PIOTR LIBERSKI 1 HENRYK KANIA 1, PAWEŁ PODOLSKI 1, ADAM TATAREK 1, TOMASZ NAPIÓRA 2 1. WSTĘP

Transkrypt

1 PIOTR LIBERSKI 1 HENRYK KANIA 1, PAWEŁ PODOLSKI 1, ADAM TATAREK 1, TOMASZ NAPIÓRA 2 PORÓWNAWCZE OKREŚLENIE WŁAŚCIWOŚCI ANTYKOROZYJNYCH BLACH NA POKRYCIA DACHOWE COMPARISON OF ANTICORROSION PROPERTIES OF SHEET METAL USED IN ROOF CONSTRUTION STRESZCZENIE Metalowe pokrycia dachowe znajdują coraz szersze zastosowanie. RóŜnorodność uŝywanych materiałów rodzi konieczność określenia i uszeregowania ich właściwości. Praca stanowi próbę porównawczego określenia właściwości antykorozyjnych produkowanych w Polsce blach: cynkowych z dodatkiem tytanu oraz miedzi Zn(Ti,Cu), miedzianych, oraz stalowych z powłokami cynkowymi, stosowanymi powszechnie w budownictwie. Przeprowadzono przyspieszone badania korozyjne w obojętnej mgle solnej (NSS) oraz określono parametry elektrochemiczne procesu korozji w badaniach potencjodynamicznych. Pozwoliło to na opis zjawisk korozyjnych i umoŝliwi przewidywanie zachowania się badanych materiałów w warunkach agresywnego środowiska korozyjnego. Uzyskane wyniki badań szybkości korozji pozwalają określić blachę cynkową Zn(Ti,Cu) jako materiał o bardzo dobrej odporności korozyjnej. Słowa kluczowe Odporność korozyjna, badanie w neutralnej mgle solnej. SUMMARY The field of applications of metal roofing materials is increasing. The wide variety of used materials cause a necessity to define and classify their properties. This study is an attempt to identify and compare anticorrosive properties of the following types of sheet metal manufactured in Poland: zinc sheets with the addition of titanium and copper Zn (Ti,Cu), copper sheets, and galvanized steel sheets commonly used in construction. The authors conducted an accelerated corrosion test in neutral salt spray (NSS) and identified electrochemical parameters of the corrosion process during the potentiodynamic survey. The corrosion processes were described on the base of these surveys, which, in turn, facilitates prediction of material performance in an aggressively corrosive environment. The results of the corrosion rate surveys indicate that the zinc sheet Zn(Ti,Cu) is characterized by very high corrosion resistance. Key words Corrosion resistance, neutral salt spray test. 1. WSTĘP ZuŜycie korozyjne blach stosowanych w budownictwie na pokrycia dachowe przebiega z udziałem korozji elektrochemicznej. Ze względu na wzrost zanieczyszczenia środowiska wielkomiejskiego związkami siarki, tlenkiem węgla oraz tlenkami azotu tradycyjnie stosowane w budownictwie blachy stalowe z powłoką cynkową wykazują zbyt niską odporność korozyjną a czas eksploatacji tego typu pokryć dachowych jest zdecydowanie zbyt krótki. 1 Politechnika Śląska, Katowice 2 ZM Silesia S.A. Grupa Impexmetal, Katowice 30 INśYNIERIA POWIERZCHNI NR

2 Przez wiele lat jako zamiennik blach stalowych ocynkowanych w trudnych warunkach środowiskowych wykorzystywano blachy z cynku rafinowanego (o zawartości do 1,2% ołowiu). Były one stosowane jako pokrycia dachów oraz do wytwarzania instalacji odwadniających. Jednak niskie własności mechaniczne oraz wymagania wyŝszej odporności korozyjnej pokryć dachowych sprawiły, Ŝe blacha cynkowa stała się dla przemysłu budowlanego materiałem mało atrakcyjnym. Aby sprostać rosnącej konkurencji rozpoczęto wytwarzanie blachy i taśmy cynkowo-tytanowej Zn(Ti,Cu). W Europie Zachodniej blachy tego typu są powszechnie stosowane juŝ od blisko 30 lat. Charakteryzują się lepszymi parametrami wytrzymałościowymi (A 50, R m, R 0,2,) oraz jednolitym i estetycznym wyglądem. Materiał ten jest wyjątkowo plastyczny, posiada wysoki współczynnik wydłuŝenia A 50, co umoŝliwia dowolną obróbkę plastyczną, takŝe na zimno. Dodatki stopowe Ti i Cu mają za zadanie głównie poprawę własności mechaniczno-plastycznych ze szczególnym uwzględnieniem odporności na pełzanie [1]. Badane blachy Zn(Ti,Cu) są nowoczesnym materiałem budowlanym, charakteryzującym się wytrzymałością ok. 175 MPa i wydłuŝeniem trwałym poniŝej 0,1% [1]. Głównym parametrem decydującym o przydatności blach na pokrycia dachowe jest ich odporność korozyjna. Celowe jest, więc określenie odporności korozyjnej blach Zn(Ti,Cu) oraz porównanie ich z innymi materiałami stosowanymi na pokrycia dachowe. Badania korozyjne przeprowadzono jako przyspieszone badania korozyjne w warunkach laboratoryjnych W ich wyniku uszeregowano przydatności badanych materiałów do stosowania w budownictwie. Jako uzupełnienie testów przyśpieszonych wykonano badania elektrochemiczne, dzięki którym określono kinetykę procesu korozji. 2. ZAKRES BADAŃ I METOD Do badań wykorzystano 4 rodzaje materiałów stosowanych na pokrycia dachowe. Próbki z blachy cynkowej z dodatkiem Ti i Cu oznaczone Zn(Ti,Cu) pobrano bezpośrednio po walcowaniu. Jako materiałów porównawczych uŝyto: blach stalowych ocynkowanych zanurzeniowo metoda ciągłą, blach miedzianych oraz blach stalowych ocynkowanych z powłokami malarskimi. Badania odporności na działanie obojętnej mgły solnej (NSS) prowadzono zgodnie z normami PN- EN ISO 9227, ASTM B117, DIN pt. Badania laboratoryjne przyśpieszone w obojętnej mgle solnej [2]. Norma dotyczy badań odporności na korozję metali, powłok metalowych lub powłok niemetalowych na metalach. Do badań zastosowano komorę solną typu Corrotherm 610 firmy Erichsen wykonaną z materiału odpornego na działanie korozyjne roztworu NaCl. Pojemność komory badawczej urządzenia wynosiła 400 dm 3. Urządzenie wyposaŝone było w układ ogrzewania solanki, przyrządy pomiarowe do kontroli i regulacji temperatury zapewniające uzyskiwanie załoŝonej temperatury badań wynoszącej 35±2 C. Mgła solna rozpylana była z rozpylacza, do którego doprowadzone było spręŝone powietrze o odpowiedniej czystości. Jego ciśnienie w zakresie (0,07-0,17 MPa) dobrano tak, aby szybkość kondensacji mgły w komorze wynosiła 1-2 cm 3 /h na powierzchni poziomej równej 80 cm 2. Kondensat mgły solnej odprowadzany był na dno komory korozyjnej, aby niemoŝliwy był jego kontakt z badanymi próbkami. StęŜenie NaCl wynosiło 50±5 g/l, ph roztworu zachowywano w granicach 6,5-7,2. Przed rozpoczęciem badań próbki trwale oznakowano. Blachy o wymiarach 50x100 mm (50 cm 2 ) umieszczone były w komorze pod kątem około 20º w sposób uniemoŝliwiający kontakt między próbkami oraz tak, aby produkty korozji nie spływały z jednych elementów badanych na drugie. Badania grawimetryczne oraz ocenę wyglądu próbek w toku badań prowadzono po 2, 24, 48, 96, 144, 240, 360, 480, 720 h badań. Przed badaniami potencjostatycznymi próbki szlifowano na papierach ściernych o gradacji 320, 400, 600, 800, a następnie dokładnie spłukiwano wodą, unikając zatłuszczenia zeszlifowanych powierzchni. Następnie próbki suszono. Kinetykę przebiegu procesu korozji określono w oparciu o potencjostat PGP 201 firmy Radiometer. Do badań zastosowano jako elektrodę odniesienia - elektrodę kalomelową, której potencjał nasycenia wynosi od 0,257V w temperaturze 0ºC do 0,223V w 50ºC. Próbki do badań w postaci krąŝków o średnicy 15mm wycięto z blach i kaŝdorazowo umieszczano w ten sposób, aby powierzchnia czynna elektrody wynosiła 1,0 cm 2. KaŜdy pomiar poprzedzono obróbką wstępną powierzchni elektrody, składającą się z dwóch operacji: odtłuszczania w trójchloroetylenie w czasie 1 min i płukania w wodzie destylowanej. Badania przeprowadzono w środowisku obojętnym i kwaśnym (0,1n H 2 SO 4 ) 5% wodnego roztworu NaCl w temperaturze 30 C. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA 3.1. Test w komorze solnej (NSS) Stan wyjściowy próbek przygotowanych do przyspieszonych badań korozyjnych w obojętnej mgle solnej (NSS) przedstawiono na rys.1. Na powierzchni próbek z blachy pokrytej powłoką malarską (powlekaną) w warunkach przemysłowych wykonano nacięcia krzyŝowe celem zbadania, w jaki sposób przypadkowe uszkodzenia wpływają na trwałość tych materiałów. INśYNIERIA POWIERZCHNI NR

3 Wyniki badań grawimetrycznych przedstawiono na rys. 2 i 3. Na ich podstawie naleŝy stwierdzić, Ŝe juŝ w pierwszych godzinach testu powierzchnie badanych blach uległy procesowi korozji. Najbardziej intensywnie, zwłaszcza w pierwszym okresie blacha Zn(TiCu) blacha ocynkowana blacha powlekana blacha powlekana z nacięciem krzyŝowym Rys. 1. Wygląd powierzchni próbek przed testem NSS Fig.1. Surface of the samples before the NSS test blacha miedziana Rys. 2. ZaleŜność jednostkowych zmian masy próbek wykonanych z badanych rodzajów blach od czasu testu NSS Fig. 2. Relationship between unit mass changes of samples and NSS testing time Rys. 3. ZaleŜność szybkości korozji od czasu testu NSS Fig. 3. Relationship between corrosion rate and NSS testing time a) 240 h blacha Zn(TiCu) blacha ocynkowana blacha powlekana blacha powlekana z nacięciem krzyŝowym b) 480 h blacha miedziana blacha Zn(TiCu) blacha ocynkowana blacha powlekana blacha powlekana z nacięciem krzyŝowym blacha miedziana 32 INśYNIERIA POWIERZCHNI NR

4 Rys. 4. Wygląd powierzchni próbek: a po 240 i b po 480 godzinach testu NSS Fig. 4. Surface of the samples: a after 240 hours and b after 480 hours of the NSS test testu, przebiega proces korozji blachy ocynkowanej. Najmniejsze ubytki masy obserwujemy w przypadku korozji blachy miedzianej (rys.2) oraz dwóch blach Zn(Ti,Cu). Podobnie kształtują się ubytki blachy powlekanej z niezabezpieczonymi krawędziami. MoŜna stwierdzić, Ŝe do 480 h testu ubytki korozyjne blachy powlekanej są nieco mniejsze niŝ blachy z cynku stopowego, jednak ze wzrostem czasu oddziaływania środowiska korozyjnego ubytki masy blach Zn(Ti,Cu) się zmniejszają, natomiast ubytki korozyjne blachy powlekanej rosną. W wyniku dokonanych obliczeń, określono zaleŝność szybkości korozji próbek od czasu trwania testu (rys.3). Proces korozji blachy ocynkowanej przebiega z najwyŝszą szybkością. Dotyczy to zwłaszcza początkowego okresu badań (do 240 h). MoŜna przypuszczać, Ŝe jest to wynikiem intensyfikacji procesu korozji przez tworzenie się na krawędziach próbki ogniwa korozyjnego Fe-Zn. Powoduje 0 to przyspieszone zuŝycie korozyjne. Właściwości -1 protektorowania podłoŝa stalowego przez cynk nie -2 pozwalają na korozję stali, niemniej jednak intensyfikują proces korozji cynku. Średnie ubytki masy dla -3-4 poszczególnych badanych materiałów w warunkach -5 testu korozyjnego w komorze solnej wynoszą po 720 h odpowiednio: Zn(Ti,Cu)1-48 g/m 2-6, Zn(Ti,Cu)2-44 g/m 2-7, blacha ocynkowana g/m 2, blacha miedziana - 2 g/m 2, natomiast blacha -8 powlekana - 55 g/m Potwierdzeniem powyŝszych badań grawimetrycznych są wyniki badań korozyjnych w obojętnej -10 mgle solnej (NSS) przedstawione na rys.4. Blachy ocynkowane i cynkowe pokrywają się warstwą uwodnionego tlenku cynku. Proces tworzenia się białych produktów korozji na blachach cynkowych i ocynkowanych przebiega intensywnie przez cały czas trwania badań. Prawdopodobnie po 144 h następują pierwsze przebicia do podłoŝa blachy z powłoką cynkową. Następuje zmiana koloru produktów korozji. Czerwone produkty wyraźnie widać po 240 h (rys.4a). Na powierzchni próbki ocynkowanej pojawiają się czerwone nacieki, co świadczy o dość sporych juŝ rozmiarach przebicia do podłoŝa stalowego. NaleŜy zauwaŝyć, Ŝe proces korozji podłoŝa stalowego rozpoczyna się na eksponowanej powierzchni a nie na krawędziach. Próbki blachy miedzianej korodują na całej powierzchni. W początkowym okresie tworzą się ciemne plamy, które następnie zmieniają swój kolor na jasno zielony. WiąŜe się to najprawdopodobniej z grubością warstewek chlorków miedzi. Obserwuje się takŝe, Ŝe chlorki miedzi tworzą cienką warstwę dobrze przyczepną do podłoŝa. 4. PODSUMOWANIE Blachy ocynkowane z powierzchnią dodatkowo zabezpieczoną powłoką malarską w pierwszych godzinach badań nie wykazują śladów korozji, dopiero w późniejszym okresie tworzą się naloty w okolicach krawędzi cięcia, które zwiększają obszar swojego występowania z upływem czasu. JuŜ od 480 h testu korozyjnego obserwuje się złuszczanie powłoki malarskiej postępujące od brzegu próbki (rys.4b). MoŜna takŝe zauwaŝyć, Ŝe wraz z przebiegiem badań powłoka malarska staje się mniej elastyczna i gorzej przyczepna do podłoŝa Badanie elektrochemiczne Środowisko badań elektrochemicznych dobrano tak, aby korelowało z przeprowadzonym wcześniej testem w obojętnej mgle solnej (NSS) - 5% roztwór wodny NaCl. Wyniki badań potencjodynamicznych przedstawiono na rys.5. Dokonane przeliczenia pozwalają określić potencjał i prąd korozyjny oraz szybkość korozji w badanych warunkach. Logarytm gęstosci prądu powłoka Zn Zn(Cu,Ti) Cu -1-0,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2 Fig.5. Wykres zaleŝności logarytmu gęstości prądu od potencjału względem elektrody kalomelowej dla blachy Zn(Cu,Ti), blachy ocynkowanej oraz blachy miedzianej Fig. 5. Relationship between the logarithm of current density and potential in relation to the calomel electrode for the Zn(Cu,Ti) sheets, galvanized, and copper sheets Najmniejszą wartość potencjału korozyjnego oraz szybkości korozji wykazuje w badanych warunkach miedź. Natomiast podobne, niŝsze wartości potencjału korozyjnego charakteryzują blachę ocynkowaną oraz blachę Zn(Ti,Cu). Spośród materiałów z powierzchnią cynkową większy prąd korozyjny wykazuje blacha ocynkowana. Wynosi on 27,5 µa/cm 2 wobec 7 µa/cm 2 dla cynku stopowego. Tłumaczy to przebieg zaleŝności szybkości korozji od środowiska korozyjnego dla poszczególnych materiałów. W środowisku 5% roztworu wodnego NaCl szybkość korozji blachy ocynkowanej jest największa i jest ona 2,5 razy większa niŝ blachy Zn(Ti,Cu). Przeprowadzone badania korozyjne mają charakter badań porównawczych. Środowisko badań INśYNIERIA POWIERZCHNI NR

5 wykazuje znacznie wyŝszą agresywność niŝ środowiska rzeczywiste. Dodatkowo podniesiona temperatura badania (30ºC) jeszcze wzmaga agresywność środowiska. Badania te umoŝliwiły porównanie odporności korozyjnej badanych materiałów w warunkach ich stosowania. Z przeprowadzonych badań wynika, Ŝe najlepszym materiałem na pokrycia dachowe jest blacha miedziana. Wynik ten był spodziewany i stanowi potwierdzenie danych literaturowych [3], [4]. Kolejnym materiałem wykazującym doskonałą odporność korozyjną jest blacha cynkowa Zn(Ti,Cu). Blacha ocynkowana charakteryzuje się gorszą odpornością korozyjną niŝ wspomniane powyŝej materiały. W warunkach przeprowadzonego testu moŝna przyjąć, Ŝe odporność ta jest 2,5 razy mniejsza od badanych blach cynkowych Zn(Ti,Cu). Blacha cynkowana z powłoką malarską wykazuje w warunkach testu odporność porównywalną z blachą cynkową. NaleŜy zauwaŝyć, Ŝe krawędzie cięcia są miejscami gdzie inicjowany jest proces korozji omawianych materiałów. Analizując wyniki testu korozyjnego w obojętnej mgle solnej potwierdzone wynikami badań potencjodynamicznych moŝna stwierdzić, Ŝe wartości szybkości korozji pozwalają polecać badaną blachę cynkową Zn(Ti,Cu) jako materiał o wysokiej odporności korozyjnej. LITERATURA [1] PN EN 988: Cynk i stopy cynku. Płaskie wyroby walcowane dla budownictwa. [2] PN-EN ISO 9227: Badania laboratoryjne przyśpieszone w obojętnej mgle solnej. [3] Wranglen E.: Podstawy korozji i ochrony metali. PWN [4] Liberski P., Lejkowski J., Spyra M., Kania H., Podolski P.: An effect of alloy additives and finishing treatment on the corrosion resistance of zinc sheets. Rudy i metale nieŝelazne. R INśYNIERIA POWIERZCHNI NR

6 PRZEGLĄDY DOKUMENTACYJNE INFORMACJA EKSPRESOWA W INFORMACJACH EKSPRESOWYCH dokumentowane są wszystkie waŝniejsze krajowe i zagraniczne czasopisma naukowotechniczne dotyczące korozji i ochrony przed korozją, metaloznawstwa i obróbki cieplnej oraz wybranych zagadnień z zakresu wytrzymałości materiałów (m.in. tarcie i zmęczenie) Dysponujemy materiałami źródłowymi pozycji zawarty h w INFORMACJACH EKSPRESOWYCH istnieje moŝliwość zamówienia szybkiego wykonania kserokopii wybranych pozycji literaturowych lub skorzystania na miejscu z bogatego zbioru ksiąŝek i czasopism Rocznie wydawanych jest 12 zeszytów kaŝdej edycji INFORMACJI EKSPRESOWEJ. Cena 1 rocznika kaŝdej edycji - 30 zł Informacje i zamówienia: Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Dział Ogólnotechniczny, ul. Duchnicka 3, Warszawa, lub fax , inte@imp.edu.pl INśYNIERIA POWIERZCHNI NR