě reakcí výchozí látky v plynném stavu s povrchem substrátu. Většina ALD reakcí používá dvě chemické látky, které se nazývají prekurzory.

Plazmová předúprava povrchu - povrchová energie versus adheze

V oblasti úprav povrchů materiálů je obecně přijímáno, že povrchová energie je jedno z rozhodujících kritérií pro adhezi nátěrových hmot, barev, lepidel nebo speciálních povlaků. Čím vyšší je povrchová energie, tím lepší by měla být přilnavost. Na základě získaných výsledků z oblasti předúpravy povrchu plazmatem nebo ionizací však nebyla prokázána přímá korelace mezi volnou povrchovou energií materiálů povrchově upravených různými technologiemi a výslednou adhezí nátěrové hmoty nebo lepidla.

Maskování pro povrchové úpravy

Před mnoha lety, než jsem se začal zabývat povrchovými úpravami a maskováním, jsem netušil, jak komplexní obor to je a co všechno zahrnuje. Problematika je natolik obsáhlá a speciální, že by si zasloužila samostatný studijní obor na univerzitě. Zkusím proto v tomto článku popsat alespoň část svých dosavadních zkušeností a poznatků z mojí univerzity života.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit