Žárové zinkování jako termický proces

• Foto

Případy havárií u žárově pozinkovaných ocelových stavebních dílců, ke kterým v minulosti došlo z důvodu narušení jejich statické únosnosti, se staly podnětem pro zkoumání vlivu povrchové úpravy provedené žárovým zinkováním na konečné vlastnosti oceli a potažmo stavebních dílců z oceli vyrobených.

PŘÍČINY PORUŠENÍ CELISTVOSTI MATERIÁLU
V souvislosti s problematikou zaznamenaných případů selhání  nosných stavebních dílců žárově pozinkovaných ocelových konstrukcí je nutno respektovat skutečnost, že ocelová součást je při žárovém zinkovaní vystavena působení celé řady faktorů, které je možno rozdělit do tří základních oblastí:

1. Změny mechanických vlastností materiálu
2. Termika procesu pokovení
3. Působení roztaveného kovu

1. ZMĚNY MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ MATERIÁLU
Vlastnosti oceli jsou významně ovlivněny způsobem jejího mechanického i tepelného zpracování a do značné míry i postupem chemické předúpravy před nanesením povlaku.

1.1. Vodíková křehkost
Součásti jsou před nanesením kovového povlaku mořeny, obvykle v kyselině solné, a při tom do povrchu oceli difunduje vodík, který u konstrukčních ocelí může způsobit vodíkovou křehkost materiálu. Princip vzniku tohoto jevu spočívá v tom, že vodík ve stavu zrodu uvolňovaný při reakci kyseliny s mořeným materiálem snadno intersticiálně vniká do krystalové mřížky feritu. Zde se váže buď do molekul vodíku, nebo v horším případě reaguje s uhlíkem. Molekuly vodíku které mají větší objem než jeho jednotlivé atomy, nejsou již schopny snadno difundovat ven, tvoří dutiny a silně narušují strukturu oceli. Slučuje-li se vodík s uhlíkem obsaženým v cementitu, váže se na velmi rozměrné molekuly metanu za současného ochuzování oceli o uhlík. To má za následek snižování pevnosti základního materiálu a vznik necelistvostí. Únosnost takto postiženého materiálu výrazně klesá. Nicméně vodíková křehkost způsobená při moření dodatečným navodíkováním povrchové vrstvy materiálu hraje v celé problematice praskání relativně podřadnou roli, neboť pro praskání představuje skutečné nebezpečí především vodík uzavřený v oceli v průběhu jejího odlévání.

Z hlediska rizika vzniku trhlin v důsledku žárového zinkování ocelových dílců je fenoménu vodíkové křehkosti obvykle připisována významnější role, než tomu tak ve skutečnosti je. Tvrzení, že oceli vyšších pevnostních tříd jsou k vodíkové křehkosti náchylnější než oceli nižších pevnostních tříd, se z velké části opírá o empirické zkušenosti z praxe. Z analýzy podmínek, za kterých k poruchám došlo, zle vysledovat že oceli s vyšší mezí kluzu ke vzniku trhlin více náchylné skutečně jsou. Obecně je proto přijímán názor, že k vodíkové křehkosti jsou takové oceli více náchylné.

V této souvislosti je však nutno akceptovat fakt, že oceli s vyšší mezí kluzu jsou termickým procesem namáhány více, než oceli nižších jakostních tříd, jak vyplývá z analýzy provedené v kapitole 2. tohoto příspěvku. Vyšší mez kluzu materiálu zákonitě vede k vyšším hodnotám vnitřního pnutí součásti vystavené nerovnoměrnému ohřevu při postupném ponořování do zinkové taveniny, a tedy k jejímu většímu namáhání.

1.2. Popouštěcí křehkost
K popouštěcí křehkosti jsou náchylné zejména austenitické oceli. Takové materiály se v zakázkách pro žárová pozinkování vyskytují pouze zřídka, neboť se zpravidla jedná slitinové zušlechtitelné nebo korozivzdorné oceli a do výrobku určeného k pozinkování byly použity omylem. Právě teplota blízká teplotě zinkové taveniny 450 °C vede k výraznému snížení houževnatosti těchto ocelí a v důsledku toho dojde k jejich spontánnímu rozpadnutí. Trhliny jsou v takových případech orientovány rovnoběžně se směrem textury materiálu.

1.3. Křehkost oceli tvářené za studena
Tváření za studena vede k deformačnímu zpevnění kovu a k výraznému zhrubnutí zrna ve struktuře oceli. U takto zpracovaných součástí je zapotřebí do pracovního procesu zařadit rekrystalizační žíhání, aby se materiál zotavil a obnovily se jeho původní mechanické vlastnosti. Zanedbání této důležité operace vede mnohdy při žárovém zinkování takto postižených součástí k jejich spontánnímu lomu.

2. TERMIKA PROCESU POKOVENÍ
2.1. Nerovnoměrný ohřev
V průběhu ponořování zinkované součásti do zinkové taveniny o teplotě cca 450 °C dochází k jejímu nerovnoměrnému ohřevu, který v materiálu vyvolává pnutí. Při rozdílu teplot 430 °C mezi relativně chladnou části zinkovaného dílu nad hladinou a prohřátou částí pod hladinou překračuje napětí v krajních vláknech mez kluzu běžných konstrukčních ocelí a součásti se plasticky deformují. Takto vyvolaná přetvoření součásti omezí hodnoty napětí v materiálu na hodnoty blízké mezi kluzu, materiál určitým způsobem relaxuje a výrobek mění tvar. Pokud je součást konstrukčně řešena jako velmi tuhá bez možnosti volného rozpínání, napětí v materiálu se může přiblížit k limitní hodnotě 1083,6 MPa, která vyplývá z rozdílu teplot 430 °C a součinitele tepelné roztažnosti oceli. Po překročení meze pevnosti nastává lom. Při tom je nutno přihlédnout k faktu, že tažnost i únosnost oceli vystavené působení zvýšených teplot významně klesá oproti hodnotám za běžných teplot okolí a mění se i modul pružnosti. Při teplotách nad 400 °C přestává být u běžných konstrukčních ocelí patrná mez kluzu.

Celý článek v nezkrácené podobě naleznete ve formátu PDF ZDE.

Autor

• Ing. Kuklík Vlastimil Ph.D.