Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Akustický signál při zkoušce v odtrhu Bakalářská práce
Vedoucí práce: Doc.Ing. Michal Černý, CSc.
Vypracoval: Martin Sláma
Brno 2012
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Akustický signál při zkoušce v odtrhu“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne ………………………………………. podpis ……………………………………
Poděkování Rád bych poděkoval vedoucímu práce panu doc. Ing. Michalovi Černému, CSc. za umožnění psát práci pod jeho vedením, za konzultace a cenné odborné rady k tématu v průběhu tvorby práce. Dále bych rád poděkoval panu Ing. Jaromírovi Tlačbabovi za spolupráci a poskytování potřebných informací a materiálů pro tvorbu této práce.
Abstrakt Předložená bakalářská práce se zabývá problematikou koroze a ochrany materiálů proti korozivním poškozením. V rámci ochrany proti korozní degradaci je představena základní řada nátěrových hmot a postup při jejich aplikaci. Organické povlaky doplňuje stručný přehled kovových povlaků. Je navržena metodika verifikace chování povlaků nátěrových hmot nedestruktivní metodou Akustické emise. Ta je v závěru bakalářské práce pouze pilotně ověřena. Klíčová slova: koroze, nátěrové hmoty, odtrhová zkouška, akustická emise
Abstract Presented bachelor thesis deals with problems of corrosion and corrosion protection of materials against corrosive action of environment. Basic line of paints designed to protect materials against corrosive degradation is presented here together with procedures of their use. Organic coatings are complemented by with brief overview of metallic coatings. There is proposed the method of verification of characteristics of paintings by non-destructive method of acoustic emission. This method is verified at the end of bachelor thesis in narrow range only.
Keywords: corrosion, paints , acoustic emission, adhesion test
1
ÚVOD ....................................................................................................................... 9
2
CÍL .......................................................................................................................... 10
3
KOROZNÍ DEGRADACE ..................................................................................... 11 3.1
Princip elektrochemické koroze ....................................................................... 12
3.1.1
Způsoby ochrany před korozí ................................................................... 13
Volba vhodného materiálu ................................................................................... 14 Vhodné konstrukční řešení .................................................................................. 14 Optimální technologie výroby.............................................................................. 15 Úprava prostředí ................................................................................................... 15 Povrchové úpravy ................................................................................................. 16 3.2
Redoxní děje – význam oxidace a redukce ...................................................... 17
3.2.1 3.3
Princip oxidace redukce, oxidační a redukční činidla .............................. 18
Příprava povrchu před vytvářením ochranných povlaků a vrstev .................... 20
3.3.1
Mechanické způsoby přípravy povrchu .................................................... 20
3.3.2
Fyzikálně-chemické způsoby přípravy povrchu ....................................... 21
3.4
Vytváření ochranného povlaku nebo vrstvy .................................................... 23
3.4.1
Nekovové neorganické povlaky a vrstvy .................................................. 23
3.4.2
Konverzní vrstvy....................................................................................... 23
3.4.3
Keramické smalty ..................................................................................... 24
3.5
Nátěrové hmoty ................................................................................................ 25
3.6
Nátěrové systémy ............................................................................................. 31
3.6.1 3.7
Způsoby nanášení nátěrových hmot ......................................................... 32
Kovové povlaky a vrstvy ................................................................................. 35
3.7.1
Elektrolytické pokovování ........................................................................ 36
3.7.2
Chemické pokovování .............................................................................. 37
3.7.3
Žárové úpravy ponorem ............................................................................ 38
4
3.7.4
Žárové úpravy difusní ............................................................................... 38
3.7.5
Žárové úpravy stříkáním ........................................................................... 38
3.7.6
Žárové úpravy napařováním ve vakuu ...................................................... 39
3.7.7
Žárové úpravy plátováním ........................................................................ 39
METODA AKUSTICKÉ EMISE ........................................................................... 39 4.1
AE zdroje parametrů signálu ........................................................................... 40
4.2
Zdroje Akustických emisí ................................................................................ 40
4.3
Vliv šíření AE tělesem na charakter detekované AE ....................................... 41
4.4
Pokles detekovatelnosti se vzdáleností od zdroje ............................................ 41
4.5
Přehled oblasti základní aplikace akustické emise........................................... 42
Výhody AE ............................................................................................................. 43 Nevýhody AE ......................................................................................................... 43 4.6
Základní typy zdrojů AE .................................................................................. 44
Kalibrační zdroj AE ................................................................................................ 44 Klepnutí tyčí nebo kuličkou na povrch materiálu ................................................... 45 Energie signálu, jednorázový poskok defektu v materiálu ..................................... 45 Faktory ovlivňující detekovatelnou AE při porušování materiálu .......................... 45 Zdroje akustické emise při deformaci a porušování materiálu Jejich základní mechanismy ............................................................................................................ 46 Při plastické deformaci kovových materiálů .......................................................... 46
5
4.7
Zdroje AE při delaminaci ................................................................................. 46
4.8
Odtrhová zkouška............................................................................................. 48
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST .................................................................................. 49 5.1
Měření akustické emise při odtrhu nátěru ........................................................ 49
5.1.1
Příprava zkušebních pomůcek a vzorku ................................................... 49
5.1.2
Metodika měření ....................................................................................... 51
5.1.3
Naměřené výsledky................................................................................... 53
5.1.4
Bezpečnostní a technický list barvy Eternal mat akrylový ....................... 55
5.1.5
Diskuze výsledků ...................................................................................... 56
6
ZÁVĚR ................................................................................................................... 57
7
LITERATURA ....................................................................................................... 58
8
OBRÁZKY ............................................................................................................. 59
1
ÚVOD
Korozí se rozumí samovolné vzájemné působení mezi prostředím a materiálem, které má za následek znehodnocení materiálu. Korozi podléhají nejen kovy a jejich slitiny ale téměř všechny materiály. Objevuje se také u jiných anorganických materiálů (sklo, beton atd.) rovněž u materiálů organických (pryž, plasty atd.). Znehodnocování materiálu může být různé, od nežádoucí změny vzhledu po úplný rozpad materiálu. Koroze představuje značné ekonomické ztráty. Odhaduje se, že v ČR způsobí koroze ztrátu ve výši desítek miliard Kč ročně. Rozlišují se dvě skupiny ztrát způsobených korozí: přímé a nepřímé. Do přímých ztrát se započítávají náklady na opatření zabraňující korozi, náklady na opravy poškozených zařízení a náklady spojené s úplným vyřazením zařízení poškozeného korozí. Nepřímé ztráty jsou ztráty způsobené snížením nebo zastavením výroby v důsledku poškození zařízení korozí. V některých případech mohou být nepřímé ztráty mnohonásobně větší než ztráty přímé. A díky těmto poznatkům je nutné se zaměřit na testování protikorozních opatření a jejich kvality a přilnavosti. A tím zabránit znehodnocováním konstrukcí a mechanických částí strojů korozí přímou, nebo nedostatečnou protikorozní ochranou. Díky testům odtrhu nátěrových hmot se zařadí do prodeje a používání jen ty nátěrové hmoty které splní přísné limity. Nátěrové hmoty jsou základním pilířem protikorozní ochrany.
9
2
CÍL
Bakalářská práce na téma: Akustický signál při zkoušce v odtrhu Má za cíl zhodnotit protikorozní ochranu a vhodné nátěrové systémy. Ty se následně podrobí zkoušce odtrhu a metodou akustické emise se detekuje porušení chemisorpční vrstvy (vazby nátěru na podklad). Záznam akustické emise u pilotních zkoušek, vyhodnotit ve smyslu rekognoskace kvality provedení aplikace pro testy nátěrových systémů.
10
3
KOROZNÍ DEGRADACE
Korozní degradaci můžeme rozlišovat a posuzovat podle několika hledisek. Podle mechanismu vzniku je rozlišována koroze - chemická, kdy dochází pouze k chemickým reakcím mezi materiálem a prostředím probíhá v prostředí elektricky nevodivém - fyzikálně-chemická, kdy kromě působení chemického dochází ještě ke vzniku elektrických (galvanických) článků, jejichž součástí je rovněž sledovaný materiál, probíhá v prostředí elektricky vodivém a proto jej také nazývána elektrochemickou korozí. Podle prostředí, kde koroze probíhá, je rozlišována koroze: v plynech, atmosférická, v kapalinách, v půdě. Nejčastější je atmosférická koroze. Působí především v závislosti na obsahu vlhkosti, tuhých rozpustných nečistot ve vzduchu, agresivních plynných (SO2, NaCl, H2S, Cl2, HCl, NO2, NH3, CO2). Koroze ve vodách je nejčastějším případem koroze v kapalinách - způsobována je znečištěním vody agresivními látkami v kapalné, plynné i tuhé formě. Zejména obsahem kyslíku je ovlivněna rychlost koroze ve vodách. Speciální záležitostí je koroze v jiných kapalných chemických látkách . Koroze v plynech je závislá na jejich složení a na obsahu kyslíku. Největší význam v praxi má (koroze chemická) probíhající v plynech za vyšších teplot, kdy plyny neobsahují vlhkost. Koroze v půdě je v podstatě korozí v složitém chemickém prostředí, protože půda obsahuje tuhé, kapalné i plynné agresivní látky.
11
Podle typu napadení materiálu může být koroze - rovnoměrná, kdy je napadení celého povrchu prakticky stejnoměrně
- nerovnoměrná, kdy napadení je rozdílné, dle způsobu napadení rozlišujeme nerovnoměrnou korozi - skvrnitou - důlkovou - bodovou - mezikrystalickou, kdy koroze probíhá na hranicích krystalů - transkrystalickou, kdy koroze probíhá napříč krystaly - selektivní, kdy jsou napadány pouze některé složky materiálu. Skvrnitá, důlková a bodová koroze se odlišují vzájemným poměrem velikosti povrchové plochy k hloubce zasažení Zvlášť nebezpečné jsou koroze transkrystalická a mezikrystalická, které probíhají pod povrchem materiálu a proto způsobené narušení není při běžné prohlídce zřejmé.
3.1 Princip elektrochemické koroze elektrický článek vzniká při vodivém spojení dvou nebo více materiálů s různým elektrodovým potenciálem nebo při vnějším vodivém spojení složek heterogenního materiálu. Je tvořen: anodou, kterou se stává materiál s nižším elektrodovým potenciálem, tzv. méně ušlechtilý - katodou se stává materiál s vyšším elektrodovým potenciálem, tzv. ušlechtilejší 12
- elektrolytem se při reakci stává vodivý roztok spojující anodu a katodu. V tomto elektrickém článku anoda vysílá do spojujícího prostředí více iontů, než sama přijímá. Poměry u katody jsou obrácené. Proto se celkově anoda rozpouští, ubývá, zatím co katoda zůstává prakticky nedotčena nebo nabývá. V následujícím přehledu jsou vybrané prvky seřazeny vzestupně podle svého elektrodového potenciálu ve vztahu k potenciálu vodíku (H) jako prvku porovnávacímu Mg, Al,
Zn,
Cr,
Fe,
Cd,
Ni,
Sn,
záporné elektrodové potenciály
<
Pb H >
0
Cu,
Ag,
Au
Nejčastější vnější činitelé urychlující korozi Průběh koroze není závislý pouze na chemickém složení prostředí a druhu materiálu. Dalšími vlivy urychlování koroze , kterými jsou zejména - únava materiálu, mechanické namáhání. Bludné elektrické proudy a jejich působení. nevhodné tepelné zpracování atd.
3.1.1
Způsoby ochrany před korozí
Způsob jakým provedeme ochranu materiálu před korozí musí být založen na komplexním rozboru daného problému. Proto je nutno sledovat: - vlastnosti různých materiálů, přicházejících v úvahu pro dané užití - vlastnosti prostředí, kterému bude zařízení vystaveno - funkci zařízení - hledisko hospodárnosti a řadu dalších hledisek. Hlavními způsoby, kterými je dosáhnuto potřebné ochrany před korozí, jsou - volba vhodného materiálu - správné konstrukční řešení 13
- optimální technologie výroby - úprava prostředí - elektrochemická ochrana - povrchové úpravy. Volba vhodného materiálu U výběru vhodného materiálu pro dané prostředí je třeba zvolit takový materiál, který splňuje funkční požadavky a u kterého jsou dlouhodobé náklady na pořízení a údržbu zařízení nejnižší. Odolnost materiálu vůči určitému prostředí závisí na - složení materiálu a jeho struktuře; kovy s vyšší chemickou čistotou lépe odolávají korozi, proti selektivní korozi bývají málo odolné heterogenní slitiny - vlastní povaze materiálu, například jeho elektrodovém potenciálu; čím vyšší má materiál elektrodový potenciál, tím lépe odolává elektrochemické korozi - schopnosti materiálu vytvářet na svém povrchu pasivní vrstvy; příkladem jsou vrstvy oxidů u Al, Ti, Cr nebo Mg, které zabraňují dalšímu pokračování koroze - schopnosti materiálů vytvářet stabilní korozní vrstvy, které zabraňují pronikání korozních činidel k materiálu. Vhodné konstrukční řešení Správnost vhodného konstrukčního řešení spočívá v předcházení chybám, které korozi podporují. Jsou to především: - koncentrace namáhání v určitých místech součástí, základem je, aby rozložení namáhání bylo rovnoměrné - dlouhodobý styk materiálu s agresivním prostředím, snahou je navrhnutí tvaru dané součástí a zařízení tak, aby plocha styku materiálu s agresivním prostředím byla co nejmenší a aby nikde nedocházelo k usazování agresivních látek
14
- vibrace, konstrukce zařízení by měla alespoň vibrace tlumit nebo jim zabránit - nerovnoměrné tepelné zatížení součástí, konstrukce by měla vyloučit přehřívání místních částí zařízení a dostatečný odvod tepla - vytváření korozních makročlánků, při spojování materiálů s různým elektrodovým potenciálem je nutno znemožnit vzájemnou izolací vzniku makročlánků - náhlé změny směru proudění a vysoké rychlosti proudění tekutin, které mají za následek odtrhávání vzniklých korozních produktů - nerespektování požadavků spojených s aplikací povrchových úprav. Optimální technologie výroby Technologické operace mohou ovlivnit nežádoucím způsobem odolnost materiálu vůči korozi. Nejčastějšími faktory nepříznivě působícími jsou: - změny původní struktury na strukturu méně odolnou - vznik pnutí v důsledku použité technologie (svařování, tváření, tepelné zpracování) - vznik elektrických makročlánků (svařování, při kterém má svar odlišné složení než okolní materiál) - hrubý povrch po obrábění - setrvání korozních produktů vzniklých při zpracování materiálu na povrchu, což má za následek snadnější usazování agresivních látek na povrchu. Úprava prostředí Cílem úpravy prostředí je snížit jeho agresivitu. V podstatě se používají dvě metody: - snížení vlhkosti prostředí, aby nedocházelo ke vzniku galvanických článků díky kondenzaci na povrchu materiálu a k tomuto účelu jsou užívána vysoušedla, která na sebe váží vlhkost (kysličník vápenatý, kysličník hlinitý, silikagel) - ovlivnění vlastností prostředí pomocí pasivačních prostředků, které zpomalují chemickou reakci, tzv. inhibitorů koroze (inhibice = zábrana, utlumení), 15
k ochraně ocelí se užívá například dusitan sodný, který v reakcí s korozním prostředím vytváří na povrchu ocelových součástí pasivní vrstvu, dalším známým inhibitorem se širším uplatněním je tzv. dichan.
Elektrochemická ochrana Elektrochemická záměrném
ochrana
vytvoření
spočívá
v
galvanického
makročlánku s požadovanou polarizací. Elektrochemická ochrana je rozdělena na dvě metody: - katodická ochrana, při které se chráněný předmět stává katodou a je vůči působení korozních činidel imunní - anodická ochrana, při které se chráněný předmět stává anodou a je vůči působení korozních činidel pasivní (viz. schéma) Katodická ochrana se provádí dvěma způsoby: - pomocí obětované elektrody, která je zhotovena z materiálu s nižším elektrodovým potenciálem, než je chráněný materiál, například pro ochranu oceli je vyžítá obětovaná elektroda zhotovená ze Zn, Al, Mg - pomocí stejnosměrného elektrického zdroje, kdy chráněný předmět je připojen na katodu a anoda je zhotovena z relativně málo rozpustného vodivého materiálu; tím bývá grafit, olovo, titan, korozivzdorné oceli. Anodická ochrana je použitelná pouze u materiálů snadno vytvářejících pasivní vrstvu. Chráněný předmět se připojuje na anodu a silnou polarizací je přesunut jeho elektrodový potenciál do oblasti pasivity. Povrchové úpravy Na některém z následujících principů je založena ochrana materiálu povrchovou úpravou: 16
- vytvořená povrchová vrstva je souvislá a nepropustná a tím dokonale izoluje od vnějšího prostředí chráněný materiál - na povrchu chráněného materiálu je vytvořena uměle sloučenina s lepší odolností proti korozi - povrchová vrstva chrání základní materiál elektrochemicky metodou katodické ochrany - povrchová vrstva obsahuje složky, které svým účinkem zmírňují agresivitu korozního prostředí. - na povrchu chráněného materiálu je vytvořena uměle slitina s lepší odolností proti korozi
Technologie povrchových úprav Technologie povrchových úprav sestává ze dvou základních fází: - přípravy povrchu před následujícím vytvářením ochranných vrstev a povlaků - vlastním zhotovením ochranného povlaku nebo vrstvy.
3.2 Redoxní děje – význam oxidace a redukce Reakce, při nichž se mění oxidační číslo částic, nazýváme oxidačně redukční reakce nebo zkráceně redoxní. Redoxní děje jsou doprovázeny změnou oxidačního čísla některých reagujících částic. Oxidace a redukce je definována podle změny oxidačního čísla částic v průběhu chemické reakce. Pro popis redoxních dějů je zaváděn pojem oxidačního a redukčního činidla. Oxidace je chemický děj, při kterém roste oxidační číslo dané částice, naopak při redukci klesá. Oxidační činidla způsobují oxidaci dané látky, zatímco redukční činidla způsobují její redukci. Oxidační činidla jsou látky, které přijímají elektrony a proto se redukují. Redukční činidla jsou látky, které elektrony odevzdávají a tím oxidují. 17
Názvem redoxní (oxidačně redukční) pojmenovává tyto děje proto, že současně s oxidací musí probíhat redukce. Elektron (podobně jako proton u acidobazických dějů) totiž není schopen existence samostatně. Celkové zvýšení oxidačních čísel všech oxidujících atomů se musí rovnat celkovému snížení oxidačních čísel všech redukujících se částic. Tento poznatek se používá při řešení a vyčíslování redoxních rovnic. [2]
3.2.1
Princip oxidace redukce, oxidační a redukční činidla
při oxidačně-redukčních (redoxních) reakcích dochází k přenosu elektronů, přičemž se mění oxidační čísla některých atomů
atomy některých prvků při reakci elektrony uvolňují (oxidují se), jiné elektrony pohlcují (redukují se)
proto můžeme rozdělit každý redoxní děj na dvě poloreakce : oxidace – reaktant předává své elektrony, jeho oxidační číslo roste redukce – reaktant přijímá elektrony, jeho oxidační číslo klesá
oba tyto děje probíhají zároveň, jsou na sobě závislé – při oxidaci jedné látky (atomu) probíhá redukce jiné, tato dvojice vytváří redoxní systém :
obecné schéma : ox 1 + red 2
př. :
Cu2+ + Zn0
ox 2 + red 1
(1)
Cu0 + Zn2+
(2)
Zn0 2e- + Zn2+
…oxidace
(3)
Cu2+ + 2e- Cu0
…redukce
(4)
redoxní děje probíhají vždy dokud se neustáli v rovnovážném stavu, ten charakterizuje rovnovážná konstanta – poměr ox1 / ox2 nebo red1 / red2 18
oxidační činidlo – je látka, která je schopná přijímat elektrony (redukovat se), jiné látky oxiduje redukční činidlo – látka, která může elektrony vydat (oxidovat se), jiné látky redukuje mnohé látky mohou v různých reakcích působit buď jako redukční, nebo jako oxidační činidla – závisí to vždy na příslušné dvojici oxidovaná a redukovaná látka např. : Br2 + H2 2 HBr
(brom je oxidační činidlo)
(5)
Br2 + F2 2 BrF
(brom je redukční činidlo)
(6)
oxidační činidla : - elektronegativní nekovy (halogeny, O2) - některé kationty přechodných kovů (jsou příjmem elektronů redukovány na atomy kovu nebo na kationty s nižším nábojem) - anionty kyslíkatých kyselin (MnO4-, ClO4-) - oxidy prvků s vyššími oxidačními čísly (MnO2, PbO2, CrO3) - peroxidy
redukční činidla : - málo elektronegativní prvky - ionty kovů s nízkým oxidačním číslem - iontové hydridy - oxidy s nízkým oxidačním číslem - typickými redukčními činidly v průmyslu jsou C, CO, H2,… [3]
19
3.3 Příprava povrchu před vytvářením ochranných povlaků a vrstev Součástí a jejich povrch bezprostředně po výrobě nebývá zpravidla vhodný k okamžitému vytváření ochranných vrstev a povlaků. Nemusí splňovat požadovanou jakost povrchu a může být znečištěn. Povrchové nečistoty jsou dvojího druhu: - nečistoty cizí, které ulpívají na povrchu pouze adhézními silami; jsou to nejčastěji mastnoty a prach, tedy nečistoty mechanické - nečistoty vlastní, spojení s povrchem je chemickou vazbou, jsou to především korozní produkty, tedy chemické nečistoty. Příprava povrchu a jeho účel: odstranění hrubých nečistot a korozních produktů, odmaštění a dosažení požadované kvality povrchu. Povrchové úpravy je možno rozdělit podle jejich mechanismu na: - mechanické – broušení, omílání, otryskávání. leštění, kartáčování, - fyzikálně-chemické – chemické leštění, odrezován, elektrochemické leštění, moření, odmašťování (organickými rozpouštědly), vodnými alkalickými roztoky, elektrolyticky. Jednotlivé způsoby přípravy povrchu současně mohou plnit více funkcí. 3.3.1
Mechanické způsoby přípravy povrchu
Broušení povrchu se provádí brusnými kotouči nebo brusnými pásy na přemístitelných nebo stabilních bruskách. Při broušení projde povrch současně čistící fází a vyrovnávací fází. Dosahuje se drsnosti Ra = 0,2 až 0,4. Leštění je prováděno textilními nebo plstěnými kotouči, na které je nanesen disperse nebo jemná brusná pasta. Zpravidla se používá po jemném broušení s cílem dosažení malé drsnosti (asi do Ra = 0,1). Leštěním je i možno odstranit drobné nerovnosti povrchu, ale ne jeho vlnitost.
20
Kartáčování se používá k odstranění hrubých nečistot a také k zjemnění povrchu po broušení. Provádí se rotačními kartáči s kovovými vlákny, přírodními nebo plastovými podle druhu odstraňovaných nečistot. Kotouče jsou upnuty na stabilních nebo přenosných bruskách. V kusové výrobě a zejména v nenáročných případech se používá i ručních kartáčů, nejčastěji s ocelovými drátky. Účelem kartáčování je zejména odstranění nečistot a rovněž zjemnění povrchu materiálu. Někdy je zařazeno kartáčování po broušení povrchu. Omílání je odstraňování nečistot a vyhlazování povrchu materiálu (asi na Ra = 0,3) principem je vzájemným otloukáním a odíráním součástí. Pro zvýšení účinnosti omílání je možno k omílaným předmětům dodat pomocné prostředky, například rozdrcené zbytky vyřazených brusných kotoučů nebo kovová tělíska (například jehlance z bílé litiny). V některých případech se omílání urychluje přidáním chemických činidel, například směsi vhodných kyselin. Při omílání jsou odstraňovány ostřin na výrobcích, dochází k zaoblování hran a ke zpevnění povrchu omílaných předmětů. Omílání se provádí ve vibračních nebo rotačních bubnech nebo jsou použity omílací pásy. Vhodné použití je zejména pro úpravu drobnějších předmětů ve velkosériové výrobě. Otryskávání je proces při němž je vrhán proud drti vhodného materiálu na povrch předmětů proudem vzduchu, vody nebo metacím kolem. Dochází k odstraňování nečistot, korozních a nátěrových produktů, také k zpevnění a zdrsnění povrchu. Jako otryskávací drti je použito mletého korundu, ocelových kuliček nebo sekaného drátu, měděných zrn, křemičitého písku, pecek nebo rozdrcených skořápek ořechů a dalších. Výběr drti závisí na požadovaném účinku. Stupni znečistění a požadovanému kotvícímu profilu.
3.3.2
Fyzikálně-chemické způsoby přípravy povrchu
Odrezování je odstranění vrstev rzí s povrchu ocelových předmětů. Rez se pomocí odrezovačů rozpouští, obsahujících nejčastěji kyselinu fosforečnou. Aby kyselina nenapadala vlastní kov, ale jenom korozní produkty, do roztoku se přidávají inhibitory koroze. Odrezování ponorem se provádí především u menších předmětů, u větších předmětů postřikem nebo natíráním, v obou případech za běžné teploty. 21
Odstraňování korozních produktů na bázi oxidů vzniklých při vyšších teplotách se nazývá moření, například okují. Provádí se v kyselině solné, sírové, méně často fosforečné, dusičné nebo fluorovodíkové, zpravidla za teplot 60 až 80 °C. Někdy bývá použita směsi jmenovaných kyselin. V lázni je přidáván inhibitor koroze. Po moření a odrezování v kyselinách je nutno opláchnout povrch materiálu, případně neutralizovat. Chemické leštění je použito k odstranění drobných nerovnosti povrchu a snížit jeho drsnost. Je založeno na rozpouštění kovu, a to v mírně proudící lázni vhodných kyselin, při kterém jsou výstupky povrchu rozpouštědly znatelněji napadány než prohlubeniny. Elektrochemické leštění má stejný cíl jako chemické leštění. Je založeno na rychlejším napadání a rozpouštění výstupků povrchu v elektrolytu v důsledku zvýšené koncentrace elektrického náboje na hrotech povrchu. Odmašťování organickými rozpouštědly je nejjednodušším způsobem odstranění mastnot z povrchu. Pro hrubé čistění a odmaštění se užívá petrolej, pro dokonalejší odmaštění benzin. Nevýhodou je hořlavost obou těchto rozpouštědel proto je metoda náročná na větrané prostory. Požadavky lépe splňují rozpouštědla na bázi chlorovaných uhlovodíků jako trichloretylen nebo perchloretylen. Jsou nehořlavá, stálá, jsou schopny regenerace destilací. Jejich nevýhodou jsou narkotizační účinky. Odmašťování vodnými alkalickými roztoky je založeno na zmýdelňování rostlinných a živočišných tuků a olejů a v emulgaci (rozptýlení) mastných látek minerálního původu. V roztok se nalézá hydroxid sodný, sodu, fosforečnan sodný, boritany a polyfosfáty. Pro urychlení postupu se roztok zahřívá na 70 až 90 °C. Elektrolytické odmašťování se zakládá na bázi elektrolýze alkalických roztoků, při které může být odmašťovaný předmět umístěn zavěšením na katodu nebo anodu. Je-li odmašťovaný předmět katodou, vznikne na jeho povrchu vodík, který strhává a odvádí mastnotu s povrchu. Na anodě pak vzniká louh, který mastnoty zmýdelňuje. Je-li předmět anodou, je jeho povrch rozpouštěn za vzniku kyslíku.
22
3.4 Vytváření ochranného povlaku nebo vrstvy
Ochranné vrstvy a povlaky se dají rozdělit podle jejich chemické povahy do tří skupin: - nekovové neorganické - kovové - organické. 3.4.1
Nekovové neorganické povlaky a vrstvy
Nekovové neorganické vrstvy a povlaky především chrání základní materiál svou nepropustností pro korozní činidla, svou vyšší odolností proti korozi nebo pasivací povrchu chráněných kovů. Do této skupiny vrstev a povlaků patří především - konverzní vrstvy vytvořené - oxidací - chromátováním - fosfátováním - keramické smalty - vysokotavitelné keramické povlaky 3.4.2
Konverzní vrstvy
Konverzní vrstvy jsou tenké vrstvy oxidů, fosforečnanů nebo chromanů, které se vytváří chemickými nebo elektrochemickými reakcemi chráněného materiálu který je umístěn ve vhodném prostředí (konverze je chemická reakce, při které dochází k vzájemné výměně prvků reagujících látek). Oxidace ocelí se provádí především v alkalických roztocích. Následné vrstvy mají tloušťku 0,5 až 0,8 m. Při oxidaci vzniká černé, modré nebo hnědé zabarvení podle složení a teploty lázně. 23
Použití oxidace ocelí, jako ochrana proti korozi a současně pro získání dekorativního vzhledu povrchu materiálu. Příkladem jsou výrobky zhotovené pro optické a měřicí zařízení nebo zbraně. Vytvořené vrstvy se zpravidla impregnují. Oxidace hliníku se provádí chemicky nebo elektrochemicky. V obou procesech na povrchu materiálu vznikne vrstva oxidu hlinitého. Elektrochemický proces, tzv. eloxování, je častější. Hliníkové předměty jsou připevněny spojeny s anodou, katodou jsou olověné nebo hliníkové desky, elektrolyt je použit vodný roztok kyseliny sírové, chromové nebo šťavelové. Povrch po eloxaci je porézní a proto se impregnuje oleji, laky nebo vosky. Pro vytvoření dekorativního vzhledu se eloxovaná vrstva napouští anilinovými nebo alizarinovými barvivy. Účel oxidace hliníku je protikorozní ochrana, ale také zlepšení tvrdosti, vzhledu, zvýšení otěruvzdornosti či vytvoření elektricky izolující vrstvy. Fosfátování a jeho postup. Při fosfátování se chemickou cestou v lázni obsahující fosforečnan železnatý, zinečnatý nebo manganatý vytváří krystalická vrstva fosforečnanů zinku nebo manganu. Fosfátová vrstva se vyznačuje nejen ochrannou funkcí ale i schopností vázat na sebe některé organické látky (oleje, nátěrové hmoty), nízkým součinitelem tření a elektrickou izolací. Fosfátování se používá jako podkladová vrstva pod nátěry, kluzná vrstva u vzájemně se pohybujících součástí a jako elektrická izolace transformátorových plechů, případně jako dočasná úprava materiálů zpracovávaných tvářením (při při protlačování nebo tažení plechů). Při chromátování je vytvořena vrstva sloučenin chromu a podkladového (chráněného) kovu. Provádí se v horké lázni kyseliny chromité. Využití nalézá u ocelí i neželezných kovů. Vedlejší efekt je zlepšení přilnavosti nátěrových hmot.
3.4.3
Keramické smalty
Keramické smalty jsou v podstatě sklovinou se speciálními vlastnostmi. Základní složky jsou tvořeny kysličník křemičitý, kyselina boritá a uhličitan sodný nebo draselný. Chrání základní kov díky svojí nepropustnosti pro korozní činidla. 24
Jednou z funkcí je i dekorační. Nanáší se stříkáním, máčením nebo poléváním . Po vysušení se vypalují za teplot 800 až 950 °C, přičemž se přitaví a ulpí na základnímu kovu. Možností je nanášet v jedné nebo ve dvou vrstvách. Dvojvrstvé smalty se skládají ze základní vrstvy, jejíž složení zajišťuje přilnutí smaltu ke chráněnému kovu, a krycí vrstvy, která dodává úpravě požadované vlastnosti chemické, mechanické, fyzikální a vzhledové. Vysokotavitelné keramické povlaky Vysokotavitelné keramické povlaky sestávají z vrstvy oxidů, karbidů, boridů ,nitridů, nebo cermetů. Nanášení na chráněný kov je prováděno žárovým stříkáním pomocí zvláštního zařízení, ve kterém je za účinku kyslíkoacetylenového nebo plasmového hořáku povlakový materiál taven. Mají vysokou odolnost proti koroznímu prostředí včetně kyselin a to i za působení vysokých teplot, malý součinitel elektrické a tepelné vodivosti a velkou tvrdost. Tloušťka vytvořených vrstev je podle potřeby od 0,05 do 5 mm. [1]
3.5 Nátěrové hmoty K protikorozní ochraně ocelových konstrukcí je velmi rozšířené používání mnoha nátěrových systémů. Do přehledu jsou zahrnuty systémy s prokázanými vlastnostmi, ale tento přehled není vyčerpávající a je možné použít jiné podobné systémy. Navíc jsou stále vyvíjeny nové technologie, vynucené často změnou národní legislativy, které by vždy měly být vzaty v úvahu tam, kde je to vhodné a tam, kde byla jejich účinnost potvrzena: záznamy o výsledcích používaní takových technologií nebo výsledky zkoušení alespoň podle ISO 12944-6. Z hlediska aplikace se nátěrové hmoty klasifikují jako rozpouštědlové, vodou ředitelné nebo bezrozpouštědlové. Dělí se především do dvou hlavních skupin podle způsobu zasychání a vytvrzování a dále do podskupin podle generického typu pojiva a mechanizmu vytvrzování.
25
Reverzibilní nátěry Povlak vzniká odpařováním rozpouštědla bez jakékoliv další změny, tj. proces je vratný a povlak lze kdykoliv znovu rozpustit původním rozpouštědlem. Příklady pojiv pro tento typ nátěrových hmot jsou: chlorkaučuk (CR), kopolymery vinylchloridu (známé také jako PVC), akrylátové polymery (AY). Ireverzibilní nátěry Povlak vzniká nejprve odpařováním rozpouštědla (tam, kde je rozpouštědlo obsaženo), následuje chemická reakce nebo koalescence (u některých vodou ředitelných nátěrových hmot). Proces je nevratný. To znamená, že povlak nelze rozpustit v původním rozpouštědle nebo, v případě bezrozpouštědlových nátěrových hmot, v rozpouštědle obvykle používaném pro tento generický typ nátěrových hmot. Na vzduchu zasychající nátěrové hmoty (oxidačně vytvrzované) U těchto nátěrových hmot se povlak tvoří odpařováním rozpouštědla, s následnou reakcí pojiva se vzdušným kyslíkem. Typickými pojivy jsou: Alkydy, urethanalkydy, epoxyestery. Vodou ředitelné nátěrové hmoty (jednosložkové) Pojivo je v tomto typu nátěrové hmoty dispergováno ve vodě. Povlak se tvoří odpařováním vody a koalescencí dispergovaného pojiva za tvorby filmu. Proces je nevratný, tj. po vysušení nelze tento typ povlaku ve vodě znovu dispergovat. Pojivy dispergovanými ve vodě jsou: akrylátové polymery (AY), vinylové polymery (PVC), polyurethanové pryskyřice (PUR).
26
Chemicky vytvrzované nátěrové hmoty Tento typ nátěrové hmoty se obecně skládá ze základní složky a vytvrzovacího činidla. Směs základní složky a vytvrzovacího činidla má omezenou dobu zpracovatelnosti ČSN EN ISO 12944-5. Dvousložkové epoxidové nátěrové hmoty V základní složce jsou pojivem polymery s epoxidovými skupinami, které reagují s vhodnými vytvrzovacími činidly. Typickými pojivy jsou: Epoxidy, vinylepoxidy/epoxyakryláty, kombinace epoxidů. Formulace mohou být rozpouštědlové, vodou ředitelné nebo bezrozpouštědlové. Většina epoxidových povlaků po vystavení slunečnímu záření kříduje. Pokud je požadováno zachování barvy a lesku, měl by být vrchním povlakem alifatický polyurethan nebo vhodný typ fyzikálně zasychající nebo vodou ředitelné nátěrové hmoty. Vytvrzovací činidlo Používají se ve velké míře polyaminoaminy (polyaminy), polyaminoamidy (polyamidy) nebo jejich sloučeniny. Polyamidy jsou pro své dobré smáčecí vlastnosti vhodnější pro základní nátěrové hmoty. Povlaky vytvrzené pomocí polyamidů mají obecně lepší odolnost vůči chemikáliím. Dvousložkové polyurethanové nátěrové hmoty Základní složka Pojiva jsou polymery s volnými hydroxylovými skupinami, které reagují s vhodnými izokyanátovými vytvrzovacími činidly. Těmito pojivy jsou: Polyestery, akryláty, epoxidy, polymery, fluorované pryskyřice, 27
kombinace polyurethanových pryskyřic (PURC). Vytvrzovací činidlo Většinou se používají aromatické nebo alifatické polyizokyanáty. Výrobky vytvrzené pomocí alifatických polyizokyanátů (PUR alifatické), v kombinací s vhodnou základní složkou, mají vynikající vlastnosti jako je stálost barevného odstínu a lesku Výrobky vytvrzené pomocí aromatických polyizokyanátů (PUR aromatické) se vytvrzují rychleji, ale jsou mnohem méně vhodné pro expozici venkovním podmínkám, protože mají sklon k mnohem rychlejšímu křídování a změně barevného odstínu dle ČSN EN ISO 12944-5. Nátěrové hmoty vytvrzované vlhkostí Povlak se tvoří odpařováním rozpouštědla a vytvrzuje se chemickou reakcí se vzdušnou vlhkostí. Typickými pojivy jsou: polyurethany (jednosložkové), ethylsilikáty (dvousložkové), ethylsilikáty (jednosložkové). Je důležité dodržet pokyny výrobce nátěrových hmot, týkající se rozmezí relativní vlhkosti vzduchu a tloušťky mokrého a suchého povlaku, aby se zabránilo tvorbě bublin, pórů nebo jiných vad v povlaku. [4] Organické povlaky z nátěrových hmot Je to nejrozšířenějším způsobem povrchové úpravy výrobků. Dobře chrání před korozí, působí dekorativně, jsou snadno proveditelné a relativně finančně méně náročné. Po nanesení vytvářejí souvislý film. Základními složkami nátěrových hmot jsou - filmotvorné látky - plnidla - pigmenty - těkavé složky - rozpouštědla 28
- ředidla. Filmotvorné látky jsou netěkavé látky schopné vytvořit tuhý a souvislý film požadované tloušťky. Nejčastěji se užívají: - vysychavé oleje: lněný, tungový (z tungovníku srdčitého) - přírodní pryskyřice: kalafuna (tuhý zbytek po oddestilování terpentýnové silice z jehličnatých stromů), šelak (pryskyřice získaná z výpotků samiček různých červců), kopál (pryskyřice z některých tropických stromů) - deriváty celulózy: nitrocelulóza, acetylcelulóza - deriváty kaučuku: chlorovaný kaučuk, cyklizovaný kaučuk - asfalty: přírodní, získané z ropy - syntetické pryskyřice: alkalidy, epoxidy, vinylové polymery a další. K filmotvorným látkám řadíme také změkčovadla, která jsou přidány do nátěrových hmot pro zvýšení jejich pružnosti a vláčnosti po zaschnutí. Příklady změkčovadel jsou chlorovaný parafin .dibutylftalát, , chlorovaný difenyl atd.. Plnidla zlepšují ochrannou schopnost nátěru a upravují jeho hustotu. Mohou také působit jako inhibitory koroze. Známým plnidlem zvyšujícím ochrannou schopnost je suřík čili minium, Pb3O4, oxid olovnatý a oxid olovičitý v poměru 2:1. Pigmenty dodávají nátěrové hmotě zabarvení. Jsou to nejčastěji oxidy nebo soli kovů. Obsažené těkavé složky umožňují nanesení nátěrové hmoty na chráněný povrch. Poté musí z hmoty uniknout, jinak by znehodnocovali ochranné vlastnosti vrstvy. Rozpouštědla slouží rozpouštění filmotvorné látky. Je to například etylacetát, toluen, xylen, etylalkohol, aceton, terpentýnové silice. Ředidla mají složení shodné s rozpouštědly nebo vznikají smísením několika rozpouštědel. Slouží k úpravě tekutosti nátěrové hmoty.
29
Označování nátěrových hmot Pro zlepšení orientace byl zpracován systém označování nátěrových hmot. Označení se skládá z písmene, určujícího skupinu hmot, čtyřmístného čísla udávající druh hmoty a dalšího čtyřmístného čísla udávajícího barevný odstín. Podle povahy jsou nátěrové hmoty asfaltové
A
olejové
O
bezrozpouštědlové
B
syntetické
S
celulózové
C
polyuretanové
U
chlorkaučukové
H
vodové a emulzní
V
silikonové
K
pomocné přípravky
P
lihové
L
Podle druhu jsou nátěrové hmoty rozděleny a označeny následovně fermeže, bezbarvé a transparentně obarvené laky
1000
pigmentové barvy a emaily
2000
pasty
3000
tmely
5000
ředidla
6000
sušidla, tvrdidla, katalyzátory
7000
pomocné přípravky
8000
U barevných odstínů jsou uvedeny pouze příklady: 1000 až 1999 šedé, 2000 až 2999 hnědé, 5000 až 5999 zelené, 8000 až 8999 červené, 9000 až 9999 ostatní. [1]
30
3.6 Nátěrové systémy Klasifikace prostředí a povrchů určených pro nátěr Klasifikace vnějšího prostředí podle ISO 12944-2 se vnější prostředí dělí do následujících stupňů: Šest stupňů korozní agresivity atmosféry: C1
velmi nízká;
C2
nízká;
C3
střední;
C4
vysoká;
C5-I
velmi vysoká (průmyslová);
C5-M
velmi vysoká (přímořská).
Tři
korozní agresivity vody a půdy:
stupně Im1
ponor do sladké vody;
Im2
ponor do mořské nebo brakické vody;
Im3
uložení do půdy.
Povrchy určené pro nátěr, nové konstrukce Podklady, se kterými se setkáváme u nových konstrukcí, jsou z nízkolegované oceli stupně zarezavění A, B a C, podle ISO 8501-1, jakož i z oceli žárově zinkované ponorem a z oceli se žárově stříkaným povlakem (viz ISO 12944-1). Možnosti přípravy různých povrchů jsou popsány v ISO 12944-4. V ISO 12944 je pro každý stupeň korozní agresivity uveden podklad a doporučený stupeň jeho přípravy. Nátěrové systémy, nanesené na ocelové povrchy se stupněm zarezavění A až C (podle ISO 85011), nebo na oceli žárově zinkované ponorem nebo oceli se žárově stříkaným povlakem,
31
jsou typickými příklady systémů, které se používají v prostředích definovaných v ISO 12944-2. Tam, kde došlo k poškození oceli rozsáhlou důlkovou korozí (stupeň zarezavění D podle ISO 8501-1) se musí zvětšit tloušťka suchého povlaku nebo počet vrstev, aby kompenzovaly zvýšenou drsnost povrchu. Doporučení by se měla konzultovat s výrobcem nátěrových hmot. Pro stupeň korozní agresivity C1 se v zásadě nepožaduje žádná protikorozní ochrana. Pokud je nátěr z estetických důvodů nezbytný, lze vybrat systém určený pro stupeň korozní agresivity C2 (s nízkou životnosti). Pokud se nechráněná ocelová konstrukce, určená pro stupeň korozní agresivity C1, nejprve přepravuje, dočasně skladuje nebo montuje v nechráněném stavu (například v C4/C5 přímořském prostředí), objeví se koroze v důsledku působení kontaminujících látek/solí obsažených ve vzduchu a bude pokračovat i po přemístění ocelové konstrukce do prostředí se stupněm korozní agresivity 01. Tomuto problému se lze vyhnout buď tak, že během skladování bude ocelová konstrukce chráněna nebo bude opatřena vhodným základním nátěrem. Tloušťka suchého nátěru by měla odpovídat očekávané době skladování a agresivitě prostředí, ve kterém se nachází. [4]
3.6.1
Způsoby nanášení nátěrových hmot
- ruční - stříkáním
- pneumatickým - vysokotlakým - v ohřátém stavu - v elektrostatickém poli
- máčením - elektrochemicky - navalováním. 32
Ruční nanášení nátěrových hmot Ručně se nátěrové hmoty nanášejí štětcem, válečkem nebo zvláštní rukavicí. Tento způsob se hodí především pro kusovou výrobu a při větší sériovosti pouze tam, kde není možno použít produktivnější postupy a metody nanášení nátěrových hmot. Výhodou ručního nanášení jsou nízké ztráty nátěrové hmoty a její velmi dobré přilnutí k základnímu materiálu. Stříkání nátěrových hmot Stříkání se provádí rozprašováním nátěrové hmoty stříkací pistolí. K rozprášení dochází: - proudem vzduchu přiváděného hadicí do pistole (tzv. pneumatické nanášení) - statickým tlakem pístu nebo vhodné vzdušiny na hladinu nátěrové hmoty v zásobníku (tzv. vysokotlaké nanášení) - kmitavým pohybem pístu vně pistole (tzv. vibrační nanášení). Hustota stříkané nátěrové hmoty se upravuje jejím ohřevem nebo ředěním. V prvním případě je možno při jednom nástřiku nanést silnější vrstvu. Velké ztráty jsou při běžném stříkání tzv. přestřikem, tj. rozprašováním mimo nanášenou plochu. Úspornější metoda je stříkání v elektrostatickém poli. Částice stříkané hmoty procházejí prostorem elektrostatického pole, kde získávají elektrický náboj a usměrňují svůj pohyb k povrchu uzemněného předmětu na který stříkaná hmota přilne. Nanášení nátěrových hmot máčením Upravované předměty se vnořují do nátěrové hmoty a po vyjmutí se nechají okapat. Tento postup je poměrně snadné mechanizovat, proto je toto nanášení nátěrových hmot velmi produktivní a úsporný. Použití nalezne jak při výrobě kusové, rovněž při velkých seriích, ale pouze za předpokladu vhodných tvarů předmětů. Nevhodné jsou předměty s dutinami, ze kterých by nátěrová hmota nevytekla, a předměty, které se opatřují nátěrovou hmotou pouze na části svého povrchu.
33
Elektrochemické nanášení nátěrových hmot Upravované předměty jsou vnořeny do lázně speciální nátěrové hmoty ředitelné vodou. Jsou spojeny se zařízením, vytvářejícím stejnosměrné elektrické pole, pro jeho působením jsou částice nátěrové hmoty k povrchu předmětů přitahovány. Výhodou tohoto systému je možnost řídit tloušťku nanesené vrstvy regulací proudových hodnot. Navalování nátěrových hmot Používá se u velkých plochých výrobků. Nátěrová hmota o vyšší hustotě dopravena ze zásobníku pomocí válců a poté je přitlačena k povrchu výrobku. Předností této metody je velká úspora, výkonnost, a také dobrá automatizovatelnost, ale vyžaduje speciální strojní vybavení. Proto má uplatnění hlavně při vyšší sériovosti výroby. Sušení nátěrů Požadované vlastnosti, získává nátěrová hmota až po svém vysušení čili zaschnutí tj. odolnost proti korozi a vnějšímu namáhání. To může být podle vlastního mechanismu - fyzikální - chemické. Principem fyzikálního zasychání je odpaření těkavých látek, tj. rozpouštědel a ředidel. To znamená, že podmínkou zaschnutí je pohlcení těkavých látek okolním prostředím, například atmosférou. Fyzikálně zasychají nátěrové hmoty lihové, nitrocelulózové, chlorkaučukové, asfaltové a vodové. Fyzikálně zaschlé nátěrové hmoty je možno příslušným rozpouštědlem opět rozpustit. Podstatou chemického zasychání je chemická reakce mezi jednotlivými složkami nátěrové hmoty nebo popřípadě mezi nátěrovou hmotou a okolním prostředím. Především se jedná o reakce: polymeraci, oxidaci, oxypolymeraci, polykondenzaci nebo polyadici. V některých případech může probíhát i několik druhů chemických reakcí najednou. V první fází chemického zasychání je probíhá také odpaření těkavých složek. Chemicky zaschlé nátěrové hmoty není možno už opětovněrozpustit.
34
Tyto dva způsoby zasychání mohou podle povahy nátěrových hmot a vybavení výrobního provozu probíhat za zvýšené nebo běžné teploty. Dle toho parametru se schnutí rozlišuje do tří skupin: - zasychání za normální teploty, tj. při asi 20 °C, volně na vzduchu - přisoušení při teplotách od 40 do 60 °C - vypalování při teplotách 80 až 250 °C. Přisoušení a vypalování se provádí - ohřátým vzduchem - indukčně - infračerveným zářičem - ultrafialovým zářením - elektronovými zářiči. [1]
3.7 Kovové povlaky a vrstvy
Kovové povlaky a vrstvy se uchycují na chráněném materiálu třemi základními způsoby: - chemicky a elektrochemicky - fyzikálně - mechanicky. Svým elektrodovým potenciálem bývají vůči chráněnému kovu - ušlechtilejší, tj. tvoří katodu, potom chrání svou nepropustností - méně ušlechtilé, tj. tvoří anodu, poté fungují na principu elektrické katodové ochrany. 35
Ve druhém případě je protikorozní ochrany dosaženo nikoli rozpouštěním povlaku, ale vznikem vrstviček korozních produktů, které chrání a odolávají vůči další korozi. Jako příklad je možno uvést vznik kysličníku hlinitého na hliníku nebo mikroskopického povlaku kysličníků chrómu na jeho povrchu. Nejvyužívanější způsoby vytváření kovových vrstev a povlaků jsou: - elektrolytické pokovování - chemické pokovování - žárové úpravy - ponorem - napařováním ve vakuu - difusní - stříkáním - plátováním. 3.7.1
Elektrolytické pokovování
Pokovování elektrolytické je založeno na disociaci molekul kovových solí ve vodném roztoku na ionty při působení stejnosměrného proudu. Po rozložení solí přecházejí ionty kovu na katodu, ke které se vodivě připojí pokovovaný materiál, na němž se má vytvořit ochranná vrstva. Ionty druhé složky přecházejí na anodu. V principu existují dvě možná uspořádání: - anoda je nerozpustná, poté je nutno doplňovat roztok dalšími dávkami kovové soli - anoda je z nanášeného kovu, pak se ionty nekovové složky na anodě spojují s ionty emitujícími z anody za vzniku původní soli, která se znova rozkládá a proces následuje až do úplného rozpuštění anody. Lázně, ve kterých prováděno pokovování, obsahují nejen solí vylučovaného kovu ale také přísady udržující kyselost nebo alkalitu roztoku, zjemňující krystalizaci vylučovaného kovu zvyšující elektrickou vodivost roztoku, a násobí lesk. Nejčastěji vylučovanými kovy jsou měď, nikl, chrom, zinek, kadmium, cín a stříbro. 36
Měděné povlaky zejména slouží jako mezivrstvy pro pokovení složitějšími systémy nebo jako vlastní okrasná vrstva. Ve druhém případě je její ochranná funkce menší. Niklové povlaky se vyznačují lesklým vzhledem a nepropustností pro korozní činidla. Proto jsou využity pro funkci ochrannou i ozdobnou. Chromové vrstvy mají velkou odolnost proti korozi za normálních i zvýšených teplot, vyznačují se velkou tvrdost a otěruvzdornost. Při použití dekorativního chromování má tloušťku vrstvy 0,2 až 0,8 m, tvrdé chromování až 200 m. Tvrdé chromování se používá k vytvoření funkční vrstvy která odolá opotřebení na měřidlech, kluzných plochách, čepech, ale rovněž na vnitřních stěnách forem pro lití kovů a zápustek pro lisování. Zinkové vrstvy jsou založeny na principu anodového účinku dobře chrání ocel před atmosférickou korozí. Cínové vrstvy vynikají vysokou odolnost proti korozi. Umožňují také kvalitnější spojení součástí pájením. Nejsou jedovaté a proto jsou použity na předmětech, které přicházejí do styku s potravinami. Stříbrné povlaky a jejich hlavní využit pro zvýšení elektrické vodivosti v elektrotechnice a pro dekorativní účely v bižuterii, u nádobí a příborů a u hudebních nástrojů. 3.7.2
Chemické pokovování
Podstatou chemického pokovování je vylučování kovu z roztoku jeho solí a ulpívání na povrch chráněného materiálu redukcí. Lázeň se skládá především ze solí vylučovaného kovu, redukčního činidla, smáčedla a leskutvorných přísad. Účinnost redukčního činidla však není dostatečná k vyvolání samovolné reakce, která je spuštěna až vložením pokovovaných předmětů do lázně. Vyloučený kov se usazuje na povrchu předmětů velmi rovnoměrně a to na rozdíl od pokovování elektrolytického i v dutinách. Chemicky je možno vylučovat téměř všechny kovy. Nejčastěji se tak používá cínování, mědění, , chromování a niklování.
37
3.7.3
Žárové úpravy ponorem
Předměty určené k pokovení se ponořují do roztaveného kovu, na jehož hladině se vyskytuje tavidlo. Takto je možno vytvořit i povlaky o velkých tloušťkách a rovněž malou pórovitostí. Metoda je použitelná jen v případě, kdy nanášený kov chemicky reaguje s kovem základním. Pro ochranu ocelí se používá cín, hliník, zinek a slitiny olova s cínem nebo antimonem, zatímco samotné olovo k oceli nepřilne. Ze známých výrobků je touto metodou cínován plech na konzervy a ocelový drát, zinkovány ocelové plechy, dráty, pletivo a další, hliníkovány dráty a pásy. 3.7.4
Žárové úpravy difusní
Při difusních úpravách do povrchu chráněného kovu difunduje ochranný kov. Na povrchu se vytváří slitiny obou kovů ve formě tuhých roztoků nebo chemických sloučenin. Nejčastěji využití k difusi je používán zinek, chromu a hliníku , méně často titanu, berylia a niklu. Scherardování je difusní zinkování prováděné zahříváním předmětů v práškovém zinku za teploty 350 až 410 °C. Má ochranný účel. Alitování je difusní hliníkování s hlavním cílem dosažení žáruvzdornosti a korozní odolnosti ocelí. Provádí se žíháním v hliníkovém prášku. Inchromování je difusní chromování je prováděno ve směsi prášku chromu nebo v roztavených chromových solích při teplotě 900 až 1300 °C. Vzniklá vrstva má tloušťku od 0,05 do 0,3 mm a kromě odolnosti proti korozi se vyznačuje otěruvzdorností. 3.7.5
Žárové úpravy stříkáním
Žárové stříkání neboli metalizace je nanášení natavených částic ochranného kovu pomocí speciálních pistolí na povrch kovu základního. Do pistolí přichází nanášený kov ve formě taveniny, v prášku nebo jako drát. Ve druhém a třetím případě probíhá natavení plamenem nebo elektricky, nověji pomocí plasmy. Vrhání na povrch předmětů je za pomocí proudu vzduchu, s povrchem bude spojen difusí. Žárového stříkání se užívá k ochraně proti korozi, ale také bývá upotřebeno k renovaci opotřebených součástí, ochraně proti vysokým teplotám, opravám porézních odlitků a dalším účelům. Nejčastěji stříkanými kovy jsou zinek a hliník. 38
3.7.6
Žárové úpravy napařováním ve vakuu
Podstatou napařování ve vakuu je kondenzace a následné usazování
par kovů na
povrchu základního materiálu. K umocnění odpařování je v uzavřeném pracovním prostoru vytvářen podtlak (částečné vakuum). Výsledná vrstva je velmi tenká (do 1 m), vysoce lesklá. Metoda se používá při nanášení kovů s nižší teplotou odpařování. Typické jsou pro tuto metodu zrcadlové plochy vytvořené napařováním hliníku, například u automobilních reflektorů. Napařováním se dají vytvořit kovové vrstvy i na jiném základě než na kovu, například na plastech. 3.7.7
Žárové úpravy plátováním
Ochranná vrstva je vytvořena naválcováním, nalitím, navařením nebo napájením vhodného ochranného materiálu na chráněný základní materiál. Spojení nastává difuzí. Nejčastěji se nanáší hliník, mosaz, měď nebo nerezavějící ocel. [1]
4
METODA AKUSTICKÉ EMISE
Při testování plastických deformací kovů ve fyzikálních laboratořích vznikl pojem ,,Akustická emise“. Tento fyzikální jev vzniká při plastické deformaci kovů, kterou doprovází akustické akustický šum zjištěný uvnitř materiálu při plastické deformaci. Cílem detekce tohoto jevu v materiálech je odhalit nové doplňující informace o procesech plastické deformace a jejich výskytu a charakteru. S tímto jevem nazývaným akustická emise se již každý z nás setkal. Můžeme sem zařadit například všem známé popraskávání suché větve před zlomení. Toto popraskávání je slyšitelnou akustickou emisí, Tato emise je slyšitelná pouhým uchem avšak mnohem přesnější a citlivější je detekovat prasknutí ve větvi pomocí elastických napěťových vln šířících se tělesem od místa ,,prasknuti“. K detekci a vyhodnocení je nezbytné použit patřičný vyhodnocovací přístrojové vybavení. Toto přístrojové vybavení umožnilo vnik experimentální metody akustické emise.
39
Dle názvosloví EN 13390 akustickou emisí (AE) nazýváme elastické napěťové vlny generované dynamickým uvolněním mechanického napětí uvnitř tělesa nebo procesem působícím vnik elastických napěťových vln na povrch tělesa (např. poklepem).
4.1
AE zdroje parametrů signálu
Kompletní proces vzniku, detekce a vyhodnocení lze rozdělit do několika fází: 1) Událost zdroje AE ,zdroj AE, mechanizmus zdroje AE 2) Šíření napěťových vln, od zdroje AE k místu detekce snímačem AE 3) Detekce napěťových vln snímačem AE na povrchu tělesa – přeměna AE na povrchu tělesa v místě snímání na elektrický signál 4) Analogové zpracování a vedení elektrického signálu na vstup vyhodnocení signálu 5) Vyhodnocení výsledného elektrického signálu AE měřícím systémem K měření AE se běžně využívá více snímačů AE rozmístěných po tělese nebo po konstrukci. Tyto snímače, jsou rozmístěny tak, že tvoří měřící sít pokrývající měřený objekt. Toto měření nazýváme jako vícekanálové měření AE.
4.2 Zdroje Akustických emisí Zdroje AE jsou fyzikálního původu, můžou být zapříčiněny jednou či více událostmi AE. Fyzikální procesy které jsou příčinou akustických emisí jsou například plastická deformace spojena s poskoky dislokací neboli událostmi emitujícími AE. Může se také jednat o proces zdroje porušení materiálu doprovázené iniciací mikrotrhlin či mikropoprasků čela trhliny. Další možností je únik media pod tlakem a následná detekce AE a generace turbulencí. Tlaková fluktuace media ve štěrbině emituje akustický šum. Různorodost použití metody AE je dána typem zdroje akustické emise které lze indikovat snímači.
40
Princip vysoké citlivosti detekce metodou AE Míra vysoké citlivosti detekce spočívá ve dvou základních faktorech: Uvolněná energie růstává při rázovém zdroji úzce spjata s rázovou vlnou Dynamická měření umožňují řádově citlivější detekci posunů než měření statická
4.3 Vliv šíření AE tělesem na charakter detekované AE Vliv šíření AE tělesem na charakter zjištěné AE je zásadní, oproti šíření akustických vln vzduchem. Při šíření akustického signálu vzduchem se druh signálu nemění a je slyšitelný ve všech úhlech od zdroje srovnatelný jako signál vycházející ze zdroje akustické emise. U pevných těles tento efekt neplatí v závislosti na geometrii tělese muže být v různých částech tělesa značně odlišný. Geometrie tělesa značně ovlivňuje šíření akustických vln tělesem. Dále má závažný vliv časový úsek šíření vlny a také frekvenční charakter AE v místě detekce. Existují dvě základní charakteristiky šíření nezávislé na detailním rozboru síření vlnění, a to je standardní rychlost šíření signálce snímači od zdroje a také standardní útlum signálu se vzdáleností od zdroje.
4.4 Pokles detekovatelnosti se vzdáleností od zdroje Vzdálenost od zdroje zapříčiňuje pokles energie a amplitudy. Proto musíme dostatečně přesně určit či odhadnout útlum AE. Frekvence má taktéž zásadní podíl na dosah. Kvůli tomu je zapotřebí správně zvolit měřící síť a taktéž správnou frekvenci měření. Je nutné zvolit správnou vzdálenost snímačů v síti jak na dosah vln AE, tak na odolnost vůči vlivům rušivých zdrojů.
41
4.5 Přehled oblasti základní aplikace akustické emise 1. V provozních kontrolách konstrukcí, zařízeni, strojů,adaptérů Pro zkoušky tlakových nádob, zařízení, adaptérů ,potrubí, a to pro detekci narušení či postupu zjištěného defektu Pro zkoušky tlakových nádob, zařízení, potrubí, adaptérů za chodu a detekci narušení těsnosti či aktivity defektů Pří pevnostních zkouškách nosných konstrukcí a detekci narušení a aktivity defektů, konstrukcí kovových, kompozitních, betonových, či dřevěných Pří pevnostních zkouškách nosných konstrukcí a detekci narušení a aktivity defektů při provozu Pro detekci a zmonitorování úniku a netěsností tlakových systémů, detekce průchozí trhliny nebo netěsnosti přírub, ventilů či válců Pro detekci a snímání netěsností a úniku ze zásobních nádrži a tanků Pro detekci a snímání plošné koroze, i korozního popraskávání Zmonitorování porušování součásti strojů, snímání při provozu například přidírání ložisek jako dodatečná metoda ke standardní vibrodiagnostice strojů Při monitorování posuvu spojeného se stavebními či geotechnickými aplikacemi
2. Monitorování technologických procesů Monitorování technických procesů kovových materiálů a součástí v oblasti strojírenství: sváření zahrnujeme i chladnutí svaru,chladnutí odlitků a také monitorování obrábění Monitorování procesů technologických které jsou mimo strojírenství, tahle oblast je velice široká a nabízí velkou řádku uplatnění aplikaci pro přesnou specializaci, můžeme sem zařadit monitorováni technologických procesů, od testů kvality až po testy defektu pájení elektronických obvodů nebo výboje v transformátorech 3. Oblast výzkumu a vývoje Obsahuje velký výčet aplikací a použití od obecných až k vysoce specializovaným aplikacím, využití při mechanických zkouškách materiálu 42
Výhody AE
Výhodou zkoušek AE je, že jsou prováděny za skutečných podmínek. Při reálném zatížení zařízení či konstrukce se naplno projeví defekt a jeho skutečná závažnost a rozsah. Zkoušky probíhají za reálného působení sil jejich orientaci napětí, také teplotních stavech a napětích materiálu v dané situaci a reálném stavu materiálu a jeho degradace v místě defektu. Princip který zobecněl při tlakových zkoušce znamená, že pokud nezjístíme rozvoj porušení při maximálních stimulech porušení, pak se jedná o doklad konstrukce během provozních podmínek.
Nevýhody AE
Metoda není schopná detekovat neaktivní, statické defekty nebo jejichž aktivita je malá. Je nutné vyvolat nějaký stimul iniciace aktivity AE, například konstrukci zatížit nebo testované zařízení uvést do pracovních podmínek. Dalším omezením až nevýhodou této metody je že není opakovatelná aktivita defektu je jev nevratný. Dalším rušivým elementem při zatížení nebo provozu konstrukce a tudíž nejvyšší vyvolaným stimulem pro monitorování aktivity defektů, může být i stimulem nežádoucím rušivého charakteru, který přehluší a znemožní detekci nebo velice zkomplikuje vyhodnocení měření a nález defektu a následný závěr z měření může být nejasný. [5]
43
4.6
Základní typy zdrojů AE
Kalibrační zdroj AE Neboli Pen Test představuje základní zdroj AE, se kterým se každý v oboru AE setkává. Pen Test reprezentuje náhlé skokové odlehčení síly kolmo tlačící na povrch desky. V případě Pen Testu tuhy 2H síly 0,3 mm se jedná o odlehčení síly cca 0,8 až 1,0 N. V případě Pen Testu tuhy 2H síly 0,5 mm se jedná o odlehčení síly cca 2,0 až 2,5 N. Základní pozitivní vlastnosti Pen Testu je uvolnění relativně velkého množství energie ve formě AE v podobě ostrého pulsu a daného časového trvání řádově setin µs. Tzn. Pen Test generuje velice ostrý puls AE se všemi frekvencemi zastoupenými rovnoměrně do cca 10 MHz. Pen Test resp. skokové odlehčení axiální síly (kolmé k povrchu) je využíván ke kalibraci, a nejen ke kalibraci snímačů na tělese či konstrukci, tak k absolutní kalibraci snímačů uvedené v normě ASTM E1106-86 (lom skleněné kapiláry) „Standard Method for Primary Calibration of Acoustics Emission Sensors“. Na (obr. 1) vidíme posuvy kolmo k povrchu plochy v místě vzdáleném 50 mm od místa Pen Testu (odlehčení 1 N) na poloprostoru či tlusté desce. Vidíme dominující špičku povrchové vlny (špičku propadu - záporných posuvů povrchu tělesa). [6]
Obr.1 Kalibrační test snímačů akustické emise (http://ime.fme.vutbr.cz/files/Studijni%20opory/MAE/index.php)
44
Klepnutí tyčí nebo kuličkou na povrch materiálu Ve srovnání s Pen Testem je klepání na povrch tělesa naprosto nevhodným nereprodukovatelným kalibračním zdrojem AE. Při klepnutí tyčkou do kovu dojde opět k působení síly na povrch tělesa. Ovšem doba trvání se výrazně zvýší a nárůst síly bude v tomto případě přibližně několik milisekund. Rázy na povrch tělesa jsou tedy z hlediska AE tupé.
Energie signálu, jednorázový poskok defektu v materiálu Akustická emise je následek fyzikálního zdroje je např. uvolnění mechanické energie a napětí v důsledku rychlé změny tzv. poprask defektu uvnitř zatěžovaného materiálu. Poskok defektu může být : Odtržení dislokace od překážky či vytržení dislokace z atmosféry příměsových prvků Protrpí překážky či vznik mikrotrhliny nahromaděním dislokací typu ,,pile-up“ Vznik křehké mikrotrhliny,dekoheze či lom nekovových složek materiálu Protržení můstku mezi trhlinou a mikrotrhlinou či poskok trhliny
Faktory ovlivňující detekovatelnou AE při porušování materiálu
Rychlejší poskok defektu (křehčí) vyzařuje úměrně vyšší intenzitu AE oproti poskoku pomalému (houževnatější). Rychlejší poskok vyzařuje AE též ve vyšších frekvencích (na úrovni stovek kHz a jednotek MHz). Naopak u pomalejších mechanizmů (houževnatějších) vedle toho, že emitují menší část energie ve formě AE bývá tato energie soustředěna do nižších frekvencí (desítek až jednotek kHz). Detekce houževnatých
mechanizmů porušení bývá na vyšších frekvencích omezená. Vliv
rychlosti, tzv. křehkosti vers. Houževnatosti mechanismu porušení též vysvětluje obvyklé v literatuře uváděné dva sloupce faktorů posilujících či oslabujících intenzitu AE. 45
Obecně platí, že faktory posilující houževnatost odezvy materiálu na zatížení oslabují intenzitu AE a naopak faktory oslabující houževnatost odezvy materiálu na zatížení posilují intenzitu AE.
Zdroje akustické emise při deformaci a porušování materiálu Jejich základní mechanismy Tak jako existuje široké spektrum nejrůznějších materiálů, rovněž existuje široké spektrum nejrůznějších mechanizmů porušení. Při porušování kovových materiálů se setkáváme s následujícími mechanismy iniciace porušení v izolovaných mikrotrhlinách či růstu porušením čele trhliny:
Při plastické deformaci kovových materiálů Deformace probíhá díky pohybu dislokací, který není spojitý a je doprovázen řadou mikropoprasků. Jednotlivé mikropoprasky dislokací jsou však několik řádů pod prahem detekovatelností AE. Při plastické deformaci však dochází k ohromnému množství poskoků dislokací součastně.
Poskoky uvolňují velké množství malých kvant energie AE , jež se čítají, superponují a vytvářejí akustický šum spojité AE to vysvětluje proč je v tomto případě intenzita AE úměrná objemu plasticky deformovanému materiálu a rychlosti deformace (četnosti – výkonu popraskávání- poskoků dislokací). [5]
4.7 Zdroje AE při delaminaci Adsorpce, při níž vzniká mezi molekulami adsorbátu a molekulami povrchu adsorbentu chemická vazba. Protože vazba může vznikat jen mezi určitými molekulami, považujeme chemisorpce za velmi specifickou. 46
S přihlédnutím k tomu, že k vytvoření chemické vazby je za potřebí aktivační energie, probíhá chemisorpce často pouze na určitých místech povrchu, která mají vyšší energii, na tzv. aktivních centrech. Je evidentní, že chemisorpcí se může absorbovat na povrchu pouze jedna vrstva molekul - chemisorpce je monovrstvá. Vzniká-li při adsorpci více vrstev, jsou druhá a další vrstvy vázány už pouze fyzikálními silami. Adsorpční tepla při chemisorpci bývají řádově srovnatelná s teplem reakčním (desítky až stovky kJ). Chemisorpce je ve srovnání s fyzikální adsorpcí pomalá, zvláště při nižších teplotách. [7] Porušení chemisorpčních vazeb, zdroje akustických vln Výsledkem chemisorpční vrstva je daleko silnějších vazebných sil, jež jsou srovnatelné se silami vedoucími ke vzniku chemických sloučenin. Oproti fyzikální adsorpci, při chemisorpci dochází k procesu přenosu nebo sdílení elektronů mezi adsorbentem a adsorbovanou látkou. Vzniklá vazba je proto mnohem silnější a lze hovořit o tvorbě jakési povrchové sloučeniny. Tento děj je nevratný. K pozdějšímu uvolnění vazby je nutná vyšší teplota a desorbovaná látka je odlišná od adsorbované. Adsorpce molekul na povrchu tuhé fáze je vždy doprovázena uvolněním tepla (exotermní děj). Adsorpční teplo poukazuje energii převzatou pohybujícím se molekulám. Při fyzikální adsorpci se tato energie pohybuje v rozmezí 300 – 3000 J/mol. Při chemisorpci je v mezích 40 – 400 kJ/mol. Přesto není možné využít hodnoty uvolněné energie pro rozlišení obou pochodů, neboť v některých případech se chemisorpční teplo jen málo odlišuje od tepla fyzikální adsorpce nebo dokonce bývá srovnatelné. Převést vzniklé teplo na energii akustické emise zatím nelze. Chemisorpce se dále liší ve specifičnosti adsorpčního procesu. Chemisorpce je specifická. Chemisorpce je vždy monomolekulární, ačkoli během fyzikální adsorpce může vzniknout na povrchu adsorbentu větší množství vrstev adsorbovaných nad sebou. V takovémto případě hovoříme o polymolekulární adsorpci. Jednoznačně lze chemisorpci od fyzikální adsorpce rozlišit na základě informací infračervených spekter adsorbovaných molekul. Ze spekter se dá na první pohled zjistit, zda došlo ke vzniku nových vazeb (chemisorpce), či nikoliv (fyzikální adsorpce). [8]
47
4.8 Odtrhová zkouška Zkoušky přilnavosti povlaků anorganických i z nátěrových hmot se provádí pro zjištění reálného parametru přilnavosti mezi jednotlivými vrstvami nátěrových hmot nebo mezi povlakem a samotným povrchem. Tahové, nebo tahově adhezní zkoušky můžou být provedeny v laboratoři nebo v terénu s použitím odtrhového přístroje. Zlomový parametr všech povrchových úprav je kontaktní spára (nebo kontaktní spáry ve vícevrstvých systémech, zapříčiňující účinnost spojení povrchové vrstvy s podkladem, stejně jako pro určení účinnost spojení jednotlivých vrstev. Úspěšné nanesení povrchové vrstvy je mnohdy podmíněno předchozí úpravou podkladu nebo základní či předchozí vrstvy. Odtrhová zkouška je jedinou cestou, jak určit vhodnost a kvalitu úpravy podkladu nebo předchozích vrstev a jejich schopnost k úspěšnému nanesení další vrstvy. [9] Tahové zkušební zařízení Vhodné zařízení pro provedení vybraného postupu. Použitá síla v tahu musí byt ve směru kolmém k rovině natřeného podkladového materiálu a musí se zvyšovat rovnoměrnou rychlosti, nepřevyšující 1MPa/sJ), tak aby k roztržení zkušební sestavy došlo do 90 s. Zkušební tělíska Každé tělisko je z oceli nebo hliníku, speciálně navržené k použití s trhacím zkušebním zařízením Každé telisko má pevnou, rovnou základnu pro spojení lepidlo/nátěr na jedné straně a zařízeni pro uchycení v trhacím zkušebním zařízen, na straně druhé. Každé zkušební tělísko má nominální průměr 20 mm. Postup zkoušky používající pouze jedno tělísko z jedné strany (vhodná pouze pro tuhé podklady) Na nenatřený, čerstvě očištěný povrch tělíska se rovnoměrně nanese lepidlo. Tělísko s lepidlem se umísti na nátěr na dobu rovnající se době vytvrzení lepidla. Pokud není odsouhlaseno jinak na konci teto doby se opatrně použitím řezného nástroje ořízne povlak okolo tělíska až na základní materiál aby byla porušena soudržnost povlaku. Následně se provede zkouška odtrhu pomocí odrthoměru. [10]
48
5
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST -
Ověření navržené metodiky měření přilnavosti nátěrů, akustický zápis porušení adheze nátěru.
5.1 Měření akustické emise při odtrhu nátěru Měření odtrhu s pomocí piezoelektrických snímačů akustické emise bylo zvoleno kvůli zjištění chování nátěru při odtrhu a hodnot doprovázející procesy trhání chemisorpčních vazeb nátěru. 5.1.1
Příprava zkušebních pomůcek a vzorku
Při měření byl použity mechanický odtrhoměr Elcometer 106 a dvanáct testovacích panenek. Použití tohoto přístroje je zejména na měření přilnavosti nátěrových hmot, proto se na měření akustické emise při odtrhu přesně hodil. Měření a jeho princip je následující, na měřené vzorky se lepidlem přilepí testovací panenka, která se po vytvrdnutí lepidla pomocí odtrhoměru odtrhne. Po odtržení testovací panenky odečteme na stupnici odtrhoměru největší dosažené napětí v tahu v Mpa.
Obr.2,3 Odtrhoměr Elcometer 106 (autor BP) 49
Tab. 1 Parametry přístroje Elcometer 106 použitelný v souladu s:
ROZMĚRY PŘÍSTROJE hmotnost celkem rozměr panenky
ANSI N5.12 ISO 4624 ASTM D 4541 BS EN 24624 NF T 30-062 výška 152mm průměr 76 mm 2,1 kg průměr 20 mm 314 mm2
Jako použité vzorky byly použity ocelové plechy. Které byly odmaštěné očištěné od nečistot a poté byla nanesena nátěrová hmota, která vytvrdila na povrchu plechu při podmínkách daných výrobcem. Pro měření byly vybrány a použity tři nátěrové hmoty. Avšak pro námi prováděné testy vyšla jako vhodná pouze jedna a to Eternal mat akrylový. U ostatních vzorků byl nedokonale odmaštěný povrch, proto jejich výsledky nebyly použitelné pro měření akustické emise. Na každý vzorek byly nalepeny dvě testovací panenky. Pro lepení panenek bylo použito lepidlo PERMABOND 910. Jedná se o tepelně odolné sekundové lepidlo.
Obr. 4 Sekundové lepidlo na kovy PERMABOND 910 (autorBP) 50
Tab. 2 parametry lepidla Permabond Použití
kov,kov-guma,plast
Viskozita(mpa*s)
100.
Maximální spára (mm)
0,125.
Pevnost v tahu (Mpa)
30.
Manipulační pevnost (s)
40.
konečná pevnost (hod)
24.
Tepelná odolnost ©
do 95
5.1.2
Metodika měření
Po nanesení lepidla byly testovací panenky po dobu 24 hodin zatíženy konstantním tlakem. Po dosažení 24 hodin bylo dosaženo maximální pevnosti lepidla a jeho charakteristik dle výrobce. Další postup před měřením je pomocí kruhového vrtáku (obr.5) obřezat nalepené panenky a tím narušit kontinuitu nátěru. Obřezání je nutné k dosažení odtržení pouze nátěru přilepeného k panence bez působení soudržných sil okolního nátěru.
Obr. 5 Kruhový vrták s ruční násadou (autor BP) 51
Na přichystanou testovací panenku nasuneme odtrhoměr s vynulovanou stupnicí a šroubováním se zvyšuje tahová síla působící kolmo na testovaný povrch, dokud se panenka neutrhne. Před započetím odtrhu připojíme na daný testovaný vzorek piezoelektrický snímač akustické emise. Poté je zahájen odtrh.
Obr 6,7 měření odtrhu s měřením akustické emise (autorBP)
Obr.8 odtržené vzorky s plechovkou nátěrové hmoty (autor BP) 52
5.1.3
Naměřené výsledky
Obr.9,10 Výsledky odtahové zkoušky, vzorek a testovací panenka (autorBP)
53
Na obr. 9,10 jsou zobrazeny testované vzorky u kterých byla naměřena data akustické emise pomocí piezoelektrického snímače. Tyto data jsou zpracována pomoci výsledného grafu RMS a maxima událostí evn .
RMS mV 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Obr.11 RMS barvy RMS signálu (z anglického Root Mean Square) označuje tzv. efektivní hodnotu signálu. U střídavého napětí je RMS rovno hodnotě stejnosměrného napětí, které by při přiložení na odporovou zátěž dávalo stejný průměrný výkon. Jednotkou RMS je V. tato hodnota odpovídá o kvantitativní charakteristice naměřených událostí akustické emise (množství energie).
54
sec
evn num 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Obr.12 Události při měření odtrhu barvy
Funkce evn událostí akustické emise (z anglického Power Spectral Density) označuje spektrální výkonovou hustotu.
5.1.4
Bezpečnostní a technický list barvy Eternal mat akrylový
Vlastnosti: ETERNAL mat akrylátový je vodou ředitelná nátěrová hmota pro venkovní i vnitřní použití připravená z vodné disperze akrylátových kopolymerů, pigmentů, plniv a speciálních aditiv. ETERNAL mat akrylátový tvoří hedvábně matné nátěry s vysokou odolností na povětrnosti. Technické údaje: Sušina min. 50 hm. % Spec. hmotnost 1,3 g/cm3 Objemová sušina 38,0 ± 1,0 obj. % pH 8,0–10,5 55
sec
Konzistence (4 mm/23 °C) min. 20 s Mrazuvzdornost 500 cyklů (bez změny) Přídržnost k podkladu 3,0 MPa Složení: Směs vodné akrylátové disperze, pigmentu, plniv a aditiv Chemický název: 2-butoxyetanol Obsah v %: 2 5.1.5
Diskuze výsledků
Z naměřených údajů vyplývá, že při testech odtrhu hraje velkou roli příprava povrchu. Hlavním faktorem úspěšného měření, u námi vybraného vzorku, bylo kvalitní odmaštění povrchu před nanesením nátěru, dále přesně dodržený postup lepení daný výrobcem. Díky těmto dodrženým faktorům se u vzorku ETERNAL mat akrylátový podařilo naměřit, pomoci piezoelektrickým snímačům akustické emise, záznam trhání vrstev nátěrů z povrchu testovacího plechu. A tyto hodnoty byli zaznamenány v (obr. 9,10) . Záznamy potvrdily u nátěru ETERNAL mat akrylový postupné porušování vazeb chemisopčních vrstev od podkladu. Pro lepší ověření navrženého testování je nutno provést rozsáhlejší zkoušky. Nejen na jednom nátěru ale na celé skupině nátěrových hmot. Je nutno dodržovat kvalitní přípravu povrchu.
56
6
ZÁVĚR
Bakalářská práce na téma Akustický signál při zkoušce odtrhovu je rozdělena do pěti částí. První část se zaměřuje na seznámení s druhy koroze a jejími vlastnostmi a na protikorozní opatření. Dále jsou hodnoceny nátěrové hmoty a technologiemi jejich aplikace. Dále shrnuje protikorozní opatření pokovováním povrchu. Akustická emise jejími principy a seznamení s touto nedestruktivní metodou testování materiálů. Obsahem další teoretické části jsou principy odtrhové zkoušky a její uplatnění v testování nátěrových hmot jsou uvedeny v závěru teoretické části. V praktické části byl proveden pilotní test nátěrové hmoty odtrhem a s pomocí snímače zaznamenána akustická emise porušování chemisorpčních vazeb mezi nátěrem a podkladem. Teoretická část souhrnně přináší nejdůležitější poznatky v těchto oblastech: protikorozní ochrana nátěrové systémy normy nátěrových hmot metoda akustické emise odtrhová zkouška V experimentální části byl proveden pilotní test metodou akustické emise při odtrhu nátěrových hmot dne ČSN 4624. Tato metoda se na jednom vzorku potvrdila, zbylé dva vzorky nesplnily podmínky odtrhové zkoušky, zřejmě kvůli nedokonalé úpravě povrchu. Pro řádné potvrzení navržené metody je zapotřebí provést celou řadu testů různých nátěrových hmot a nátěrových systémů. S důrazem na smluvní přípravu podmínek adheze protikorozního povlaku (odmaštění, omytí, příprava kotvícího profilu a splnění podmínek aplikace nátěrových hmot daných výrobcem).
57
7
LITERATURA
[1] Definice koroze [online], [cit 2012-2-3], dostupné z WWW: [2] Redoxní děje [online], [cit 2011-1-3], dostupné z WWW: [3] Význam oxidace a redukce [online], [cit 2011-1-3], dostupné z WWW: [4] ČESKÁ TECHNICKÁ NORMA Nátěrové hmoty - Protikorozní ochrana ocelových konstrukcí ochrannými nátěrovými systémy EN ISO 12944-5, 36s [5] Bernard & Kopecký: 2008, Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí,Akademické nakladatelství,brno,569s [6] kalibrační test [online], [cit 2011-1-3], dostupné z WWW: [7] AE zdroje delaminace [online], [cit 2011-1-3], dostupné z WWW: [8] Chemisorpce [online], [cit 2011-1-3], dostupné z WWW: < http://web.vscht.cz/laskat/TVTP/text.txt> [9] Odtrhová zkouška [online], [cit 2011-1-3], dostupné z WWW: [10] ČESKÁ TECHNICKÁ NORMA přilnavosti ČSN-EN-ISO-4624,s20
58
8
OBRÁZKY
Obr. 1 Kalibrační test snímačů akustické emise (http://ime.fme.vutbr.cz/files/Studijni%20opory/MAE/index.php) Obr. 2 Odtrhoměr Elcometer 106 (autor BP) Obr. 3 Odtrhoměr Elcometer 106 (autor BP) Obr. 4 Sekundové lepidlo na kovy PERMABOND 910 (autorBP) Obr. 5 Kruhový vrták s ruční násadou (autor BP) měření odtrhu s měřením akustické emise (autorBP) Obr. 6 měření odtrhu s měřením akustické emise (autorBP) Obr. 7 měření odtrhu s měřením akustické emise (autorBP) Obr. 8 odtržené vzorky s plechovkou nátěrové hmoty (autor BP) Obr. 9 Výsledky odtahové zkoušky, vzorek a testovací panenka (autorBP) Obr. 10 Výsledky odtahové zkoušky, vzorek a testovací panenka (autorBP) Obr. 11 RMS barvy Obr. 12 Události při měření odtrhu barvy
59
