Porovnání austenitických návarů proti abrazivnímu opotřebení

Velká část poruch strojních zařízení má svůj původ v opotřebení jednotlivých součástí. Také zadírání funkčních ploch, které je způsobeno ztíženými pracovními podmínkami, zaviňuje poškození strojů. V některých případech lze poruchám zabránit různými konstrukčními úpravami. Někdy však z různých důvodů nemůžeme změnit konstrukci stroje. Pak je nutno volit vhodný materiál nebo vhodně upravit povrch funkčních ploch a hran. Jedním z velmi účinných opatření, jimiž zvyšujeme odolnost proti opotřebení, je navařování funkčních povrchů vhodným materiálem. Návarové materiály, které pro tento účel používáme, mají různé vlastnosti. Při jejich volbě musíme důsledně vycházet ze způsobu namáhání navařované součásti a zároveň přihlížet ke složení základního kovu. Jiné návarové materiály jsou vhodné pro práci s pískem a štěrkem, jiné pro nástroje zpracovávající půdu. Vhodnost návarového materiálu závisí především na druhu opotřebení. Opotřebení samo o sobě je velmi složitým fyzikálně chemickým jevem. Následkem opotřebení přestane mít součást předepsanou velikost a tvar, zařízení se stane méně účinným a spolehlivým a při dalším provozu může dojít k meznímu stavu, po kterém dojde k poruše. V praxi se pro navařování používá mnoho návarových slitin s různými vlastnostmi. Jde o návary: martenzitické, ledeburitické, materiály na bázi kobaltu a niklu, keramické materiály a v neposlední řadě i austenitické návarové materiály. V tomto článku porovnáváme hodnoty odolnosti austenitických materiálů proti abrazivnímu opotřebení. Austenitické oceli jsou známé vynikající odolností proti opotřebení po zpevnění silnými údery. Oceli jsou mimořádně houževnaté, mají však poměrně malou tvrdost asi 200 HV. Silnými údery se povrchová vrstva zpevní a tvrdost se zvýší až na 500 HV, a potom výborně odolává opotřebení. Ohřevem na teplotu 300 °C začíná austenitická manganová ocel ztrácet svoji mimořádnou houževnatost. Při ohřevu přechází uhlík z tuhého roztoku do karbidových částic, které se vytvářejí na hranicích mezi zrny, přičemž se zvyšuje tvrdost a křehkost. Když se při ohřevu dosáhne teploty 1050 až 1100 °C, karbidy se opět úplně rozpustí v tuhém roztoku. Následujícím rychlým ochlazováním získá ocel svoje původní vlastnosti. Nelze-li součást navařenou austenitickým materiálem tepelně zpracovat, je třeba ji navařovat krátkými housenkami s přestávkami, aby se základní materiál nepřehřál a aby se tak zabezpečil tepelný spád potřebný pro vznik výsledné austenitické struktury. K navařování není vhodné použít plamen, čímž by se základní materiál více přehřál, protože rychlost ohřevu je nižší než při navařování obloukem. ZKOUŠENÉ NÁVAROVÉ MATERIÁLY Pro porovnání odolnosti proti opotřebení materiálů bylo zařazeno 6 typů návarových materiálů, z nichž jeden byl hodnocen ve dvou různých průměrech elektrod. Návarový materiál A, B o 4 mm, C o 6 mm, C o 11 mm, D o 4 mm, E o 11 mm, E o 4 mm a F o 11 mm. Směrné chemické složení zkoušených materiálů dle katalogu je uvedeno v tabulce. Výrobce uvádí směrné chemické složení i na krabicích od elektrod, kde jsou však určité odlišnosti v procentickém složení jednotlivých chemických prvků. MOŽNOSTI POUŽITÍ Návarový materiál A je vhodný pro velkoplošné návary na nelegovaných ocelích, legovaných ocelích a slitinách niklu namáhaných tlakem, rázy, otěrem a vysokými teplotami do 1100 °C. Zvláštní vlastností austenitického žárupevného návaru je možnost třískového obrábění. Je ideální pro opravy hran, kde je nutné návar třískově obrobit bez tepelného zpracování. Díky vysoké odolnosti proti korozivním médiím je použitelný v chemickém průmyslu. Návarový materiál je zpevnitelný zastudena. Návarový materiál B je použitelný především na nástroje z oceli, oceli na odlitky a tvrdé manganové oceli opotřebované vlivem rázů, úderů a tlaku. Je vhodný pro spojování a na návary austenitických tvrdých Mn - ocelí s 12 - 14 % Mn. Návarový materiál C tvoří návar s vysokým podílem karbidů chromu a molybdenu v tvrdé, houževnaté matrici. Návar odolává opotřebení otěrem a může být aplikován na nízkouhlíkové oceli bez předehřevu. Návarový materiál D je vyvinutý na chromkarbidové bázi. Je vhodný v místech, kde se vyskytuje opotřebení otěrem, tlakem při středním namáhání rázy, např. těžba uhlí, zeminy, štěrku, písku apod., pro navařování zubů bagrů, stříhacích lišt, dopravních šneků, hladkých vodicích ploch, konců ventilů a strojních dílů s pracovní teplotou do 200 °C. Návarový materiál E tvoří návar s vysokou odolností otěru při silném namáhání rázy. Zvláště vhodný je tam, kde není možno navařit více jak jednu vrstvu návaru. Má vysoký podíl karbidů chromu a niklu v tvrdé, houževnaté austenitické matrici. Typické aplikace jsou zejména rotační kladiva v drtičích štěrku a zuby lžícových bagrů. Je zvláště vhodný pro často se opakující renovace velmi namáhaných součástí. Návarový materiál F odolává vysokému otěru a erozi při teplotách až do 650 °C. Návar je tvořen tvrdou austenitickou matricí s karbidy chromu, niobu, molybdenu, wolframu a vanadu. POSTUP PŘÍPRAVY VZORKŮ S NÁVARY PRO ZKOUŠKY ODOLNOSTI PROTI ABRAZI NAVAŘOVÁNÍ ZKUŠEBNÍCH ELEKTROD Použil se jednovrstvý návar na desky o rozměru 78 x 80 mm. Po navaření došlo k deformaci základního materiálu, proto byla deska na protilehlé straně návaru ofrézována do roviny. Následně se deska upnula do rovinné brusky a návar byl přebroušen do roviny při minimálním úběru materiálu návaru. Následně byly desky ofrézovány na straně protilehlé návaru na výšku 17,5 mm. Z navařené desky se pak vyřezaly zkušební vzorky 25 x 25 x 17,5 mm. Navařené desky ZKOUŠKA OPOTŘEBENÍ S VÁZANÝMI ABRAZIVNÍMI ČÁSTICEMI Opotřebení bylo stanoveno na přístroji s brusným plátnem podle ČSN 01 5084. Zkušební přístroj s brusným plátnem je složen z rovnoměrně se otáčející vodorovné desky, na kterou se upevňuje brusné plátno. Zkušební těleso je drženo upínací hlavicí a je přitlačováno k brusnému plátnu silou vyvozenou sadou závaží s celkovou hmotnosti 2,35 kg, která při velikosti obrušované plochy 25 x 25 mm vyvozuje měrný tlak 0,037 MPa. Šroub umožňující radiální posuv vzorku má koncový spínač. Hlavní pohyb koná příchytná deska s brusným plátnem, vedlejší pohyb vyvozuje šroub, který pohybuje upinací hlavicí s uchyceným vzorkem. Zkušební vzorek je během zkoušky posunován od středu ke kraji brusného plátna (nebo i v opačném směru) a částí svého povrchu přichází neustále do styku s nepoužitým brusným plátnem. Jako etalon byl použit materiál 12 014.1 o průměrné tvrdosti 101 HV. Zkušební přístroj byl oproti ČSN 01 5084 upraven. Hlavice je upravena pro upnutí vzorků s rozměry 25 x 25 x 17 mm. VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ Vyhodnocení zkoušek je na obr. Zkoušené materiály jsou seřazeny v pořadí rostoucí odolnosti proti opotřebení v podmínkách intenzivní abraze vázanými částicemi. Je zřejmé, že odolnost proti opotřebení není přímo úměrná tvrdosti navařených vrstev. Je zřejmý i vliv průměru elektrody u návarového materiálu C, kde návar byl navařen elektrodou o o 6 mm a měl odolnost 2,9krát vyšší a návar, který byl zhotoven elektrodou o o 11 mm měl odolnost 5krát vyšší než porovnávací etalon. Při navařování elektrodou o o 11 mm dojde totiž k menšímu promísení se základním materiálem. Největší odolnost proti opotřebení vykazoval návarový materiál F, který byl 5,7krát odolnější než porovnávací etalon. V praxi se hledá optimální volba hlediska: odolnost proti opotřebení/ houževnatost. Austenitické materiály mají menší odolnost v porovnání s martenzitickými návary, ale lze je v provozu použít na součásti, kde se vyskytují rázy, mají houževnatější matrici, a tudíž u nich nedochází ke štípání. ING. PETR HRABĚ, DOC. ING. MILAN BROŽEK, CSC. KATEDRA MATERIÁLŮ A STROJNÍCH TECHNOLOGIÍ, ČZÚ PRAHA (Článek vznikl v rámci řešení grantu TF ČZU 31140/1312/313128 - Technicko-ekonomické studium vlivu faktorů ovlivňujících intenzitu opotřebení funkčních povrchů). Označení návaru C Si Mn Cr Ni Mo W V Ostatní A 0,05 0,7 0,8 16 56 16,5 4,5 0,03 Cu 0,05 B 0,75 0,15 11,7 4,2 3,1 0,35 X X X C 5,5 X 1,5 40 X X X X X D 4,3 X 1,3 38 0,8 X 1,3 0,5 Nb 0,03 E 4 1,5 0,8 26,5 X 0,9 X 0,4 Nb 7,9 F 5 X X 22 X 6 1,8 1 Nb 6,0