Žárové zinkování ponorem - Základní informace pro uživatele

Způsobů nanášení povlaku zinku je několik, ale nejběžněji využívanou technologií je žárové zinkování ponorem. Tato technologie se používá jednak v kontinuálních procesech jako je žárové zinkování pásu a drátu, dále na poloautomatizovaných linkách při žárovém zinkování trubek nebo fitinků, ale především při žárovém zinkovaní různých typů ocelových dílů a konstrukcí v procesu tzv. kusového zinkování, kterých bylo např. v roce 2003 jen v evropských státech, sdružených v European General Galvanizers Association (EGGA) šest milionů tun, z toho v České republice 100.000 tun. Z tohoto množství žárově pozinkovaných konstrukcí je většina použita bez další povrchové ochrany. Pouze část je dodatečně upravována organickým povlakem.

Těchto aplikací neustále přibývá, protože duplexní systém má známé výhody – oba typy protikorozní ochrany se vzájemně podporují a mají celkově delší životnost. Lepší jsou i estetické vlastnosti povlaku. Žárovým zinkem jako povrchem pod nátěr se zabývá i řada norem ČSN EN ISO 12944 – Protikorozní ochrana ocelových konstrukcí ochrannými nátěrovými systémy.

V uvedených normách je na žárový zinek nahlíženo pouze jako na podklad, který musí splnit určité požadavky, viděné z pohledu aplikace barvy, bez ohledu na fyzikálně-chemické principy vytváření povlaku a s tím související vlastnosti vrstvy. Právě tyto základní informace o technologii žárového zinkování, požadavcích na výrobek a o normách pro žárové zinkování, kterými jsou především ČSN EN ISO 1461 a ČSN EN ISO 14713, přináší tento článek.

Žárové zinkování ponorem (dále jen žárové zinkování) je metalurgický proces, při kterém se povlak na ocelovém nebo železném dílu vytváří vzájemnou reakcí základního materiálu výrobku se zinkovou taveninou v lázni. Při reakci kovově čistého povrchu ocele s roztaveným zinkem vznikají postupně slitinové fáze železa a zinku (gama, delta, zeta), ve kterých směrem od rozhraní materiál-povlak klesá obsah železa (Fe; obr. 1). Při vytahování z lázně ulpí na slitinových fázích vrstva čistého zinku (fáze eta). Pokud v průběhu chlazení tato vnější vrstva zinku nezreaguje se železem, pak povlak zůstává kovově lesklý. Za přítomnosti legujících prvků, které nejsou rozpustné v pevné eta-fázi zinku (cín, olovo), krystalizuje povrchová vrstva zinku a vytváří různě orientované krystaly tzv. květu. Povlak s uvedenou strukturou vzniká vždy na neuklidněných a hliníkem (Al) uklidněných ocelích. Pokud je ocel uklidněná křemíkem (Si), což je většina současné produkce ocele, probíhá reakce v průběhu pokovení tímto způsobem pouze tehdy, pokud se Si a také fosfor (P) nacházejí v rozmezí koncentrací, které uvádí tabulka 1.

Pokud je koncentrace Si a P mimo uvedené meze, není rychlost reakce Fe a Zn řízena pouze difuzí, tj. nemá parabolický průběh. Děj má naopak lineární průběh a jeho rychlost se s časem nezpomaluje. Výsledný povlak je tvořen fázemi v celém svém průřezu (obr. 2), je tlustý (> 120 μm), světle až tmavě šedý. Je prokázáno, že zásadní vliv na průběh reakce železa a zinku má forma zeta-fáze, která má buď zhuštěný charakter a transport iontů železa, nutných pro další reakci, se zinkem brzdí, nebo mu neklade žádné překážky, pokud je struktura této fáze rozvolněná. Žárové zinkování se většinou provádí v ocelových vanách při teplotě 450 až 470 °C. Pouze v keramických zinkovacích vanách, tj. ve speciálních zařízeních, lze provádět pokovení při teplotě nad 530 °C, tzv. vysokoteplotní zinkování. Při teplotách vysokoteplotního zinkování zeta-fáze vůbec nevzniká, proto i průběh reakce mezi oběma kovy ztrácí závislost na složení základního materiálu. Vysokoteplotní zinkování se využívá především při pokovení spojovacího materiálu a temperované litiny. Pokud se žárově zinkují drobné díly, pak technologické operace probíhají v koších a po pokovení následuje odstředění.

DOBA ZINKOVÁNÍ

Důležitým technologickým parametrem procesu je doba zinkování, tj. minimální doba setrvání zboží v zinkovací vaně, která je potřebná pro vytvoření povlaku. V rámci této doby se pokovovaný díl musí ohřát na teplotu roztaveného zinku, musí proběhnout konečné dočištění solemi tavidla a následné pokovení. Především ohřátí je závislé na tloušťce základního materiálu a celkové hmotnosti pokovovaného dílu a prodlužuje celkovou dobu zinkování. Prodloužení doby zinkování nad dobu nezbytně nutnou k proběhnutí reakce Fe a Zn má podstatný vliv na tloušťku výsledného povlaku pouze u křemíkem uklidněných ocelí, kde dochází k lineárnímu průběhu rychlosti reakce Fe a Zn. Pouze u těchto ocelí tloušťka povlaku s dobou zinkování významně narůstá. Jinak obecně platí, že na tlustším základním materiálu vznikají tlustší povlaky.

Průběh reakce a kvalitu výsledného povlaku včetně tloušťky ovlivňuje i složení zinkové lázně. Obsah nečistot v zinkové lázni kromě železa a cínu (Sn) nesmí podle ČSN EN ISO 1461 přesahovat 1,5 hm. %. Z technologických důvodů se do lázně přidává Al v koncentracích okolo 0,005 hm. % (snižuje oxidaci povrchu zinkové taveniny). Často se pro zvýšení tekutosti do lázně přidává olovo (Pb), které vzhledem ke své rozpustnosti v zinku při teplotách zinkování dosahuje maximální koncentrace v zinkové tavenině 1,1 hm. %. Běžná koncentrace v povlaku je 0,6 hm. %. Obdobné vlastnosti jako Pb má v zinkové tavenině i bismut (Bi), jehož použití se vzhledem ke zdravotní nezávadnosti stále rozšiřuje. Z důvodu snížení rychlosti reakce Fe a Zn při pokovení křemíkem uklidněných ocelí se do lázně přidává jako legura nikl (Ni) v koncentracích 0,05 až 0,06 hm. %. Komerčně se tato slitina nazývá Technigalva a v řadě českých zinkoven se používá. Další slitina – Galveco – kombinuje uvedené vlastnosti Ni s obdobným působením Sn a Bi při celkových koncentracích obou prvků do 1,2 hm. %. Tato slitina potlačuje reaktivitu uklidněných ocelí v širokém rozsahu koncentrací Si a P (až do 0,4 hm. % Si). Uvedené legury ovlivňují průběh reakce ocele v tavenině a umožňují snížení teploty zinkování o 5 – 10 °C, ale nemají podstatný vliv na korozní chování výsledného zinkového povlaku.

PŘEDÚPRAVA

Stejně jako u všech povrchových úprav, průběh, a tím také výsledek pokovení v tavenině zinku, ovlivňuje kvalita provedení jednotlivých technologických kroků předběžné úpravy, které mají zajistit kovově čistý povrch pokovovaného dílu. Předběžná úprava pro kusové žárové zinkování se skládá z odmaštění, moření v kyselině chlorovodíkové (HCl) a jednotlivých mezioperačních oplachů. Speciální operací navíc oproti jiným technologiím je nanášení tavidla, které zajišťuje konečné dočištění povrchu oceli před pokovením. Způsob nanášení tavidla rozlišuje technologii žárového zinkování na tzv. suché a mokré zinkování. Při mokrém zinkování je tavidlo ve formě taveniny na hladině pokovovací lázně. Suché zinkování využívá vodný roztok solí, do kterého se díly ponoří a voda se následně, ještě před vstupem do roztaveného kovu, odpaří v sušárně. Základními složkami tavidla je chlorid zinečnatý a chlorid amonný. Na vlastnosti výsledného povlaku nemá výběr technologie žárového zinkování žádný vliv.

Uvedené operace předběžné úpravy jsou schopny odstranit běžné zamaštění z výroby a zpracování oceli, rez a okuje. Okuje a rez není třeba odstraňovat před předáním zinkovně tryskáním, jak bývá zvykem v některých podnicích, vyrábějících konstrukce. Tryskání naopak zbytečně zvyšuje tloušťku zinkového povlaku. Nečistoty, jako např. barevné značení, zbytky strusky po svařování, silikonová barva proti ulpívání rozstřiku při svařování, zbytky formovacích písků a tmely na utěsňování pórů u odlitků, není naopak předběžná úprava v zinkovně schopna odstranit. Proto by se výrobce dílu, určeného k pozinkování, měl použití neodstranitelných prostředků vyhnout. Pokud to nelze, musí se zajistit jejich odstranění před předáním zinkovně.

VÝHODY ŽÁROVÉHO ZINKOVÁNÍ

Zinkový povlak, zhotovený žárovým zinkováním, má oproti zinkovým povlakům, připraveným jinými technologiemi, určité výhody. Slitinové fáze na rozhraní ocel-povlak, které jsou výsledkem metalurgické reakce, jsou příčinou velmi dobré přilnavosti povlaku a významně ovlivňují jeho mechanické vlastnosti. Čistý zinek je měkký kov, ale fáze Fe a Zn, které vzniknou při zinkování, mají tvrdost, srovnatelnou s podkladovou ocelí, fáze delta je dokonce podstatně tvrdší (obr. 3). Tato kombinace dává zinkovému povlaku odolnost vůči nárazu a otěru. Čím je tloušťka slitinových fází a celého povlaku větší, tím více jsou ale povlaky náchylné k poškození při hrubém mechanickém namáhání. Ve většině případů dochází k prasknutí povlaku uvnitř metalurgických fází, takže i po tomto poškození zůstává na povrchu oceli alespoň několik mikronů povlaku. Měřením adhezních sil odtrhovou metodou, podle normy ČSN EN 24624, bylo na pozinkovaných vzorcích prokázáno, že nejmenší naměřená hodnota, při které došlo k oddělení alespoň části povlaku, dosáhla 10 MPa. Tato přilnavost je dostatečná pro běžnou manipulaci, ale i pro jemné tryskání pod nátěr, pokud jsou dodrženy určité podmínky tryskání, tj. nekovový tryskací materiál s velikostí granulí 0,2 až 0,5 mm, pracovní tlak max. 0,35 MPa, vzdálenost trysky 300 až 500 mm, úhel tryskání 30 až 60 °. Kritické je především dodržení pracovního tlaku a velikosti granulí tryskacího materiálu.

Další výhodou je skutečnost, že při žárovém zinkování ponorem vzniká povlak žárového zinku všude tam, kde došlo ke kontaktu čistého kovového povrchu s taveninou zinku, tedy i na vnitřním povrchu dutých částí. Vytvořený povlak je neporézní a rovnoměrný po celém povrchu. Ani na hranách nedochází k jeho ztenčení. Naopak se hrany narůstajícím povlakem žárového zinku částečně zaoblí, proto je zbytečné vyžadovat u dílů, určených pro žárové zinkování, zaoblení hran na poloměr 2 mm, jak vyžaduje norma ČSN EN ISO 12944-3. Technologie žárového zinkování naopak vyžaduje dodržování určitých konstrukčních zásad, které jsou shrnuty v normě ČSN EN ISO 14713. Jedná se především o zajištění vtokových, výtokových a odvzdušňovacích otvorů u dutých konstrukcí. Tato zásada se týká nejen kvality zinkování vnitřních prostor, ale především zajištění bezpečnosti při žárovém zinkování. Jestliže množství a velikost otvorů nejsou schopny zajistit odvzdušnění, je velké riziko, že dojde při ponoru do roztaveného zinku k výbuchu a roztržení konstrukce nebo alespoň k nedokonalému pokovení. Vhodné velikosti odvzdušňovacích otvorů uvádí tabulka 2.

Příklad umístění odvzdušňovacích otvorů u různých dutých výrobků je uveden na obr. 4 až 6. Z bezpečnostního hlediska je také nevhodné vzájemné vyztužování a spojování dvou ploch přeplátováním. I když je vzniklý prostor velmi malý, uzavřená vlhkost může vytvořit tlak, dostatečný k prasknutí svaru. Pokud plocha přeplátování dosáhne 70 cm², je třeba v jednom z dílů vyvrtat otvor, který odvzdušní malý prostor, vzniklý mezi svary. Druhou cestou k odvzdušnění je přerušovaný svar (obr. 7). Ostatní zásady, uvedené v normě ČSN EN ISO 14713, jsou důležité především z hlediska kvality výsledného povlaku a zachování vlastností výrobku. Norma nicméně nepostihuje vše, co může přinést praxe. Proto je třeba méně obvyklá konstrukční řešení předem projednat se žárovou zinkovnou.

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

Autor

• Ing. Havránková Zdena