Trendy v ověřování výrobků, materiálů a povrchových úprav

Prokazování správnosti konstrukčně-technologického návrhu výrobků, schopnosti odolávat v požadované míře všem vlivům po celou předpokládanou dobu jeho životnosti a dále kvality zpracování výrobků je dnes již samozřejmostí. Pro oblast ověřování odolnosti výrobků, materiálů a povrchových úprav a ochran se v praxi nejčastěji využívají tzv. urychlené laboratorní zkoušky, a to zejména z důvodů jejich přijatelnosti z hlediska délky provedení, ceny a vypovídací hodnoty výsledků s relativně vysokou mírou reprodukovatelnosti. V průběhu doby vzniklo a bylo zavedeno mnoho zkušebních postupů a metodik, z nichž některé se používají v takřka nezměněné podobě již řadu desetiletí. Zejména v posledních letech ale vznikla také řada nových typů zkoušek a zkušebních metodik a postupů, které reagují jednak na zvyšující se nároky na prokázání jednotlivých kvalitativních ukazatelů, ale také na zvyšující se nároky na kvalitu výrobků v některých oborech; to vše při akceptaci soudobých možností přístrojové a zkušební techniky. Jednou z oblastí, kde se tyto trendy zpřísnění zkoušek asi nejvíce projevují, je oblast urychlených korozních laboratorních zkoušek.

Úvodem je třeba konstatovat, že urychlených laboratorních korozních zkoušek existuje v dnešní době opravdu veliké množství. Je to dáno jednak existencí testů založených na vlivu různých druhů korozních činitelů a stimulátorů, které jsou pro daný typ zkoušky považovány za primární, ale také existencí mnoha standardizačních řad (různé mezinárodní, národní, oborové, podnikové apod.), ve kterých existují popisy mnohdy prakticky totožných zkoušek, nebo zkoušek s více či méně zásadními odchylkami. Přesto lze vysledovat přibližně dvě hlavní skupiny základních typů korozních zkoušek, a to zkoušky založené na kondenzační atmosféře (čisté nebo za přítomnosti oxidu siřičitého) a zkoušky solnou mlhou.

První z uvedených typů patří k těm nejjednodušším. Test je založen na expozici zkoušeného dílu – vzorku – v prostředí mírně zvýšené teploty (nejčastěji +40 °C) a vysoké, takřka 100% relativní vlhkosti. Tento test se dnes nejčastěji používá pro zkoušky relativně méně odolných povlakových systémů, jako mohou být různé konzervační prostředky, fosfátové či pasivační vrstvy, ale i pro testování vzorků s povrchovou ochrannou nátěrovou hmotou/systémem. Zkouška může být vyžadována jako konstantní (neměnné parametry v průběhu celé expozice, typicky 40 °C a přibližně 100 % r. v.), nebo i cyklická (část expozice se uskutečňuje v prostředí vysoké relativní vlhkosti a další část zahrnuje tzv. odvětrání, typicky teplotu cca 18 až 28 °C a nižší relativní vlhkost; jednotlivé cykly se pak opakují). Příkladem může být např. německá norma DIN 50017, popisující jak konstantní režim (označovaný KK), tak i režim cyklický (označovaný jako KFW či KTW). I v případě cyklických testů je ale „agresivita“ této zkoušky relativně nízká.

Také proto se často využívá modifikovaná forma kondenzační zkoušky, při které je do zkušebního prostoru přiváděn jako korozní stimulátor oxid siřičitý. Zkouška tímto dozná významného zvýšení agresivity pro naprostou většinu materiálů. V důsledku tohoto dojde obvykle k významnému zkrácení zkoušky a tedy úspoře času i financí.

Zkouška vlastně simuluje průmyslový typ atmosféry. Test je velmi dobře použitelný pro prokázání odolnosti řady materiálů a povlaků. Popis lze nalézt například v ČSN ISO 6988 – Kovové a jiné anorganické povlaky. Zkouška oxidem siřičitým s povšechnou kondenzací vlhkosti. Alternativně se také můžeme setkat s požadavky na testování podle německé normy DIN 50018, popisující cyklické režimy zkoušky.

Z hlediska četnosti využití těchto testů se v praxi mnohem výrazněji uplatnil jiný typ zkoušky. Tím asi nejběžnějším a nejvíce využívaným typem, je zkouška nazývaná solná mlha. Počátky této zkoušky sahají až do r. 1914 s odkazem na National Bureau of Standards (NBS), nyní známé jako NIST. Formalizována však byla až v roce 1939 standardem ASTM B117, který po řadě revizí platí a je používán dodnes. Tento test lze zároveň, s určitým nadhledem, považovat za standard a základní test, pokud jde o korozní testy prováděné v současnosti. Principem je expozice zkoušeného dílu v uzavřeném zkušebním prostoru, kde je za pomoci speciální trysky kontinuálně atomizován roztok NaCl v demineralizované vodě a tak vytvářen velmi jemný aerosol (slaná mlha). Vybrané typické parametry pro korozní zkoušku v neutrální solné mlze uvádí tabulka 1.

Zkušební postup, prakticky totožný nebo jen s minimálními odlišnostmi od ASTM B117, nalezneme v mnoha jiných standardizačních řadách (MIL-STD-810, RTCA/DO-160, DIN 50 021,BS 2011, a mnohé další). V tuzemských podmínkách byla alternativou do roku 1994 norma ČSN 03 8132; od roku 1994, resp. 2007 platí stávající ČSN EN ISO 9227. Tato norma vedle své výchozí varianty neutrální solné mlhy (NSS) popsané výše uvádí i dvě alternativy, lišící se zkušebním roztokem (u varianty AASS se roztok doplní potřebným množstvím ledové kyseliny octové tak, aby hodnota pH rozprašovaného roztoku nahromaděného ve zkušební komoře byla mezi 3,1 a 3,3; pro variantu CASS se v roztoku chloridu sodného rozpustí potřebné množství dihydrátu chloridu měďnatého tak, aby jeho koncentrace byla 0,26 g/l ± 0,02 g/l a pH se upraví jako pro NSS).

Přibližně od 80. let minulého století se v zahraničí začaly vedle tradičních typů korozních zkoušek více uplatňovat modernější, ale také složitější typy korozních zkoušek, které mají být charakteristické mj. lepší korelací k namáhání na přímé povětrnosti. V České republice se jejich použití za světem poněkud opozdilo a významnějšího rozšíření doznaly až v souvislosti s rozvojem automobilové výroby v 90. letech minulého století a souvisejícím zaváděním firemních automobilových zkušebních předpisů. Postupně, s pronikáním tuzemských výrobků na trhy západní Evropy, začaly být více vyžadovány i postupy obecného charakteru, ať už národní nebo mezinárodní. Tyto změny lze charakterizovat jako modifikaci původních metodik zkoušek na zkoušky kombinované a zkoušky cyklické.

Jednou z prvních vlaštovek byly požadavky na kvalitu vybraných povrchových úprav, kdy se zkušební díly před expozicí vystavily po nějakou dobu zvýšené teplotě (např. 100 °C po dobu 24 hod.), a teprve poté byla provedena samotná korozní zkouška. Mnohem zásadnější změnou však bylo používání cyklických zkušebních režimů, kombinujících různé typy environmentální zátěže v rámci jednoho cyklu. Rozdíly mezi konstantním a cyklickým testem jsou patrny z obrázku 1. Příkladem cyklického testu může být postup podle VDA 621-415, který v rámci jednoho cyklu požaduje: 24 hodin neutrální solnou mlhu (DIN 50 021-SS), 96 hodin kondenzace (DIN 50 017-KFW) a 48 hodin aklimatizace (DIN 50 014). Příbuzné typy testů popisuje mnoho dalších norem a předpisů, např. ASTM G85 nebo SAE J 2334.

Tyto, a další obdobné postupy jsou z praktického hlediska v dnešní době běžně vyžadovány a jsou realizovatelné, i když zkušební zařízení pro tyto zkoušky musí být tzv. „vyššího typu“, umožňující provádění několika různých zkušebních režimů (zejména solný střik, kondenzace, aklimatizace, vysoušení, apod.) v automatizovaném procesu. Zkoušky jsou používány nejvíce pro výrobky automobilové techniky, například pro testování různých typů výměníků, chladičů, potrubí klimatizace apod., a je nutno konstatovat, že jsou ve svém důsledku výrazně náročnější než tradiční zkoušky v solné mlze. Mnozí světoví výrobci přísnost zkoušek dále zvyšují enormním prodlužováním délky expozice. A tak zatímco např. pro hodnocení některých typů povrchových úprav v tradiční neutrální solné mlze s konstantním střikem se pohybujeme v expozicích v řádu desítek až stovek hodin, v tomto případě existují praktické zkušenosti s prováděním cyklických testů v délce 12, 25 i 45 týdnů.

V posledních několika letech se začaly objevovat ještě komplikovanější zkušební postupy. Příkladem může být standard PV1209 koncernu VW, který kombinuje cyklický korozní test podle PV1210 s cyklickou vlhkostně-teplotní zkouškou podle PV1200. Cyklický korozní test se skládá z expozice: 4 h solná mlha podle DIN 50 021-SS s modifikací solného roztoku chloridem vápenatým, 4 h aklimatizace (18 až 28 °C; 40 až 60 % r. v.) a 16 h kondenzace podle DIN 50 017 KK (40 °C; 100 %).

Cyklická vlhkostně-teplotní zkouška podle PV1200 má průběh zobrazený na obrázku 2. Jeden cyklus zahrnuje pět dní trvající cyklický korozní test, následovaný dvoudenní cyklickou zkouškou vlhkostně-teplotní. Zkouška je určena zejména opět pro chladiče či výměníky z Al slitin pro automobilový sektor, nicméně uvažuje se i o jejím rozšíření pro oblast obecného ověřování protikorozních parametrů vybraných typů zejména kovových povrchových úprav, např. slitinových povlaků na bázi Zn. Tato zkouška již z hlediska realizace přináší značná úskalí. Pro kombinaci cyklické korozní zkoušky s vlhkostně-teplotním cyklem, navíc s mrazem, totiž běžné typy korozních komor včetně komor pro cyklické korozní testy nejsou vybaveny a bez dalších zařízení tuto zkoušku neumožňují realizovat. V nabídce některých výrobců se sice zařízení, která zvládají prakticky vše, objevují, jsou však mnohonásobně dražší než obvyklé typy, a zejména proto se v tuzemsku ani nevyskytují a i v zahraničí se objevují pouze v omezených případech. Z těchto důvodů se zkouška prakticky realizuje za využití vhodné korozní komory a dále klimatické komory umožňující provádění režimu podle PV1200. A právě použití klimatické komory následně po solné mlze přináší poměrně zásadní problém.

Konstrukční řešení naprosté většiny standardních klimatických komor spočívá mj. v použití antikorozních ocelových plechů pro vnitřní části komory. Také mnohé další díly jsou z materiálu typu nerez. Umístění vzorků, které již dříve absolvovaly část zkoušky v solné mlze, nezbytně nutně zanáší chloridové ionty i do prostředí klimatické komory. Vzhledem k tomu, že použité nerezové materiály jsou právě na chloridy velmi citlivé, objevují se na jinak nekorodujících površích komor známky korozního poškození bodového či důlkového charakteru, a to již po několika hodinách expozice. Toto poškození je nevratné a postupem času se poměrně masivně a rychle rozšiřuje. Mnohem zákeřnější ale může být korozní poškozování dalších strojních částí uvnitř klima komory, neboť cirkulující vzduch s sebou chloridy do vnitřních částí komory přirozeně zanáší. Toto je skutečně vážný problém, neboť pokud srovnáme možnou cenu zkoušky s cenou klimatické komory, kterou po několika takovýchto cyklech můžeme zásadně poškodit, dostáváme velmi zápornou bilanci. Řešením je samozřejmě použití vysoce sofistikovaných korozních komor s výbavou nejen pro cyklické korozní testy, ale také pro řízení vlhkosti, s většími rozsahy pracovních teplot a včetně možností mražení na min. –40 oC. V současnosti ale tyto komory nejsou, zejména z důvodů násobných cenových nákladů oproti standardním typům komor, prakticky instalovány – viz výše. Ukázka nerezového povrchu vnitřních částí klima komory poškozeného v důsledku zanesení chloridů je na obrázku 3.

Jedním z nejkomplikovanějších postupů, se kterými se lze v poslední době v oblasti korozních zkoušek setkat, je tzv. Diehl Test. Také tato zkouška je požadována zejména pro výrobky automobilové techniky typu chladičů, kondenzátorů a podobných dílů z Al slitin, ale i dalších materiálů. Tyto díly se exponují v natlakovaném stavu, přičemž ještě před zkušební expozicí jsou opatřeny pastou následujícího složení: 0,1 g trihydrátu dusičnanu měďnatého; 0,5 g hexahydrátu chloridu železitého; 3,0 g chloridu amonného rozpuštěno do 150 ml destilované vody a vmícháno do 67,5 g kaolínu. Samotný test trvá 9 týdnů a zahrnuje postupně sekvence jednotýdenních testů, obsahujících zejména cyklické zkoušky solnou mlhou dle předpisu VDA 621-415, Kestrnichovy testy dle DIN 50018 KFW a cyklický klima-režim. Testovací posloupnost je uvedena v tabulce č. 2.

Výrobky jsou považovány za vyhovující, pokud je „leak test“ (test na možnou netěsnost prováděný ponorem natlakovaných dílů) po ukončení testu vyhovující. Je zřejmé, že jde o extrémně náročný test, a to jak svou délku, tak zejména cyklickým průběhem a kombinací různých typů agresivních typů klimatu a atmosfér. Tomu odpovídají i praktické zkušenosti, kdy dané zkoušce vyhoví jen relativně velmi malé množství zkoušených vzorků.

Zkouška je náročná také z hlediska svého provádění. Vzhledem k zařízení Kesternichova testu přibývá nutnost komory pro zkoušky oxidem siřičitým, nicméně největší problém se skrývá, stejně jako v případě zkoušky podle PV1209, v nutnosti použití klimatické komory po uskutečněných cyklech v solné mlze – viz výše.

Je přirozené, že s vývojem poznatků, materiálů, technologií a techniky vůbec se postupem doby zkušební postupy a metodiky musí nutně měnit. Nové typy výrobků a nové možnosti jejich použití také mohou vyžadovat změny z hlediska prokazování vybraných jakostních ukazatelů. Je otázkou, do jaké míry korespondují požadavky na nové typy korozních zkoušek se stávajícími zkušebními zařízeními, a to zejména s přihlédnutím k typům zařízení, která jsou instalována v jednotlivých zkušebnách či firmách, nebo i k dostupnosti nových, vysoce sofistikovaných typů zkušebních zařízení, resp. jejich cenové náročnosti a také návratnosti takovéto investice. I přes tyto obtíže lze však očekávat v budoucnu postupný nárůst v požadavcích na nové kombinované cyklické typy zkoušek a jejich větší rozšíření i pro další oblasti technických výrobků než pouze automobilové. Také je možné očekávat snahy o další kombinace vlivů prostředí působících v průběhu zkoušky na exponované díly, např. UV záření. Zároveň však nelze očekávat úplné vymizení základních typů korozních zkoušek.

Lze tedy odhadovat, že do budoucna nás čeká mnohem větší pestrost vyžadovaných a následně prováděných zkušebních postupů. To může vést k určité specializaci testovacích pracovišť a jejich orientaci pouze na některé typy zkoušek, neboť zajištění širšího spektra zkušebních postupů může být značně složité, což je zřejmé již v dnešní době.

Ing. Miroslav Valeš

Výzkumný a zkušební letecký ústav
m.vales@vzlu.cz
//www.vzlu.cz/

Tabulka 1. Vybrané parametry zkoušky v neutrální solné mlze

Tabulka 2. Diehl Test