Elektrolytické zinkování je u tohoto materiálu zvláště obtížně proveditelné. Nároky procesu na čistotu, kvalitu povrchu, chemická a mikrostrukturní heterogenita povrchu základního materiálu posouvají vylučování Zn povlaku optimálních kvalitativních parametrů povrchové vrstvy na samotnou hranici realizace.
Elektrolytické zinkování se v omezené míře provádí na drobných tenkostěnných dílech z temperované litiny s bílým lomem. Rozměrově a tvarově náročnější díly pro automobilový průmysl jsou přednostně odlévány z litiny tvárné.

Obr. 1: Vlevo: tvárná litina, degradace Zn povlaku, Fe koroze, ztráta přilnavosti; Vpravo: vada Zn povlaku, póry základního materiálu, Zn koroze na hranách

Mikrostruktura a fyzikálně mechanické vlastnosti litin jsou dány obsahem uhlíku, křemíku, manganu ve slitině železa, a mechanizmy vylučování uhlíku na úrovni metastabilní fáze cementitu, nebo stabilní fáze grafitu a jeho výslednou formou. Mikrostrukturu bílé litiny tvoří převážně perlit a uhlík ve vázané formě jako cementit (ledeburit), je definována bílým lomem, eutektická krystalizace probíhá dle rovnovážného metastabilního diagramu.

Obr. 2: Vlevo: mikrostruktura bílé litiny, perlit – primární cementit (ledeburit); Vpravo: trhlina, řediny, mikrostaženiny

Bílá litina je tvrdá, křehká, náchylná na vznik trhlin za tepla a prasklin za studena. Tepelným zpracováním bílé litiny, temperováním, dochází ke změně mikrostruktury a fyzikálně mechanických vlastností. Výrobky z temperované litiny musí mít tenké stěny s ohledem na citlivost bílé litiny na výskyt trhlin, prasklin a mikrostaženin. Na snímcích světelné mikroskopie jsou dokumentovány mikrostrukturní vady, mikrostaženiny, deformované plynové bubliny, praskliny, trhliny a heterogenita licí kůry.

Obr. 3: Vlevo: mikrostruktura bílé litiny, perlit– primární cementit ledeburit, bubliny, vměstky; Vpravo: trhlina, řediny

Slévárenské vady bílé litiny, základního chemického složení, 2,9 – 3,1 %C 0,5 – 0,6 % Si, vhodného pro proces výroby temperované litiny, pak přetrvávají v základu. Řediny, mikrostaženiny, vznikají, když nálitky nedodávají kov, dendritické prostory tak zůstávají nedoplněny. Temperovaná litina má horší slévárenské vlastnosti než litina šedá a tvárná, ale lepší vlastnosti fyzikálně mechanické, které se blíží vlastnostem ocelí. Oduhličení se provádí v plynu s nízkým přebytkem kyslíku a to tak, aby nedocházelo ke vzniku okují. Přebytek kyslíku reaguje s uhlíkem, který se ze středu pohybuje ke kraji, kde se spaluje. V oduhličené povrchové vrstvě, temperovací kůži, jsou povrchové vady, trhliny. Vysoký uhlíkový ekvivalent aktivuje výskyt lupínků, makové litině – bílá s lupínkovým grafitem, která je nežádoucím důsledkem nevhodného tepelného zpracování bílé litiny. Temperovaná litina s bílým lomem se s ohledem na oduhličenou, feritickou, vrstvu elektrolyticky pokovuje lépe než tvárná litina, pokud nedochází k výskytu vad a povrchových heterogenit viz obr. 3 – obr. 4. Oduhličená feritická vrstva zhoršuje obrobitelnost, proto je pro procesy obrábění vhodnější alternativou temperovaná litin s černým lomem a tvárná litina. Trhlina ve feritické temperovací kůži, polouzavřená, vznikla před temperováním obr. 4.

Obr. 4: Vlevo: temperovaná litina s bílým lomem, feritická temperovací kůže, trhlina; Vpravo: vměstky, deformované bubliny, trhliny, mikrostruktura temperované litiny, vločkový grafit, ferit, perlit

Uplatnění– charakteristika
Elektrolyticky zinkované výrobky z tvárné litiny se uplatňují v automobilovém průmyslu, kratší doba výrobního procesu, než u temperované litiny, v řádu několika dní vede k její preferenci v rámci konstrukčního návrhu. Tvárná litina není náchylná ke vzniku trhlin, proto se spíše vady jeví jako studený spoj, nebo zvrásněný povrch. Tvárná a šedá litina, jsou rovněž upřednostňovány pro dobré slévárenské vlastnosti. Také formovací směsi mají vliv na vlastnosti povrchu, obsahují mleté uhlí a síru, velké množství síry má vliv na narušení licí kůry, a také ruší globularizaci grafitu, vytváří se lupínkový grafit. Síra a olovo mají vliv na vznik vermikulárního (červíkového) grafitu. Malé množství červíkového grafitu je v mikrostruktuře tvárné litiny přípustné. V důsledku tryskání jsou v licí kůře patrny deformované bubliny v podobě dutin, přeložky a vměstky obr. 5. Velikost zrna u formovací směsi má vliv na charakter, kvalitu, drsnost a porezitu povrchu odlitku. Rozměr středního zrna formovací směsi cca 200 μm.

Obr. 5: Vlevo: tvárná litina, perlitická licí kůra, deformované bubliny, přeložky, vměstky vezikulární (červíkový) grafit, globulární grafit, ferit; Vpravo: mikrostruktura tvárné litiny perlit, globulární grafit, feritické dvorce

Modifikátorem bývá nejčastěji využíván hořčík a jeho slitiny s Ce, Ba, Zr pro tvárnou litinu, se stronciem, pak pro litinu šedou. Očkovadlem je ferosilicium komerčního charakteru. Modifikátor je aktivátorem globularizace grafitu a působí souběžně s očkovadlem. Studený svar, dva proudy kovů, které se potkají a nemají již dostatečnou teplotu, aby se spojily. Vliv na aktivaci vad tvárné litiny, charakterem připomínajících trhliny má povrchová vrstva oxidů ve formě blány, která zabrání spojení taveniny, v tomto případě se jedná o vadu definovanou jako „zvrásněný povrch“ obr. 6.

Obr. 6: Vlevo: tvárná litina, studený svar, zvrásněný povrch; Vpravo: vada – ,,zvrásněný povrch“, vrstva oxidů na povrchu spoje

Po přerušení soudržnosti vrstvy oxidů dojde k přeběhu taveniny, které se rovněž na povrchu projeví jako zvrásnění. Příklad zvrásněného povrchu obr. 6, zde došlo v důsledku vzniku blány oxidů k zabránění spojení, porušení soudržnosti vrstvy, vada odlitku vzniká rovněž vlivem vyšší rychlostí ochlazování, dochází přetečení kovu, porušení soudržnosti, se tedy z mikroskopického hlediska jeví jako trhlina. Hlavními nositeli oxidů na povrchu jsou oxidy hliníku a hořčíku. Tvárná litina není náchylná ke vzniku trhlin, proto se spíše vady jeví jako zvrásněný povrch nebo studený spoj. Také vysoký obsah uhlíku cca 3,8 %, křemíku 2 – 3 % má vliv na vznik mikropórů, ředin, vměstků, bublin a heterogenní charakter licí kůry.

Obr. 7: Vlevo: tvárná litina, perlitická licí kůra, vměstky, přeložky, zvrásněný povrch, deformované bubliny vlivem tryskání; Vpravo: povrch po obrábění, bez licí kůry, deformované feritické dvorce, mikrostruktura feriticko – perlitická s globulárním grafitem

Tvárná litina patří mezi silně porézní materiály, dochází tedy ke vzniku přeložek v důsledku mechanických předúprav, zanášení povrchu obráběcími médii a absorpci lázní procesu povrchových úprav. Omezení pokovitelnosti litin způsobuje množství uhlíku a jeho forma v matrici, způsob moření, přemoření, nebo nedostatečné odmaštění procesních médií, čeření lázní a mikrofiltrace u chemických předúprav. V rámci samotného elektrolytického procesu má vliv na kvalitu Zn vrstvy, správná koncentrace leskutvorných přísad, proudová hustota, hloubková účinnost, čistota a pH lázně a v závěru tloušťka vyloučené Zn vrstvy.

Příčiny degradace povrchových vrstev
Obráběním dochází k odstranění licí kůry a otevírání feritických dvorců, ze kterých je uvolněn a do povrchu zanášen grafit obr. 8, který uvolňuje v rámci realizace chemických a elektrolytických předúprav do lázní, ulpívá na hladině lázně a povrchu součásti. Jeho zpětný výnos negativně ovlivňuje kvalitu a charakter vyloučeného Zn povlaku. Dochází ke ztrátě lesku, výskytu šedých skvrn, ztrátě přilnavosti, porezitě povlaku v důsledku koagulace zinku v průběhu elektrolytického vylučování, a snížení korozní odolnosti.

Obr. 8: Vlevo: degradace Zn povlaku, tryskaný povrch, přeložky, vodíkové trhliny, vměstky, zvrásněný povrch; Vpravo: vada Zn povlaku, obrobený povrch, přeložky, odhalené globule grafitu v deformovaném feritickém dvorci

Kombinace výše uvedených faktorů v součinnosti s probíhajícími operacemi a chemickými reakcemi na povrchu materiálu, přenos procesních chemikálií do povrchu základního materiálu jejich následná adsorpce za přítomnosti Van der Walsových sil, chemisorpce nečistot do povlaku a jsou aktivátory degradačních dějů.
Největší měrou se tedy na kvalitě vyloučené Zn vrstvy podílí volba prvotní mechanické předúpravy povrchu, procesní odmaštění aplikované v nejkratším možném čase po ukončení obrábění a adekvátní nastavení předúprav elektrolytického procesu s ohledem na mikrostrukturní vlastnosti základního materiálu. Příčinou degradace povrchových vrstev je nedostatečné tryskání surových dílů, nevhodná volba tryskacího média, zanesení nečistot do pórovitého povrchu během realizace mechanické předúpravy povrchu.

Obr. 9: Vlevo: rozhraní licí kůra a přilnavost Zn povlaku na neopracované ploše; Vpravo: charakter Zn povlaku a jeho mikrostrukturní změny na opracované ploše, grafitizace povlaku, stopy po odloučení grafitové globule z feritického dvorce, dokumentace (SEM).

Elektrolytické moření litiny je jedním z vhodných způsobů předúpravy litiny. Moření, se provádí anodicky, v silně koncentrované 20 – 30 % v některých případech až 60 % kyselině sírové (H2SO4). Teplota prostředí bývá dostačující, pro zvýšení mořícího účinku je možné lázeň zahřívat na teplotu 30°C. Hodnota pasivačního napětí 8 – 10 V. Vhodnou katodou je nerozpustná olověná, vysoký vývin kyslíku má tendenci odtrhávat grafit z povrchu. Anodická proudová hustota je vyšší 10 A/dm2 pro tlustostěnné odlitky až na úrovni 20 A/dm2. Moření probíhá do doby pasivace povrchu, vývinu kyslíku a následné separaci grafitu z mořeného povrchu. Grafitový prach se usazuje na hladině, následně se tedy filtruje z povrchu mořící lázně. Anodickým mořením lze minimalizovat výskyt vodíkových trhlin.
Chemické moření v lázni na bázi kyseliny chlorovodíkové může znehodnotit základní materiál vodíkovými trhlinami a tím způsobit změnu mechanických vlastností v návaznosti na aktivitu vodíkové křehkosti. Systém oprav znehodnocených povlaků Zn spočívá v následném odmoření v kyselině chlorovodíkové.
Mnohdy je praktikována varianta záměrného zinkování a následného odmoření Zn povlaku za účelem odtržení nečistot z povrchové vrstvy během mořícího procesu vývinem vodíku. V tomto ohledu je však materiál vystaven riziku difuze vodíku a vzniku vodíkových trhlin. Duplicita aplikace procesu povrchové úpravy pak neúměrně zvyšuje náklady provozovatele.

TEXT/FOTO: Ing. Xenie Ševčíková, Ph.D., prof. Ing. Jiří Hrubý, CSc, VŠB – TUO, Ostrava, Fakulta strojní, Katedra mechanické technologie, Ing. Pavel Nejedlý, GES, s. r. o.
Pozn: Příspěvek vznikl za odborné podpory technologie Romana Tihouna, slévárny BRANO, a. s., Hradec nad Moravicí.

Literatura
[1] MAX, A.M. Iron Plating, Metal Finishing Guidebook and Directory, Vol. 77, No. 13, 1979, 255 p.
[2] DETTNER W., ELZE, J. Handbuch der Galvnotechnik, Band II. Carl Hanser Verlag, Munchen 1972, 444 s.
[3] SAFRANEK, W. The properties of electrodeposited metals and alloys. 2nd ed. Orlando, 1986. ISBN 0-936569-00-X.
[4] LOWENHEIM, F. Modern electro-plating. 3rd ed. New York, 1974. str. 789. ISBN 0-471-54968-1. [5] ČSN EN 1403. Ochrana kovů proti korozi – Elektrolyticky vyloučené povlaky – Metoda specifikace všeobecných požadavků. Praha: Český normalizační institut, 1999. [6] FALK, B., ENGEL, U., GEIGER, M. Estimation of tool life in bulk metal forming based on different failure concepts. J. Mater. Process. Technol., 1998 Vol. 80–81, pp 602-607, ISSN 0924-0136. [7] GROENBAEK, J., BIRKER, T. Innovations in cold forging die design. J. Mater. Process. Technol., 2000, Vol. 98, Issue 2, pp 155-161, ISSN 0924-0136.