Třecí spoje pro žárově zinkované konstrukce?

Třecí spoje, které přenášejí smykovou sílu třením na styčných plochách spojovaných prvků, se navrhují v konstrukcích, v nichž je třeba zabránit prokluzu. Prokluz lze navrhnout při mezním stavu použitelnosti nebo únosnosti. Po prokluzu spoje přenáší vnitřní síly šroub smykem a plech a šroub otlačením. O únosnosti spoje v prokluzu rozhoduje hlavně předpínací síla a tření mezi spojovanými prvky. Součinitel tření lze nejpřesněji stanovit zkouškou, viz příloha A dokumentu [1]. Konzervativně jej lze odhadnout pomocí tříd drsnosti třecích ploch, hodnoty součinitele jsou tabelovány pro prvky s definovanou povrchovou úpravou, viz tab. 7 v [1]. V praxi se pro třecí spoje povrchy upravené žárovým zinkováním a tryskáním zatím nepoužívají. Pro prověření možnosti jejich využití byla navržena série pilotních zkoušek.
Strukturu a konečný vzhled povlaku ovlivňuje složení základního materiálu, teplota zinkování a složení taveniny. Z prvků, přítomných v oceli, nejvíce ovlivňuje zinkování, tj. rychlost reakce železa a zinku, křemík a fosfor. Závislost rychlosti reakce na koncentraci křemíku má nerovnoměrný průběh, vyjadřuje ho tzv. Sandelinova křivka. Oceli, uklidněné křemíkem, se obecně nazývají reaktivní oceli. Teplota zinkování se výrazně podílí na reakci mezi železem a zinkem v oblasti mezi 480 – 520°C, kdy dochází k prudkému nárůstu reakce rychlosti. V rozmezí těchto teplot se nezinkuje, protože by mohlo dojít k poškození ocelové zinkovací vany.
Pro potlačení vlivu složení zinkovaného materiálu byly vyvinuty tři základní lázně, které využívají přidávání legujících přísad do zinku. Legující přísady mají vliv na strukturu a tloušťku výsledného povlaku. Běžná lázeň je z technologických důvodů (odstranění tvrdého zinku) legována pouze olovem. S obsahem křemíku roste tloušťka a hrubozrnnost povlaku. Taková lázeň je účinná při koncentraci do 0,03% křemíku. Při koncentraci v rozsahu 0,03 – 0,12 % křemíku v základním materiálu se využívá legovaní slitiny niklem, který podporuje vznik jemnozrnné fáze a brání difuzi zinku. Niklem a cínem je legována slitina Galveco, která využívá schopnosti cínu potlačit reaktivitu základního materiálu. Osvědčila se při jakékoliv koncentraci křemíku.

EXPERIMENTY
Součinitel tření se, podle přílohy A normy [1], stanovuje ze zkoušky pěti zkušebních těles normalizovaných rozměrů, viz obr. 1, z nichž čtyři jsou určeny pro zkoušku při krátkodobém zatížení a pátý vzorek se používá na zkoušku dlouhodobé deformace spoje. Na trhacím stroji se prokluz ve spoji vyhodnotí jako vzájemné posunutí sousedních bodů (a, b, c) na vnitřní a vnější desce. Únosnost při prokluzu spoje se určí jako síla při dosažení prokluzu 0,15 mm. Návrhová hodnota součinitele tření se vypočte jako 5 % kvantil naměřených hodnot.
Pro pilotní experimenty se použilo pět vzorků. Vzorky byly pozinkovány ve třech zinkovnách, dále označeny písmeny R (jeden vzorek), N a ZH (po dvou vzorcích). Vzhledem k malému počtu vzorků se zkoušelo pouze při krátkodobém zatížení. Deformace byly měřeny indikátorovými hodinkami po obou stranách vzorku, viz obr. 2. Výsledný prokluz byl určen průměrem z obou čtení naměřených deformací. Povrch vzorků byl upraven běžnou technologií suchého zinkování s typickou předběžnou úpravou a teplotou zinkování 450°C. Chlazení probíhalo na vzduchu. Vzorek R byl zinkován v lázni, legované cínem a olovem, vzorek N v lázni, legované olovem (běžná lázeň), a vzorek ZH v lázni bez olova se stopami niklu a bismutu. Chemické složení zinkových lázní je v tab. 1. Obr. 3 dokumentuje vzhled vzorků před otryskáním. Chemické složení oceli podle koncentrace křemíku odpovídá oblasti se sníženou reaktivitou. Byla použita běžná konstrukční uhlíková ocel S235. Její chemické složení je shrnuto v tab. 2.
Tryskání zinkových povlaků umožňuje sjednotit vzhled prvků a využívá se především z estetických důvodů při použití v interiérech. Povrchy vzorků byly opracovány ostrohranným tryskacím prostředkem při tlaku v rozmezí od 0,1 do 0,3 MPa pod úhlem 30 až 45°. Vzdálenost tryskací hubice od povrchu materiálu byla 60 až 70 cm. U vzorku ZH, jehož zinkový povlak byl tvořen fázovými slitinami, došlo k místnímu odlupování povlaku. K odlupování docházelo ojediněle také u vzorků R. Vzorek N vykazoval velmi dobrou přilnavost zinkové vrstvy a k odlupování povlaku nedocházelo, tryskání pravděpodobně zasahovalo pouze povrch povlaku. Povrch vzorků po tryskání je zachycen na obr. 4. Drsnost po otryskání byla měřena profilometrem Mitutoyo – Surf Test 211. Výsledky měření jsou shrnuty v tab. 3.
Tloušťky povlaků byly měřeny před tryskáním a po zkoušce, viz tab. 4. Byly stanovovány metalograficky na 12 místech každého vzorku pomocí okulárového měřidla mikroskopu Zeiss Neophot 32. Pro zkoušku byly použity šrouby M16 třídy 8,8 s tuhým mazivem Mogul Molyka Pasta. Předpětí šroubu na požadovanou předpínací sílu 87,9 kN bylo kontrolováno měřením utahovacího momentu podle [2]. Před vlastním sestavováním vzorků byla pomocí kalibrovaného zařízení, podrobněji v [3], určena závislost předpínací síly na utahovacím momentu. Z měření byl stanoven utahovací moment, potřebný pro vyvození požadovaného předpětí ve šroubu, viz obr. 5.

Celý nezkrácený článek včetně všech tabulek, grafů a použité literatury si můžete přečíst v časopise KONSTRUKCE v čísle 3/2005.

Autoři

• Strejček Michal
• Prof. Ing. Wald František CSc.
• Ing. Sokol Zdeněk