Zkoušení povrchových úprav a ochran

Z obecného hlediska je důvodem použití povrchových úprav změna některé vybrané vlastnosti základního konstrukčního materiálu, přičemž tato změna se projevuje v oblasti vnějšího povrchu materiálu. Přední místo v potřebě použití povrchových úprav patří ochraně základního konstrukčního materiálu. Ten je obvykle zvolen s ohledem na své pevnostní, hmotností, elektrické či další vlastnosti, avšak samotná odolnost tohoto materiálu v prostředí, ve kterém má být výrobek provozován, je mnohdy naprosto nedostatečná. Úlohu ochránce pak přebírá nejčastěji právě povrchová úprava různého charakteru.

Ochrana základního materiálu, nejčastěji proti vnějším vlivům prostředí, ale není zdaleka jediným důvodem, proč jsou povrchové úpravy používány. Z dalších upravovaných parametrů lze uvést např. změny elektrických vlastností povrchů, změny tvrdosti, součinitele tření, otěruvzdornosti a v neposlední řadě i změny dekorativní, ať už jde o barevný odstín, požadovaný stupeň lesku nebo další parametry.

Urychlené laboratorní zkoušky

Požadavky uživatelů směřují obvykle k tomu, aby výrobek disponoval příslušnými parametry po co možná nejdelší dobu, minimálně po předpokládanou dobu technického svého života. Proto již od počátku vývoje a návrhu výrobku, přes stadium jeho schvalování a posléze i výroby, jsou realizována nejrůznější opatření s cílem zajištění dostatečné a požadované míry všech předepsaných parametrů výrobků, včetně povrchových úprav. Jedním z možných a důležitých způsobů prokazování kvality návrhu a provedení povrchových úprav je jejich testování. Z důvodů ekonomických, časových, ale i reprodukovatelnosti výsledků, možnosti praktického zajištění a dalších jsou nejběžnějším způsobem testování tzv. urychlené laboratorní zkoušky.

Ověřování již vyloučených povrchových úprav konstrukčních materiálů/dílů proti vnějším vlivům prostředí formou urychlených laboratorních zkoušek je založeno na realizaci dvou základních úkonů. Prvním je vystavení vzorků, dílů nebo i celých výrobků působení vybraného typu vnějšího činitele; druhým je ohodnocení stavu vybraného kvalitativního parametru, případně jeho porovnání před, v průběhu a po expozici vzorků.

Atmosférické vlivy

Typickými představiteli vlivů působících na výrobky, materiály či povrchové úpravy, tj. vlivů, jimž jsou zkušební vzorky vystaveny, jsou vlivy atmosférické. Mezi dominantní činitele pro povrchové úpravy lze počítat zejména vlhkost, resp. dobu ovlhčení, teplotu (chlad, vysoká teplota, teplotní změny), sluneční záření, korozní stimulátory (např. SOx, NOx, NaCl, ...) a další, resp. jejich vzájemné kombinace a změny intenzity. Jednotlivým základním a nejdůležitějším činitelům prostředí pak odpovídají i příslušné laboratorní zkoušky, kterým jsou povrchové úpravy podrobovány. Z uvedeného lze odvodit, že mezi základní druhy urychlených laboratorních zkoušek používaných pro oblast testování povrchových úprav patří:

• - zkoušky chladem, teplem a střídáním teplot (teplotní šoky);
• - zkoušky teplotou a vlhkostí;
• - zkoušky simulovaným slunečním zářením;
• - zkoušky vkorozně agresivním prostředí (kondenzační včisté atmosféře či za působení SO₂, v solné mlze nebo cyklické kombinované korozní zkoušky);
• - mnohé další (písek, prach, odolnost ozónu, odolnost chemikáliím, provozním médiím).

Každý z těchto testů může, ale nemusí mít zásadní vliv na testované povrchové úpravy. Platí to i o zkouškách teplotních, které na první pohled nemusí působit jako zvlášť důležité právě pro povrchové úpravy. Povrchové úpravy, stejně jako materiály, však také mají svůj teplotní rozsah použitelnosti, ve kterém si zachovávají své vlastnosti. Teplota či teplotní změny mohou také způsobovat dehydrataci povrchu, vznik pnutí či dokonce vznik trhlinek napříč povrchovou vrstvou. Je zřejmé, že takto ovlivněná povrchová úprava již nemůže poskytovat např. ochranu základnímu materiálu v míře odpovídající stavu před poškozením. Na obr. 1 je patrný vliv teplotních šoků na povrchovou úpravu, v tomto případě jde o galvanicky vyloučený povlak, kde je po expozici patrná hustá síť mikrotrhlinek. Pro povlaky poskytující základnímu materiálu např. bariérovou ochranu může být takovéto poškození ochranné vrstvy velmi zásadní.

Zkoušky teplotou a vlhkostí

Zkoušky teplotou a vlhkostí, ať už s konstantním nebo střídavým průběhem, také patří k základním typům testů materiálů, výrobků a povrchových úprav. Je zřejmé, že náchylnost k poškození bude značně rozdílná podle typu povrchové úpravy. U nátěrů může docházet k difuzi vlhkosti, snižování adheze povlaku k základnímu materiálu, vzniku puchýřků, odlupů nebo celkovému stárnutí; u kovových povlaků může zhoršené klimatické prostředí urychlovat vznik koroze, např. v důsledku vzniku mikročlánků apod. Složené cyklické zkoušky teplotou a vlhkostí s mrazem mohou mít zhoršené působení např. vlivem zamrzání vody v mikroštěrbinách a souvisejícího zvýšeného pnutí.

Zkoušky zářením

Dalšími zkouškami jsou různé typy záření, které v závislosti na použitém zdroji záření mohou simulovat buď kompletní globální sluneční záření nebo pouze některé části spektra. Nejčastěji se používají zařízení na principu xenonové výbojky (obvykle pro interval od cca 300 do 800 nm) nebo metalhalogenového zdroje (cca 300 až 3 000 nm - tj. UB-B, UV-A, viditelná i infračervená složka spektra), ale také zařízení na principu fluorescenčních lamp, uhlíkového oblouku, omezeně též rtuťových výbojek. Zkoušky jsou významné zejména pro materiály organického charakteru, které mohou být citlivé na UV záření, zejména tedy pro nátěry, ale i plasty, pryže apod. Vyloučit nelze ani jejich vliv i na jiné typy povrchových úprav, neboť obvykle jde o kumulované působení UV záření a tepelného záření a v řadě případů jsou zkoušky dále kombinované s periodou ovlhčení či postřiku. Důsledkem těchto testů pak může být urychlené stárnutí materiálů (povrchových úprav), vliv na stálobarevnost (změna barevného odstínu), lesk, vznik trhlinek apod.

Stálobarevnost, resp. změna barevného odstínu je asi nejběžnějším parametrem, který se při těchto testech sleduje. Vyhodnocování může probíhat různými způsoby, např. vizuálním porovnáváním exponovaného dílu s etalonem za přesně definovaných a reprodukovatelných podmínek nebo porovnáváním s vhodnou barevnou stupnicí, nejčastěji RAL. Další možností je hodnocení s využitím přístrojové měřicí techniky, nejčastěji kolorimetrů nebo spektrofotometrů. Hodnocení pak probíhá hlavně v systému CIE 1976 (L*a*b*), kde hodnoty L*,a*,b* reprezentují pozici v barevném souřadném systému dle obr. 3. Změna barevného odstínu se udává parametrem ∆E, určeným podle vztahu:

Korozní zkoušky

Asi nejdůležitějšími zkouškami povrchových úprav je skupina korozních zkoušek. To je dáno zejména tím, že povrchové úpravy jsou v převážné míře používány právě z důvodů ochrany základního konstrukčního materiálu. Korozní zkoušky mají více způsobů provedení, v principu však existují pouze dva základní typy. Prvním je kondenzační test, který lze charakterizovat jako expozici zkušebních vzorků v prostředí s mírně zvýšenou teplotou (obvykle +40 ^oC) a takřka se 100% relativní vlhkostí. Tato relativně jednoduchá zkouška je velmi vhodná pro povrchové úpravy typu nátěrů, používá se také k hodnocení ochranné účinnosti konzervačních prostředků, případně i dalších typů povrchových úprav. Pro úpravy, které mají obecně vyšší míru protikorozní odolnosti, nebo tam, kde je zapotřebí simulovat průmyslové prostředí obsahující sloučeniny síry jako významné korozní stimulátory, bývá tato zkouška modifikována tak, že zkušební atmosféra je doplněna o oxid siřičitý. Průběh zkoušky je buď konstantní, nebo cyklický, kdy jsou díly vystaveny po určitou dobu korozně agresivní atmosféře s přítomností SO₂ a následně fázi odvětrání, přičemž tento cyklus se několikrát opakuje.

Druhým typem korozních testů jsou zkoušky založené na zkoušení v tzv. solné mlze. Zkouška solnou mlhou byla poprvé standardizována již v roce 1939 v USA a v současnosti reprezentuje určitý standard v oblasti korozních zkoušek a hodnocení protikorozní odolnosti. Princip zkoušky spočívá v umístění zkoušeného dílu v uzavřeném zkušebním prostoru, kde je za pomoci speciální trysky kontinuálně atomizován roztok NaCl v demi vodě a tak vytvářen velmi jemný aerosol (slaná mlha). Vybrané typické parametry pro korozní zkoušku v neutrální solné mlze uvádí tabulka 1.

Postupem doby se vyvinula celá řada alternativních postupů a variant této zkoušky, spočívající například ve změně koncentrace NaCl v roztoku nebo i samotného chemického složení solanky, zkušební teploty, hodnoty pH a zejména změně z kontinuálního průběhu zkoušky na zkoušky cyklické, které zařazují do zkušebního postupu fáze odvětrání (aklimatizace), vysoušení, kondenzace apod. Ukázka typického zkušebního zařízení pro korozní test a vzorky povlaků umístěné uvnitř komory jsou na obr. 4.

Hodnocení jakostních ukazatelů povlaků

Při těchto, ale i dalších zkouškách se provádí hodnocení vybraných jakostních ukazatelů povlaků. Nejčastěji jde o hodnocení stupně ochrany povrchové úpravy, resp. známek změn či poškození jak samotné povrchové úpravy, tak chráněného základního materiálu. Způsobů hodnocení existuje mnoho druhů. Při jejich volbě se vychází jednak z typu povrchové úpravy, ale i z požadavků na to, co má splňovat a jaké kvalitativní ukazatele jsou relevantní. Pro povlaky typu nátěrů se využívají např. způsoby hodnocení stupně zpuchýřování nebo míry koroze základního materiálu, ale také hodnocení stupně přilnavosti nátěru k materiálu, např. odtrhovým testem. Asi nejběžnější způsob je tzv. mřížková zkouška, spočívající ve vytvoření několika rovnoběžných řezů povlakem v předem dané vzdálenosti a dalších několika kolmo na tyto předchozí. Poté je na povrch nalepena speciální lepicí páska a tato je následně stržena. To, jak velká část nátěru bude odstraněna ze vzorku a jak velká část na vzorku zůstane, se ohodnotí příslušným stupněm adheze. U kovových povlaků se nejčastěji hodnotí změna ve formě a rozsahu možného korozního poškození, ať už povlaku jako takového nebo základního materiálu. Korozní poškození mohou mít obecně velmi různorodý charakter a pro většinu případů dnes existují standardizované postupy a předpisy.

Existuje mnoho dalších způsobů zkoušení a hodnocení povrchových úprav, které nelze v rozsahu tohoto článku podrobně popsat. Nicméně uvedené typy zkoušek, případně hodnocení lze považovat za ty, s nimiž je možné se v praxi často setkat.

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

Ing. Miroslav Valeš

m.vales@vzlu.cz

Výzkumný a zkušební letecký ústav