SERBIATRIB ‘13
Serbian Tribology
Society
13th International Conference on
Tribology
Faculty of Engineering
in Kragujevac
Kragujevac, Serbia, 15 – 17 May 2013
UTICAJ POVRŠINE PODLOGE NA
KARAKTERISTIKE PREVLAKA CINKA
Desimir Jovanović1, Bogdan Nedić2, Milomir Čupović3, Vlatko Matrušić4
1
2
Zastava oružje AD, Kragujevac, Srbija, [email protected]
Univerzitet u Kragujevcu, Fakultet inženjerskih nauka, Kragujevac, Srbija, [email protected]
3
Državni univerzitet u Novom Pazaru, Srbija, [email protected]
4
Strojarski fakultet, Slavonski Brod, Hrvatska, [email protected]
Abstract: Galvanske prevlake cinka se nanose da bi površina osnovnog materijala dobila odgovarajuća
svojstava, kao što su: otpornost prema koroziji, hemijska postojanost, potreban estetski utisak i dr.
Ispitivanja galvanskih prevlaka cinka usmerena su najčešće vezu Zn sa osnovnim materijalom, dok je veoma
malo podataka o uticaju podloge na karakteristike prevlaka. Prethodna završna obrada ima veliki uticaj na
formiranje fizičko-mehaničkih svojstava i strukture prevlake. U radu su prikazani rezultati istraživanja
karakteristika prevlaka cinka istaloženih na podlozi dobijenoj različitom završnom obradom sa različitom
tvrdoćom i topografijom.
Keywords: galvanske prevlake cinka, tvrdoća, topografija
1. UVOD
Uticaj vrste postupka obrade i uslova prethodne
obrade kao i pripreme površina na koje se nanose
prevlake, odnosno tehnološkog nasleđa, je veoma
malo istraživan. Površinski slojevi obrađenih
površina dobijenih različitim postupcima obrade i
režimima mogu imati različitu strukturu, što se tek
u period eksploatacije može ispoljiti. Prema tome,
može se reći da se karakteristike površinskih
slojeva formiraju kao rezultat različitih uslova
obrade u tehnološkom lancu izrade gotovog dela.
Osnovni parametri koji se nasleđuju kroz
tehnološki proces izrade mogu se podeliti na dve
grupe. S jedne strane to su parametri vezani za
svojstva materijala: njegov sastav, strukturu,
naponsko stanje i dr., dok su sa druge strane
parametri vezani za makro i mikrogeometriju
površina (geometrijski parametri) [1,2]. To ukazuje
na kompleksnost problema i potrebu izučavanja.
Prevlake cinka se najviše koriste za zaštitu
čeličnih površina od korozije. Elektrohemijske
prevlake cinka mogu imati različite morfologije i
teksture. Kada su ove pojave u pitanju većina
istraživanja se odnosi na uticaj standardnih
parametra pri taloženju prevlaka kao što su
414
gustina struje, temperatura, sastav kupatila [6-10],
dok je znatno manje pažnja posvećeno značaju
pripreme površine čelične podloge. Istraživanja
uticaja stanja podloge za taloženje prevlaka cinka
polirane mehanički [11.12] ili elektrohemijski [1014]. pokazuju da se morfologija i tekstura prevlake
na ovim površinama znatno razlikuju.
Završna obrada površina ima veliki uticaj na
formiranje fizičko - mehaničkih svojstava i
strukture površinskog sloja. U radu se vrši
istraživanje uticaja prethodne obrade površina i
debljine prevlake na mehaničke i hemijske
karakteristike prevlake cinka.
2. EKSPERIMENTALNA ISPITIVANJA
Kao osnova za nanošenje prevlaka odabran je
čelik Č5730 (prema GOST-u 30HN2FA 1).
Odabrani čelik se koriste za izradu cevi streljačkog
oružja. Hemijski sastav osnove je prikazan u tabeli
1. Uzorci za ispitivanje su pločice dimenzija 15 x
10 x 6.3 mm (prema ASTM G 77). Nakon izrade
uzoraka glodanjem, izvršena je termička obrada
poboljšanjem na različite tvrdoće. Završna obrada
uzoraka vršena je na više načina, brušenjem sa više
režima, poliranjem, peskarenjem. Na ovaj način su
13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13
dobijene različite karakteristike površinskog sloja i
različite topografije površina uzoraka.
Mikrogeometrija podloge za nanošenje prevlaka
snimana je na kompjuterizovanom mernom
uređaju Talysurf-6, koji omogućava kompleksno
praćenje kontaktnih površina. Korišćenjem ovog
mernog sistema dobijena je informacija o početnoj
mikrogeometriji kontaktnih površina uzoraka.
Tabela 1. Hemijski sastav osnove Č5730
element
hemijski sastav %
1
C
0,27 -0,34
2
Mn
0,30 - 0,60
3
Si
0,17 -0,37
4
Ni
2,0 -2.4
5
Cr
0,60 - 0,90
6
Mo
0,20 - 0,30
7
V
0,10 -0,18
8
S
max 0,025
9
P
max 0,025
10
Cu
max 0,25
 ispiranje u protočnoj vodi,
 dekapiranje u razređenoj hlorovodoničnoj
kiselini u odnosu 1:1,
 ispiranje vodom,
 elektro-hemijsko
nanošenje
prevlake
cinka,
 sobna temperatura nanošenja prevlake
 jačina struje I =3 A/dm2
 prosvetljavanje u 2% rastvoru HNO3 u
trajanju od 50 sekundi,
 ispiranje u protočnoj vodi,
 sušenje toplim vazduhom.
Nanošenje prevlaka cinka je vršena tako što su
uzorci postavljani u vertikalni položaj, usmereni na
isti način. Tačkom "A" na uzorku (slika 1) je
označena gornja strana uzorka. Merenje lokalne
debljine prevlake cinka vršeno je na 15 tačaka
prema šemi površine uzorka prikazanoj na slici 1.
15
13,5
10,5
7,5
4,5
1,5
A
Nanošenje galvanskih prevlaka je vršeno u
pogonu za galvanizaciju fabrike "Zastava oružje" u
Kragujevcu. U tabeli 2, date su karakteristike
osnovnog materijala na koji je nanošena prevlaka.
Tabela 2. Karakteristike podloge uzoraka
Uzorak
broj
Vrsta
obrade
Ra
m
Tvrdoća
podloge,
HRC
35
0.818
38
45
0.719
39
0.844
19
0.720
37
0.600
35
0.550
38
0.870
35
118
brušenje
10
12
33
32
šmirglanje
peskarenje
Prevlake cinka su taložene u programiranom
režimu rada jednosmernom strujom, po zadatom
planu eksperimenta. U toku procesa taloženja,
parametri jednosmerne struje su kontrolisani i
regulisani u zadatim granicama. Korišćene anode
su napravljene od olova sa 10 % kalaja.
Nanošenje prevlaka cinka je vršeno na sledeći
način:
 alkalno bezcijanidno odmašćivanje sa
industrijskim deterxentom,
13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13
1,5
5
8,5
10
Slika 1. Šema mesta merenja debljine prevlake
Karakteristike (srednja vrednost debljine i
hrapavost) istaloženih prevlaka date su u tabeli 3.
Na slici 2, data je topografija prevlaka za uzorke
10, 12, i 32.
Tabela 3. Karakteristike prevlaka
Uzorak
broj
Ra
prevlake
m
1
35
1.070
8.85
2
45
1.120
28.90
3
118
1.130
23.87
4
10
1.640
20.16
5
12
2.360
36.57
6
33
2.61
32.26
7
32
1.180
10.57
Debljina
prevlake µm
415
Visina neravnina , µm
10
5
0
-5
-10
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.00
1.25
1.00
1.25
Duzina profila , mm
a) uzorak 10
Visina neravnina , µm
10
5
0
-5
-10
0.00
pre nanošenja prevlake
0.25
0.50
0.75
Duzina profila , mm
b) uzorak 12
Visina neravnina , µm
10
5
0
-5
-10
0.00
0.25
0.50
0.75
Duzina profila , mm
c) uzorak 32
Slika 2. Topografija nakon nanošenja prevlaka za
uzorke 10, 12 i 32
Na slici 3. prikazan je izgled uzoraka pre i posle
nanošenja prevlaka.
posle nanošenja prevlake
b) uzorak 12
pre nanošenja prevlake
pre nanošenja prevlake
posle nanošenja prevlake
posle nanošenja prevlake
a) uzorak 10
c) uzorak 32
Slika 3. Izgled uzoraka pre i posle nanošenja prevlake
3. ANALIZA REZULTATA
Na svim uzorcima prvo je izvršen pregled
spoljašnjeg izgleda. Izgled prevlake praćen je
416
13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13
vizuelno, na dnevnoj svetlosti, pod uglom od
45º. Površina prevlake kod svih uzoraka je sjajna i
glatka. Nema dendrita, pregorelih i nepokrivenih
mesta.
Debljina prevlake cinka je merena na 15 mesta
prema datom planu na slici 1. Na graficima, na
slici 4, na osnovu rezultata merenja, prikazana je
raspodela debljine prevlake po površini uzorka.
Na osnovu ovih grafika se može zaključiti da
debljina po širini i dužini uzorka odstupa i
neravnomerna je. Najveće vrednosti za debljinu
prevlake su izmerene na središnjem delu uzorka na
dužini 13,5 mm od početka. Početak uzorka je
označen tačkom "A". To je tačka koja označava
gornju stranu uzorka pri nanošenju cinka.
Debljina prevlake, µm
30
Širina uzorka, mm
25
20
1.5
15
Ispitivani uzorci su zadovoljili zahteve standarda. Prianjanje nanetih prevlaka cinka je dobro, nisu
uočene promene na prevlaci cinka koje bi ukazale
na odvajanje prevlake od osnovnog materijala,
podloge.
Koroziona stabilnost prevlaka cinka određivana
je praćenjem uzoraka tokom dužeg vremena
izlaganja dejstvu rastvora 3% Na Cl, u skladu sa
ASTM B117-64 metodom. Ispitivani su uzorci
različitih karakteristika (hrapavost i tvrdoća
podloge, debljina prevlake), tabela 2. Rezultati
praćenja korozione stabilnosti prevlaka cinka su
pokazali da nije došlo do pojave korozije, tako da
se ne može uspostaviti veza između parametara
prethodne obrade i korozione otpornosti.
Tribološkim ispitivanjima na tribometru blokon-disk merena širina traga habanja na bloku i na
taj način određivana otpornost na habanje kao
parametar habanja površini sa prevlakom cinka na
ispitivanim blokovima (slika 5).
5
10
8.5
5
0
1.5
4.5
7.5
10.5
13.5
Dužina uzorka, mm
a) uzorak 45
Debljina prevlake, µm
25
20
Širina uzorka, mm
15
1.5
5
10
8.5
5
0
1.5
4.5
7.5
10.5
13.5
Dužina uzorka, mm
b) uzorak 118
Slika 4. Raspored debljine prevlake
Ispitivanje metodom termičkog šoka vršeno je
prema standardu ISO 2819-1980. Uslovi ispitivanja:
 Temperatura zagrevanje uzoraka T=2000C
(prema standardu T =1800 - 2000 C),
 Vreme zagrevanja 1 sat.
 Kvašenje mlazom hladne vode.
Posle zagrevanja prema uslovima datim
standardom uzorci se izlažu mlazu hladne vode.
Prevlaka mora da ostane nepromenjena, ne sme da
dođe do pojave odslojavanja prevlake sa osnovnog
materijala, podloge.
13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13
Slika 5. Trag habanja na bloku
Ispitivanje habanja prevlaka su vršena na
tribometru TR-95 sa kontaktom blok-on-disk u
Centru za obradu metala rezanjem i tribologiju
Fakulteta inženjerskih nauka u Kragujevcu.
Tribometar TR-95 omogućava variranje uslova
kontakta sa aspekta oblika, dimenzija i materijala
417
Početni nominalni linijski kontakt između diska
i bloka usled razvoja procesa habanja postaje
kontakt po određenoj površini, što kao posledicu
ima razaranje materijala, najpre u površinskom
sloju bloka (slika 6). Promena širine traga habanja
ima isti karakter za sve ispitivane uzorke samo je
razlika u nivou njihove pohabanosti.
1.5
1.2
Širina traga habanja, mm kontaktnih elemenata, normalnog kontaktnog
opterećenja i brzine klizanja. Ispitivanja se mogu
vršiti u uslovima sa podmazivanjem i bez
podmazivanja. Razvoj procesa habanja na bloku
manifestuje se formiranjem i širenjem izraženog
traga habanja. Normalno opterećenje je bilo 10 N,
a brzine klizanja 0,25 m/s, 0,5 m/s i 1 m/s. Ukupan
put klizanja je bio 150 m. Realizovana ispitivanja
su bila sa graničnim podmazivanjem sa mineralnim
hidrauličnim uljem Hidrovisk HD46 zbog velikog
koeficijenta trenja u slučaju trenja bez
podmazivanja i velikih vibracija u sistemu merenja
sile trenja kod tribometra TR-95.
0.9
0.6
0.3
0
uzorak uzorak uzorak uzorak uzorak uzorak uzorak
10
12
33
35
32
45
118
Brzina klizanja:
v = 0,25 m/s
v = 0,5 m/s
v = 1 m/s
Slika 7. Širina traga habanja na bloku
4. ZAKLJUČAK
Slika 6. Širina traga habanja na bloku
Proces
habanja
karakteriše
postizanje
određenog nivoa, stabilizaciju i usporeni porast
širine traga habanja tokom vremena ispitivanja. Na
osnovu rezultata merenja širine traga habanja na
bloku, formirani su u zavisnosti od uslova kontakt
(brzina klizanja, normalna sila) pojedinačni i zbirni
histogram promene širine traga habanja (slika 7).
Najveće širine traga habanja odgovaraju najmanjoj
brzini klizanja.
Ispitivani su uzorci različitih karakteristika
(hrapavost i tvrdoća podloge, debljina prevlake).
Ako se posmatra histogram, slika 7, može se
zaključiti da se između hrapavosti površina
uzoraka pre i posle nanošenja prevlake cinka i
širine traga habanja na bloku ne može uspostaviti
veza. Takođe, ne može se uspostaviti veza između
tehnologija obrade uzoraka (brušenje, peskarenje i
dr.) sa širinom traga habanja.
Najmanje habanje je bilo kod uzoraka 10 i 33,
odnosno, kod uzoraka sa velikom tvrdoćom podloge i
velikom debljinom prevlake.
Najveće habanje je bilo kod uzoraka 32, 35 i
118. Uzorak 118 ima najmanju tvrdoću a uzorci 32
i 35 najmanju debljinu prevlake cinka.
418
Ispitivane prevlake različitih debljina su nanete
na uzorke sa različitom topografijom i tvrdoćom.
Rezultati ispitivanja vizuelnim pregledom, ispitivanja korozione otpornosti i ispitivanja prianjanje
prevlaka cinka za osnovni metal, podlogu, su
pokazali da prevlake zadovoljavaju zahteve standarda. To znači da je valjano izabrana tehnologija
priprema površina i nanošenja prevlaka.
Rezultati ispitivanja uticaja promene topografije
površine na kvalitet prevlake su pokazali da
nanošenjem prevlake dolazi do značajne promene
topografije, odnosno povećanja hrapavosti ali da to
ne utiče na ostale karakteristike prevlake cinka.
Realizovana ispitivanja i dobijenih rezultata
ukazuju na postojanje zavisnosti između tvrdoće
podloge, debljine prevlake i širine traga habanja pri
tribološkim ispitivanjima, ali uspostavljanje
korelatiuvnih veza je moguće realizacijom znatno
većeg broja eksperimenata.
AKNOWLEDGEMENT
Ovaj rad je deo projekta TR35034 "Istraživanje
primene
savremenih
nekonvencionalnih
tehnologija u proizvodnim preduzećima sa ciljem
povećanja efikasnosti korišćenja, kvaliteta
proizvoda, smanjenja troškova i uštede energije i
materijala", koga finansira Ministarstvo prosvete i
nauke Republike Srbije.
13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13
LITERATURA
[1] Зинченко В. М.: Технологическая наследственность
при
изготовлении
деталей,
Технология металлов, № 5, 2007.
[2] П. И. Ящерицын : Технологическое наследование
эксплуатационных параметров деталей машин.
Справочник, Инженерный журнал № 9, 2004,
[3] S. Đorđević, M. Maksimović, M. G. Pavlović, K. I.
Popov, Galvanotehnika, Tehnička knjiga, Beograd,
1998.
[4] Volker Kunz, ZINTEK–TECHSEAL-TRI-COAT
Catalouge, Trebur 2001.
[5] Nedić, B., Jovanović, D., Lakić Globočki, G.,
Influence Of Previous Machining On Characteristics Of Galvanic Coatings, Serbiantrib - 12th
International Conference on Tribology, Kragujevac,
2011.
[6] B. Nedić, D. Jovanović, G. Lakić-Globočki:
Scratch Testing Of Zn Coating Surfaces,
Proceedings: 34th International conference on
production engineering, Niš, 2011.
[7] Raeissi, Saatchi, Golozar, Szpunar: Effect of
surface preparation on zinc electrodeposited
texture, Surface & Coating Tehnology 197, 2005,
13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13
[8] K. Deblauwe, A. Deboeck, J. Bollen, W.
Timmermans, Proceeding of the 12th International
Conference on Textures of Materials (ICOTOM12), Montreal, Quebec, Canada, 9–13 August,
1999,.
[9] S. H. Hong, J. B. Kim, S. K. Lee, Mat. Sci. Forum
408–412, 2002.
[10] Kim, S. Ch. Hong, Proceeding of the 12th
International Conference on Textures of Materials
(ICOTOM 12), Montreal, Quebec, Canada, 9–13
August, 1999,
[11] D.
Vasilakopoulos,
M.
Bouroushian,
N. Spyrellis, Trans. IMF 79, 2001.
[12] M. Ye, J.L. Delplancke, G. Berton, L. Segers, R.
Winand, Surf. Coat. Technol. 105, 1998.
[13] H. Yan, J. Downes, P.J. Boden, S.J. Harris, J.
Electrochem. Soc. 143, 1996.
[14] H. Park, J.A. Szpunar, Proceeding of the 12th
International Conference
on
Textures
of
Materials (ICOTOM 12), Montreal, Quebec, L
Canada, 9–13 August, p. 1421, 1999.
[15] Standard ISO 2819-1980
[16] Standard ASTM B117
[17] StandardISO 4539
419
Download

SERBIATRIB `13