obr0Mikrodiskontinuální katodické povlakové systémy na bázi dvouvrstvého (duplexního) chromování jsou nedílnou součástí protikorozní ochrany strojů a zařízení exponovaných v důlním prostředí. Rozhodujícím faktorem jejich aplikace jako protikorozní ochrany je bezesporu vysoký stupeň provozního namáhání povrchů součástí jak ve smyslu vysoké korozní agresivity prostředí, tak na úrovni zvýšeného rizika mechanického poškození způsobeného případným dopadem horniny na jejich povrch a vysokou provozní prašností.

 

 

Volba metodiky tvrdého chromování je rovněž ovlivněna požadavky na dlouhodobé umístění zařízení v provozech a náročností spojenou s jejich případnou renovací souvisejících s omezením přístupu v rámci bezpečnosti případných demontáží, náhrady a jiných servisních aktivit, které není vždy možné aplikovat v místě umístění. Tyto povlaky musí splňovat základní předepsaná kritéria kvality v návaznosti na vysoce užitné vlastnosti funkční korozní odolnosti a zabezpečovat jejich neměnnost. Některé vlastnosti povlaků chromu preferované v oblastech průmyslového využití převážně technického charakteru jsou vysoká pevnost v tlaku, nízký součinitel tření, odolnost proti opotřebení a mechanickému zatížení, případně smáčivost. Při tlakovém zatížení povrchu povlaku je důležitým předpokladem pro zajištění dostatečné odolnosti povlaku před prolomením vyloučení větší tloušťky Cr vrstvy. Hodnoty tloušťky Cr povlaků pro technické využití od korozně ochranného tenkovrstvého nanášení až po silnovrstvé povlakování v oblastech renovací v rozmezí (30 – 800) μm. Negativem těchto povlaků je nízká odolnost v tahu, difuze vodíku do základního materiálu během procesu chromování a jeho následná potřeba eliminace tepelným zpracováním, které nemusí být u ocelí vysokých pevností účelné a je náročné jak po stránce energetické, tak ekonomické.

Součinností mnoha výrobních a technologických faktorů jejich náhodnou kombinací a jinou nedbalostí zapříčiněnou nebo bezděčnou aplikací může docházet k předčasným degradačním jevům a výskytu anomálií povrchové úpravy, dosahujících v krajním případě úrovně destruktivních rizik základního materiálu součásti či celého sestavného systému. Pomocí vizuální kontroly a metalografického šetření se pokusíme některé příčiny identifikovat, a to právě na konkrétním případu součásti, kterou dokumentuje obr. 1.

obr1m

Kontrola jakosti

Kontrola jakosti povlakového systému byla provedena a zaznamenána metalografickými postupy a metodami. Šetření zkoumá možné příčiny degradace katodického dvouvrstvého povlakového systému chromu metodou kolmého řezu s využitím světelné mikroskopie a měřením mikrotvrdosti povlaku se zaměřením na makro a mikroskopickou identifikaci degradačních jevů. Závěrečná diskuze pak na základě této dokumentace stanovuje příčiny a důsledky případných abnormalit procesu povlakování a zároveň specifikuje možné příčiny jejich aktivace.

Součást byla galvanicky chromována dvouvrstvým povlakem, vhodným převážně pro účelné technické využití, nikoli dekorativní. Základní vrstva mléčného chromu vyloučená na předupravený anodicky zdrsněný povrch součásti základního materiálu značení 42CrMo4 byla stanovena v rozsahu (10 – 15) μm a minimální předepsaná tloušťka závěrečné (krycí) vrstvy tvrdochromu Crme (50 – 65) μm . Povlak byl po vyloučení stříbřitě lesklý, bez viditelných vizuálních vad, vhodný k provedení následné operace broušením na předepsaný rozměr.

Korozní zkouška ČSN EN ISO 9227.

 

Měření charakteristik povlaku:

  • měření tloušťky chromové vrstvy
  • měření tvrdosti HV 0,1
  • pórovitosti povlaku
  • hodnocení mikrotrhlinkovitosti

 

Měření tloušťky Cr povlaku bylo provedeno pomocí metalografického mikroskopu Olympus GX51 za pomocí software QuickPHOTO Industrial 2.2, vždy bylo provedeno 5 měření na výřezu.

Měření tvrdosti HV 0,1 Cr povlaku bylo provedeno na automatickém tvrdoměru AM43 fy LECO, vždy bylo provedeno 5 měření na výřezu. Dle ČSN EN ISO 4516, jakostní značka materiálu – 42CrMo4. Předpokládaná tloušťka duplexního Cr povlaku cca 80 µm. Tvrdost povlaku dle ČSN ISO 6158 (850 – 1100) HV. Norma použitá pro toto měření ISO 4516.

 

Pórovitost povlaku byla hodnocena dle ČSN EN ISO 10308 – indikace pórovitosti ochranného povlaku barevnou reakcí zkušebního činidla s chráněným kovovým materiálem.

 

Hodnocení mikrotrhlinkovitosti dle ČSN EN ISO 6158. Povrch Cr povlaku byl elektrolyticky naleptán 5 % roztokem uhličitanu sodného. Stanovení počtu trhlinek v měřeném úseku bylo provedeno pomocí světelné mikroskopie za podpory software QuickPHOTO Industrial 2.2.

tab1

Naměřené hodnoty kontroly charakteristik povlaku pomocí metalografického šetření metodou kolmého řezu oblasti preparace bez známek poškození povlaku jsou uvedeny v tabulce č.1. Předepsané tloušťky povlaků nebyly podkročeny, je zde patrná dobrá přilnavost a vysoká  kvalita galvanicky vyloučeného povlaku. Vrstva mléčného Cr je rovnoměrná, souvislá bez viditelných vad, necelistvostí a ztráty přilnavosti, či vazby na následně vyloučenou vrstvu tvrdochromu. Na obr č. 2 je rovněž viditelná mikrotrhlinkovitost vrstvy tvrdochromu. Porezitu a případné necelistvosti povlaku lze vysvětlit jako důsledek kolmého řezu mikrotrhlinami, trhlinky jsou krátké, uzavřené, neprocházejí rovnoběžně celou tloušťkou povlaku a jsou orientovány převážně ve smyslu plochy rovnoběžné s povrchem povlakované součásti. Šetření bylo prováděno pouze v leštěném stavu, základní materiál nevykazoval známky interkrystalické koroze a případné hodnocení mikrostruktury základního materiálu nebylo předmětem zkoumání.

obr2m obr3m

Měření mikrotvrdosti povlaku uvádí průměrné hodnoty měření v oblasti bez poškození povlaku. Byla rovněž provedena kontrolní měření v místech odběru se sníženou kvalitou povrchové úpravy, viz. obr. č. 3, hodnoty tvrdosti se však příliš nelišily ve srovnání s hodnotami galvanického povlaku bez známek poškození. Zajímavé snad může být jen to, že rozpětí hodnot bylo vyšší (967 – 1130) HV0,1. Podmínka stanovená normou ČSN ISO 6158 (850 – 1100) HV byla splněna v plném rozsahu a ve všech oblastech zkoušeného povlaku.

obr4m

Na obr. č. 4 je viditelné síťoví povrchových trhlin povlaku, které vlivem kapilární kondenzace zapříčiní šíření kondenzátu necelistvostmi a mikrotrhlinami napříč povlakem, jak je patrno z obr. č. 5, č. 6 a v konečném důsledku umožní proniknutí agresivně korozního prostředí k povrchu základního materiálu součásti. Následně dojde k aktivaci korozních dějů základního materiálu a k pozvolnému podkorodování Cr povlaku. Tyto korozní děje mohou do určité míry podkorodování probíhat bez vizuálních změn povlaku, následným hromaděním korozních zplodin v místech důlkové koroze a vlivem jejich pozvolného objemového nárůstu dochází ke ztrátě přilnavosti, vzniku puchýřů a vlivem narůstajícího tlaku k překročení pevnost Cr povlaku a k jeho následné destrukci. Prolomení a nadzvednutí Cr povlaku v takto poškozených oblastech zapříčiní výskyt korozních puchýřků. Tyto skryté korozní děje mohou probíhat dlouhodobě, bez vědomí obsluhy mnohdy až do náhodného mechanického poškození povlaku.

obr5m obr6m

Průběh koroze základního materiálu, uvedený na obr. 7, dokumentuje výše uvedené skutečnosti a upozorňuje na skrytá rizika probíhající degradace součástí bez viditelných známek poškození povlakového systému.

obr7m

Závěr

Jedním z faktorů majícím vliv na přilnavost a kvalitu povlaku, je způsob chlazení součásti během procesu obrábění. V případě nedostatečného chlazení může docházet k místním změnám mikrostruktury povrchu základního materiálu, projeví se výskytem náběhových barev. Tato změna je převážně trvalého charakteru, ale v případě, že rozměry součásti umožní její odstranění, projeví se po ukončení galvanizace jako vizuální změna povlaku ve formě skvrn a ztrátou přilnavosti. U některých typů ocelí lze v tomto případě aplikovat tepelné zpracování, ale jelikož nejsme schopni stanovit hloubku přehřátí a úroveň strukturních změn bez metalografického šetření, dochází převážně ke změnám napětí v povrchové struktuře  součástí, působících na povlak degradačně, převážně snížením přilnavosti, snížením tvrdosti a porušením celistvosti. Mezi důležitá kritéria, mající vliv na kvalitu a soudržnost katodicky vyloučeného duplexního povlaku chromu, se řadí potřeba dostatečného chlazení povlaku při procesu broušení. Nedostatečné chlazení aktivuje vznik trhlin, majících tendenci šíření ve smyslu síťoví mikrotrhlinek povlaku. Tímto dochází k usnadnění prostupnosti a tvorbě kondenzátu korozních zplodin na povrchu základního materiálu. V případě využití chladících emulzí s prošlou dobou expirace dochází k urychlení těchto dějů. Příliš velké místní mechanické zatížení povlaku působí deformaci povlaku a jeho následkem dochází k propojení kanálků mikrotrhlinek, viz. obr č. 6. Takto narušený povlak je potom náchylnější ke vzniku podpovrchové koroze. Proces anodického zdrsňování povrchu výrobku je kritickým místem v oblasti snižování přilnavosti povlaku, pokud dojde k překročení doby trvání anodického procesu a vytvoření oxidační vrstvy povrchu součásti na bázi nekovových sloučenin uvolněných například ze základního materiálu. Velký vývin vodíku při samotném procesu katodického povlakování duplexním systémem na bázi mléčného a tvrdého chromu mikrotrhlinkového má za následek tendenci pronikání vodíku do základního materiálu s následným výskytem vodíkových trhlin s vazbou na interkrystalickou korozi. Tomu lze předcházet odvodíkováním, a to během procesu, nebo po ukončení procesu galvanického povlakování, ale s ohledem na energetickou náročnost a spotřebu času je tento způsob tepelného zpracování mnohdy podceňován.

Snížení nebo případná eliminace výše uvedených rizik v oblasti technického tvrdého chromování bylo cílem dalšího vývoje této technologie. Výsledkem byla formulace chromovacích lázní třetí generace za použití organického katalyzátoru. Vyloučený povlak obsahoval výrazně vyšší počet jemných mikrotrhlin. Zvýšila se mikrotvrdost povlaku a výrazně se zvýšila jeho otěruvzdornost. Nezanedbatelná je i ekonomika chromování, kdy u lázní nové generace dochází ke zvýšení katodového proudového výtěžku z původních 10 – 14 % na 25 – 27 %, což ve svém důsledku umožňuje výrazné zkrácení chromovacích časů a výraznou úsporu energie. Porovnání chromových povlaků z lázní 1. a 3. generace je uvedena v následující tabulce.

tab2

Při  použití lázní třetí generace se značně smazával význam původní duplexní technologie. V řadě případů byla tato technologie zachována v modifikované variantě – mléčný chrom + finální vrstva z lázně třetí generace. Velmi těžké korozní podmínky a silné mechanické namáhání v prostředí vlhkosti a prachu, například v hornictví, si však vynucují hledání nových technologií. Jednou z možností řešení je použití žluté bronzi s obsahem 12 – 16 % cínu, místo mléčného chromu. V České republice není tato technologie ještě aplikována, ale z pohledu celosvětového nasazení je tato technologie již zavedena a podle střízlivých odhadů bylo již nasazeno více jak 350 tisíc hydraulických součástí důlních stojek.

Bronz patří ke kovům s nejvyšší korozní odolností. Bronzové vrstvy jsou extrémně odolné vůči atmosférickým vlivům, včetně agresivních médií, neboť vytváří tzv. samoochrannou oxidační vrstvu. Má vynikající odolnost proti důlním vodám s obsahem kyseliny uhličité a solí. Její použití umožňuje prodloužení životnosti a zvýšení záruk na zařízení v celosvětovém hornictví.

Bronzové vrstvy jsou vylučovány z komplexního kyanidového prostředí, které zaručuje výbornou mikro a makro rozptylovou schopnost.

- Tvrdost se pohybuje v rozmezí 400 – 450 HV01

-      Neutrální zkouška v solné mlze (dle DIN EN ISO 9227 NSS) je po 1 000 hodinách bez nálezu.

-      Zkouška solnou mlhou a kyselinou octovou (dle DIN EN ISO 9227 AASS) je taktéž po 1 000 hodinách exposice bez nálezu.

-      Zkouška odolnosti vůči teplotním změnám (23 hod. při – 40 oC a následné okamžité vložení do komory zahřáté na 80 oC) nevykazuje po 14 cyklech sebemenší trhlinky v povlaku.

Kombinace povlaků bronz/tvrdý chrom z lázní 3. generace, je perspektivní povrchovou úpravou tam, kde je vyžadována extrémní odolnost vůči korozi a opotřebení.

 

TEXT/FOTO: Ing. Xenie Ševčíková, Ing. Jan Garay, VŠB – TU Ostrava, Ing. Ladislav Obr, CSc.

 

Literatura:

[1] ČSN EN ISO 10289 Metody korozních zkoušek kovových a jiných anorganických

povlaků na kovových podkladech. Hodnocení vzorků  a výrobků podrobených korozním zkouškám. 2001.

[2] Píšek, F. Nauka o materiálu II, svazek 1 a 2, Praha: ČSAV, 1959.

[3] Průšek, J. a kol. Hodnocení jakosti a účinnosti protikorozních ochran strojírenských výrobků, Praha: SNTL,1985.

[4] Kristofory, F., Szelag, P., Taitlová, J., Šulc, I.: Kurz galvanizérů II. Učební texty a návody do cvičení. (Clinic of Electroplaters – Teaching text book.) Ostrava, VŠB-TUO 2001

[5] M.Vigner, Z. Přikryl a kol.: Obrábění, technický průvodce 61, SNTL Praha 1984