Velmi důležitou součástí ve strojírenství je šroubový spoj. Pro jeho funkčnost a optimalizaci patří k rozhodujícím parametry materiálové, konstrukční, technologické, ale i parametry stavu povrchu. Šroubový spoj je spojení rozebíratelné. Tuto svoji funkci musí splňovat po celou dobu životnosti výrobků, a to buď svoji dostatečnou životností, nebo možností včasné bezproblémové výměny. Po dobu své životnosti nesmí dojít ke koroznímu poškození a proto materiál a jeho povrch musí mít dostatečnou korozní odolnost v daném prostředí.
Z hlediska funkčnosti šroubového spoje je však potřeba zajistit především bezpečnost spoje, která je odvislá nejen pouze od pevnostních hodnot materiálů, ale především od přesně definovaných parametrů montáže, a to především od osové předepínací síly šroubu. Ta je úzce závislá na stavu a úpravě povrchu, především na koeficientu tření. Povrchy šroubů musí mít proto i vhodné a opakovatelné tribologické hodnoty. Požadavky na povrchové úpravy šroubů rostou a rychle se vyvíjí v souvislosti s požadavky kladenými na jejich životnost, bezpečnost i technologii montáže. Uživatel šroubového spoje dnes požaduje od výrobce kombinovaný povlak s dokonalou protikorozní ochranou i s definovaným stavem povrchu zajišťujícím bezpečnou montáž i demontáž.
Povrchové úpravy šroubů
Šroubové spoje je možno podle jejich určení a namáhaní chránit různými úpravami povrchu nebo jejich kombinacemi. Technologie povrchových úprav nesmí ovlivnit vlastnosti materiálu (např. výskyt vodíkové křehkosti, ztráta pevnosti tepelným ovlivněním) ani parametry šroubu (rozměry, koeficienty tření).
Nejrozšířenější povrchovou úpravou šroubů jsou bezesporu povlaky ze zinku a jeho slitin. Důvodem je fakt, že zinek chrání železné kovy na principu jejich katodické ochrany. Zinek vzhledem ke svému elektrochemickému postavení vůči železu reaguje s korozním prostředím přednostně před železem, což je výhodné především u místních poškození hran a závitů pozinkovaných spojovacích dílů.
Ze současných zinkových povlaků jsou to především tyto technologie:
– galvanické (elektrolytické) pokovení
– pokovení ponorem v roztaveném kovu (žárové)
– pokovení stříkáním roztaveného kovu (metalizace – šopování)
– difúzní pokovení (sherardizace)
– mechanické pokovení
– neelektrolyticky nanášené povlaky s mikrolamelamiZn (Dakromet)
Selhání šroubových spojů
Analýzy příčin selhání šroubových spojů ukazují, že základem škod je většinou nedostatečné předepnutí šroubu (nedostatečná napínací síla) nebo zadření šroubu. Obě příčiny lze vyloučit použitím vhodné povrchové úpravy a následnou úpravou povrchu.
Napínací síla šroubu F je ve velké míře závislá na součiniteli tření m, tj. na kvalitě povrchu nebo na mazání, jak ukazuje následující rovnice.
MA=FM*(0,16p+0,58*d2*μG+D/2*μk)
kde:
MA = utahovací moment šroubu
FM = napínací síla šroubu
p = stoupání závitu
d2 = střední průměr šroubovice závitu
μG = součinitel tření v závitu
D/2 = účinný třecí rádius hlavy
μk = součinitel tření dosednutí hlavy
Při konstantním utahovacím momentu MA bude tedy při nízkém μk a μG napínací síla FM vysoká a naopak. Platí, že z vynaložené utahovací síly se ztrácí až 50% jako tření hlavy a 40% jako tření v závitech a zůstává jen 10% na vytvoření požadované napínací síly. Druhá největší příčina škod na šroubových spojích, zadření šroubu, je právě problém mazání, který se v denní praxi nejzřetelněji projevuje tím, že se nespočetné šroubové spoje v rafinériích, elektrárnách, chemičkách a strojírnách musí uvolňovat např. řezacími hořáky, protože mazání bylo nedostatečné nebo byly zadřené následkem koroze. Příčiny zadírání šroubových spojů jsou: svaření za studena, vyhřátí, koroze nebo odírání kmitavým třením (tribokoroze).
Závislost napínací síly na utahovacím a povolujícím momentu a koeficientu tření. Šrouby z ušlechtilé ocele (A2-M12) potažené kluzným lakem s MoS2 (Gleitmo 920) v porovnání se šrouby namazanými strojním olejem a nenamazanými.
Zejména u vysoce legovaných ocelí (austenitické materiály), lehce dochází ke svaření za studena. Tyto ocele nemají silnou přirozenou vrstvu oxidu, která by účinně oddělila spojovací součásti. Chybí-li vhodná povrchová ochrana nebo vrstva vhodného maziva, dochází často již při utahování matice ke svaření povrchů.
Jsou-li šroubové spoje vystavovány vyšším teplotám, vznikají dodatečná namáhání. V závislosti na druhu materiálu, z něhož jsou šrouby vyrobeny, vznikají tvrdé a křehké vrstvy okují, které blokují závit a znemožňují povolit šroubový spoj.
Každý závit má boční vůli. Při utahování šroubu táhne jenom jeden bok závitu, vytvářejí se kapiláry, do nichž může lehce vniknout vlhkost nebo plyny, jež mohou způsobit korozi zejména u nelegovaných, ke korozi náchylných ocelí.
Tribokoroze vzniká vibracemi na styčných místech kovu, místech přenosu síly, v důsledku relativních pohybů. Taková poškození materiálu vedou k únavovému lomu nebo k zadření závitu.
Kluzné vlastnosti jednotlivých součástí lze zlepšit vhodným funkčním povlakem. Správnou volbou a kombinací funkčních povlaků lze zlepšit kluzné vlastnosti nad kluzné vlastnosti samotného materiálu, respektive ochranného povlaku (např. povlak Zn – PTFE).
Kluzné laky
Vhodné uplatnění nacházejí prostředky označované jako kluzné laky. Jsou to suspenze tuhých maziv v rozpouštědlech s anorganickými nebo organickými pojivy. Po vytvrzení vytvářejí pevně lpící, suchý film.
Kluzné laky jsou vyráběny na bázi rozpouštědel, ale jsou i laky na bázi vody. Do kluzných laků se používá mnoho pigmentů s mazacími účinky. Nejčastěji používané jsou sirník molybdeničitý, grafit a polytetrafluoretylen (teflon). Všechna tato tuhá maziva mají charakteristické vlastnosti, které určují jejich použití. Sirník molybdeničitý má široký rozsah použití při různých teplotách a při vysokých zatíženích povrchu, i za nepřítomnosti adsorbčních plynů, např. vodní páry. Tato vlastnost je rozhodující pro široké použití kluzných laků s MoS2. Grafit ve vazbě s oxidy kovů má dobré mazací vlastnosti. Polytetrafluoretylen (PTFE) má široké použití, nejsou-li nároky na zatížení a na teplotu příliš vysoké a je-li vyžadována chemická netečnost a čistota. Kluzné laky PTFE tvoří sotva viditelné, hedvábně matné filmy. Následující tabulka dává zjednodušený přehled charakteristických vlastností nejčastěji používaných tuhých maziv kluzných laků s pigmenty MoS2, grafitem a PTFE.
| Sirník molybdeničitý | Grafit | Teflon (PTFE) | |
| Přilnavost | dobrá | přiměřená | malá |
| Tvrdost/Vickers | měkké 1,26…1,43 | měkké 0,89…1,26 | měkké <1,26 |
| Měrná hmotnost g/cm3 | 4,8 | 2,1…2,3 | 2 |
| Mazací schopnost při malém zatížení | dobrá | dobrá | vynikající |
| Mazací schopnost při velkém zatížení | velmi dobrá | přiměřená | malá |
| Mazací schopnost ve vákuu | velmi dobrá | malá | dobrá |
| Barva | černá | černá | bezbarvý/bílý |
| Odolnost proti záření | dobrá | dobrá | malá |
Kystalická struktura |
šestiúhelníková vrstevnatá mřížka | šestiúhelníková vrstevnatá mřížka | částečně krystalická, polymerní řetězec molekul |
| Rozpustnost | nerozpustný | nerozpustný | nerozpustný |
| Max. provozní teplota | 300°C | 600°C | 260 – 300°C |
| Koeficient tření (µ) (1) | 0,03…0,1 | 0,1 | 0,01…0,25 |
| Chemická stálost | dobrá | velmi dobrá | velmi dobrá |
| Antikorozní vlastnosti | přiměřené | dobré | dobré |
| Produkty rozpadu při oxidaci | MoO3 SO2 | CO CO2 | C2F4 |
(1) koeficient tření závislí na mnoha faktorech, jako např. od: tlaku, kluzné rychlosti, složení atmosféry (vlhkosti), kluzných párů, jakož i od dodatečného mazání, které je k dispozici.
Kluzné laky jsou prostředky povrchových úprav, omezující tření a otěr. Tvoří pevně lpící, suché mazací filmy s vysokou účinností. Jejich použití umožňuje vhodná příprava povrchu. Jsou mimořádně odolné proti tlaku, vysoké teplotě i chladu, nestárnou a jsou čisté pro manipulaci.Některé dosavadní prostředky na mazání šroubů, především vystavených vysokým teplotám, mohou mít na spojovací materiál i negativní vliv. Je nutné používat prostředky s tuhými mazivy pro vysoké teploty, které spojovací materiál nenapadají, tj. nevedou k žádným materiálovým změnám.
Zvyšují ochranu proti korozi, zajišťují optimální montáž a funkci šroubového spoje a jsou též zárukou bezpečné demontáže šroubového spoje.
Závěr
Povrchová úprava šroubových spojů vyžaduje pozornost nejen z hlediska ochrany proti korozi a ostatních vlivů prostředí, ale především z důvodů jisté a bezpečné montáže. Vysoké hodnoty utahovacích momentů nejsou ještě zárukou potřebného předepnutí spoje. Vhodná povrchová úprava zajišťuje optimální montáž, zvyšuje životnost a zajišťuje i bezpečnou demontáž šroubových spojů.
Správné a dostatečné předepnutí šroubového spoje je dáno potřebným utahovacím momentem při definovaném stavu povrchu (koeficientu tření) a správné výrobní toleranci rozměrů (včetně povrchové úpravy).
Význam povrchových úprav u šroubových spojů je vnímán především při jejich nedostatečnosti, selhání a negativním vlivu na základní materiál.