Udržitelný rozvoj technologií povrchových úprav

Těmto nežádoucím změnám se v průmyslové praxi nejčastěji čelí použitím různých druhů povrchových úprav a ochran. Požadavky na protikorozní ochranu však nejsou zdaleka jediné, které musí příslušná povrchová úprava splňovat. Požadujeme od nich rozměrovou i vzhledovou stálost, odolnost vůči vlivům okolního prostředí, elektrické parametry, dlouhodobou životnost a stále se rozšiřující řadu nových funkčních požadavků, jako je žáruvzdornost, samomaznost, netoxičnost, hydrofobní a antiadhezivní vlastnosti a další kombinace parametrů.

Parametry a charakteristické vlastnosti použité povrchové úpravy předurčují i kvalitu celého výrobku a jeho životnost. Tato oblast se tak stává jednou z významných pro aplikovaný výzkum. Cíle povrchových úprav jako nedílné součásti strojírenských technologií jsou v souladu s požadavky udržitelného rozvoje celého strojírenství. Jde především o zvyšování provozní spolehlivosti a životnosti výrobků a snižování výrobních nákladů. Vlivem poznání ve vědě a technice i vzhledem k mnoha praktickým zkušenostem dosáhl obor povrchových úprav značných kvalitativních změn, nabyl širšího rozsahu a zasahuje svým významem do všech oborů lidské činnosti. Možnosti rozvoje oboru se vzájemně ovlivňují a úzce souvisí mimo jiné i s technicko-ekonomickými podmínkami v místě a čase.

- 2000 Nanotechnologická iniciativa vlády USA
- 1985 Povlaky PVD, CVD
- 1981 Skenující tunelový mikroskop G. Binning, H. Rohver
- 1980 Laserové zpracování povrchů
- 1974 Termín „nanotechnologie“ Novio Tanaguči
- 1970 Kompozitní a slitinové povlaky
- 1960 Plazmové nástřiky kovů a keramiky
- 1959 První zmínka o nanotechnologiích („Tam dole je spousta místa“ – R. Feynman)
- 1955 Difuzní procesy (inchromování, alumetování, sherardizování)
- 1953 Elektrostatické nabíjení částic E. Gemmer
- 1931 Elektronový mikroskop M. Knoll, E. Ruska
- 1921 Princip fluidizace F. Winkler
- 1916 Wattsův elektrolyt pro galvanické niklování
- 1906 Žárové stříkání kovů G. Schopp

Využitím nových poznatků z chemie, fyziky, elektroniky, nových materiálů a technologií, mimo jiné především na principu plazmy, vakua a laseru, je rozvoj úprav povrchů velice výrazný, přičemž z pohledu svého vývoje téměř na počátku (viz přehled výše).

Značný přínos byl zaznamenán především u povlaků a vrstev připravených metodami chemické (CVD) a fyzikální (PVD) depozice s využitím plynných fází a jejich reakcí např. u povlakovaných obráběcích nástrojů s vysokými parametry obrábění, s dlouhou životností i možností práce bez řezných kapalin.
Příznivý rozvoj nastal také v oblasti žárového zinkování rozšířením kapacit o nové provozy. Zavedení pokrokových technologií žárových nástřiků, především plazmových, umožnilo nanášet speciální slitiny i keramické materiály, jako jsou např. žáruvzdorné povlaky dílů leteckých motorů a plynových turbín odolávajících dlouhodobě značným extrémním teplotám při splnění vysokého stupně bezpečnosti.

K zásadním změnám dochází u metod a prostředků při čištění a přípravě povrchů novými technologiemi tryskání, omílání a odmašťování.
U povlaků z nátěrových hmot klesá objem technologií s organickými rozpouštědly. Úspěšně se rozvíjejí technologie práškových plastů, vodou ředitelných nátěrových hmot a vývoj speciálních kompozitních nátěrových hmot s vysokou odolností proti abrazivnímu otěru.

Značný kvalitativní rozvoj nastává v oblasti galvanotechniky především zavedením slitinových povlaků zinku v oblasti protikorozní a kompozitních i slitinových povlaků v oblasti funkčních využití. Příkladem jsou otěruvzdorné povlaky u součástí motorů a strojů vystavené adhezivnímu namáhání s tichým a bezúdržbovým provozem. Chemicky odolné povlaky při výrobě silně oxidačních činidel. Biokompatibilní povrchy chirurgických implantátů. Protikorozní úpravy strojů, automobilů, výrobních i spotřebních zařízení. Přesně definované povrchy a povlaky s elektrickými parametry u součástek elektronických zařízení, počítačů či nosičů informací.
V neposlední řadě dochází, v posledních dvaceti letech, k razantnímu využití mikro- a nanomateriálů v technologiích povrchových úprav, a to především ve formě kompozitních povlaků.

Při pohledu do budoucna tohoto oboru je nutno vycházet nejen z perspektiv rozvoje jednotlivých technologií a směrů, ale především sledovat vývojové změny, které čekají celý svět i jednotlivé společnosti. Omezení v podobě ekologické legislativy se postupně dotýkají budoucnosti všech provozů povrchových úprav. Je to dáno především chemickým charakterem těchto provozů a dopadem na životní prostředí.

Nové předpisy, nařízení, limity a zákony jsou dnes již faktem předloženým všem i v oboru povrchových úprav. Tato skutečnost se zásadně dotýká blízké budoucnosti všech provozů povrchových úprav.

Nikdo jistě nepochybuje o smysluplnosti ochrany životního prostředí. Skutečnosti plynoucí z nových norem mohou totiž zásadně ekonomicky zatížit řadu především menších provozů. Pokud by to bylo z důvodů nedostatků ve výrobě či důvodů ekologických, bylo by to opodstatněné. Daleko nebezpečnějším důvodem jsou však požadavky a s tím spojené náklady na splnění tohoto legislativního břemena, které má i řadu neekologických aspektů.

Udržitelný rozvoj povrchových úprav se v současné době dá charakterizovat takovými technologiemi, u kterých bude garantována: kvalita, funkčnost, životnost, energetická nenáročnost, ekologická šetrnost, bezúdržbový provoz, bezpečnost a efektivnost.

Povrchové úpravy jsou nejvýznamnější složkou celkové kvality výrobku a je třeba je volit tak, aby napomáhaly k dosažení optimálního provedení výrobku podle požadavků. Optimalizaci procesu povrchových úprav tvoří především technologická, provozovatelská, kontrolní a organizační opatření, která zabezpečují, aby náklady na celý proces byly co nejnižší a bylo dosaženo co nejlepšího výsledného stavu.

Optimální povrchová úprava je ta, která zabezpečí požadované vlastnosti strojírenských výrobků s minimálními finančními náklady, při energetické a ekologické úspornosti při jejich vytvoření a udržování. Pro zajištění udržitelného rozvoje celého oboru povrchových úprav je nezbytné sledování informačních pramenů a rychlé zavádění nových technologií v závislosti na:

- poznatcích základního výzkumu (nové materiály, metody, principy);
- požadavcích ostatních oborů (zbrojní průmysl, medicína, elektronika);
-dostupnosti informací (odborná literatura, internetové databáze, mezinárodní spolupráce).

Úpravy povrchů představují široké spektrum technologických procesů, které vytvářejí povrch, vrstvy nebo povlaky s potřebnými vlastnostmi, splňujícími provozní zatížení a odolávajícími degradačním procesům okolí.

Studium povrchů materiálů z hlediska jejich funkce a životnosti vyžaduje dostatečnou znalost provozních parametrů povrchu. Pro studium poznání degradace materiálů je důležitá i možnost sledování funkčních dvojic materiálů za různých podmínek namáhání i s různými úpravami jejich povrchů.
Nejčastějšími degradačními procesy povrchů jsou koroze a opotřebení. Proces opotřebení není ještě sledován a prozkoumán tak, jako je tomu u korozních dějů, kde jsou obecně stanoveny přesně způsoby ochrany i metodika a vyhodnocování korozních zkoušek. Tento nedostatek plyne především ze složitosti sledování vzájemného působení povrchů, vyhodnocování průběhu opotřebení a sledování úzce související problematiky tření.

Kompozitní a slitinové povlaky

Omezené vlastnosti jednosložkových povlaků z čistých kovů nesplňují vždy všechny náročné požadavky kladené na vlastnosti povrchů. Navíc sílí tlaky v rámci ekologického uvědomování proti používání některých kovů. Proto jeden z hlavních směrů rozvoje povrchových úprav je obecně orientován na nové vícesložkové povlaky. U kovových povlaků je vývoj směrován kromě kompozitních povlaků i na povlaky slitinové, a to jak u klasických technologií, tak i u řady nových progresivních způsobů pokovení. U nejčastěji aplikovaných technologií pokovení ve strojírenství, u galvanického, respektive chemického pokovení, jsou tyto směry rozvíjeny u povlaků korozivzdorných nejčastěji na bázi zinku a v oblasti funkčních povlaků na bázi niklu. Tyto technologie jsou zatím stále pro strojírenskou výrobu nejdostupnější technicky i cenově.

Funkční povlaky niklu včetně jeho slitin, resp. kompozitů na bázi niklových povlaků mají z důvodu svých specifických vlastností řadu uplatnění v technických aplikacích. To potvrzují i četné odkazy v odborné literatuře na odborné práce a výsledky výzkumu, u nás i v zahraničí. I z těchto důvodů je potřebné věnovat se funkčním povlakům niklu a přiblížit jeho možnosti praktickému využití.

I řada dalších úprav povrchu se rozvíjí především na principech kompozitních povlaků. Disperzní částice se aplikují do základních organických i anorganických materiálů, které podstatně zkvalitňují a rozšiřují užitné vlastnosti těchto materiálů. Dochází tak k vytváření povlaků s novými užitnými vlastnostmi.


Udržitelný rozvoj technologií povrchových úprav je dán rozvojem jak v oblasti protikorozní ochrany, tak především i rozvojem funkčních povrchových úprav, případně jejich vzájemně vhodné kombinaci.

Ing. Jan Kudláček, Ph.D.
Ing. Dana Benešová

ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie


jan.kudlacek@fs.cvut.cz
dana.benesova@fs.cvut.cz

//u12133.fsid.cvut.cz/
//povrchari.cz/