414 13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13

Serbian Tribology Society

SERBIATRIB ‘13

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

1Zastava oružje AD, Kragujevac, Srbija, zo.tehnologija@open.telekom.rs 2Univerzitet u Kragujevcu, Fakultet inženjerskih nauka, Kragujevac, Srbija, nedic@kg.ac.rs

3Državni univerzitet u Novom Pazaru, Srbija, mcupovic@np.ac.rs 4Strojarski fakultet, Slavonski Brod, Hrvatska, vmarusic@sfsb.hr

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

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 [10-14]. 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’13 415

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

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

brušenje

0.818 38

45 0.719 39

118 0.844 19

10 0.720 37

12 šmirglanje

0.600 35

33 0.550 38

32 peskarenje 0.870 35

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,

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.

1,5

1,5

5

4,5

8,5

7,5

10

10,5

13,

5

15

A

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

Debljina prevlake µm

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

416 13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13

Duzina profila , mm

Visi

na n

erav

nina

, µ

m

-10

-5

0

5

10

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

a) uzorak 10

Duzina profila , mm

Visi

na n

erav

nina

, µ

m

-10

-5

0

5

10

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

b) uzorak 12

Duzina profila , mm

Visi

na n

erav

nina

, µ

m

-10

-5

0

5

10

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

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.

pre nanošenja prevlake

posle nanošenja prevlake

a) uzorak 10

pre nanošenja prevlake

posle nanošenja prevlake

b) uzorak 12

pre nanošenja prevlake

posle nanošenja prevlake

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

13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13 417

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.

0

5

10

15

20

25

30

Debljina prevlak

e, µ

m

1.5 4.5 7.5 10.5 13.5

Dužina uzorka, mm

1.5

5

8.5

Širina 

uzorka, 

mm

a) uzorak 45

0

5

10

15

20

25

Debljina prevlake, µm

1.5 4.5 7.5 10.5 13.5

Dužina uzorka, mm

1.5

5

8.5

Širina 

uzorka, 

mm

b) uzorak 118 Slika 4. Raspored debljine prevlake

Ispitivanje metodom termičkog šoka vršeno je prema standardu ISO 2819-1980. Uslovi ispitiva-nja:

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.

Ispitivani uzorci su zadovoljili zahteve standar-da. 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 blok-on-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).

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

418 13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13

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.

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.

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.

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

Širina traga

 habanja, mm 

uzorak

10

uzorak

12

uzorak

33

uzorak

35

uzorak

32

uzorak

45

uzorak

118

v = 0,25 m/s v = 0,5 m/s v = 1 m/sBrzina klizanja:

Slika 7. Širina traga habanja na bloku 4. ZAKLJUČAK

Ispitivane prevlake različitih debljina su nanete na uzorke sa različitom topografijom i tvrdoćom. Rezultati ispitivanja vizuelnim pregledom, ispitiva-nja korozione otpornosti i ispitivanja prianjanje prevlaka cinka za osnovni metal, podlogu, su pokazali da prevlake zadovoljavaju zahteve stan-darda. 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’13 419

LITERATURA

[1] Зинченко В. М.: Технологическая наслед-ственность 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 Characteris-tics 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,

[8] K. Deblauwe, A. Deboeck, J. Bollen, W. Timmermans, Proceeding of the 12th International Conference on Textures of Materials (ICOTOM- 12), 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