SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V
NITRE
TECHNICKÁ FAKULTA2123447
NÁZOV FAKULTYNÁZOV VYSOKEJ ŠKOLY
VPLYV CHEMICKÉHO ZLOŽENIA TVRDONÁVAROV NA
ICH ODOLNOSŤ PROTI OPOTREBENIU
2011 Jozef Slávik, Bc.
SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V
NITRE
TECHNICKÁ FAKULTA
VPLYV CHEMICKÉHO ZLOŽENIA TVRDONÁVAROV NA
ICH ODOLNOSŤ PROTI OPOTREBENIU
Diplomová práca
Študijný program: Kvalita produkcie
Študijný odbor: 2386800 Kvalita produkcie
Školiace pracovisko: Katedra kvality a strojárskych technológií
Školiteľ: Rastislav Mikuš, Ing.
NITRA 2011 Jozef Slávik, Bc.
Čestné vyhlásenie
Dolu podpísaný Bc. Jozef Slávik týmto vyhlasujem, že som záverečnú prácu na
tému „Vplyv chemického zloženia tvrdonávarov na odolnosť proti opotrebeniu“
vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry.
Som si vedomý zákonných dôsledkov v prípade, ak uvedené údaje nie sú pravdivé.
V Nitre 29. apríla 2011
Bc. Jozef Slávik
Poďakovanie
Týmto by som sa chcel poďakovať pánovi Ing. Rastislavovi Mikušovi za
odborné vedenie, cenné rady a čas, ktorý mi venoval. V neposlednom rade patrí veľká
vďaka aj zástupcom jednotlivých spoločností, ktorí ochotne poskytli prídavné materiály
pre účely tejto diplomovej práce.
Abstrakt
Táto práca je zameraná na skúmanie vplyvu chemického zloženia vybraných
tvrdonávarových materiálov na báze Fe-Cr-C na ich odolnosť proti abrazívnemu
opotrebeniu. Dvojice na porovnanie vplyvu chemického zloženia boli vyberané
s dôrazom na ich výrazne rozdielne chemické zloženie vo vybranom legujúcom prvku.
Bol skúmaný vplyv chrómu, nióbu, vanádu a bóru. Materiály boli skúšané na odolnosť
proti abrazívnemu opotrebeniu na brúsnom plátne. Najvýraznejší vplyv na zvýšenie
odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu majú hlavne bór (3 %), vanád (10 %) a niób
(4,5 %). Vplyv chrómu (9,8 %) na zvýšenie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu
bol nevýrazný.
Kľúčové slová: tvrdonávarové materiály, chemické zloženie, odolnosť proti
abrazívnemu opotrebeniu
Abstract
This work is focused on to study of chemical composition influences of selected
hardfacing materials on basis Fe-Cr-C on their abrasive wear resistance. Investigation
pairs of materials were selected with emphasis to marked differences in chemical
contents of selected chemical elements. Influences of chromium, niobium, vanadium
and boron were investigated. Materials were tested on device for tests of metal materials
against wear by abrasive cloth. The highest positive influences of boron (3 %),
vanadium (10 %) and niobium (4,5 %) on abrasive wear resistance increasing were
observed. Influences of chromium (9,8 %) on abrasive wear resistance increasing were
marginal.
Key words: hardfacing materials, chemical composition, abrasive wear resistance
Obsah Zoznam skratiek a značiek.............................................................................................7
Úvod..................................................................................................................................8
1 Súčasný stav riešenej problematiky doma a v zahraničí.......................................9
1.1 Abrazívne opotrebenie...........................................................................................9
1.2 Vplyv faktorov na proces abrazívneho opotrebenia.............................................14
1.2.1 Opotrebovávaný materiál.............................................................................15
1.2.2 Abrazivo.......................................................................................................20
1.2.3 Parametre dotyku..........................................................................................21
1.3 Druhy návarových materiálov..............................................................................22
3.3.1 Materiály typu martenzitickej ocele.............................................................22
3.3.2 Materiály typu austenitickej ocele................................................................23
3.3.3 Materiály ledeburitické.................................................................................25
3.3.4 Materiály neželezné......................................................................................25
3.3.5 Karbidy.........................................................................................................25
1.4 Spôsoby navárania...............................................................................................26
1.4.1 Naváranie plameňom....................................................................................27
3.4.2 Naváranie odtavujúcou sa elektródou...........................................................28
3.4.3 Naváranie neodtavujúcou sa elektródou.......................................................30
3.4.4 Naváranie aluminotermické..........................................................................32
3.4.5 Naváranie plazmou.......................................................................................32
3.4.6 Naváranie laserom........................................................................................33
2 Cieľ práce.................................................................................................................34
3 Metodika práce a metódy skúmania......................................................................35
3.1 Charakteristika skúšaných vzoriek a metodika ich výberu..................................35
3.2 Príprava vzoriek...................................................................................................36
3.3 Naváranie.............................................................................................................37
3.4 Meranie tvrdosti...................................................................................................38
3.5 Skúška podľa STN 015084..................................................................................40
3.6 Vyhodnotenie meraní...........................................................................................44
4 Výsledky práce.........................................................................................................45
4.1 Proces navárania...................................................................................................45
4.2 Vyhodnotenie skúšok tvrdosti..............................................................................46
4.3 Vyhodnotenie skúšky odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu podľa STN
015084......................................................................................................................49
5 Diskusia.....................................................................................................................54
6 Návrh na využitie výsledkov...................................................................................56
7 Záver.........................................................................................................................57
8 Zoznam použitej literatúry.....................................................................................59
9 Prílohy.......................................................................................................................61
Zoznam skratiek a značiek
SMAW - ručné oblúkové zváranie (Shielded Metal Arc Welding)
MOG - zváranie taviacou sa elektródou bez plynu (Metal Open Gas)
MAG - zváranie taviacou sa elektródou v aktívnom plyne (Metal Activ Gas)
ISO - medzinárodná organizácia pre normalizáciu (International
Organization of Standardization)
STN - slovenská technická norma
Značka Veličina Jednotka
HV tvrdosť podľa Vickersa -
HRC Tvrdosť podľa Rockwella (stupnica C) -
HVM Mikrotvrdosť podľa Vickersa -
T teplota °C
KT koeficient tvrdosti -
KIC lomová húževnatosť (kritický súčiniteľ intenzity napätia) -
U elektrické napätie V
I elektrický prúd I
t čas h
F sila N, kp
h hĺbka m
p tlak N.mm-2
S plocha m2
d priemer m
m hmotnosť kg
v rýchlosť m.s-1
Ψabr. pomerná odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu -
σ smerodajná odchýlka -
7
Úvod
Pri prevádzke dochádza k opotrebeniu, ktoré je vždy spojené s úbytkom
funkčnej plochy. Týmto dochádza k strate pôvodných tvarov a rozmerov, na ktoré boli
súčiastky pôvodne dimenzované a dochádza aj k strate schopnosti plniť požadované
funkcie, ktoré sú na ne kladené. Zníženie opotrebenia a obnovenie pôvodných rozmerov
a funkcií súčiastok má priaznivý vplyv na životnosť a v konečnom dôsledku znamená
materiálovú, finančnú a pracovnú úsporu v porovnaní so situáciou, keby sa nepoužila
technológia renovácie.
Na obnovenie funkčnosti súčiastok, teda na doplnenie opotrebeného materiálu
do pôvodných rozmerov a tvaru, sa používajú rôzne renovačné metódy. Jednou z týchto
renovačných metód je nanášanie tvrdonávarov na opotrebené funkčné plochy súčiastok.
Tým sa okrem obnovenia pôvodných tvarov a rozmerov súčiastok, dávajú súčiastkam
nové vlastnosti, často lepšie, ako mali pôvodne.
Aby bolo možné určiť vhodný materiál pre konkrétnu aplikáciu, je potrebné
poznať vlastnosti tohto materiálu, ktoré popisujú jeho správanie sa pri danom druhu
opotrebenia. Pretože prevládajúcim druhom opotrebenia pri aplikáciách tvrdých
povlakov je abrazívne opotrebenie, je potrebné zisťovať odolnosť tvrdonávarových
materiálov proti tomuto druhu opotrebenia. Zisťovanie odolnosti proti opotrebeniu
môžeme robiť buď v reálnych prevádzkových podmienkach, kde bude tvrdonávar
priamo aplikovaný na konkrétnu súčiastku a bude zabezpečovať odolnosť voči
opotrebeniu alebo formou laboratórnych skúšok, pri ktorých sa snažíme napodobniť
reálne prevádzkové podmienky, ktorým bude vystavená vrstva navareného materiálu.
Najdôležitejším atribútom ovplyvňujúcim výsledné vlastnosti materiálov je ich
chemické zloženie. Preto je Naša diplomová práca zameraná na skúmanie vplyvu
konkrétnych chemických prvkov tvrdonávarových materiálov na ich výsledné vlastnosti
po nanesení. Týmito výslednými vlastnosťami po nanesení budú tvrdosť na čele vzorky
a odolnosť voči opotrebeniu na viazanom abrazive (t. j. na brúsnom plátne) podľa
normy STN 015084.
8
1 Súčasný stav riešenej problematiky doma a v zahraničí
1.1 Abrazívne opotrebenie
K abrazívnemu opotrebovaniu povrchu dochádza ryhovaním a rezaním tvrdými
časticami alebo tvrdým a drsným povrchom druhého telesa, pri ich vzájomnom
relatívnom pohybe. Tieto častice môžu byť voľné alebo určitým spôsobom viazané.
Balla (1989) uvádza dve rozdielne formy prejavu abrazívnych procesov,
líšiacich sa charakterom vzájomného pôsobenia častíc a povrchu kovu:
1. s prevládajúcim mechanickým rozrušovaním,
2. s prevládajúcim mechanicko – chemickým rozrušovaním.
Podľa charakteru prostredia je možné aj pôsobenie chemických činiteľov, ktoré
narúšajú väzby v materiály hlavne na povrchu abrazívne opotrebovávaného materiálu.
Vplyvom týchto chemických činiteľov má abrazívne opotrebenie rýchlejší priebeh.
Vznik abrazívneho opotrebenia a jeho možné pôsobenia na základný materiál sú
znázornené na obr. 1 .
Obr. 1 Abrazívne opotrebenie (Kovaříková, Blaškovitš, 2007)
9
Kovaříková, Blaškovitš (2007) rozlišujú na základe vzájomných interakcií pri
abrazívnom opotrebení dva základné modely (obr. 2):
opotrebenie pri interakcii dvoch telies (častica a funkčný povrch), ktoré je
v praxi charakterizované napr. pri spracovaní pôdy alebo ťažbe surovín (obr. 2a),
opotrebenie pri interakcii troch telies (častica a dva funkčné povrchy), ktoré je
v praxi charakterizované rôznymi pohyblivými uloženiami, kde môže dôjsť
k vniknutiu nečistôt alebo pri drvení surovín (obr. 2b).
Obr. 2 Základné modely abrazívneho opotrebenia (Kovaříková, Blaškovitš, 2007)
a – interakcia dvoch telies, b – interakcia troch telies
Suchánek et al. (2007) uvádza, že pri abrazívnom opotrebení, kedy dochádza
k interakcii troch telies môže dôjsť k trom prípadom abrazívneho opotrebenia vplyvom
tvrdých abrazívnych častíc medzi funkčnou dvojicou:
1. Abrazívne častice prejdú priestorom medzi funkčnou dvojicou neporušené
a spôsobia opotrebenie povrchu vplyvom pôsobiaceho zaťaženia. Miera
opotrebenia stúpa lineárne s rastúcou hodnotou zaťaženia. Tento prípad nastáva
pri vysokej koncentrácii abrazívnych častíc s vysokou hodnotou pevnosti a pri
malom zaťažení.
2. Abrazívne častice sa porušia pri určitej hĺbke vniku do opotrebovávaného
materiálu. Porušovanie prebieha až do určitej medznej veľkosti, ktorá je daná
dynamickou rovnováhou zaťaženia a miestnych tlakov prenášaných časticami.
Vzdialenosť povrchov funkčnej dvojice je daná medznou veľkosťou
abrazívnych častíc. Lineárna závislosť opotrebenia na zaťažení sa mení na
mierne klesajúcu závislosť. Tento prípad nastáva pri stredných tlakoch a nízkej
10
koncentrácii abrazívnych častíc s malou pevnosťou (klzné dvojice a málo
zaťažené valivé dvojice).
3. Abrazívne častice sa porušujú, pokiaľ ich rozmery nedosiahnu súčet veľkostí
nerovností povrchu a hrúbky mazacej vrstvy. Potom prejdú oblasťou kontaktu
funkčnej dvojice. Vzdialenosť povrchov funkčnej dvojice je daná hrúbkou
mazacej vrstvy, ktorá závisí od podmienok hydrodynamického
a elastohydrodynamického mazania. Hĺbka vniknutia a veľkosť opotrebenia
závisí od pevnostných charakteristík abraziva a nezávisí na zaťažení. Tento
prípad je typický pre vysoké kontaktné tlaky pri valení a pri valení, kedy
dochádza k preklzu (valivé ložiská, zaťažené ozubené prevody).
Pri nízkych zaťaženiach je opotrebený povrch tvorený hlavne krátermi
(mikropitting), ktoré sa môžu tvoriť pri odvaľovaní abrazívnych častíc pri opotrebení
v dôsledku interakcie troch telies, kedy dochádza k plastickému deformačnému oteru.
Z rastom zaťaženia je povrch tvorený viac ryhami, ktoré sa môžu tvoriť hlavne pri
klznom pohybe abrazívnych častíc pri opotrebení v dôsledku interakcie troch telies.
Na to, či dôjde k mikropittingu alebo k mikrorezaniu má vplyv aj tvrdosť
opotrebovávaného materiálu a abrazívnych častíc. Pri nižšej tvrdosti je opotrebenie
tvorené najmä mikropittingom. Veľmi intenzívny oter môže nastať, aj keď napríklad
jeden povrch z dvojice opotrebovávaných povrchov je oveľa mäkší ako druhý. Vtedy
dôjde k zakotveniu abrazívnych častíc v mäkšom povrchu a tieto častice potom ryhujú
tvrdší povrch z dvojice funkčných plôch. Abrazívne častice pôsobia na opotrebovávaný
povrch tromi rôznymi spôsobmi: vytváraním nárastku pred abrazívnym zrnom,
ryhovaním a vytváraním valu pozdĺž ryhy a vytváraním triesky pred reznou hranou
abrazívneho zrna (Suchánek et al., 2007).
Balla (1989) uvádza, že najdôležitejšie z charakteristík procesu opotrebenia sú
podmienky, pri ktorých opotrebenie prebehlo. Tieto podmienky sú potrebné pre proces
analyzovania opotrebenia. Patria sem najmä vlastnosti abraziva, spôsob väzby abraziva,
sila, ktorou pôsobí abrazivo na opotrebovávaný povrch, relatívna rýchlosť pohybu,
dĺžka dráhy a v neposlednej rade aj chemická agresivita prostredia. Schopnosť abraziva
narúšať materiál závisí nielen od jeho tvrdosti, ale aj od geometrie jednotlivých zŕn
abrazívneho materiálu. Veľmi významný je aj vplyv veľkosti abrazívnych častíc,
pretože pri väčších rozmeroch častíc sa abrazívne opotrebenie zväčšuje. Najvyššia
11
odolnosť sa získava pri austeniticko-karbidickej štruktúre opotrebovávaného materiálu.
Pri legovaní je treba uvažovať nie o absolútnom obsahu legujúceho prvku, ale o pomere
k uhlíku, ktorý charakterizuje jeho rozdelenie medzi fázami. Pri pomere Cr/C od 1,8 do
5 a W/C od 0,4 do 1,6 je daný pomer neúčelný vzhľadom k tomu, že nedochádza k
zvyšovaniu odolnosti materiálu proti abrazívnemu opotrebeniu (odolnosť proti
opotrebeniu sa prejavuje len málo). Neúčelný je aj pomer V/C väčší ako 1. Okrem typu
karbidov vytvorených legúrami je potrebné zohľadniť aj ich množstvo a veľkosť.
Väčším množstvom karbidov rastie aj odolnosť proti opotrebeniu, ale len do určitého
množstva, ktoré je pre rôzne materiály rôzne. Čo sa týka veľkosti karbidov, tak ich
nadmerná veľkosť má za následok, že sa pri abrazívnom opotrebovávaní ľahšie
porušujú a vylamujú zo základnej matrice opotrebovávaného materiálu.
Blaškovič et al. (1990) uvádza, že je potrebné rozlíšiť dve štádiá pri abrazívnom
opotrebení. Prvým je štádium, kedy dochádza k vtláčaniu abraziva do
opotrebovávaného povrchu, pri ktorom je limitujúcim faktorom vnikacia tvrdosť.
Druhým je štádium rozrušovania povrchu, kde sú rozhodujúcimi faktormi sily
medziatómovej väzby a pevnosť spojenia medzi štruktúrnymi zložkami navzájom na
hraniciach zŕn. Vysoký stupeň legovania nie je zaručujúcim faktorom pre dobrú
odolnosť proti opotrebeniu. Preto je dôležité pre zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu
okrem legovania uvažovať aj o optimálnom štruktúrnom stave opotrebovávaného
materiálu. Je to najmä z dôvodu, že parametre mriežok karbidov a austenitu sú bližšie,
ako je to u iných štruktúrnych zložiek (napr. martenziticko – karbidická štruktúra). Pri
austeniticko – karbidickej štruktúre je vyššia aj pevnosť hraníc austenit – karbid, čo má
za následok, že abrazívne zrno ťažšie vylupuje karbid z matrice. Výrazný vplyv má aj
vzťah medzi tvrdosťou abrazívneho povrchu alebo častíc a tvrdosťou opotrebovávaného
povrchu.
12
Pri koeficiente tvrdosti KT vyššom ako 0,5 až 0,6 je pomerne prudký vzrast odolnosti
proti opotrebeniu (obr. 3).
KT=HH a
(1)
Kde: H – tvrdosť opotrebovávaného materiálu
Ha – tvrdosť abraziva
Obr. 3 Vzťah medzi pomerom tvrdosti opotrebovávaného kovu (H), abraziva (Ha)
a pomernou odolnosťou proti opotrebeniu (Ψ) (Blaškovič et. al., 1990)
13
1.2 Vplyv faktorov na proces abrazívneho opotrebenia
Suchánek et al. (2007) uvádza, že na proces abrazívneho opotrebenia vplýva
v prevádzke veľké množstvo faktorov, ktoré je možné zaradiť do troch skupín, ktorými
sú parametre opotrebovávaného materiálu, parametre abraziva a parametre dotyku, kde
okrem prevádzkových parametrov pri abrazívnom opotrebení sú aj vplyvy prostredia na
tribologický uzol (tab. 1).
Opotrebovávaná
plocha pri abrazii
Tvrdosť jadra
Tvrdosť na povrchu
Tvrdosť deformovanej štruktúry
Mikroštruktúra : veľkosť zrna, tvar, veľkosť a orientácia tvrdšej
fázy
Abrazivo Tvrdosť
Geometria nerovnosti/častice: veľkosť, tvar, orientácia
Rozdelenie nerovností/častíc: hustota, výšky, priestor pre oterové
častice
Parametre dotyku Zaťaženie
Nominálna dotyková plocha
Relatívna rýchlosť
Prostredie: vzduch, voda, mazivo, teplota
Orientácia systému (umožňuje odstraňovanie abrazívnych
a oterových častíc z miesta styku)
Výsledné
parametre
Pomerný oter
Koeficient opotrebenia
Koeficient trenia
Koeficient odstraňovania
Špecifická energia
Topografia povrchu
Priebeh tvrdosti do hĺbky
Tab. 1 Dôležité parametre pri abrazívnom opotrebení (Suchánek et. al., 2007)
14
1.2.1 Opotrebovávaný materiál
Suchánek et al. (2007) uvádza, že chemické zloženie opotrebovávaného
materiálu a podmienky tepelného spracovania ovplyvňujú najmä mikroštruktúru
opotrebovávaného materiálu. Pri oceliach a liatinách závisí odolnosť proti abrazívnemu
opotrebeniu od pevnosti a húževnatosti základnej kovovej matrice a od množstva
karbidov. Na vlastnosti základnej matrice a na tvorbu karbidov v tejto matrici má vplyv
obsah uhlíku a ďalších legujúcich prvkov.
Mikuš (2009) uvádza, že podľa vplyvu legujúcich prvkov na priebeh
polymorfnej premeny sa delia na prvky rozširujúce oblasť stability feritu, ako sú napr.
Cr, Si, Ti, Mo, V, Al a na prvky rozširujúce oblasť stability austenitu, ako sú napr. Mn,
Ni, Co. Vzhľadom k afinite prvkov k uhlíku je ich možné rozdeliť na legúry
karbidotvorné (Cr, Mo, Mn, Ti, B, Zr, Nb, .....), ktoré tvoria v základnej matrici stále
karbidy a na legúry nekarbidotvorné tzv. grafitizačné (Ni, Co, Si, Al, N, ....). Pri tvorbe
karbidov v základnej matrici môže dôjsť k vzniku jednoduchých karbidov, ktoré sú
tvorené uhlíkom a legujúcim prvkom (WC, TiC, B4C, .... ). Taktiež môže dôjsť k tvorbe
komplexného typu karbidov, ktoré sú tvorené prísadovým prvkom (prvok tvoriaci
karbid) a iným prvkom, ktorý ho môže čiastočne nahradzovať ( (CrFe)7C3,
(CrFe)23C6, .....). Platí zásada, že ak sa v zliatine nachádza viac legujúcich
karbidotvorných prvkov, tak majoritne vytvorí karbid prvok s väčšou afinitou k uhlíku.
Skočovský et al. (2001) uvádza rozdelenie prvkov, ktoré sa najčastejšie
vyskytujú v oceliach:
škodlivé sprievodné: S, O, P, N, H
prospešné sprievodné: Mn, Si, Cu, Al
legujúce prvky: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Co, Ti, Al, Nb, Zr, B, N, Be, Pb.
Síra (S) spôsobuje krehkosť za tzv. červeného žiaru. Sulfid železnatý zhoršuje najmä
húževnatosť a tvárnosť ocele pri teplote okolia a ďalej zvárateľnosť ocelí a pri
cementovaní ovplyvňuje rovnomernosť koncentrácie uhlíka. Kyslík (O) vplýva na
húževnatosť, ktorú výrazne zhoršuje, z čoho vyplýva zvýšenie tranzitnej teploty. Fosfor
(P) pri vyšších obsahoch tvorí fosfid Fe3P pri koncentrácii nad 0,1 %, ktorý má za
následok zníženie húževnatosti ocele a zväčšuje lámavosť za studena. Nepriaznivo
vplýva aj pri zváraní ocelí, kedy podporuje tvorbu odmiešanín. Dusík (N) spôsobuje pri
rýchlejšom ochladzovaní taveniny a pri väčšej koncentrácii vylučovanie jemne
disperzných nitridov. Vylučujú sa najmä po hraniciach zŕn a v sklzových rovinách,
15
a tým spôsobujú zníženie húževnatosti, zvýšenie medze klzu, prechodovej teploty
a dôjde aj k poklesu tvárnosti za studena (starnutie ocele). Prospešné sprievodné prvky
majú za úlohu kompenzáciu vplyvov škodlivých prvkov. Mangán (Mn) patrí medzi
základný prvok na dezoxidáciu a odsírenie (0,25 ÷ 0,9 %). Je rozpustný najmä vo ferite,
ale malá časť aj v cementite a zvyšuje jeho stabilitu. Spôsobuje zväčšenie medze
klzu, pevnosti a neovplyvňuje nepriaznivo húževnatosť a zvárateľnosť dobre
zvárateľných mäkkých ocelí. Kremík (Si) je dezoxidačnou prísadou (do 0,5 %) a je
rozpustný najmä vo ferite. Jeho pôsobenie na mechanické vlastnosti uhlíkových ocelí je
zväčša priaznivé. Meď (Cu) nie je veľmi bežnou prísadou v oceliach a zlepšuje najmä
odolnosť proti poveternostným vplyvom a zároveň nevplýva podstatne na mechanické
vlastnosti. Hliník (Al) je častým sprievodným prvkom a jeho najväčšie využitie je ako
dezoxidačná prísada a pôsobí priaznivo proti starnutiu oceli. Prvky s koncentráciou nad
určité množstvo sú v oceliach považované za legujúce (Mn – 0,9 %, Si – 0,5 %, Ni – 0,5
%, Cr – 0,3 %, W – 0,2 %, Co – 0,2 %, Mo – 0,1 %, V – 0,1 %, Ti – 0,1 %, Al – 0,1 %)
a takto legované ocele sú označované ako zliatinové.
Skočovský et al. (2001) uvádza rozdelenie zliatinových ocelí podľa obsahu
legujúcich prvkov na :
nízkolegované (do 2,5 %),
stredne legované (od 2,5 % do 5 %),
vyššie legované (od 5 % do 10 %),
vysokolegované (nad 10 %).
Všetky zliatinové prvky vedú k zníženiu eutektoidnej koncentrácie uhlíka
a maximálnej rozpustnosti uhlíka v austenite (spôsobujú posuv bodov S a E v sústave
Fe-Fe3C k nižším obsahom uhlíka), ale najvýraznejší vplyv majú prvky Cr, Si, W, Mo,
V, Ti. Výsledkom je zvýšený podiel perlitu v legovaných oceliach, ako by to bolo
v uhlíkových oceliach pri rovnako nízkom obsahu uhlíka alebo môže dôjsť
k vylučovaniu ledeburitu v zliatinových oceliach pri nízkom obsahu uhlíku. Vplyvom
legujúcich prvkov v zliatinových oceliach dochádza aj k tvorbe karbidov. Mangán (Mn)
podporuje tvorbu komplexných karbidov (legovaný cementit (FeMn)3C a karbidy
chrómu). Chróm (Cr) tvorí komplexné karbidy typu M23C6 a M7C3, ktorých súčasťou je
aj železo a mangán. Volfrám (W) a molybdén (Mo) sa viažu hlavne na komplexné
karbidy, ako je (FeWMo)6C, ak oceľ okrem nich obsahuje aj prvky s vyššou afinitou k
uhlík. Ak nie sú obsiahnuté tieto prvky, tak vznikajú špeciálne karbidy typu MC a M2C.
16
Medzi prvky ktoré sa vždy viažu na špeciálne karbidy a majú teda najvyššiu afinitu
k uhlíku patria V, Zr, Nb, Ta, Ti. Tieto prvky tvoria najčastejšie MC a M4C3 karbidy.
V sústave železo – legujúci prvok pri rovnovážnych podmienkach existujú dva typy
vysokolegovaných ocelí (obr. 4), a to sú austenitické a feritické. Zvýšením teploty A4
a znížením A3 a A1 sa rozširuje pole austenitu. Medzi prvky, ktoré otvárajú oblasť
austenitu úplne (obr. 4a) patria napr. Ni, Mn a Co a medzi prvky ktoré čiastočne
otvárajú oblasť austenitu (obr. 4b) patria N, Cu, B. Znížením teploty A4 a zvýšením A3
a A1 majú za následok feritotvorné prvky, ktoré zužujú pole austenitu. Medzi prvky,
ktoré uzatvárajú oblasť austenitu s úplnou rozpustnosťou, a pri vzniku súvislého poľa
grafitu (obr. 4c) patrí najmä Cr. Medzi prvky, ktoré uzatvárajú oblasť austenitu
s ohraničenou rozpustnosťou (obr. 4d) patria pri určitých množstvách koncentrácie Be,
Al, Si, P, Ti, V, Mo, W. Tieto sústavy sú len orientačné, nakoľko niektoré zliatinové
prvky tvoria so železom aj intermetalické zlúčeniny, ktoré tvoria ďalšie štruktúrne
zložky u niektorých vysokolegovaných ocelí. Medzi najznámejšie intermetalické
zlúčeniny patria FeCr (sigma fáza) a Fe3W2 (Skočovský et al., 2001).
Obr. 4 Binárne sústavy Fe – legujúci prvok (Skočovský et al., 1990)
a – austenitotvorné prvky úplne otvárajúce oblasť γ, b – austenitotvorné prvky
čiastočne otvárajúce oblasť γ, c – feritotvorné prvky zatvárajúce oblasť γ s úplnou
rozpustnosťou, d – feritotvorné prvky zatvárajúce oblasť γ s ohraničenou
rozpustnosťou
17
Suchánek et al. (2007) uvádza, že fyzikálne charakteristiky, ako je napr. pevnosť
medziatómových väzieb, majú vplyv na odolnosť proti opotrebeniu pri čistých kovoch,
niektorých zliatinách a nekovových látkach (minerály). Vďaka tomu rôzne zliatiny
s rovnakou tvrdosťou ale s rôznou pevnosťou medziatómových väzieb majú rozdielne
hodnoty odolnosti proti opotrebeniu. Určitá závislosť je aj medzi pomernou odolnosťou
proti abrazívnemu opotrebeniu a lomovou húževnatosťou KIC.
Tvrdé štruktúrne zložky (karbidy) v závislosti od svojej tvrdosti, tvaru, veľkosti,
množstva a rozloženia (disperzné rozloženie) v základnej kovovej matrici ovplyvňujú
odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu. S ich rastúcou tvrdosťou a zväčšujúcim sa
podielom v základnej kovovej matrici stúpa aj odolnosť proti opotrebeniu. Pri
posudzovaní podielu karbidov v základnej matrici musíme brať do úvahy aj matricu ako
faktor, ktorý vplýva na abrazívne opotrebenie materiálu (Suchánek et. al., 2007).
Popov et al. (1969) uvádza, že pri perliticko-karbidickej mikroštruktúre stúpa
tvrdosť a odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu do 35 % podielu karbidov. Pri
feriticko-karbidickej mikroštruktúre stúpa tvrdosť a odolnosť proti abrazívnemu
opotrebeniu do 5 ÷ 6 % podielu karbidov. Vyšší podiel karbidov už podstatne
neovplyvňuje odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu. Odolnosť ocelí proti
opotrebeniu je daná aj typom karbidov, ktoré sú v nej obsiahnuté. Napr. pri zmene
karbidov M3C na komplexné karbidy M7C3 sa zvýši odolnosť proti opotrebeniu. Medzi
skupinu karbidov, ktoré vedú k najväčšej odolnosti proti opotrebeniu patria komplexné.
Suchánek et al. (2007) uvádza, že príkladom komplexného karbidu je napr. VC
karbid, ktorý vznikne pridaním legujúceho prvku vanádu do chrómových
ledeburitických ocelí. Prísada vanádu spôsobuje aj vhodnejšie rozloženie karbidov
chrómu a ich legovanie uhlíkom a chrómom.
V štruktúre liatin je dôležitou zložkou, od ktorej závisí opotrebenie aj grafit.
Lamely grafitu pri šedej liatine pôsobia ako koncentrátory napätia a znižujú odolnosť
proti opotrebeniu. Odolnosť liatin proti abrazívnemu opotrebeniu je určená najmä
matricou (Suchánek et al., 2007).
Chotěborský et al. (2009) uvádza, že na odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu
má výrazný vplyv aj veľkosť karbidov. Najlepšie odolávajú dlhé karbidy M7C3, pretože
majú lepšiu súdržnosť s matricou a nedochádza k tak ľahkému vylamovaniu, ako je to
pri kratších karbidoch.
18
Suchánek et al. (2007) uvádza, že na abrazívne opotrebenie má výrazný vplyv aj
matrica opotrebovávaného materiálu. Najnižšiu odolnosť proti opotrebeniu majú ocele
a zliatiny s feritickou matricou. Zvyšovanie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu
pomocou substitučného spevnenia karbidotvornými prvkami (Cr, W, V) sa výrazne
neprejavuje na zvýšení odolnosti proti opotrebeniu pri feritickej matrici. S rastúcim
obsahom perlitu vo feritickej matrici (transformácia na feriticko-perlitickú matricu) sa
zvyšuje odolnosť voči abrazívnemu opotrebeniu. Pri tejto matrici má lamelárny perlit
vyššiu odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu ako globulárny. Ocele a liatiny
s martenzitickou matricou majú vyššiu odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu ako pri
perlitickej matrici. Vyšší obsah uhlíka a legujúce prvky majú za následok zvýšenie
odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu. Priaznivý účinok na odolnosť proti
abrazívnemu opotrebeniu má vysoký obsah zvyškového austenitu v martenzitickej
štruktúre, ktorý sa objavuje vplyvom tepelného spracovania, prípadne vysokého obsahu
uhlíka a legujúcich prvkov. Tento priaznivý účinok je daný vyššou pevnosťou fázového
rozhrania austenit-karbid ako fázového rozhrania martenzit-karbid. Tieto kladné účinky
vysokého obsahu zvyškového austenitu (napr. chróm-ledeburitické ocele 78 % ÷ 84 %)
platia najmä pre γ-Fe legované C, Cr alebo Mo. Odolnosť chrómniklových ocelí
s austenitickou matricou pri abrazívnom opotrebení je nízka, nakoľko nedochádza
k fázovým premenám. Rovnako aj pri mangánových oceliach s austenitickou matricou
nedochádza k transformácii austenitu na štruktúrne zložky s vyššou tvrdosťou
(martenzit, bainit) pri opotrebovávaní klznou abraziou. Preto je využitie mangánových
ocelí s martenzitickou štruktúrou v podmienkach abrazie s pôsobením rázov, kedy
dochádza k spevňovaniu austenitu a dochádza k čiastočnej transformácii na fázu
martenzitického typu, čo spôsobuje nárast tvrdosti povrchovej vrstvy.
Opotrebenie silne ovplyvňuje vlastnosti povrchovej vrstvy a vplyvom týchto
povrchových javov sa výrazne líšia chemické a fyzikálno-mechanické vlastnosti
povrchovej vrstvy a základného materiálu. V procese abrazívneho opotrebenia dochádza
v povrchovej vrstve k vysokým tlakovým pnutiam a k fázovej transformácii, kedy
dochádza k rozpadu metastabilného austenitu na martenzit. Oceľ s vysokým podielom
zvyškového austenitu je oveľa odolnejšia v povrchovej vrstve ako oceľ s nízkym
obsahom zvyškového austenitu (Suchánek et al., 2007).
19
Tab. 2 Mikrotvrdosť karbidov, nitridov a boridov (Suchánek et al., 2007)
Chemické
zloženie
Mikrotvrdosť
(HVM)
Chemické
zloženie
Mikrotvrdosť
(HVM)
Chemické
zloženie
Mikrotvrdosť
(HVM)
B4C 4950 - 5000 NbC 1961 - 2400 Fe4N --
SiC 2500 - 3350 TaC 1600 - 1787 NbN 1396
TiC 3000 - 3200 WC 1780 - 2080 TaN 1060 - 3236
VC 2094 - 2944 BN -- HfN 1600
Cr3C2 1350 - 2280 AlN 1230 TiB2 3370 - 3480
Cr23C6 1650 Ca3N2 -- ZrB2 2200 – 2252
Cr7C3 1336 - 2200 VN 1520 HfB2 2190
Mn3C -- TiN 1994 - 2450 NbB2 2500
Fe3C 800 ZrN 1520 - 1988 TaB2 1670
1.2.2 Abrazivo
Tvar abrazívnych častíc vplýva výraznou mierou na opotrebenie. Pri ostrých
hranách abrazívnych častíc je predpoklad, že dôjde k ryhovaniu opotrebovávaného
materiálu a tým k oddeľovaniu častíc z opotrebovávaného materiálu pri relatívnom
pohybe abrazívnych častíc. Na opotrebenie má vplyv počet abrazívnych častíc s reznou
schopnosťou (ostré a hranaté tvary častíc). Počet týchto častíc sa môže zvyšovať, napr.
vplyvom zvýšenia relatívnej vlhkosti kvôli ktorej dochádza k ľahšiemu porušovaniu
abraziva a dochádza k vytváraniu väčšieho množstva rezných hrán. Pri malom zaťažení
sa výrazne nemení veľkosť abrazívnych častíc, ale dochádza k otupovaniu ich rezných
hrán a tým klesá ich abrazívny účinok. Pri veľkom zaťažení dochádza k intenzívnemu
porušovaniu abrazívnych častíc. Toto porušovanie pri abrazívnych časticiach so
sklonom k veľkej štiepiteľnosti zrna nevyvoláva výrazné zmenšenie intenzity
opotrebenia, pretože zároveň dochádza k výraznej tvorbe nových rezných hrán.
Hodnotenie tvaru abrazívnych častíc sa najčastejšie robí pomocou kvalitatívnej metódy
na základe vizuálneho posúdenia, kedy sa častice dajú označiť ako zaoblené, čiastočne
hranaté, alebo hranaté. Toto kvalitatívne hodnotenie musí byť doplnené aj stanovením
ostrohrannosti častíc. Ostrohrannosť častíc je možné stanoviť pomocou rozsiahleho
súboru meraní, ale výsledky z nich majú značne obmedzenú použiteľnosť. Detailné
20
meranie mikrogeometrie abrazívnych častíc je veľmi prácne, obtiažne a ťažko
využiteľné pre potreby praxe (Suchánek et al., 2007).
(Suh, 1986) uvádza, že pri veľmi malej veľkosti abrazívnych častíc je veľmi
malé opotrebenie, kedy dochádza ku kontaktným únavovým procesom a nie
k abrazívnemu opotrebeniu. Vtedy dochádza k plastickej deformácii a ide o maximálnu
odolnosť základného materiálu proti abrazívnemu opotrebeniu. S ďalším rastom častíc
dochádza k výraznému zvýšeniu opotrebenia a v tretej fáze je opotrebenie nezávislé na
priemere častíc, alebo dochádza len k miernemu nárastu.
Suchánek et al. (2007) uvádza, že mineralogické vlastnosti abrazívnych častíc
majú vplyv na celkovú abrazivitu, a to najmä svojou štiepitelnosťou, ktorá je
vyjadrením schopnosti častíc rozrušovať sa vplyvom zaťaženia a tvoriť nové rezné
hrany. Napr. živec, ktorý má menšiu tvrdosť ako kremeň dosahuje porovnateľnú
rýchlosť opotrebenia. Je to dôsledkom toho, že častice živca sa v procese opotrebenia
štiepia a vytvárajú nové, no menšie ostrohranné častice. Vysokú abrazivitu majú hlavne
korund a karbid kremíku (pri abrazii ocele). Z hornín má najväčšiu abrazivitu žula,
čadič a granulit (pri abrazívnom opotrebení oceli 15 260.6).
Chotěborský et al. (2009) uvádza, že odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu na
určitých druhoch zliatin, pri použití piesku ako abraziva rastie, až do určitého množstva
karbidickej fázy (cca 30 %) a pri ďalšom zvyšovaní podielu tejto fázy v zliatine
odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu klesá. Naopak, pri korundovom abrazive má
zvyšujúci sa podiel karbidickej fázy priaznivý vplyv na odolnosť proti abrazívnemu
opotrebeniu (odolnosť rastie).
1.2.3 Parametre dotyku
Suchánek et al. (2007) uvádza, že pri rastúcom zaťažení sa zvyšuje hmotnostné
opotrebenie skúšobnej ocele na prístroji s brúsnym plátnom. Ale môže dôjsť aj
k zníženiu opotrebenia vplyvom zvýšenia zaťaženia. Tento jav môže nastať napr. pri
vzájomnom pôsobení tvrdých karbidov ako sú M7C3 v štruktúre opotrebovávaného
materiálu, ktoré vyvolávajú väčšie poškodzovanie hrán a topografie abrazívnych častíc
SiO2 pri zvýšení zaťaženia. Poškodzovaním dochádza k zníženiu abrazívneho
opotrebenia. Tento efekt sa však môže prejaviť len v kombinácii veľmi tvrdých
karbidov alebo boridov obsiahnutých v opotrebovávanom materiály, na ktorý pôsobia
pomerne mäkké abrazívne častice.
21
Suchánek et al. (2007) uvádza, že rastom klznej rýchlosti dochádza k miernemu
zvýšeniu opotrebenia pri skúške na brúsnom plátne so skúšobnou vzorkou žíhanej
uhlíkovej ocele a tepelne spracovanej ocele so stredným obsahom uhlíka (platí do
hodnoty klznej rýchlosti 2 m.s-1). Pri skúškach hliníka, mosadze a Armco železa na
brúsnom plátne je objemové opotrebenie menšími abrazívnymi časticami (70 μm) so
stúpajúcou klznou rýchlosťou vzrastajúce. Pri väčších abrazívnych časticiach (300 μm)
je rast objemového opotrebenia so stúpajúcou klznou rýchlosťou zanedbateľný. Pri
skúškach na pryžovom kotúči je u mäkkých kovových materiálov, ako je Al alebo Cu
opotrebenie nemenné s rastúcou klznou rýchlosťou. Ale pri kalenej chrómovej
ledeburidickej oceli opotrebenie klesá s rastúcou klznou rýchlosťou pri skúške na
pryžovom kotúči.
Veľkosť opotrebenia lineárne rastie s časom prevádzky, pokiaľ nedochádza
k tvarovým zmenám opotrebovávaného materiálu a k zmene dominantného
mechanizmu opotrebenia.
1.3 Druhy návarových materiálov
Základným kritériom voľby návarového materiálu sú najmä laboratórne
a prevádzkové skúšky odolnosti navarenej vrstvy proti opotrebeniu. Z tohto dôvodu sa
v praxi využíva mnoho druhov návarových zliatin so širokou škálou chemického
zloženia a tým aj rôznorodosťou ich vlastností.
Čičo (2009) uvádza ich možné rozdelenie do týchto základných skupín:
materiály typu martenzitickej ocele,
materiály typu austenitickej ocele,
materiály ledeburitické,
materiály neželezné,
karbidy.
3.3.1 Materiály typu martenzitickej ocele
Pri týchto typoch materiálov sa kalenie alebo tepelné spracovanie po navarení
vrstvy robí len výnimočne. Ide o základné prídavné materiály určené predovšetkým na
ručné zváranie obalenou elektródou. Tvrdosť získaná týmito prídavnými materiálmi je
v závislosti na rýchlosti samovoľného ochladzovania odvádzaním tepla do základného
materiálu. Preto je potrebné hlavne z daného dôvodu prídavný materiál mierne legovať
22
prvkami, ktoré zvyšujú prekaliteľnosť, čo má za následok, že rýchlosť ochladzovania je
dostatočná k zakaleniu. Ich tvrdosť je približne od 250 HV po 600 HV (Čičo, 2009).
Adamka (1995) uvádza, že ocele so základnou martenzitickou hmotou sa
vyznačujú veľkou odolnosťou proti abrazívnemu opotrebeniu, čo je spôsobené hlavne
vysokou tvrdosťou martenzitickej štruktúry a na opotrebovanom povrchu dochádza
k vzniku deformačného spevnenia. Transformáciou zvyškového austenitu
a precipitáciou jemných karbidov, ktoré vyvoláva deformácia vzniká spevnenie. Týmto
spôsobom sa zvyšuje odpor proti dislokačným pohybom a tým narastá odolnosť proti
opotrebeniu.
3.3.2 Materiály typu austenitickej ocele
Čičo (2009) uvádza, že využitie daných materiálov je v prípade opotrebovávania
navarenej vrstvy, ktoré je sprevádzané silnými údermi. Tieto prídavné materiály sa
vyznačujú svojou húževnatosťou pri pomerne malej tvrdosti asi 200 HV. Pre lepšie
odolávanie opotrebeniu je potrebné mechanické spevnenie silnými údermi, vďaka
ktorým sa povrchová vrstva spevní. Pri danom type prídavného materiálu sa na zváranie
nesmie použiť plameň, pretože by došlo k rozpadu austenitu vplyvom prehriatia
základného materiálu a zmenšila by sa rýchlosť ochladzovania. Tvrdosť po spevnení je
približne 500 HV.
Adamka (1995) uvádza, že najväčšiu odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu
vykazujú návary so základnou austenitickou hmotou a tvrdými karbidickými časticami.
Pre vysvetlenie najväčšej odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu práve pri kombinácii
austenitická základná matrica a tvrdé karbidické častice existujú dve teórie:
1. Nastáva veľké drobenia zŕn na fragmenty v dôsledku deformácie v podmienkach
abrazívneho opotrebenia a dochádza k tvorbe blokovej štruktúry, ktorá je
v povrchovej vrstve rozdrobená a orientovaná pod uhlom 20 - 35° vzhľadom
k povrchu.
2. V dôsledku deformácie v povrchových vrstvách nastáva rast hustoty sklzových
dislokácií, vznik vrstevných chýb a dvojčaťových lamiel. Tieto aspekty bránia
pri plastickej deformácii pohybu dislokácií. V priebehu abrazívneho opotrebenia
sa obnažujú tvrdé karbidické zložky v základnej austenitickej štruktúre
a dochádza k ich drobeniu. Väčšia časť z nich pôsobí ako abrazivo a určité
menšie množstvo je zatláčané do základnej austenitickej matrice a spôsobuje
zvyšovanie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu.
23
Mechanizmus abrazívneho opotrebenia pre austeniticko-karbidickú štruktúru je
znázornený na obr. 5.
Austeniticko – mangánové návary sú z dôvodu spevňovania štruktúry údermi za
studena vhodné pre použitie v abrazívnom prostredí kombinovanom s rázmi, kde
dochádza k ich zvyšovaniu odolnosti proti opotrebeniu. Deformáciou (7 %) za studena
možno vopred získať zvýšenie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu. Toto zvýšenie
odolnosti proti opotrebeniu je spôsobené vznikom blokovej štruktúry s 20 % až 30 %
orientáciou k povrchu a menej aj vznikom martenzitu (Adamka, 1995).
24
Obr. 5 Mechanizmus abrazívneho opotrebenia, austeniticko-
karbidická štruktúra (Kovaříková, Blaškovitš, 2007)
3.3.3 Materiály ledeburitické
Čičo (2009) uvádza, že ich hlavné využitie je hlavne pri abrazívnom opotrebení
minerálnym abrazívom bez pôsobenia mechanických rázov. Ak sú v prídavnom
materiáli okrem karbidov železa prítomné aj karbidy legujúcich prvkov, ako napr. Cr,
W a iné, je odolnosť vyššia pretože štruktúra návarovej vrstvy je tvorená
nerovnorodosťou štruktúrnych zložiek, ktoré tvoria tvrdé štruktúry. Najviac odolné sú
nadeutektické zliatiny, ktoré sú tvorené dlhými ihlicami karbidov legúr a uhlíka
v základnom húževnatom materiáli. Najčastejšie používané sú bežné s nízkym obsahom
Cr (2 ÷ 5 %) a zliatiny vysoko legované s obsahom Cr (20 ÷ 30 %). Vplyvom ďalších
legúr je možné napr. zvýšiť odolnosť proti zvýšeným teplotám (W), zvýšenie odolnosti
proti chemickým vplyvom a praskaniu (Ni).
3.3.4 Materiály neželezné
Čičo (2009) uvádza, že ich využitie je pre špeciálne účely. Zliatiny Co sa
využívajú na účely spojené s ich vlastnosťami, ktoré sú:
vysoká tvrdosť do teploty asi 700 °C,
maximálna tvrdosť dosiahnuteľná bez tepelného spracovania,
vysoká odolnosť voči chemickým vplyvom a opotrebeniu.
Zliatiny neželezných materiálov tvorené Co sa nazývajú stellity a ich využitie
vzhľadom k ich značnej cene je najmä na kriticky namáhané časti, kde bežné materiály
nie sú dostatočne odolné, hlavne proti opotrebeniu a tepelnému namáhaniu. Na
naváranie sa zväčša využíva plameň. Do skupiny neželezných prídavných materiálov
patria aj prášky na báze Ni, pri ktorých sa na naváranie využíva hlavne plazma, laser
a kyslíkovo-acetylénový plameň.
3.3.5 Karbidy
Najčastejšie spekané karbidy wolfrámu vynikajú tvrdosťou a veľkou odolnosťou
proti opotrebeniu. Naváranie sa uskutočňuje najmä plameňom, kde prídavný materiál je
vo forme oceľového trubičkového drôtu, ktorý je naplnená karbidovou drťou. Veľkosť
karbidických zŕn sa volí podľa účelu. Hrubšie čiastočky sú využiteľné na zlepšenie
rezného účinku napr. vrtnej korunky pri vŕtaní hornín. Použitie jemnejšieho zrna je
účelnejšie pri zvyšovaní odolnosti proti opotrebeniu. Z hľadiska zvýšenia odolnosti
navarenej vrstvy proti opotrebeniu je účelné, ak sa karbidové zrná takmer netavia
a zostanú viazané v základnej štruktúre húževnatejšej ocele (Čičo, 2009).
25
Feriticko-karbidická štruktúra tvrdonávarov má veľmi malú odolnosť proti
abrazívnemu opotrebeniu. Je to najmä v dôsledku toho, že rozpustnosť uhlíka v α železe
je obmedzená a aj vplyv Cr na spevnenie α železa je veľmi malý. Okrem iného má
mriežka α železa vysokú náchylnosť na vznik trhlín v podmienkach dislokačného
mechanizmu plastickej deformácie. Tvrdosť štruktúry sa zvyšuje prítomnosťou
karbidov, ale odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu sa výraznejšie nezvyšuje
(Adamka, 1995).
1.4 Spôsoby navárania
Blaškovitš et al. (2006) uvádza, že naváranie je nanesením vrstvy kovu na
povrch súčiastky tavným spôsobom zvárania. Cieľom navárania je získať na povrchu
zliatinu, ktorá má mnoho vlastností ako je napr. odolnosť proti opotrebeniu a korózii,
žiarupevnosť a iné. Častým cieľom navárania v praxi je jeho využitie na báze
renovačnej technológie, vďaka ktorej je možné obnoviť rozmery strojovej súčasti,
pričom väčšinou dôjde aj k zlepšeniu vlastností povrchu. Snahou navárania je zvýšiť
životnosť renovovanej súčiastky. Ide o zníženie faktorov ako je spotreba materiálu
a energie, ktoré by bolo potrebné vynaložiť na vytvorenie novej súčiastky. Pri naváraní
je dôležité zohľadniť vplyv tepelnej energie na vlastnosti súčiastky, vplyv fyzikálno –
metalurgických faktorov, vplyv rýchlosti ochladzovania súčiastky po navarení, vplyv
tepelného spracovania a v neposlednom rade aj vplyv tribologických charakteristík
ktoré budú vplývať v tribologickom uzle na navarenú vrstvu súčiastky.
Prednosti technológie navárania:
možnosť naniesť materiály s rôznym chemickým zložením na základný materiál
rôzneho chemického zloženia,
vysoká produktivita navárania v rozsahu od niekoľko gramov za hodinu
(mikroplazma, laser, ...), až po niekoľko kilogramov za hodinu (elektrotroskové
naváranie),
možnosť získania veľmi hrubých návarov (0,2 až 100 mm),
možnosť navárania súčiastok so zložitými tvarmi,
jednoduchosť naváracích systémov,
možnosť zavedenia mechanizácie, automatizácie a robotizácie do navárania,
väčšinou nie je vyžadovaná kvalifikácia zváračov na vysokej úrovni,
možnosť spojenia navárania s inými technológiami,
26
výhodná orientácia kryštalitov (primárnych) vzhľadom na pracovnú plochu
súčiastky.
Za nedostatky navárania možno považovať:
Zhoršenie vlastností návaru premiešaním základného materiálu s návarovým,
Deformácia najmä tenkých profilov vplyvom tepla pri naváraní,
Heterogenita návaru závislá od jednotlivých metód navárania a od spôsobu
ukladania húseníc,
V niektorých prípadoch je potrebný predohrev základného materiálu, dodržanie
teplotných režimov pri naváraní, tepelné spracovanie po navarení súčiastky,
Zložitejšie mechanické opracovanie.
Čičo (2009) uvádza základné požiadavky na návar:
dobrá kaliteľnosť, prekaliteľnosť, odolnosť proti opotrebeniu,
malá hĺbka prevarenia, malé tepelné ovplyvnenie základného materiálu,
malé premiešanie prídavného materiálu so základným,
dobré spojenie prídavného materiálu so základným.
Tolnai (2007) uvádza, že fyzikálne a metalurgické deje prebiehajú v oblúku
veľmi rýchlo, za vysokých teplôt a sú ovplyvňované:
geometrickým usporiadaním systému katóda – anóda,
chemickým zložením plazmy, okolitej atmosféry, elektród,
tepelnou vodivosťou plazmy, elektród a základného materiálu.
1.4.1 Naváranie plameňom
Najčastejšie býva ako zdroj tepla plameň v zmesi horľavého plynu s kyslíkom
(acetylén s kyslíkom). Ale pri naváraní napr. olova, alebo pri nánosovom spájkovaní
kovmi s nízkou teplotou tavenia sa využíva aj zmes splynených horľavých kvapalín so
vzduchom alebo s kyslíkom. Najvhodnejším z horľavých plynov pri naváraní plameňom
je acetylén v zmesi s kyslíkom kvôli vysokej teplote plameňa a jeho zápalnej rýchlosti.
Je to vďaka štruktúrnej stavbe molekuly acetylénu, ktorá je tvorená dvomi atómami
uhlíku a dvomi atómami vodíku. Pri rozpade acetylénu sa uvoľňuje zlučovacia energia
(8714 kJ.kg-1). Pri naváraní má veľkú výhodu najme redukčný plameň (prebytok
acetylénu) najmä pre naváranie na uhlíkové a ušľachtilé ocele. Výhoda redukčného
plameňa je v nauhličení povrchovej vrstvy (povrch sa napotí) a na takto nauhličený
povrch sa lepšie pritavuje prídavný návarový materiál. Výhodou je aj zníženie podielu
27
základného materiálu v navarenej vrstve. Jednotlivé pomery acetylénu a kyslíka sú
znázornené na obr. 6 (Bajda, 2005).
Obr. 6 Plamene podľa pomeru C2H2 : O2 (Bajda, 2005)
a) redukčný, b) neutrálny, c) oxidačný
Blaškovitš (2006) uvádza, že k výhodám navárania plameňom patrí najmä
menšia náchylnosť na praskanie, ktorá je spôsobená vplyvom vyššieho prehriatia
základného materiálu. Možnosťou je aj naváranie tvarovo zložitých súčiastok
a technológia sa vyznačuje nízkymi nákladmi na prevádzku. K nevýhodám patrí nízka
produktivita, zvýšené pretavenie materiálu, vysoký dôraz na kvalifikovanú obsluhu
a značne obmedzená možnosť mechanizácie.
3.4
3.4.1
3.4.2 Naváranie odtavujúcou sa elektródou
Blaškovitš (2006) uvádza, že ručné naváranie obalenou elektródou (SMAW resp.
ROZ) patrí k najrozšírenejším technológiám navárania z dôvodu dostupnosti zariadenia
a nenáročnosti pri obsluhe. Teplota v procese navárania je vyvinutá v elektrickom
oblúku. Pri naváraní je nutné udržiavať krátku vzdialenosť elektrického oblúka medzi
elektródou a základným materiálom, aby sa zabezpečila ochrana kúpeľa pred
nežiaducimi účinkami vzdušnej atmosféry a aby nedochádzalo k vypaľovaniu
legujúcich prvkov.
28
Bajda (2005) uvádza, že najčastejšie používané sú elektródy s bázickým obalom.
Spravidla sú v obalovej hmote elektródy, okrem ochranných zložiek zabezpečujúcich
v procese navárania ochranu zvarového kúpeľa pred účinkami atmosféry, aj zložky
legujúce návarový kov. V niektorých špecifických prípadoch sa využívajú aj elektródy
s kyslým alebo s rutilovým obalom.
Bajda (2005) uvádza, že naváranie kontinuálne podávanou elektródou (obr. 7) sa
dá rozdeliť do dvoch základných metód. Prvou metódou je MIG (Metal Inert Gas), kde
ide o ochranu zvarového kúpeľa inertným plynom (Ar a jeho zmesi), ktorý nezasahuje
do kúpeľa a druhou je metóda MAG (Metal Aktiv Gas), kde aktívny plyn (CO2 a jeho
zmesi) zasahuje do zvarového kúpeľa.
Blaškovitš (2006) uvádza, že technológia MIG sa najčastejšie využíva pri
vysokolegovaných chrómniklových austenitických oceliach a zliatinách na báze Cu
a iných prvkov. Pri MAG metóde je ochrana v nasýtení kovu dusíkom a zabráneniu
tvorby pórov. Prídavný drôt musí obsahovať dezoxidovadlá (Si, Mn a iné ). Je možnosť
použitia aj trubičkových prídavných materiálov, ktoré sú plnené ferolegúrami,
troskotvornými prísadami a kovovým práškom. Naváranie môže byť s ochranou CO2,
Ar a jeho zmesi alebo bez ochranného plynu kedy ide o metódu MOG.
Obr. 7 Naváranie kontinuálne podávanou elektródou (Bajda, 2005)
1 – základný materiál, 2 – návarový drôt, 3 – tavenina, 4 – návar, 5 – napájací
prievlak, 6 – horák, 7 – podávacia kladka, 8 – prívod plynu, Z - zdroj
Bajda (2005) uvádza, že naváranie pod tavidlom je charakterizované
kontinuálnym podávaním prídavného materiálu, ktorý sa odtavuje elektrickým oblúkom
29
pod vrstvou tavidla (tavidlo návar chráni, formuje ho a v niektorých prípadoch aj
dolegováva). Tavidlá sa používajú keramické, sintrované a tavené. V praxi je široké
využitie rôznych spôsobov navárania pod tavidlom (naváranie jedným drôtom, 2
drôtmi, naváranie páskou pod keramickými a tavenými tavidlami, naváranie dvoma
páskami a iné).
Blaškovitš (2006) uvádza, že pri horizontálnom naváraní na povrch je zloženie
zvarového kovu z 2/3 základný materiál a 1/3 je návarový prídavný materiál. Aby sa
predišlo takémuto značnému premiešaniu využívajú sa rôzne modifikácie navárania pod
tavidlom, ako sú napr. :
naváranie nezávyslým oblúkom, ktorý horí medzi dvomi elektródami,
naváranie pomocou trojfázového zdroja,
naváranie pomocou kombinovaného oblúka, kedy oblúk medzi elektródami
a základným materiálom je napájaný jednosmerným zdrojom a medzi
elektródami navzájom je napájanie zo striedavého zdroja,
naváranie pomocou metódy podávania studeného prídavného materiálu,
naváranie viacerými prídavnými drôtmi umiestnenými vedľa seba,
naváranie pomocou pásových elektród a iné.
Pri vibračnom naváraní horí oblúk s taviacou sa elektródou v ochrannom
prostredí. Dochádza k približovaniu a vzďaľovaniu sa elektródy od základného
materiálu a tým k natavovaniu na základný materiál. Elektrický oblúk je prerušovaný
v rytme vzďaľovania a približovania sa elektródy. Vibrácie sú vytvárané
elektromagneticky alebo mechanicky. Ochranným prostredím je kvapalina (voda -10 ÷
20 %, technický glycerín – 3 ÷ 4 %, kalciovaná sóda – 1 %, minerálny olej)
a v niektorých prípadoch aj plyn pričom najčastejšie ide o oxid uhličitý. Obyčajne
sa navára jednosmerným prúdom pri obrátenej polarite, kedy je kladný pól na elektróde
(Blaškovitš, 2006) .
Pri elektrotroskovom naváraní sa využíva elektrický oblúk na roztavenie
prídavného materiálu. Kovový a troskový kúpeľ sú formované v návarovej medzere
pomocou medeného kryštalizátora chladeného vodou. Troska sa zohrieva prúdom na
teplotu cca 2000 °C. Pri naváraní sa natavuje povrch súčiastky a dochádza k taveniu
prídavného materiálu, ktorého kvapky sa zlievajú s roztaveným základným materiálom
a vytvárajú kúpeľ (Blaškovitš, 2006).
30
3.4.3 Naváranie neodtavujúcou sa elektródou
Naváranie uhlíkovou elektródou je v dnešnej dobe už prakticky nevyužívaná
technológia. Voľbou vhodného tavidla, prídavného materiálu a pomocou doplnkov
a pomôcok je možné získať relatívne kvalitný návar. Pri atomickom naváraní (obr. 8)
ide o naváranie netaviacou sa elektródou v atmosfére vodíka. Oblúk horí medzi dvomi
wolfrámovými elektródami nezávisle od základného materiálu, ktorý nie je zapojený
v prúdovom okruhu. V oblúku pri striedavom prúde sa štiepia dvojatómové molekuly
vodíka na jednotlivé atómy, čo má za následok odnímanie tepla. Atómy sa vplyvom
nižšej teploty na okraji podkovitého tvaru oblúka opäť zlučujú do molekúl. Týmto
procesom sa znova uvoľňuje teplo a teplota okraja plameňa dosahuje hodnoty 4 000 až
6 000 °C. Vodík chráni elektródy aj natavený materiál. Ide o technológiu, ktorá sa
v dnešnej dobe využíva len zriedkavo (Bajda, 2005).
Obr. 8 Atomické naváranie (Bajda, 2005)
1 – základný materiál, 2 – netaviaca sa W elektróda, 3 – hubica, 4 – prívod plynu, 5
– prídavný materiál, 6 - prievlak
Pri TIG (Tungsten Inert Gas) naváraní (obr. 9) dochádza k zapaľovaniu oblúka
medzi wolfrámovou, resp. wolfrám-thoriovou netaviacou sa elektródou a základným
materiálom. Tavný kúpeľ je chránený inertným plynom pred účinkom atmosféry
a prídavný materiál sa privádza vo forme práškov, tyčiniek a drôtov do miesta návaru,
mimo hubicu horáka samostatne. Najvhodnejším použitím je jednosmerný zdroj
napájania, kedy je kladný pól zapojený na elektródu a záporný na základný materiál.
Výhoda pri tomto zapojení, i keď dochádza k väčšiemu úbytku elektródy vplyvom toho,
že kladná polarita je horúcejšia, je v tom, že sa dosiahne plytší a širší prievar, čo
31
znamená menší podiel základného materiálu v návare. Pri tejto technológii je možné
využiť aj striedavý zdroj napájania. Najčastejšie využitie je pre naváranie antikoróznych
materiálov pri základnej uhlíkovej alebo ušľachtilej oceli. Taktiež aj na naváranie
materiálov odolávajúcich abrazívnemu, adhezívnemu, kavitačnému opotrebeniu
a v neposlednom rade aj na materiály, ktoré odolávajú zadieraniu pri posuvnom pohybe
(Bajda, 2005).
Obr. 9 TIG naváranie (Bajda, 2005)
1 – základný materiál, 2 – netaviaca sa W elektróda, 3 – hubica, 4 – elektrický
oblúk, 5 – inertný plyn, 6 – prídavný materiál, 7, 8 – teleso horáka, 9 – návar, Z –
zdroj
3.4.4 Naváranie aluminotermické
Bajda (2005) ho uvádza aj ako naváranie pomocou termitu, ktoré prebieha pri
redukcii oxidov železa hliníkom a získa sa prehriaty kov s teplotou cca 2200 °C, ktorý
je zdrojom tepla pre natavenie základného materiálu, ale aj ako prídavný materiál. Pri
reakcii sa vytvára aj troska Al2O3. Pre naváranie je využívaný veľmi málo. Jeho
výhodou je dostupnosť v teréne, a to napr. v miestach bez elektrickej energie. Využíva
sa najmä na zváranie koľajníc a betonárskych výstuží.
3.4.5 Naváranie plazmou
Ak sa vytvorí medzi wolfrámovou elektródou a chladenou triskou elektrický
oblúk, okolo ktorého sa bude viesť argón, dusík, vzduch alebo rotujúci vodný vír, dôjde
k vytvoreniu plazmového oblúka, ktorý sa vyznačuje veľkou energetickou hustotou
a teplotou (cca 25 000 °C). Ak horí oblúk medzi wolfrámovou elektródou (katódou)
32
a chladenou anódou hovoríme o neprenesenom oblúku (obr.10). Tento sa používa pri
nevodivých materiáloch a prevažne pri žiarových nástrekoch. Ak prenesieme kladný pól
na vodivý materiál a medzi wolfrámovou katódou a základným materiálom ako anódou
sa vytvorí plazmový oblúk, tak ide o prenesený oblúk. Využitie je na naváranie,
zváranie a tepelné delenie kovov a zliatin (Bajda, 2005).
Obr. 10 TIG naváranie (Bajda, 2005)
3.4.6 Naváranie laserom
LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je
zariadenie, ktoré mení dodávanú energiu na energiu elektromagnetického žiarenia. Pri
naváraní je potrebná vysokokvalifikovaná obsluha. Jej využitie je napr. na opravu
lisovacích foriem. Prídavný materiál môže byť napr. vo forme práškov alebo drôtov
(Bajda, 2005).
33
2 Cieľ práce
Cieľom diplomovej práce je zistiť vplyv vybraných chemických prvkov na
zmenu odolnosti vybraných tvrdonávarových materiálov proti abrazívnemu
opotrebeniu. Na základe cieľu práce si stanovíme tieto čiastkové ciele:
Prehľad tvrdonávarových materiálov dostupných na slovenskom trhu,
Výber konkrétnych dvojíc tvrdonávarových prídavných materiálov, ktoré sa
budú porovnávať,
Realizácia navárania konkrétnych tvrdonávarových prídavných materiálov
Skúšanie daných tvrdonávarových prídavných materiálov podľa normy STN 01
5084.
34
3 Metodika práce a metódy skúmania
Prípravy a všetky merania skúšobných a etalónových vzoriek budú
uskutočňované na prístrojoch, ktoré sú dostupné v laboratóriách na Katedre kvality
a strojárskych technológií Technickej fakulty SPU v Nitre.
3.1 Charakteristika skúšaných vzoriek a metodika ich výberu
Výber vzoriek bol realizovaný s ohľadom na ich podobné chemické zloženie
a s ohľadom na podobnosť technológie navárania a parametrov pri naváraní. Z ponuky
prídavných materiálov od firiem pôsobiacich na slovenskom trhu boli vybrané
konkrétne dvojice na porovnanie, ktorých chemické zloženie a tvrdosť po navarení je
uvedená v tab. 3. Pre účely experimentu boli vybrané prvky, ktoré sa vyznačujú
vysokou afinitou k uhlíku a sú to Cr, B, Nb a V. Všetky vzorky sú prídavné
tvrdonávarové materiály na báze Fe-Cr-C. Elektródy OK83.28 (vápenato-bázická),
OK84.42 (rutil-bázická), FIDUR10/65 (rutilový obal) a FIDUR10/70 (rutilový obal) sú
obalené elektródy určené na ručné naváranie elektrickým oblúkom metódou SMAW.
Elektródy SEEHCr68, SEEHCrV67 a FLUXODUR62-0 sú trubičkové elektródy pre
naváranie metódou MOG. Ide o metódu bez použitia aktívneho alebo inertného plynu
v procese zvárania. Elektróda SE405T je trubičková elektróda pre ručné naváranie
elektrickým oblúkom metódou SMAW. Pri dvojici vzoriek pre pozorovanie vplyvu Nb
a V je rozdielnym prvkom aj Mn. Pri posudzovaní týchto dvojíc vzoriek je predpoklad,
že rozdiel v tomto prvku prioritne neovplyvňuje výslednú štruktúru návaru a tvorbu
karbidov a tým odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu, nakoľko Mn má nižšiu afinitu
k uhlíku ako Nb a V.
35
Tab. 3 Chemické zloženie a tvrdosť navárových materiálov
C Si Mn Cr V Nb B HRCpozorovanie vplyvu Cr
OK83.28 0,1 0,7 0,7 3,2 30OK84.42 0,12 0,5 0,5 13 39-45
pozorovanie vplyvu BFIDUR10/65 4,5 0,7 0,5 34 62-64FIDUR10/70 4,8 0,7 0,5 38 3 68-70
pozorovanie vplyvu NbSEEHCr 68 5,6 0,8 38 4,5 2 68-70SE405T 5,5 0,9 1,5 40 2 62-65
pozorovanie vplyvu VSEEHCrV67 5 1 22 10 66-68FLUXODUR62-0 5 1,1 2 27 57-62
3.2 Príprava vzoriek
Celkovo bude skúšaných osem druhov prídavných materiálov a pre každý druh
materiálu budú vyhotovené tri skúšobné vzorky z materiálu oceľ 11 373, na ktorú budú
aplikované jednotlivé prídavné materiály naváraním. Vzorky budú vyhotovené
s priemerom Ø10 mm a dĺžkou 30 mm z tyčového polotovaru pílením na príslušné
rozmery v celkovom počte 24 vzoriek. Týchto 24 základných vzoriek bude označených
pomocou číselných razidiel a kladiva, aby bola jasne rozlíšená každá vzorka ako
samostatná entita z celkového súboru. Okrem nich sa pripraví aj zopár vzoriek navyše,
ktoré budú využité na skúšanie a overovanie správnej voľby naváracích parametrov
pred naváraním vzoriek, ktoré sú určené pre skúšky.
Vzorky sa po navarení opracujú sústružením po obvode a brúsením čela vzorky
s použitím chladiacej kvapaliny, aby nedošlo k tepelnému ovplyvneniu navarenej
vrstvy. Opracovanie bude vykonané podľa obr. 11.
36
Obr. 11 Obr. 12 Tvar vzorky pre skúšku na brúsnom plátne
3.3 Naváranie
Pri jednotlivých prídavných materiáloch výrobcovia uvádzajú odporúčané
parametre napätia a prúdu pri naváraní. Pri voľbe parametrov navárania zrejme nebude
možné zohľadniť tieto výrobcom odporúčané hodnoty, nakoľko sa bude navárať na
veľmi malú plochu materiálu, kde by mohlo dôjsť k pretaveniu a znehodnoteniu vzorky,
na ktorú bude návar aplikovaný. Parametre navárania pre všetky technológie aplikácií
budú zvolené na základe priameho skúšania, kedy bude pozorované, či nedôjde
k nadmernému nataveniu vzorky a aký bude vzhľad navarenej vrstvy. Po skúšobnej
vzorke sa aplikuje s príslušnými parametrami návar na vzorku určenú pre ďalšie skúšky.
Vzorky budú umiestnené v prípravku (obr. 12), ktorý bude vyrobený z bežnej
uhlíkovej konštrukčnej ocele zvarenej metódou MAG. Voľba prípravku bude z dôvodu
stabilného umiestnenia vzorky pri naváraní aby nedošlo k jej pohybu, a tým k narušeniu
procesu navárania.
Doba a teplota sušenia prídavných materiálov bude zvolená na základe
odporúčaní výrobcov (tab. 4). Návary sa budú realizovať v troch vrstvách a jednotlivé
vrstvy budú aplikované na seba v časovom rozmedzí niekoľko sekúnd, kedy je materiál
ešte čiastočne natavený. Pri tvorbe jednotlivých vrstiev je potrebné aby prečnievali cez
okraj vzorky a pokrývali celú čelnú plochu. Pri všetkých technológiách aplikácie sa
použije zdroj HI-MIG 500P (obr. 13) s použitím jednosmerného prúdu a napätia
s kladnou polaritou na elektróde. Využitie zdroja je možné na základe jeho
univerzálnosti a použitia pre rôzne technológie aplikácie. Pri technológii navárania
MOG sa použije aj podávač drôtu TOP 504A s tlačným mechanizmom podávania drôtu
(push systém).
Obr. 13 Prípravok pre umiestnenie naváraných vzoriek
37
Obr. 14 Zvárací zdroj HI-MIG 500P (nastavenie zdroja pre technológiu MOG)
3.4 Meranie tvrdosti
Pred skúškou na brúsnom plátne je potrebné odmeranie tvrdosti na čele vzorky.
Tvrdosť vzoriek s navarenou vrstvou vzhľadom k ich veľkej tvrdosti bude zisťovaná
metódou Rockwell (stupnica C) podľa normy STN ISO 6508-1. Skúška sa bude robiť
vtláčacím telesom s diamantovým kužeľom, ktorého vrcholový uhol je 120°. Pred
zisťovaním tvrdosti na vzorke sa prístroj nakalibruje pomocou skúšobného materiálu,
pri ktorom je presne určená hodnota jeho tvrdosti. Po kalibrácii tvrdomera sa skúšaná
vzorka najskôr zaťaží predbežnou silou F0 (98,07 N) a dôjde k vniku do hĺbky ho.
Následne sa zaťaží o prídavné zaťaženie F1 (1373 N) a vplyvom zaťaženia vnikne do
materiálu o hĺbku h1. Celkové zaťaženie je potom tvorené zaťažením F (1471 N), pri
ktorom vnikne teleso do hĺbky h, ktorá je súčtom hĺbky h0 a h1. Celkové zaťaženie bude
pôsobiť po dobu približne 5 s. Výsledná hodnota tvrdosti sa určí odčítaním hodnoty
hĺbky trvalého vtlačku e na stupnici hĺbkomera. Meranie na čele bude vykonané na
troch miestach pre každú vzorku. Princíp procesu merania metódou Rockwell so
stupnicou C je znázornení na obr. 14.
38
Obr. 15 Princíp skúšky tvrdosti podľa Rockwella (Balla et. al, 2009)
Tvrdosť etalónových vzoriek bude zisťovaná metódou Vickers na základe
normy STN ISO 6507-1. Skúška sa bude robiť diamantovým vtláčacím telesom v tvare
štvorbokého ihlana, ktorého vrcholový uhol protiľahlých plôch je 136°. Pred
zisťovaním tvrdosti na vzorke sa prístroj nakalibruje pomocou skúšobného materiálu,
pri ktorom je presne určená hodnota jeho tvrdosti. Teleso sa bude vtláčať silou 10 kp (F
= 98,0665 N) po dobu približne 10 ÷ 15 s. Po odľahčení vtláčacieho telesa sa zistia
rozmery uhlopriečok podstavy vtlačku. Zo zistených hodnôt uhlopriečok vtlačku sa
vypočíta aritmetický priemer týchto uhlopriečok. Výsledná hodnota bude určená
pomocou vzťahu (2). Plocha vtlačku sa určí pomocou vzťahu (3). Meranie na čele bude
robené na troch miestach pre každú vzorku. Princíp procesu merania metódou Vickers
je znázornený na obr. 15.
HV =0,102 FA
=0,1022F sin 136 °
2u2 (2)
A= u2
2sin 136 °2
(3)
Kde: HV – tvrdosť podľa Vickersa
F – zaťaženie skúšobného telesa, N
A – plocha vtlačku, mm2
u – aritmetický priemer uhlopriečok vtlačku, mm
39
Obr. 16 Princíp skúšky tvrdosti podľa Vickersa (Balla et. al, 2009)
3.5 Skúška podľa STN 015084
Pred skúškou na brúsnom plátne bude uskutočnené odváženie hmotnosti každej
vzorky z celkového počtu 24 vzoriek s navarenou vrstvou a etalónových vzoriek.
Váženie bude vykonané na digitálnej váhe Precisa 205A SuperBall-series, ktorej
presnosť merania je na 0,0001 g . Príslušná digitálna váha je zobrazená na obr. 16.
Vyváženie váhy sa skontroluje pomocou indikátora vyváženia (vodováha), ktorý je jej
súčasťou. Pred samotným vážením a počas váženia sa podľa potreby vynuluje počítadlo
váhy s miskou bez uloženej vzorky (v prípade ak na displeji po odňatí vzorky je iná
hodnota ako 0 g). Vzorky budú pred vážením očistené a odmastené. Vkladanie na misku
váhy bude uskutočňované tak, že tesne nad miskou sa vzorka pustí, aby voľne dopadla
na misku. Robí sa to z dôvodu aby nedošlo k preťaženiu váhy možným kontaktom
s rukou. Po umiestnení vzorky na misku váhy je nutné počkať na ustálenie hodnoty
hmotnosti po dobu niekoľko sekúnd. Namerané hodnoty sa zapíšu ako hmotnosť vzorky
pred skúškou mo .
40
Obr. 17 Digitálna váha Precisa 205A
Pri skúške na brúsnom plátne sa použije korundové plátno so zrnitosťou 120
a s priemerom Ø 480. Tlak pre vzorky s priemerom Ø 10 je stanovený normou STN
015084 na hodnotu 0,02 až 0,50 N.mm-2. Maximálna klzná rýchlosť vzorky je 0,5 m.s-1
a radiálny posuv vzorky je 3 mm.ot-1. Tlak na vzorku sa vyvinie pomocou závažia,
ktorým sa zaťaží vzorka upevnená v upínacej hlavici. Z tlakov odporučených normou
bude vychádzané pri voľbe hmotnosti závažia. Najskôr sa vypočíta čelná plocha vzorky
Sv , ktorá bude vystavená opotrebeniu pomocou vzťahu (4).
Sv=π d2
4=π 102
4¿̇ 314
4=78,5 mm2(4)
Kde: d - priemer vzorky , mm
Hmotnosť závažia mz sa určí z predpísaných tlakov podľa normy pre daný
priemer vzorky na základe vzťahu (5).
41
mz=(Sv pz )
10=
(78,5 . 0,02÷ 0,50 )10
=1,57 ÷39,2510
=0,157 ÷3,925 kg (5)
Kde: pz - merný tlak pre vzorku , N.mm-2
Na brúsnom plátne budú najskôr odskúšané dve etalónové vzorky za sebou,
ktoré slúžia na overenie funkčnosti zariadenia. Cieľom je zistenie, či medzi nimi nie je
signifikantný rozdiel v opotrebení, ktorý by diagnostikoval zlú funkčnosť zariadenia.
Do skúšky sa výsledky z opotrebenia týchto dvoch predbežných vzoriek nebudú
započítavať. Brúsne plátno sa bude vymieňať po každej skúšanej vzorke za nové. Po
dvoch skúšobných vzorkách nasleduje vzorka s navarenou vrstvou. Pri skúške troch
vzoriek jedného druhu prídavného materiálu sa bude postupovať podľa matice 1-2-1-2-
1, kde 1 je skúšobná vzorka s navarenou vrstvou a 2 je etalónová vzorka. Každá vzorka
sa po skúške očistí a odváži. Namerané hodnoty sa zapíšu ako hmotnosť vzorky po
skúške m1. Skúšobné zariadenie na meranie opotrebenia na brúsnom plátne je zobrazené
na obr. 17.
Obr. 18 Skúšobné zariadenie podľa normy STN 015084 (STN 015084)
1 - otáčajúca sa vodorovná doska, 2 - brúsne plátno, 3 - skúšobná vzorka, 4 -
upínacia hlavica, 5 - závažie, 6 - hriadeľ pre radiálny posun, 7 - koncový vypínač.
Z hmotností vzoriek pred skúškou m0 a po skúške m1 sa určia hmotnostné úbytky
Δmi pre každú vzorku samostatne na základe vzťahu (6).
∆ mi=m0 i−m1 i(6)
Kde: m0i - hmotnosť i-tej vzorky pred skúškou , g
m1i - hmotnosť i-tej vzorky po skúške , g
42
Z hmotnostných úbytkov jednotlivých vzoriek Δmi sa určí priemerná hodnota
hmotnostného úbytku Δ m z troch skúšobných vzoriek (jeden druh prídavného
materiálu) na základe vzťahu (7).
∆ m=∆ m1+∆ m2+∆ m3
3(7)
Kde: Δm1 - hmotnostný úbytok prvej vzorky , g
Δm2 - hmotnostný úbytok druhej vzorky , g
Δm3 - hmotnostný úbytok tretej vzorky , g
Rovnakým spôsobom ako pri určení hmotnostného úbytku pre vzorku
s navarenou vrstvou, sa bude postupovať aj pri určení priemernej hodnoty
hmotnostného úbytku Δ mE pre etalónové vzorky.
Hodnota pomernej odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu sa určí na základe
vzťahu (8):
Ψ abr .=ΔmE
Δ m(8)
Pri určovaní mernej hmotnosti návarov vytvorených tavnou metódou, ako je to
v prípade prídavných materiálov použitých v tejto diplomovej práci, je obtiažne určiť
túto mernú hmotnosť z dôvodu, že pri navarovaní vrstiev danými technológiami nie je
možné jednoznačne určiť hranicu základného materiálu a navarenej vrstvy, nakoľko
dochádza k značnému premiešavaniu so základným materiálom. Táto skutočnosť
sťažuje vytvorenie vzorky, z ktorej by sa stanovila merná hmotnosť pre prídavný
návarový materiál. Z vyššie uvedených dôvodov sa nebude pri určovaní pomernej
odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu uvažovať s mernou hmotnosťou jednotlivých
prídavných materiálov.
Súčasťou vyhodnotenia výsledkov podľa normy STN 015084 je aj stanovenie
aritmetických priemerov zo zistených tvrdostí na čelách skúšobných a etalónových
vzoriek. Aritmetický priemer sa stanoví na základe vzťahu (9).
43
X=x1+x2+x3
3(9 )
Kde: x1, x2, x3 - namerané hodnoty tvrdosti (HRC a HV 30)
3.6 Vyhodnotenie meraní
Všetky zistené výsledky z meraní tvrdosti a odolnosti proti abrazívnemu
opotrebeniu budú vzhľadom k zabezpečeniu presných a korektných údajov zhodnotené
v programe Microsoft Office Excel. V tomto programe budú vytvorené vzťahy na
základe vzorcov, ktoré sú uvedené v metodike pod kapitolami 5.4, 5.5 a 5.6 . Grafy
budú vytvorené tiež v tomto programe. V grafe na vyhodnotenie nameranej tvrdosti
budú na osi x zobrazené jednotlivé druhy prídavných tvrdonávarových materiálov a os y
bude tvorená nameranými hodnotami tvrdostí. Okrem týchto hodnôt budú v grafe
znázornené aj minimálne a maximálne hodnoty tvrdostí, ktoré uvádza výrobca pre
jednotlivé prídavné materiály. V grafe na vyhodnotenie odolnosti proti opotrebeniu na
brúsnom plátne budú na osi x zobrazené jednotlivé druhy prídavných tvrdonávarových
materiálov a os y bude tvorená hodnotami pomernej odolnosti proti abrazívnemu
opotrebeniu pre jednotlivé materiály. V grafe bude zobrazený aj etalón. Výsledky budú
spracúvané na licencovanom software v učebných priestoroch na Katedre kvality
a strojárskych technológií Technickej fakulty SPU v Nitre.
Okrem toho sa bude určovať aj smerodajná odchýlka nameraných hodnôt
tvrdostí a hmotnostných úbytkov jednotlivých prídavných návarových materiálov
a etalónu. Smerodajná odchýlka sa stanoví na základe vzťahu (10).
σ=√ 1n∑i=1
n
( x i−x )2(10)
Kde: n - počet prvkov xi
xi - aritmetický priemer tvrdostí a hmotnostné úbytky jednotlivých vzoriek
prídavných materiálov a etalónu
x - aritmetický priemer tvrdostí a hmotnostných úbytkov prídavných materiálov
a etalónu
44
4 Výsledky práce
4.1 Proces navárania
V procese navárania sa postupovalo podľa metodiky uvedenej v kapitole 5.3 .
Na základe toho sa určili parametre navárania, ktoré sa použili na naváranie vzoriek
s priemerom Ø10.
Na nanesenie prídavných materiálov OK83.28, OK84.42, FIDUR10/65,
FIDUR10/70 a SE405T sa použila metóda navárania SMAW (Shielded Metal Arc.
Welding – ručné oblúkové zváranie). Na nanesenie prídavných materiálov SEEHCr68,
SEEHCrV67 a FLUXODUR62-0 sa použila metóda navárania MOG (Metal Open Gas
– zváranie taviacou sa elektródou bez plynu).
Pri technológii MOG výrobca uvádza naváranie bez ochranného plynu. Pri
naváraní sa pre každú vzorku vyskúšala aplikácia bez ochranného plynu a s ochranným
plynom FERROMIX C18 (18% CO2 v Ar). Návary s použitím inertného ochranného
plynu sa vizuálne javili ako lepšie, bez defektov a s lepšou priľnavosťou, než pri
aplikácii bez ochranného plynu. Na základe toho sa rozhodlo, aj napriek odporúčaniu
výrobcu, použiť inertný plyn pri naváraní na skúšobné vzorky. Pri technológii MOG sa
nastavila rýchlosť podávania drôtu a napätie oblúka. Prúd si zvárací zdroj reguloval
automaticky. Pri technológii SMAW sa nastavila hodnota prúdu a napätie oblúka si
zdroj reguloval automaticky. Parametre pri naváraní a podmienky sušenia, ktoré sa
použili pre jednotlivé prídavné materiály, sú uvedené v tab. 4 . Na obr. 18 je
znázornené naváranie trubičkovou elektródou ZSE405T.
Obr. 19 Proces navárania technológiou SMAW (trubičková elektróda ZSE405T)
45
Tab. 4 Parametre navárania, spôsob sušenia a druh technológie
U (V)
I(A)
Rýchlosť podávania
drôtu (m.min-1)
Doba sušenia
(h)
Teplota sušenia
(°C)
Technológia aplikácie
Priemer elektródy
(mm)
OK 83.28 76 86 -- 2 200 SMAW 3,2
OK 84.42 75 80 -- 2 200 SMAW 3,2
FIDUR 10/65 76 90 -- 2 200 SMAW 3,25
FIDUR 10/70 76 90 -- 2 200 SMAW 3,25
SEEHCr 68 20 159 3,1 -- -- MOG 1,6
ZSE405T 75 80 -- -- -- SMAW 6
SEEEHCrV67 20 142 3,1 -- -- MOG 1,6
FLUXODUR
62-0
26 103 3 -- -- MOG 1,2
4.2 Vyhodnotenie skúšok tvrdosti
Na čele každej skúšobnej vzorky, ktorá bola navarená príslušným prídavným
materiálom, sa po opracovaní vzorky podľa obr. 11 odmerala hodnota tvrdosti podľa
Rockwella (stupnica C) a Vickersa na základe metodiky, ktorú sme uviedli v kapitole
5.4 .
Aritmetické priemery tvrdostí jednotlivých vzoriek, aritmetické priemery pre
jednotlivé materiály X a smerodajné odchýlky nameraných hodnôt tvrdostí σHRC a σHV30
boli určené pomocou vzťahov (9) a (10), ktoré sú uvedené v metodike (kapitola 5.5
a 5.6). Namerané hodnoty tvrdostí a aritmetické priemery pre jednotlivé skúšobné
vzorky prídavných materiálov a etalónu sú uvedené v prílohe A. Aritmetické priemery
tvrdostí a smerodajné odchýlky pre jednotlivé prídavné materiály a etalón sú uvedené v
tab. 5. Priemerné hodnoty tvrdostí zistené pri meraní (pre jednotlivé typy návarov) sú
znázornené na obr. 20 modrou farbou. Šedými farbami sú znázornené minimálne
a maximálne hodnoty tvrdostí, ktoré udáva výrobca pre jednotlivé typy prídavných
materiálov.
Na meranie Tvrdosti podľa Rockwella bol použitý tvrdomer Lucznik, ktorý je
znázornený na obr. 19 .
46
Obr. 20 Tvrdomer Lucznik
OK 83.28
OK 84.42
FIDUR 10/65
FIDUR 10/70
SEEHCr 6
8
SE 405T
SEEHCrV 67
FLUXODUR 62-0
01020304050607080
29.0638.4
57.3 62.2 60.73 61.1 60.86 57.2
druh tvrdonávarového prídavného materiálu
tvrd
osť H
RC
Obr. 21 Hodnoty tvrdostí jednotlivých návarov
Najmenšiu hodnotu tvrdosti dosiahli materiály OK83.28 a OK84.42, nakoľko
ich obsah chrómu a najmä uhlíka je výrazne menší, než u ostatných prídavných
materiálov. Pri prídavnom materiály OK84.42 je 32,14 % nárast tvrdosti oproti
materiálu OK83.28. Je to spôsobené nárastom obsahu chrómu o 9,8 %. Pri prídavných
47
materiáloch OK83.28, OK84.42, SE405T bola dosiahnutá tvrdosť približne v úrovni
dolnej hodnoty tvrdosti stanovenej výrobcom. FLUXODUR62-0 dosiahol rozmedzie
minimálnej a maximálnej hodnoty stanovenej výrobcom (minimálnu hodnotu tvrdosti
stanovenú výrobcom prekročil len o 0,35 %). Pri zvyšných prídavných materiáloch je
hodnota tvrdosti výraznejšie rozdielna od výrobcom stanovenej minimálnej hodnoty.
Pre prídavný materiál FIDUR10/65 je hodnota tvrdosti o 8,20 %, pre FIDUR10/70
9,32 %, pre SEEHCr68 11,97 % a pre SEEHCrV67 8,45 % nižšia, ako výrobcom
stanovená minimálna hodnota. Tieto rozdiely sú zrejmé aj z obr. 20 . Tieto odchýlky od
výrobcom stanovených hodnôt môžu byť spôsobené rôznymi faktormi. Z faktorov,
ktoré vplývajú na konečné výsledky nemožno vylúčiť ani vplyv človeka pri naváraní,
opracovaní vzoriek a meraní. Pri všetkých týchto činnostiach má na konečný výsledok
vplyv veľké množstvo premenných. Zrejme jeden z najzásadnejších faktorov, ktorý mal
vplyv na zistené výsledky, bola samotná voľba parametrov, pri ktorých sa museli
prehodnotiť výrobcom stanovené hodnoty na základe toho, že sa naváralo na veľmi
malú čelnú plochu skúšobnej vzorky. Taktiež nie sú známe ani ďalšie podmienky, pri
ktorých výrobca naváral a zisťoval hodnotu tvrdosti.
Pri zhodnotení výrobcom stanovených hodnôt je zrejmé, že najväčší vplyv na
zvýšenie tvrdosti by mali mať prídavné materiály FIDUR10/70 (3 % B), SEEHCr68
(4,5 % Nb a 2 % B) a SEEHCrV67 (10 % V). Údaje, ktoré boli namerané tento
predpoklad potvrdzujú len z časti, nakoľko neboli dosiahnuté výrobcom stanovené
hodnoty a prídavný materiál SE405T (2 % B) s nižším obsahom legúr dosiahol
v porovnaní s prídavným materiálom SEEHCr68 0,61 % nárast a v porovnaní
s SEEHCrV67 0,39 % nárast tvrdosti. Jedine prídavný materiál FIDUR10/70 dosiahol
vyššiu tvrdosť v porovnaní s materiálom SE405T s 1,8 % nárastom tvrdosti. Zároveň
prídavný materiál FIDUR10/70 dosiahol najvyššiu hodnotu tvrdosti zo všetkých
skúšaných materiálov.
Jedným z ukazovateľov stálosti vlastností dosiahnutých pri opakovanom
naváraní jedného druhu prídavného materiálu je aj smerodajná odchýlka σ, ktorá udáva
hodnotu odchýlky tvrdostí dosiahnutých naváraním pri rovnakých parametroch a pri
rovnakom druhu prídavného materiálu. Najlepšia stálosť hodnoty tvrdosti bola
dosiahnutá pri materiáli SEEHCrV67 (σHRC = 0,685). Najhoršia stálosť hodnoty tvrdosti
bola dosiahnutá pri materiáli FLUXODUR62-0 (σHRC = 1,663).
48
Tab. 5 Vplyv chemických prvkov na tvrdosť a hodnoty smerodajnej odchýlky
Druh
skúšaného
materiálu
X HRC σHRC
Druh skúšaného
materiáluX HRC σHRC
vply
v C
r
OK83.28 29,06 1,030
vply
vN
b
SEEHCr68 60,73 0,831
OK84.42 38,4 0,831 ZSE405T 61,1 1,499
vply
v B
FIDUR10/65 57,3 1,089
vply
vV
SEEHCrV67 60,86 0,685
FIDUR10/70 62,2 1,010 FLUXODUR62-0 57,2 1,663
X HV 30 σHV30
ETALÓN 107,1 0,875
4.3 Vyhodnotenie skúšky odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu
podľa STN 015084
Vzorky boli pripravené a bola na nich vykonaná skúška odolnosti proti
abrazívnemu opotrebeniu na brúsnom plátne, na základe metodiky, ktorá bola uvedená
v kapitole 5.5 . Ako zaťaženie vzorky sa zvolilo závažie s hmotnosťou cca 2,512 kg,
ktoré vyvinulo merný tlak 0,32 N.mm-2. Pomerná odolnosť etalónového materiálu sa
stanovila na hodnotu 1, pretože bola prijatá ako základná veličina pre porovnávanie
prídavných tvrdonávarových materiálov na odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu.
Hmotnostné úbytky jednotlivých vzoriek Δm, priemerné hodnoty hmotnostných
úbytkov ∆ m, smerodajné odchýlky hmotnostných úbytkov σΔm a pomerná odolnosť
proti abrazívnemu opotrebeniu Ψabr. sa určili pomocou vzťahov (6), (7), (8) a (10), ktoré
sú uvedené v metodike (kapitola 5.5 a 5.6). Namerané hodnoty hmotnosti a hmotnostné
úbytky pre jednotlivé skúšobné vzorky prídavných materiálov a etalónu sú uvedené
v prílohe B. Priemerné hodnoty hmotnostných úbytkov, smerodajné odchýlky
hmotnostných úbytkov a pomerná odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu pre
jednotlivé prídavné materiály a etalón sú uvedené v tab. 6. Hodnoty pomernej odolnosti
proti abrazívnemu opotrebeniu pre jednotlivé druhy skúšaných materiálov sú
znázornené na obr. 22. Porovnávané dvojice tvrdonávarových materiálov sú znázornené
rovnakou farbou.
49
Na meranie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu bol použitý prístroj
s viazaným abrazivom (brúsne plátno), ktorý je znázornený na obr. 21.
Obr. 22 Prístroj na meranie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu s viazaným
abrazivom (brúsne plátno)
Pri tvrdonávarovom materiáli FIDUR10/70 bola dosiahnutá najnižšia hodnota
smerodajnej odchýlky z hmotnostných úbytkov (σΔm = 0,0004190), čo znamená, že daný
prídavný materiál má najnižší rozptyl hmotnostných úbytkov, a preto z hľadiska
merania opotrebenia na brúsnom plátne sú hodnoty hmotnostných úbytkov
najstabilnejšie. Pri tvrdonávarovom materiáli OK83.28 bola dosiahnutá najvyššia
hodnota smerodajnej odchýlky z hmotnostných úbytkov (σΔm = 0,0004190), čo znamená,
že daný prídavný materiál má najvyšší rozptyl hmotnostných úbytkov, a preto
z hľadiska merania opotrebenia na brúsnom plátne sú hodnoty hmotnostných úbytkov
najmenej stabilnejšie.
50
Tab. 6 Vplyv chemických prvkov na hmotnostný úbytok, odolnosť proti
opotrebeniu
Druh skúšaného materiálu ∆ m , ∆ mE
(g)Ψabr.
σΔm
(g)
vply
v C
r
OK83.28 0,2416 0,7211 0,009107
OK84.42 0,1882 0,9256 0,008916
vply
v B
FIDUR10/65 0,1253 1,3903 0,001606
FIDUR10/70 0,06167 2,8249 0,0004190
vply
vN
b
SEEHCr68 0,07107 2,4512 0,0008654
ZSE405T 0,1098 1,5870 0,007879
vply
vV
SEEHCrV67 0,06297 2,7665 0,002958
FLUXODUR62-0 0,1222 1,4251 0,002496
ETALÓN (12014.2) 0,1742 1 0,001203
OK 83. 28
OK 84.42
FIDUR 10/65
FIDUR 10/70
SEEHCr 6
8
SE 405T
SEEHCrV67
FLUXODUR 62-0
ETALÓ
N0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0.72110.9256
1.3903
2.82492.4512
1.5870
2.7665
1.42511.0000
druh skúšaného materiálu
pom
erná
odo
lnos
ť Ψab
r.
Obr. 23 Pomerná odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu Ψ jednotlivých
skúšaných materiálov
Z obr. 22 vyplýva, že najlepšiu odolnosť proti opotrebeniu na brúsnom plátne
dosiahol prídavný materiál FIDUR 10/70. Najhoršiu odolnosť proti opotrebeniu má
prídavný materiál OK83.28. Prídavné materiály OK83.28 a OK84.42 dosiahli dokonca
menšiu pomernú odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu ako etalón (oceľ 12014.2).
51
Z hľadiska vplyvu jednotlivých prvkov na odolnosť proti opotrebeniu z
dosiahnutých výsledkov vyplýva, že pri hmotnostnom obsahu 2 % bóru (materiál
SE405T) nemá tento obsah výrazný vplyv na zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu.
Nárast odolnosti proti opotrebeniu oproti materiálu bez obsahu bóru (materiál
FIDUR10/65) je len 14,15 %. Obsah bóru 3 % (materiál FIDUR10/70) však už spôsobil
103,2 % nárast odolnosti proti opotrebeniu oproti materiálu FIDUR10/65. Tento rozdiel
v obsahu bóru spôsobil najvýraznejší vplyv na zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu
spomedzi všetkých skúmaných prvkov.
Z porovnania prídavných materiálov s rôznym obsahom nióbu vyplýva výrazný
vplyv tohto prvku na zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu. Rozdiel v obsahu nióbu
4,5 % (materiály SE405T a SEEHCr68) spôsobil 54,46 % nárast odolnosti proti
opotrebeniu. Tento nárast je zrejme spôsobený vytvorením komplexných
karbidov prvkov Cr, B a Nb. Výrazný nárast odolnosti proti opotrebeniu je aj pri
materiáli SEEHCrV67. V porovnaní s materiálom bez obsahu vanádu
(FLUXODUR62-0) je to nárast o 94,13 %.
Je potrebné poznamenať, že u prídavných materiálov FIDUR10/65,
FIDUR10/70, SEEHCr68, SE405T, SEEHCrV67 a FLUXODUR62-0 bol prítomný
vysoký obsah chrómu (viac než 20 %), ktorý ovplyvňoval štruktúrne zloženie
tvrdonávarov a tým aj ich výsledné vlastnosti. Hodnoty obsahov chrómu vo všetkých
týchto materiáloch však boli takmer rovnaké, takže pri ich vzájomnom porovnaní je
možné jeho vplyv vylúčiť.
Z výsledkov tiež vyplýva, že samotný chróm, pri daných obsahoch (materiály
OK83.28, OK84.42), nemá takmer žiadny vplyv na zvyšovanie odolnosti proti
opotrebeniu. Zvýšený obsah chrómu v materiáli OK84.42 oproti materiálu OK83.28
spôsobil 28,36 % nárast odolnosti proti opotrebeniu.
Kremík, ktorý je obsiahnutý vo všetkých prídavných materiáloch je v prípade
materiálu OK84.42 dezoxidačnou prísadou (obsah do 0,5 %). Pri ostatných prídavných
materiáloch pôsobí okrem dezoxidácie aj ako legujúci prvok (obsah nad 0,5 %). Spolu
s uhlíkom podporujú tvorbu grafitu v navarenom materiáli.
Ďalším dezoxidačným prvkom je mangán (spolu s kremíkom zabraňujú tvorbe
oxidov v tavenine). Tento je obsiahnutý v prídavných materiáloch OK83.28, OK84.42,
FIDUR10/65, FIDUR10/70, SE405T a FLUXODUR62-0. Pri materiáloch OK83.28,
OK84.42, FIDUR0/65 a FIDUR10/70 pôsobí ako dezoxidačná prísada (obsah do 0,9
52
%). V prípade materiálov SE405T a FLUXODUR62-0 pôsobí aj ako karbidotvorný
prvok (obsah nad 0,9 %). Pri týchto prídavných materiáloch mangán vplýva na tvorbu
komplexných karbidov (legovaný cementit (FeMn)3C a karbidy chrómu).
Pri Bóre (2 %) v prídavnom materiáli SE405T zrejme nedošlo k naviazaniu sa
na uhlík v dostatočnej miere a nevytvoril s ním karbidy. Je predpoklad, že to bolo
spôsobené vysokým obsahom chrómu, ktorý sa majoritne naviazal na uhlík a vytvoril
karbidy. Pri obsahu bóru (3 %) pri materiáli FIDUR10/70 zrejme došlo k tvorbe
karbidov vplyvom bóru oproti materiálu SE405T (2 % B). Je predpoklad, že 3 % bóru
vytvorili samostatný typ karbidu alebo komplexný typ karbidu v spojení s ostatnými
karbidotvornými prvkami.
Niób (4,5 %) v prídavnom materiáli SEEHCr68 zrejme spôsobil tvorbu karbidov
s vyššou tvrdosťou, ako majú karbidy chrómu. Je predpoklad, že spôsobil tvorbu
špeciálnych karbidov, nakoľko patrí medzi prvky s najvyššou afinitou k uhlíku.
Prísada vanádu (10 %) pri prídavnom materiáli SEEHCrV67 spôsobila nárast
odolnosti proti opotrebenia oproti materiálu FLUXODUR62-0, ktorého štruktúra bola
zrejme tvorená len karbidmi chrómu. Vanád spôsobil zrejme tvorbu špeciálnych
karbidov, pretože patrí aj s nióbom medzi prvky s najvyššou afinitou k uhlíku.
Chróm pri prídavných materiáloch OK83.28 a OK84.42 zrejme nespôsobil
tvorbu karbidov alebo došlo k tvorbe len malého množstva. Je to možné jednak
z nízkeho obsahu chrómu a z druhej strany aj vplyvom nízkeho obsahu uhlíka
v prídavnom materiáli. Tieto materiály dosiahli nižšiu odolnosť proti opotrebeniu. Pri
prídavných materiáloch FIDUR10/65 a FLUXODUR62-0 došlo zrejme k tvorbe
komplexných karbidov MC.
Podľa normy STN 015084 je skúška na brúsnom plátne zaťažená strednou
kvadratickou chybou, ktorá obvykle nepresahuje hodnotu 10 %. Na konečné výsledky
malo vplyv aj množstvo iných faktorov, ktoré vplývajú na výsledky už pri procesu
navárania, až po samotnú skúšku na brúsnom plátne. V neposlednom rade malo vplyv
na konečné výsledky aj vyňatie hodnoty mernej hmotnosti pri vyhodnocovaní, ktoré
zaťažilo výsledky určitou konštantnou chybou.
53
5 Diskusia
Balla (1989) tvrdí, že pomer V/C nad 1 nie je z hľadiska zvyšovania odolnosti
proti abrazívnemu opotrebeniu účelný. Hodnoty ktoré boli zistené toto tvrdenie
vyvracajú, nakoľko pomer vanádu v prídavnom materiáli SEEHCrV67 k uhlíku je na
úrovni 2 a daný materiál vykazuje značnú odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu.
Nárast odolnosti proti opotrebeniu pri materiáli SEEHCrV67 v porovnaní s materiálom
FLUXODUR62-0 bez obsahu vanádu je 94,13 %.
Balla (1989) tvrdí, že pomer Cr/C v rozmedzí 1,8 ÷ 5 je neúčelný z toho
hľadiska, že odolnosť proti opotrebeniu vplyvom legúr sa prejavuje len málo. Hodnoty
ktoré boli zistené toto tvrdenie čiastočne vyvracajú, nakoľko pomer Cr/C pri prídavnom
materiáli FLUXODUR62-0 je 5,4 a odolnosť proti opotrebeniu je na dosť značnej
úrovni Ψabr. = 1,4251 (napr. v porovnaní s SE405T s prídavkom 2 % B je odolnosť proti
opotrebeniu menšia len o 11,36 %). Tak isto aj prídavný materiál FIDUR10/65, ktorého
pomer Cr/C je na úrovni 7,5 vykazuje dosť značnú úroveň odolnosti proti abrazívnemu
opotrebeniu Ψabr. = 1,3903. Naopak pri prídavných materiáloch OK83.28 a OK84.42 je
odolnosť proti opotrebeniu nízka. Ich pomer Cr/C je 32 a 108,3. Z tohto je možné
usúdiť, že pomer Cr/C pri materiáloch s nízkym obsahom uhlíka, nemá taký výrazný
vplyv na hodnotu odolnosti proti opotrebeniu, ako je to u prídavných materiálov
s vysokým obsahom uhlíka (FLUXODUR62-0, FIDUR10/65).
Suchánek et al. (2007) uvádza, že fyzikálne charakteristiky, ako je napr. pevnosť
medziatómových väzieb, má vplyv na odolnosť proti opotrebeniu pri niektorých
materiáloch. Tvrdí, že vďaka tomu rôzne zliatiny s rovnakou tvrdosťou, ale s rôznou
pevnosťou medziatómových väzieb majú rozdielne hodnoty odolnosti proti opotrebeniu.
Toto tvrdenie na základe zistených hodnôt odolností proti abrazívnemu opotrebeniu
a tvrdostí prídavných materiálov SEEHCr68, SE405T a SEEHCrV67 môžeme potvrdiť.
Pri týchto prídavných materiáloch je tvrdosť na čele vzorky od 60,73 do 61,1 HRC (v
rozmedzí len 0,37 HRC). Ale ich odolnosť proti opotrebeniu je výrazne odlišná. Napr.
odolnosť proti opotrebeniu pri prídavnom materiáli SEEHCrV67 je oproti materiálu
SE405T väčšia o 74,32 %. Pritom hodnota tvrdosti materiálu SEEHCrV67 je menšia
oproti SE405T len o 0,24 HRC. Podobne je to aj pri porovnaní s materiálom
SEEHCr68, ktorého odolnosť proti opotrebeniu je nižšia oproti materiálu SEEHCrV67
o 12,86 %. Ich rozdiel v tvrdosti na čele vzorky je 0,13 HRC. Z vyššie uvedených
hodnôt je zrejmé, že pri materiáloch SEEHCrV67 a SE405T má na ich odolnosť proti
54
opotrebeniu zásadný vplyv aj pevnosť medziatómových väzieb. Pri porovnaní materiálu
SEEHCrV67 a SEEHCr68 je tento vplyv menší. Odolnosť proti opotrebeniu pri
materiáli SEEHCrV67 je väčšia o 2,11 % oproti materiálu FIDUR10/70. Materiál
SEEHCrV67 má väčšiu tvrdosť o 1,34 HRC oproti materiálu FIDUR10/70. Z tochto
vyplíva, že oba materiály majú s veľkou pravdepodobnosťou rovnakú hodnotu pevnosti
medziatómových väzieb.
Význam výsledkov by bolo účelné zhodnotiť aj mikroskopickým pozorovaním,
ktoré by objasnilo niektoré príčiny v rozdielnych hodnotách odolnosti proti
abrazívnemu opotrebeniu. V tomto smere je aj naďalej potrebné venovať sa
pozorovaniu vplyvu legujúcich prvkov a aj obsahu jednotlivých prvkov, ktoré vplývajú
na proces abrazívneho opotrebenia.
55
6 Návrh na využitie výsledkov
Výsledky dosiahnuté v tejto práci je možné využiť v prevádzkových
podmienkach, kde by boli dané návary aplikované na funkčné plochy podliehajúce
dvojtelesovej abrazii. Pri určitých prídavných materiáloch v tejto práci je predpoklad
pre ich využitie aj v prostredí, kde okrem abrazívneho opotrebenia pôsobia aj korozívne
účinky. Je to zrejmé z vysokého hmotnostného obsahu chrómu, ktorý je obsiahnutý
u týchto konkrétnych prídavných materiálov.
Výsledky je možné využiť aj z hľadiska názornej ukážky vplyvu jednotlivých
chemických prvkov na výslednú odolnosť proti opotrebeniu. V doplnení
s mikroskopickým pozorovaním štruktúry jednotlivých návarov, by bola daná práca
hodnotnou pomôckou vo vyučovacom procese.
V neposlednom rade môže byť inšpiráciou pre ďalšie skúmanie v oblasti vplyvu
chemických prvkov u konkrétnych prídavných materiálov.
56
7 Záver
Ako už bolo spomenuté, abrazívne opotrebenie má najčastejší výskyt pri
súčiastkách aplikovaných pre potreby praxe. Tieto degradačné procesy sú každoročne
spojené s veľkými materiálnymi a finančnými stratami. Na zamedzenie týchto strát je
možné využiť množstvo renovačných technológií a širokú škálu prídavných materiálov.
Jednou z týchto technológií je aj tavný spôsob nanášania tvrdonávarov na
funkčné plochy súčiastok. Ide o technológiu s najdlhšou históriou, ktorá má široké
zastúpenie v prevádzkovej praxi.
Najdôležitejším faktorom, ktorý ovplyvňuje konečnú odolnosť tvrdonávarovej
vrstvy je chemické zloženie. Vplyvom chemického zloženia je možné ovplyvniť
štruktúru a výsledné vlastnosti nanesenej vrstvy.
Na základe toho, bolo cieľom tejto diplomovej práce zhodnotenie vplyvu
vybraných legujúcich prvkov na odolnosť proti opotrebeniu, na základe porovnania
konkrétnych prídavných materiálov. Porovnávaním konkrétnych materiálov sme
sledovali vplyv B, V, Nb a Cr. Z dosiahnutých výsledkov, ktoré sú zistené na základe
skúšania opotrebenia na brúsnom plátne podľa normy STN 015084 vyplýva:
Pomerne významný vplyv bóru na zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu. Obsah
3 % bóru priniesol 103,2 % zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu. Pritom stojí za
pozornosť, že obsah bóru 2 % priniesol iba nepatrné zvýšenie odolnosti proti
opotrebeniu.
Obsah vanádu tiež priaznivo ovplyvňuje odolnosť proti opotrebeniu. Pri obsahu
vanádu 10 % došlo k zvýšeniu odolnosti proti opotrebeniu o 94,13 %.
Vplyv nióbu na odolnosť proti opotrebeniu je menej výrazný. Pri obsahu 4,5 %
nióbu bolo dosiahnuté iba 54,46 % zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu.
Vplyv chrómu na odolnosť proti opotrebeniu je nevýrazný. Pri rozdiele obsahu
chrómu 9,8 % bolo dosiahnuté iba 28,36 % zvýšenie odolnosti proti
opotrebeniu. Navyše tvrdonávarové materiály legované chrómom dosiahli nižšiu
odolnosť proti opotrebeniu ako etalónový materiál.
Pri určovaní pomernej odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu sme použili ako
etalón oceľ 12014.2 . Jej pomernú odolnosť sme stanovili na hodnotu 1, pretože bola
prijatá ako základná veličina pre porovnávanie prídavných tvrdonávarových materiálov
na odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu.
57
Z dosiahnutých výsledkov vyplýva, že špecifický obsah legujúceho prvku môže
mať výrazné účinky na zvyšovanie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu.
58
8 Zoznam použitej literatúry
BLAŠKOVITŠ, P. - ČOMAJ, M. 2006. Renovácia naváraním a žiarovým striekaním.
1. vyd. Bratislava : STU v Bratislave, 2006. 204 s. ISBN 80-227-2482-3
ČIČO P. 2009. Údržba a oprava strojov. 1. vyd. Nitra : Slovenská poľnohospodárska
univerzita, 2009. 175 s. ISBN 978-80-552-0171-9
SUCHÁNEK, J. - KUKLÍK, V. – ZDRAVECKÁ, E. 2007. Abrazívní opotřebení
materiálů. Praha : [České vysoké učení technické], 2007. 162 s. ISBN 978-80-01-
03659-4
BALLA, J. 1989. Tribológia a tribotechnika. 3. nepreprac. vyd. Nitra : Vysoká škola
poľnohospodárska, 1989. 129 s. ISBN 80-85175-25-8
TOLNAI, R. 2007. Strojárska technológia. 4. nezmen. vyd. Nitra : Slovenská
poľnohospodárska univerzita, 2007. 319 s. ISBN 978-80-8069-842-3
BALLA, J. – MIKUŠ, R. – CVIKOVÁ, H. 2009. Náuka o materiáloch (návody na
cvičenia). 5. nezmen. vyd. Nitra : Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2009. 162 s.
ISBN 978-80-552-0165-8
ADAMKA, J. 1995. Vplyv štruktúry na odolnosť návarov proti abrazívnemu
opotrebovaniu. In TECHNOLÓGIA 1995 Bratislava : Slovenská technická univerzita,
1995, s. 396-399. ISBN 80-227-0782-1.
KOVAŘÍKOVÁ, Ingrid – BLAŠKOVITŠ, Pavel. 2007. Abrazívne opotrebenie. In
Strojárstvo extra, 2007, č. 3, s. 12-13.
BLAŠKOVIČ, P. - BALLA, J. – DZIMKO, M. 1990. Tribológia. 1. Vyd. Bratislava :
Alfa, 1990. 360 s. 24 cm. ISBN 80-05-00633-0
SKOČOVSKÝ, P. - BOKŮVKA, O. – KONEČNÁ, R. – TILLOVÁ, E. 2001. Náuka
o materiály pre odbory strojnícke. Žilina : Žilinská univerzita v Žiline, 2001. ISBN 80-
7100-831-1
SUH, N. P. 1986. Tribophysics. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1986. ISBN:
0139309837 New Jersey.
POPOV, V. S. – NAGORNYJ, P. L. 1969. Vlijanije karbidov na abrazivnuju
iznosostojkost splavov. Litejnoje proizvodstvo, 1969, č. 8
MIKUŠ, R. 2009. Zliatiny železa. In Konštrukčné materiály na báze Fe [prednáška na
CD ROM]. Nitra: Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2009, s. 6-9.
STN ISO 01 5050 Opotřebení materiálu (Názvosloví)
59
STN ISO 6508-1 : 2000. Kovové materiály. Skúška tvrdosti podľa Vickersa. Časť 1:
Skúšobná metóda (stupnice A, B, C, D, E, F, G, H, K, T, N)
STN ISO 6507-1 : 1997. Kovové materiály. Skúška tvrdosti podľa Rockwella. Časť 1:
Skúšobná metóda.
STN 015084 Stanovení odolnosti kovových materiálů proti abrazivnímu opotřebení na
brusném plátně
Materiály pro navařování Zander Schweiss technik. 2005 [online] Wirpo, s. r. o.,
aktualizované 2005. [cit. 2011-01-25]. Dostupné na:
<http://www.wirpo.cz/cs/c/tabulky/2-materialy-pro-svarovani-a-
navarovani.htm#sekce12>
Elektródy na naváranie. 2005. [online] Kjellberg Slovensko s. r. o., aktualizované 2005.
[cit. 2011-01-20]. Dostupné na: <http://www.kjellberg.sk/index.php?
ID=produkty&IDPR2=|23|24|39&CAT=39&>
Katalóg prídavných materiálov - výber (SK,PL,EN) OERLIKON. 2010. [online] Air
Liquide SK s.r.o., aktualizované 2010. [cit. 2011-01-26]. Dostupné na:
<http://www.airliquidewelding.sk/file/otherelement/pj/consumables%20catalogue
%20pl_sk62565.pdf >
BAJDA, M. a i. 2005. Navařování kovù. In Svět svaru [online] 2005. [cit. 2010-10-26].
Dostupné na: <http://www.hadyna.cz/svetsvaru/technology/Navařování_complete.pdf
>.
CHOTĚBORSKÝ, R. – HRABĚ, P. a i. 2009. Abrazívní opotřebení návarových
materiálů na bázi Fe-Cr-C. In Konstrukce [online] 2009. [cit. 2010-09-20]. Dostupné
na: ˂ http://www.konstrukce.cz/UserFiles/files/K/2009/abraz_01.pdf>.
60
9 Prílohy
61
Príloha A: Namerané tvrdosti a aritmetické priemery tvrdostí jednotlivých prídavných materiálov a etalónu
Druh skúšaného
materiálu
Číslo
vzorky
vzorky
Namerané hodnoty tvrdosti HRC,
HV30
Aritmetický
priemer tvrdostí
OK83.28
11 29 31 30 30
21 30 29 30 29,6
31 28 27 28 27,6
OK84.42
12 40 37 39 38,6
22 39 40 39 39,3
32 37 38 37 37,3
FIDUR10/65
13 57 58 57 57,3
23 56 55 57 56
33 59 58 59 58,6
FIDUR10/70
14 60 64 62 62
24 64 63 64 63,6
34 60 62 61 61
SEEHCr68
15 59 60 60 59,6
25 60 62 61 61
35 61 62 62 61,6
SE405T
16 58 59 60 59
26 60 65 62 62,3
36 63 61 62 62
SEEHCrV67
17 59 61 60 60
27 61 60 62 61
37 60 63 62 61,6
FLUXODUR62-0
18 54 56 55 55
28 55 60 58 57,6
38 59 60 58 59
ETALÓN (12014.2)
1 107 106 106 106,3
2 108 107 110 108,3
3 107 107 106 106,6
Príloha B: Namerané hmotnosti a hmotnostné úbytky jednotlivých prídavných materiálov a etalónu
Druh skúšaného
materiálu
Číslo
vzorky
Hmotnosť vzorky
pred skúškou
Hmotnosť vzorky
po skúške
Hmotnostný
úbytok
62
vzorky
m0 (g) m1 (g) 𝚫m (g)
OK83.28
11 19,2873 19,0582 0,2291
21 18,4283 18,1833 0,2450
31 18,2739 18,0233 0,2506
OK84.42
12 19,0062 18,8239 0,1823
22 18,2696 18,0688 0,2008
32 18,2953 18,1138 0,1815
FIDUR10/65
13 18,1591 18,0335 0,1256
23 17,5744 17,4473 0,1271
33 18,1383 18,0151 0,1232
FIDUR10/70
14 18,5863 18,5242 0,0621
24 18,8075 18,7464 0,0611
34 18,7716 18,7098 0,0618
SEEHCr68
15 20,1601 20,09 0,0701
25 20,8091 20,7369 0,0722
35 19,6524 19,5815 0,0709
SE405T
16 18,8605 18,7604 0,1001
26 18,3278 18,2084 0,1194
36 18,6164 18,5066 0,1098
SEEHCrV67
17 19,8789 19,8128 0,0661
27 19,9847 19,9209 0,0638
37 20,096 20,037 0,059
FLUXODUR62-0
18 19,514 19,3947 0,1193
28 19,8256 19,7036 0,1220
38 19,6936 19,5682 0,1254
ETALÓN (12014.2)
1 13,187 13,0125 0,1745
2 13,0526 12,8771 0,1755
3 12,9876 12,8150 0,1726
63