Otěruvzdornost povlaků žárového zinku s přídavkem cínu

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 %.

Pro zvětšení klikněte na tabulku.

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.

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.

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.

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).

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.

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/