Systémy antikorozní ochrany tepelně namáhaných strojních součástí

Hlavním aspektem rychlosti znehodnocení strojních součástí je okolní teplota, ve které dané zařízení pracuje. Mezi klasické degradační procesy patří koroze. Tento fyzikálně chemický proces lze definovat jako rozrušování základního materiálu za vzniku oxidačních produktů. (Bartoníček, 1980)
Základní funkční myšlenkou antikorozních systémů je tvorba ochranného pasivačního povlaku, který vytváří patřičnou bariéru mezi okolním prostředím a samotnou součástí. Členění je provedeno podle chemického charakteru vytvořeného ochranného povlaku nebo ochranné vrstvy. (Ambrož, 1990)
Organické antikorozní systémy:
• nátěrové hmoty,
• plasty,
• konzervační povlaky.
Antikorozní systémy na bázi organických povlaků po nanesení na povrch vlivem fyzikálních nebo chemických přeměn vytváří film odolný proti působení vnějšího prostředí.
Anorganické antikorozní systémy:
• kovové povlaky,
• keramické povlaky,
• kovokeramické (cermetové) povlaky.
Ochrana proti korozi vytvořená anorganickým povlakem pasivuje chráněný povrch kovovým nebo keramickým substrátem.

MATERIÁL A METODY
Experiment je zaměřen na analýzu mechanické a korozní odolnosti nátěrových systémů určených pro aplikaci do prostředí s okolní teplotou nad 100 °C. Antikorozní systémy byly aplikovány na vzorky z ocelového plechu třídy 11 373. Rozměry vzorků byly stanoveny dle normy na 65×155×0,7 mm. Použité nátěrové systémy odpovídají standardu žáruvzdorných antikorozních povlaků. Testované antikorozní systémy jsou běžně dostupné na českém trhu a v této publikaci jsou jejich obchodní názvy nahrazeny obecným označením, viz níže.
Charakteristika – antikorozní systém 1
Jedná se o žáruvzdorný lak speciálně vyvinutý na ochranu kovových předmětů proti korozi a vlivům počasí, které zároveň odolávají vysokým
teplotám. Po aplikaci je nutné ošetřený povrch zahřát na teplotu cca 160 °C, při které se barva „vypálí“. Po vychladnutí povrchu je barva odolná tepelnému zatížení 300 °C. Je zároveň odolná proti benzínu a oleji.
Charakteristika – antikorozní systém 2
Emailový žaruvzdorný rychleschnoucí lak, vysoce trvanlivý, odolný proti vysokým teplotám (do 650 °C, krátkodobě do 800 °C), který netvoří puchýře a neodlupuje se. Vypaluje se při teplotě 300 °C; nutno zahřát na tuto teplotu.
Charakteristika – antikorozní systém 3
Speciální antikorozní systém založený na disperzi lupínkového hliníku. Tato antikorozní ochrana odolává teplotám do 600 °C. Po aplikaci na chráněný povrch není nutné vytvořený povlak vypalovat.
Po aplikaci antikorozních povlaků byla provedena analýza mechanických zkoušek. Tyto testy byly zařazeny do experimentu z důvodu klasifikace vhodnosti použitých substrátů pro aplikace na strojní součásti s dynamickým namáháním. Jedná se například i o výfukové potrubí u mobilních energetických prostředků, kde dochází k přenosu vibrací z energetické jednotky na celou soustavu daného stroje.
Testy byly provedeny dle norem:
• ČSN EN ISO 20482 (Zkouška hloubením dle Erichsena),
• ČSN EN ISO 4624 (Odtrhová zkouška přilnavosti),
• ČSN EN ISO 1519 (Ohybová zkouška na válcovém trnu).
Druhou část experimentu charakterizují korozní zkoušky dle ČSN EN ISO 9227. Jedná se o expozice vzorků do prostředí se solnou mlhou. Na základě těchto zrychlených korozních zkoušek lze stanovit počátek i následnou rychlost korozní degradace základního ocelového materiálu chráněného patřičným nátěrovým systémem.

VÝSLEDKY A DISKUSE
Zkouška hloubením dle Erichsena
Tato mezinárodní norma specifikuje standardní zkušební metodu stanovení schopnosti kovových plechů a pásů s antikorozním povlakem o tloušťce od 0,1 mm do 2 mm a šířce 90 mm nebo větší se plasticky deformovat při tváření hloubením. (Kubátová, 2000)
Razník s kulovým zakončením se zatlačuje do zkušebního tělesa upnutého mezi přidržovačem a raznicí a vytváří prohloubení až do vzniku průchozí trhliny. Sledování jednotlivých mechanických změn antikorozního povlaku je při desetinásobném zvětšení. Měřená hloubka prohloubení je výsledkem zkoušky založené na pohybu razníku. Měří se hloubka vniknutí s přesností 0,1 mm. Hodnoty tažnosti jednotlivých antikorozních systémů, které byly testovány, jsou uvedeny v tab. 1.

Odtrhová zkouška přilnavosti
Zkouška byla provedena dle normy ČSN EN ISO 4624, jedné ze dvou mezinárodních norem, které stanovují metody hodnocení přilnavosti jednovrstvých nebo vícevrstvých nátěrových systémů připravených z nátěrových hmot nebo obdobných výrobků měřením minimálního napětí v tahu potřebného k oddělení nebo odtržení nátěru ve smyslu kolmém k podkladu. (Tulka, 2005)

Jak je patrné z obr. 1, nejlepších hodnot přilnavosti dosahuje antikorozní systém 2. Značný rozdíl v podobě velmi nízkých hodnot pevnosti v tahu je zaznamenán u antikorozního systému 1. Na obr. 2 je znázorněno odtrhové tělísko. Dle profilu odtrhové plochy je zřejmé, že porušení a následná delaminace antikorozního systému je na rozhraní nátěrové hmoty a základního kovového materiálu.

Ohybová zkouška na válcovém trnu
Zkouška pro zjištění tvárných vlastností jednotlivých antikorozních systémů byla provedena dle normy ČSN ISO 1519.
Tato norma specifikuje empirický zkušební postup stanovení odolnosti nátěru (barev, laků a podobných výrobků) vůči praskání nebo uvolňování od kovového podkladu při ohybu přes trn za normalizovaných podmínek. (Hluchý, Haněk, 2001)
Zkouška byla prováděna na etalonech jednotlivých nátěrových systémů. Pro stanovení tvárných vlastností byly stanoveny trny o průměru 10, 20 a 30 mm. Při ohybu přes trn o průměru 10 mm lze očekávat nedostatečné tvárné vlastnosti, a tím vznik trhlin, viz obr. 3. I na ostatních vzorcích lze očekávat patrné ruptury na namáhané části materiálu. Výsledky testu jsou uvedeny v tab. 2.

Korozní zkouška v umělé atmosféře
Zkoušky solnou mlhou jsou obecně vhodné jako zkoušky protikorozních ochran pro rychlé zjištění nespojitostí, pórů a defektů organických a anorganických povlaků. Dále jsou vhodné pro kontrolu kvality při porovnání vzorků se stejným povlakem. Při porovnávacích zkouškách jsou však zkoušky v solné mlze vhodné tehdy, jestliže povlaky jsou si dostatečně podobné svým typem.
Často nelze výsledky získané ve zkouškách solnou mlhou použít pro určení dlouhodobého chování různých povlakových systémů, protože korozní namáhání v těchto zkouškách se významně liší od korozního namáhání vyskytujícího se v praxi. (Ščerbejová, 1993)

Aplikace jednotlivých antikorozních systémů byla provedena na základní materiál při teplotě prostředí 22 °C ve dvou vrstvách s přestávkou mezi aplikací druhého nátěru min 4 hod. Tato metoda zaručuje rovnoměrný povlak na celém vzorku. Výsledky tloušťky naneseného ochranného povlaku jsou uvedeny v tab. 3.

Parametry korozní zkoušky stanoví ČSN EN ISO 9227. Cílem korozní zkoušky je zachytit počátek korozního napadení a monitorovat jeho průběh. Délka korozního testu je stanovena na 720 hod.

Dle provedených korozních testů lze konstatovat výbornou odolnost všech testovaných antikorozních systémů. Během expozice vzorků v prostředí solné mlhy nebylo zaznamenáno poškození povrchu vzorků způsobené červenou korozí. Na testovaných vzorcích byla zaznamenána pouze pórovitost, viz obr. 4. Tento aspekt byl zaznamenán jak u krajů testovaných vzorků, tak i na samotné ploše. Jednalo se o antikorozní systém 3. Z obr. 4 je zřejmé, že korozní degradace postupovala od krajů testovaných vzorků a následovalo podkorodování v oblasti hrany. Inhibiční vlastnosti v podobě těsnosti daného povlaku jsou na vysoké úrovni, jelikož středová část nevykazovala žádné známky korozního napadení.

ZÁVĚR
Aplikace a druh antikorozní ochrany strojních součástí pracujících v prostředí se zvýšenou teplotou vyžaduje důkladnou analýzu vhodnosti zvoleného systému proti korozní degradaci. Jedná se především o mechanické vlastnosti zvoleného antikorozního povlaku. Při kombinaci značného dynamického a tepelného namáhání dochází ke snížení vazebných sil povrch – povlak a nastává celková delaminace antikorozního povlaku.
V příspěvku je provedena analýza třech antikorozních ochran určených do prostředí se zvýšenou teplotou. Dle výrobce veškeré tyto systémy odolávají tepelnému zatížení až 300 °C bez ztráty antikorozních i mechanických vlastností. V závislosti na provedených testech lze konstatovat dobrou plasticitu antikorozního systému 1. Hodnoty hloubení u tohoto systému přesahovaly hranici 4 mm. Tyto výsledky korelují i s testem na válcovém trnu, kdy tento antikorozní systém vykazoval pouze nitkovité trhliny na ohybovém trnu 10 mm. Při průměru 20 a 30 mm již žádné trhliny zaznamenány nebyly. U tohoto antikorozního systému je ovšem nutné konstatovat nedostatečnou soudržnost vytvořené pasivační vrstvy. Dle testu odtrhové zkoušky přilnavosti vzorky dosahovaly pouze cca 0,5 MPa. Delaminace těchto vzorků nastávala v profilu naneseného substrátu. U ostatních testovaných vzorků nastávalo porušení vždy na rozhraní povrch – povlak.
Odolnost proti korozní degradaci v prostředí solné mlhy lze hodnotit u všech testovaných povlaků jako dostatečnou. Při tloušťce pasivačního povlaku cca 90 μm se po celou délku expozice (720 hod.) u žádných vzorků nevyskytlo masivní poškození v podobě červené koroze. Inhibiční vlastnosti testovaných povlaků jsou dány přídavkem Al a Zn v základním plnivu použité organické ochrany.
Využitelnost testovaných antikorozních systémů lze doporučit i do průmyslových odvětví nejen strojírenské výroby.

Poděkování
Příspěvek byl zpracován s podporou TP 4/2014 „Analýza degradačních procesů moderních materiálů používaných v zemědělské technice“.

Literatura
[1.] AMBROŽ, O.; KAŠPAR, J.: Žárové nástřiky a jejich průmyslové využití. Praha: SNTL Praha, 1990, 318 s. ISBN 80-03-00347-4.
[2.] BARTONÍČEK, R.: Navrhování protikorozní ochrany. Praha: SNTL, 1980, 287 s.
[3.] HLUCHÝ, M.; HANĚK, V.: Strojírenská technologie 2: Koroze, základy obrábění, výrobní postupy. 2. upr. vyd. Praha: Scientia, 2001, 176 s. ISBN 80-718-3245-6.
[4.] KUBÁTOVÁ, H.: Nátěry kovů. 1. vyd. Praha, Grada, 2000, 104 s. ISBN 80-247-9035-1.
[5.] ŠČERBEJOVÁ, M.: Strojírenská technologie: 1. vyd. Brno: Vysoká škola zemědělská, 1993, 132 s. ISBN 80-715-7083-4.
[6.] TULKA, J.: Povrchové úpravy materiálů. 1. vyd: Vysoké učení technické v Brně, fakulta chemická, 2005, 136 s. ISBN 80-214-3062-1.
Seznam norem:
• ČSN EN ISO 4624. Odtrhová zkouška přilnavosti: Nátěrové hmoty. Praha: Xerox CR, 2003, 20 s.
• ČSN ISO 1519. Ohybová zkouška (na válcovém trnu): Nátěrové hmoty. Praha: Xerox CR, 1993, 16 s.
• ČSN EN ISO 20482. Zkouška hloubením podle Erichsena: Kovové materiály – plechy a pásy. Praha: Xerox CR, 2004, 12 s.
• ČSN EN ISO 9227. Korozní zkoušky v umělých atmosférách: Zkoušky solnou mlhou. Praha: Xerox CR, 2007, 24 s.

TEXT/FOTO JIŘÍ VOTAVA, VOJTĚCH KUMBÁR, ÚSTAV TECHNIKY A AUTOMOBILOVÉ DOPRAVY, MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ