Technologie termodifuzního zinkování s recirkulací reakční atmosféry

• Foto

Co se týče v současnosti nejvyužívanější metody žárového zinkování, hraje doba ponoření produktu do lázně roztaveného zinku klíčovou roli a může velmi zásadně ovlivnit pevnostní charakteristiky produktu. V těchto podmínkách vzniká relativně silná povrchová vrstva. Vzhledem ke složitosti procesů vedoucích ke vzniku této povrchové vrstvy (povlaku) a široké škále procesních parametrů jsou jakékoliv snahy o regulaci tloušťky povlaku prakticky marné. Způsob ponoření produktu do lázně a jeho vytažení z lázně rovněž nezaručí vytvoření stejnoměrně silné vrstvy po celé ploše produktu. To může být zásadním problémem například u dílců, které se později sestavují, a u kterých jsou stanoveny přísné rozměrové tolerance. Ochranné povlaky vytvořené ponořením jsou charakteristické relativně silnou vnější vrstvou čistého zinku, která je jemnější a méně odolná vůči korozi, než vrstva železozinku (Fe-Zn), nacházející se pod ní.

Metoda elektrogalvanizace nabízí relativně dobré rozprostření zinku po povrchu ocelového produktu a dobrou tvářitelnost vzhledem ke sloupkové struktuře povlaku. Díky velmi malým tloušťkám povlaků vytvořených touto metodou (obvykle do 15 μm) však významně (velmi rychle a v krátkém čase) klesá korozní odolnost již v průběhu počáteční fáze provozu. Komponenty ošetřené touto metodou tak mohou být využívány pouze v prostředí s mírným rizikem koroze. Je také třeba podotknout, že elektrogalvanizace je velmi neekonomický proces, charakteristický vysokou mírou znečištění životního prostředí a ohrožením zdraví pracovníků.

Nanášení horkého zinku stříkáním umožní vytvořit povlaky na rozměrově větších produktech. Tento postup neznamená tepelný stres pro ošetřovaný produkt a tedy žádné riziko deformace. Je třeba poznamenat, že k dosažení odpovídající kvality povlaků nanášených stříkáním je klíčovým faktorem důkladné očištění povrchu. Další nevýhodou tohoto procesu je obtížná aplikace v zapuštěných oblastech či špatně přístupných částech produktu (např. ohyby atd.). Tloušťka povlaku závisí na přesnosti stříkání. Povlak však není stejnorodý po celé ploše ošetřeného produktu. Výzkumy ukázaly, že povlaky vytvořené žárovým stříkáním jsou charakteristické vysokou mírou koroze.

Výše popisované faktory, které jsou charakteristické pro standardní galvanické pokovování, neumožňují aplikovat tuto metodu v případě opravdu klíčových konstrukčních prvků či stavebních komponentů. Vzhledem k vysokému riziku ztráty mechanické pevnosti či nezajištění požadované struktury povlaku, riziku menší odolnosti vůči oděru či naopak vyšší náchylnosti ke korozi, se hledají nová technologická řešení, která by umožnila využívat namísto nákladných korozi odolných a vysokopevnostních ocelí levnější uhlíkovou vysokopevnostní ocel s vhodnou povrchovou úpravu, zachovávající si pevnostní charakteristiky i po provedení takové povrchové úpravy. Nová metoda by rovněž měla produkovat povlaky s výrazně lepšími vlastnostmi pro širokou škálu specializovaných produktů, které se v současnosti musí galvanicky pokovovat, např. šrouby s vysokou mechanickou pevností, které ovlivňují životnost staveb.

NOVÁ TECHNOLOGIE TERMODIFÚZNÍHO GALVANICKÉHO POKOVOVÁNÍ
Termodifúzní galvanické pokovování umožňuje vytvořit ochranný povlak díky migraci atomů zinku z práškové směsi, do které jsou produkty ponořeny. Vzniká tak velmi pevná a oděru odolná železozinková (Fe-Zn) fáze. Korozní odolnost takto vytvořené vrstvy je vyšší, než v případě žárového pozinkování. Proces je realizován při teplotách v rozmezí 360–490 °C v rotační peci, která umožní rozptyl zinkového prášku po celém povrchu produktu.

Od roku 2014 pracuje společnost REMIX S.A. na nové dokonalejší metodě termodifúzního galvanického pokovování, která bude určena především pro klíčové konstrukční a stavební prvky, u kterých se vyžaduje vysoká pevnost, odolnost vůči oděru i korozní odolnost. Tato navrhovaná inovativní technologie předpokládá recirkulaci reaktivní atmosféry zajišťující její homogenní složení, díky čemuž vzroste intenzita saturačního procesu a dojde ke zvýšení účinnosti aktivních přípravků a látek. Toto inovativní řešení zahrnuje rovněž obohacení práškové směsi o aditiva, která zlepší korozní odolnost ochranného povlaku a současně sníží jeho křehkost.

Výzkum se věnuje eliminování nedostatků v současnosti využívané technologie termodifúzního zinkování. Cílem je zvýšit korozní odolnost ocelových produktů, ale i jejich odolnost vůči oděru. U takových produktů se obvykle očekává vysoká pevnost. Pevnostní charakteristiky jsou přitom výsledkem procesů tepelného ošetření. Následné operace, jako je například vytvoření antikorozního zinkového povlaku, ale často počáteční pevnost produktů z důvodů aplikovaných procesních teplot snižují.

Elektrogalvanizace a nanášení zinkového povlaku stříkáním tyto problémy nezpůsobují, nicméně korozní odolnost vytvářených povlaků je často nedostatečná. V případě šroubů je například nejčastěji využívanou metodou galvanizace technologie metalizace ponorem. Vzhledem k obtížnostem provázejícím přípravu povrchu těchto komponentů před galvanizací stoupá teplota zinku v rámci procesu až na 530 °C, aby došlo k roztavení všech nežádoucích nečistot, které se nepodařilo odstranit v předchozích krocích. Tento postup je ale relativně riskantní, neboť při takto vysokých teplotách dochází ke ztrátě pevnostních charakteristik materiálu. Navrhovaná technologie termodifúzního galvanického pokovování je naopak charakteristická tím, že umožňuje vytvoření ochranných povlaků při zachování pevnostních charakteristik ošetřeného produktu. Výzkumy zaměřené na souběžné zajištění povrchové saturace zinku a zároveň i temperování oceli právě probíhají v laboratoři REMIX R&D. Tento proces lze aplikovat například u pevnostních šroubů využívaných k sestavení pozinkovaných konstrukcí.

Druhou specifickou oblastí zavedení navrhované technologie je její využití pro korozní a tribologickou ochranu komponentů používaných při hloubkovém vrtání nebo těžbě petrochemických surovin. V současnosti se ve vysoce agresivním prostředí vrtných dolů či stavenišť používají produkty z nikl-chrom-molybdenové oceli, což výrazně zvyšuje náklady na materiál. Existuje tedy velká poptávka po levnějších materiálech s vyšší pevností, u kterých bude požadovaná odolnost vůči agresivnímu prostředí zajištěna stabilním povlakem. Navrhovaná nová technologie termodifúzního galvanického pokovování splňuje všechny požadavky na vlastnosti povlaků uvedené výše. V současnosti se za pomoci níže zobrazeného laboratorního vybavení provádí další studie a výzkumy.

ZÁVĚR
Shrnutí inovativních rysů a výhod technologie termodifúzního galvanického pokovování pro využití v praxi je následující:

• zlepšení vlastností povlaků v případě termodifúzního aplikování zinkových povlaků, Zn-Al povlaků a povlaků s dalšími přidanými prvky,
• až dvojnásobné zlepšení korozní odolnosti povlaků v porovnání s povlaky vytvářenými současnou technologií termodifúzního pokovování,
• zvýšení odolnosti povlaků vůči oděru a snížení jejich křehkosti díky struktuře intermetalických fází,
• snížení nákladů na výrobu práškových směsí využíváním produktů vznikajících v jiných procesech jako vedlejší či odpadní produkt,
• zkrácení doby zpracování a zlepšení kvality povlaků díky využití recirkulace reakční atmosféry,
• využití procesu metalizace u komponentů z pevnostní oceli bez ztráty charakteristik materiálu po zpracování,
• možnost vytváření povlaků požadované tloušťky a struktury,
• možnost využití v různých průmyslových odvětvích a oblastech,
• výrazné zvýšení účinnosti a hospodárnosti technologického procesu,
• možnost vytvoření ochranného povlaku pouze na jedné straně produktu,
• snížení spotřeby surovin v procesu,
• významné snížení odpadů z procesu.

Nová technologie umožní vytvářet povlaky s vlastnostmi konkurujícími v současnosti vytvářeným povlakům za použití standardní metody termodifúzního galvanického pokovování. Oblast využití této technologie bude v porovnání se standardní metodou mnohem širší a umožní rovněž vytváření nových produktů s mechanickými vlastnostmi, které byly v případě dříve využívaných metod zinkování nedosažitelné. 

Projekt je spolufinancován z prostředků Evropské Unie, konkrétně z Evropského fondu regionálního rozvoje pro programové období 2007–2013.

Autoři

• Sipa Jacek
• Rudolf Karol