Přilnavost žárově stříkaných povlaků

Stupeň tryskání tedy výsledná drsnost je rozhodujícím faktorem pro určení přilnavosti žárově stříkaného povlaku. Dalším faktorem, který určuje, jak daný povlak bude držet na podložce, je i metoda nástřiku. V technické praxi se při nástřiku antikorozních povlaků setkáváme se dvěma metodami - s žárovým nástřikem plamenem, tzv. plynovou metalizací a s žárovým nástřikem elektrickým obloukem, tzv. elektrometalizací. Zástupcem té první metody jsou plynové pistole typu AD z bývalého Kovofiniše, dnes ESTu, se kterými se v naší republice pracovalo více než čtyřicet let a do druhé skupiny elektroobloukových zařízení patří zařízení Margarido M45. Vývojem těchto zařízení se zabývá článek v [1]. Obě metody mají své technické i ekonomické přednosti popsané v [2].

Žárové stříkání

Vrstvy nanesené žárovým stříkáním mají charakteristickou strukturu, kterou se podstatně liší od homogenních materiálů. V důsledku této odlišné strukturní stavby mají i jiné fyzikální a chemické vlastnosti.

Obecně v procesu žárového stříkání vzniká povlak tak, že částice nanášeného kovu roztavené v tavném ohnisku metalizačního přístroje a nesené proudem tlakového vzduchu dopadají na povrch předem tryskaného základního materiálu, deformují se a po téměř okamžitém ztuhnutí se zakotvují do nerovností pokovovaného povrchu. Přilnavost povlaku je zde pouze výsledkem kontrakčních napětí vzniklých při chladnutí deformovaných částic naneseného kovu zanesených do nerovností základního povrchu.

Metalizace elektrickým obloukem

Kvalitativní skok znamená v tomto ohledu metalizace elektrickým obloukem. Teplotní a kinetické parametry jsou u elektroobloukového žárového stříkání mnohem výhodnější než u procesu plynového. Vysoká teplota oblouku a jeho větší tepelná kapacita způsobuje větší teplotu částic. Tato částice hliníku reaguje se vzdušným kyslíkem a vzniká exotermická reakce. Ta způsobuje přehřátí částice na teplotu podstatně vyšší, než je teplota tavení. Tyto podmínky umožňují i natavení povrchových oxidů a sferoidizaci částice. Z těchto důvodů je dosahováno dokonalejšího zakotvení částice do otryskaného povrchu a vytvoření mikrodifuzní vazby se substrátem. Toto má za následek podstatně vyšší přilnavost povlaku k základnímu materiálu. Exotermická reakce způsobuje i podstatně větší světelné záření kužele střiku, než je tomu u plynové metalizace, což je patrné z porovnání obr. 7 a 8.

Porovnání přilnavosti žárově stříkaných povlaků

Pro porovnání přilnavosti žárově stříkaných povlaků oběma výše zmíněnými metodami byly vybrány vzorky vyrobené z plechů válcovaných za tepla jakosti 11 373 a tryskaných hnědým korundem. Hnědý korund byl zvolen z důvodu reprodukovatelnosti a velké podobnosti výsledné struktury otryskaného povrchu s tryskáním křemičitým pískem.

V praxi povrchových úprav se často uvádí jako určující parametr drsnosti hodnota Ra. V tabulce 1 jsou uvedeny průměrné hodnoty parametrů drsnosti tryskaných vzorků různou zrnitostí hnědého korundu.

Obecně lze předpokládat, že pro přilnavost žárově stříkaných povlaků mají větší význam prohlubně než výstupky profilu, neboť právě prohlubně umožňují lepší zakotvení povlaku v základním materiálu. Naproti tomu výstupky mají spíše negativní význam, protože v místě výstupků je povlak zeslaben a zde dochází při odtrhové zkoušce k porušení.

Metalizační zařízení

Použitá metalizační zařízení byla: Margarido M45 pro elektrometalizaci (U₀ = 32 V, U_zat = 30 V, I = 100 A) a pistole AD-3 pro plynovou metalizaci (metalizační plyny: kyslík + acetylen, tlak stlačeného vzduchu při metalizaci 0,6 MPa). Materiálem pro nástřik povlaku byl zvolen hliník ve formě drátu o průměru 2,5 milimetru, v případě pistole AD-3 a dráty o průměru 2 milimetry, v případě zařízení Margarido M45. Samotné nanášení povlaku bylo prováděno v metalizačním boxu se zajištěním odsáváním přestřiků (obr. 1). Tloušťky povlaků se pohybovaly v rozmezí 160 až 200 μm.

Předpokládá se, že hodnoty přilnavosti nebudou stejné pro žárové stříkání plamenem i pro elektroobloukové žárové stříkání. Teoretické hodnoty se u metalizace plamenem pohybují cca do 7 MPa a u elektroobloukové metalizace až do cca 20 MPa.

Měření odtrhu

Měření odtrhu byla provedena na přístroji Coming řady Comtest OP1 (obr. 2). Postup vychází z normy ČSN EN ISO 4624, kde je uveden přesný postup zkoušky.

Rovněž vyhodnocení této zkoušky je podle výše uvedené normy. Základní problematika vyhodnocování spočívá v tom, že se lom může vyskytovat ve všech částech zkoušeného systému, tj. substrát, povlak (případně více vrstev povlaku), lepidlo. Pro jednovrstvé povlaky je způsob všech možných lomů znázorněn na obrázku. Zde uvedené lomy jsou ze 100 % v celé lomové ploše.

Obecné značení pro vícevrstvé povlakové systémy - do podtisku k obrázku 3

A         - kohezní porušení v substrátu

A/B     - adhezní porušení mezi substrátem a první vrstvou

B         - kohezní porušení první vrstvy

B/-      - adhezní porušení mezi první vrstvou povlaku a další vrstvou povlaku

-/Y      - adhezní porušení mezi poslední vrstvou povlaku a lepidlem

Y         - kohezní porušení v lepidle

Y/Z      - adhezní porušení mezi lepidlem a terčíkem

Výsledky zkoušek odtrhu

U zkoušek [3] přilnavosti hliníkových povlaků nanesených plynovou metalizací (č. vzorků 0055, 0042, 0057 a 0059) téměř u všech vzorků docházelo při odtrhové zkoušce k porušení ve vrstvách substrát/povlak a povlak. Pouze u několika málo vzorků došlo také k porušení ve vrstvách povlak/lepidlo, lepidlo a lepidlo/terčík. Ale i u těchto vzorků mohly být výsledky považovány za velmi dobré, protože šlo jen o několikaprocentní podíl z celkového hodnoceného povrchu. Příklady odtrhů jsou na obrázku č. 4 a celkové výsledky jsou zaznamenány v tabulce 2.

U druhé skupiny vzorků (č. vzorků 0056, 0043, 0058 a 0060), tedy u hliníkových povlaků nanesených elektroobloukovou metalizací, se oproti vzorkům z plynového žárového stříkání několik problémů vyskytlo. Byl to především problém s lepidlem pro lepení odtrhových terčíků. U některých vzorků totiž docházelo k porušení i ve vrstvách lepidlo a lepidlo/terčík. Tento jev lze vysvětlit vyšší kvalitou nastříkaného hliníkového povlaku, tedy jeho nižší porézitou a menší drsností na povrchu povlaku. Proto je v tomto případě větší rozptyl naměřených hodnot. I přes tento negativní jev byla však naměřená napětí vyšší, než tomu bylo u vzorků z plynové metalizace, což odpovídá teoretickému předpokladu, viz tabulka 2.

Zvyšující drsnost = zvyšující přilnavost

Z konečného grafu na obrázku 6 je jasně vidět, že se zvyšující se drsností základního povrchu se zvyšuje i přilnavost povlaku. U plynové metalizace tato závislost nestoupá tak výrazně jako u elektroobloukové a dalo by se tedy říci, že předúprava povrchu nemá tak zásadní vliv na kvalitu výsledného povlaku. Nutno však dodat, že byly zkoušeny pouze povlaky z hliníku a u povlaků ostatních typů, např. Zn nebo ZnAl, mohou být hodnoty přilnavosti odlišné. Taktéž by se mohl měnit tvar křivky za hranicemi mnou měřených hodnot, což by vyžadovalo další rozsáhlejší měření, které by zahrnovalo více typů tryskacích prostředků, aby bylo dosaženo širší škály drsnosti. Elektrooblouková metalizace tedy dosahuje přibližně dvakrát větších hodnot oproti plynové, i když je nutné zdůraznit, že jde o hodnoty relativní, neboť nebylo dosaženo výše uvedených teoretických hodnot. Důvodem může být rozdílná tloušťka, materiál povlaku a skutečnost, že k porušení docházelo ve všech částech zkoušeného systému, a ne pouze na rozhraní substrát/povlak.

Literatura:

[1] SEDLÁČEK, A., PAVLICA, S. Žárové stříkání - odkazy minulosti a trendy současnosti. Povrchové úpravy 4/2010.

[2] SEDLÁČEK, A., PAVLICA, S. Zkušenosti s elektroobloukovým metalizačním zařízením.

Sborník přednášek 5. mezinárodního odborného semináře Progresivní a netradiční technologie povrchových úprav, Brno 2008.

[3] SEDLÁČEK, A., PŘIKRYL, J. Zkoušky přilnavosti žárově stříkaných povlaků. Interní výzkumná zpráva 1/08, SAF Praha, Praha 2008.

Ing. Alexander Sedláček

ASedlacek@saf.cz

SAF Praha

Tabulky a grafy naleznete v tištěné verzi časopisu MM Průmyslové spektrum.