titulnyModerná strojárska výroba kladie dôraz na kvalitu výrobkov, na ich životnosť, ekonomický prínos a efektivitu výroby tak, aby vynaložené náklady na renovácie a opravy boli čo najnižšie. Opotrebeniu najviac podliehajú funkčné časti súčiastok, pri ktorých dochádza vo zvýšenej miere k abrazívnemu opotrebeniu [1].


Zvýšenie životnosti súčiastky alebo jej obnovu je možné docieliť zlepšením vlastností povrchovej vrstvy funkčnej plochy. Na tento účel existuje viacero metód [1 – 5].

Renovácia naváraním
Jedným z najdostupnejších a ekonomicky výhodných spôsobov renovácií je naváranie. Naváranie kovových práškov acetylénovo-kyslíkovým horákom je materiálovo, technologicky a finančne dostupné. Použitie plameňa je vhodné pri renovácii malých a stredných plôch a pri naváraní plameňom dochádza k menšiemu premiešaniu prídavného materiálu so základným materiálom. Naváraním prášku sa navárajú veľmi malé hrúbky a dosahuje sa vynikajúca čistota navarenej plochy. Návar má vysokú pevnosť, dobrú odolnosť voči nárazom a abrazívnemu opotrebeniu [6].

* * * * *
Pre dosiahnutie zvýšenej životnosti alebo efektívnej renovácie súčiastky je dôležité použiť správne zvolený prídavný materiál.
* * * * *

Na výber vhodného materiálu je efektívnejšie využiť laboratórne podmienky a laboratórne testovanie, ktoré je ekonomicky i časovo menej náročné a umožňuje dosiahnuť rovnaké výsledky ako v samotnej prevádzke. V laboratórnych podmienkach je možné získať v krátkom čase a s relatívne nízkymi nákladmi široké poznatky a testovania o materiáloch vhodných na renovácie funkčných plôch, resp. na zvýšenie kvality funkčných plôch strojových súčiastok [1,7,8].
V príspevku sú prezentované výsledky skúšania návarových práškov na báze niklu od rôznych výrobcov (Výskumný ústav zváračský, Höganäs BA a Kennametal, Inc.), ktoré majú čiastočne rozdielne chemické zloženie, ale dosahujú približne rovnaké výsledky.

Materiál a metódy
Charakteristika skúmaných materiálov
Na vykonanie skúšok voči abrazívnemu opotrebeniu a určeniu tvrdosti sme si ako základný materiál zvolili oceľ triedy 12 014.2 – nízkouhlíkovú ušľachtilú, magneticky mäkkú oceľ.
Ako prídavné materiály boli použité návarové kovové prášky na báze niklu od nasledujúcich výrobcov:
• Výskumný ústav zváračský (VÚZ): NP 52, NP 58, NP 60, NP 62, NP 60 WC20 a NP 60 WC 45,
• Höganäs AB: 1250-00, 1355-20 a 1360-20,
• Kennametal, Inc.: Deloro alloy 38 KX, Deloro alloy 40 KX, Deloro alloy 50 W a Deloro alloy 60 M.
Všetko sú to samotroskotvorné práškové prídavné materiály na báze NiCrBSi, vhodné na nanášanie plameňom a plazmou. Nanesené vrstvy sa používajú ako ochrana pred oterom a koróziou vtedy, keď súčasne pôsobia ďalšie faktory, napríklad vysoký merný tlak a zmeny teploty.
Nanesenými vrstvami je možné účinne chrániť pracovné plochy nástrojov, strojov a armatúr pred koróziou a opotrebovaním. Nanesená vrstva má malú hustotu pórov v nanesenom povlaku, preto sa používa ako koróziivzdorná ochranná vrstva. Má nízky trecí koeficient aj pri suchom trení, preto má dobré klzné vlastnosti pri núdzovom chode. Chemické zloženie skúmaných práškových prídavných materiálov je popísané v tabuľke 1.

tab1
Tab. 1: Chemické zloženie práškových návarových materiálov

 

Príprava vzoriek
Pre každý návarový materiál sme vyrobili tri vzorky. Použili sme vzorky tvaru valca s priemerom R 10 mm a s dĺžkou 40 mm. Pre naváranie sme zvolili typ horáku NPK 3 s neutrálnym kyslíkovo-acetylénovým plameňom. Vzorky sme navárali v prípravku na naváranie pre skúšku na brúsnom plátne. Etalón bol vyrobený z ocele 12014.2 podľa normy STN 015084.

Metódy skúšania
Skúšku pre abrazivne opotrebenie sme vykonali na Katedre kvality a strojárskych technológii, Technickej fakulty SPU v Nitre. Skúška bola realizovaná na zariadení na skúšanie odolnosti voči abrazívnemu opotrebeniu na brúsnom platne, ktorého schematické znázornenie je uvedené na obr. 1.

obr1
Obr. 1: Zariadenie na skúšanie odolnosti materiálov voči abrazívnemu opotrebeniu na brúsnom plátne


Parametre zariadenia:
• priemer trecej dráhy – 480 mm
• dĺžka trecej dráhy – 50 m
• trecia rýchlosť – max. 0,5 ms-1
• priečny posuv na otáčku – 3 mm
• veľkosť prítlačného tlaku – 0,32 N.mm-2
• brúsne plátno – Globus 120
Na stanovenie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu skúmaných materiálov bola určená pomerná odolnosť proti opotrebeniu:

rov1

kde:
Ψabr – pomerná odolnosť proti opotrebeniu na brúsnom plátne, -,
ΔVE – priemerný objemový úbytok etalónových skúšobných telies, cm3,
ΔV – priem. objemový úbytok skúšobných telies zo skúšaného materiálu, cm3,
Δ mE – priemerný hmotnostný úbytok etalónových skúšobných telies, g,
Δ m – priemerný hmotnostný úbytok skúšobných telies skúšaného materiálu, g,
ρE - merná hmotnosť etalónového materiálu, g.cm-3,
ρ - merná hmotnosť skúšaného materiálu, g.cm-3.

Tvrdosť návarov sme zisťovali Rockwellovou metódou podľa STN ISO 6508-1. Pre dané meranie sme použili prístroj Lucznik.

Výsledky
Hodnotenie pomernej odolnosti proti opotrebeniu
Pri skúške na stanovenie abrazívneho opotrebenia sme namerali hodnoty úbytku hmotnosti vzoriek etalónu a vzoriek skúšobných materiálov. Následne sme vypočítali priemernú hodnotu úbytku hmotnosti pre jednotlivé skúšobné materiály a etalón. Následne sme vypočítali pomernú odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu skúšobných materiálov podľa vzorca 1. Vypočítané hodnoty sú uvedené na obr. 2.

obr2
Obr. 2: Hodnoty pomernej odolnosti proti opotrebieniu jednotlivých skúmaných materiálov

 

Z grafu na obr. 2 možno odčítať koľkokrát vykazuje jednotlivá vzorka odolnosť voči abrazívnemu opotrebeniu v porovnaní s etalónom. Niektoré návarové prášky sú až niekoľkonásobne odolnejšie voči abrazívnemu opotrebeniu ako etalón. Všetky vzorky dosiahli vyššie hodnoty pomernej odolnosti ako etalón. Pri vzorke Deloro alloy 38 KX od výrobcu Kennametal však boli vypočítané hodnoty pomerovej odolnosti len nepatrne vyššie.

Hodnotenie tvrdosti
Tvrdosť skúšobných vzoriek sme merali metódou podľa Rockwella. Zistené hodnoty tvrdosti sú v grafe na obr. 3. Z grafu je vidieť, že najvyššiu priemernú tvrdosť dosiahli skúšobné vzorky NP60 WC20 a NP60 WC45 od výrobcu VÚZ. Pri vzorkách od firmy Höganäs dosiahla najvyššiu tvrdosť vzorka 1360-20 a od firmy Kennametal sme namerali najvyššiu tvrdosť pri vzorke Deloro alloy 60M.

obr3
Obr. 3: Hodnoty tvrdosti HRC jednotlivých skúmaných materiálov

 

Krížové porovnanie nameraných hodnôt
Na základe získaných výsledkov priemerných hodnôt tvrdosti a pomernej odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu boli vzorky rozdelené do dvoch porovnávacích skupín. Vzorky pre zaradenie do skupín sme vybrali tak, aby v každej skupine boli vzorky od každého výrobcu.
Do prvej skupiny sme zaradili vzorky, ktoré dosiahli pomernú odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu vyššiu ako 2,00 a do druhej skupiny sme zaradili vzorky s pomernou odolnosťou proti abrazívnemu opotrebeniu nižšou ako 2,00. Do skupín sme nezaradili vzorky NP 60 WC20 a NP 60 WC45 od výrobcu VÚZ, pretože dané vzorky sú s prímesou karbidu volfrámu a ich dosiahnuté pomerné odolnosti sú niekoľkonásobne vyššie ako v prípade ostatných skúšobných vzoriek.
Rovnako sme do porovnania nezaradili vzorku Deloro alloy 38 KX, pretože pri tejto vzorke bola nameraná pomerná odolnosť blízka 1, čo je pre ďalšie porovnanie nepostačujúce. Nízka odolnosť voči abrazívnemu opotrebeniu daného prášku bola pravdepodobne spôsobená nízkym obsahom uhlíka a tým, že prášok neobsahuje žiadny chróm, ktorý má vplyv na tvrdosť a oteruvzdornosť. Následne boli do grafov vnesené hodnoty pomerných odolností a tvrdostí pre obe porovnávacie skupiny (obr. 4 a 5).

obr4
Obr. 4: Skupina č. 1 – porovnanie tvrdosti a pomernej odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu


Z porovnania vzoriek zo skupiny č. 1 (graf na obr. 4) vyplýva, že nameraná vysoká tvrdosť navareného prášku nie je garanciou najvyššej pomernej odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu.
Napriek najvyššej nameranej tvrdosti vzorky NP 62 táto vzorka nedosiahla najvyššiu pomernú odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu. Najvyššia pomerná odolnosť bola nameraná na vzorke 1360-20. Rovnako z grafu na obr. 4 vyplýva, že druhú najvyššiu hodnotu odolnosti voči abrazívnemu opotrebeniu dosiahla vzorka NP 60, napriek jej pomerne nízkej nameranej tvrdosti v porovnaní s ostatnými vzorkami danej skupiny. Dve ďalšie vzorky NP 62 a Deloro alloy 60M, ktoré mali nameranú najvyššiu tvrdosť, dosiahli len priemerné hodnoty pomernej odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu v rámci porovnávacej skupiny.

obr5
Obr. 5: Skupina č. 2 – porovnanie tvrdosti a pomernej odolnosti voči abrazívnemu opotrebeniu

 

Pri porovnaní vzoriek zo skupiny č. 2, kde boli zaradené vzorky s nižšími nameranými hodnotami tvrdosti vyplýva, že vzorky s nižšou tvrdosťou dosiahli aj nižšie hodnoty pomernej odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu (graf na obr. 5). So stúpajúcou hodnotou tvrdosti stúpa aj pomerná odolnosť daného materiálu. Výnimkou je len vzorka NP 58, ktorá aj napriek najvyššej nameranej tvrdosti nedosiahla najvyššiu hodnotu pomernej odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu. Pritom vzorka NP 58 ako jediná obsahovala aj podiel volfrámu, molybdénu a medi, napriek tomu dosiahla pomerne nízke hodnoty pomernej odolnosti.

Záver
Pri testovaní sme použili 13 vzoriek od troch rôznych výrobcov a zistil sme pomernú odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu v rozpätí od Ψabr = 1,0186 – 6,9625 pri dosiahnutej tvrdosti od 34,3 do 63 HRC. Najvyššiu odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu a tvrdosť dosiahli vzorky s obsahom karbidu volfrámu, čím sa potvrdilo, že prímes karbidu volfrámu zvyšuje odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu a zlepšuje vlastnosti návaru.
Porovnaním všetkých testovaných prídavných návarových materiálov bola dosiahnutá vyššia pomerná odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu ako pri etalónovom materiáli. Môžeme teda konštatovať, že navarenie prídavného materiálu na funkčné plochu súčiastky zvyšuje jej odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu. Podľa druhov opotrebení prebiehajúcich v tribologických uzloch je potrebné na výrobu súčiastok alebo na ich renováciu použiť správny typ návarového materiálu na dosiahnutie požadovaných vlastností.

Poďakovanie:
Príspevok bol vypracovaný v rámci riešenia grantového projektu VEGA č. 1/0718/17 Štúdium vplyvu technologických parametrov povrchových vrstiev poľnohospodárskej a lesníckej techniky na kvalitatívne parametre, bezpečnosť a environmentálnu prijateľnosť.

Použitá literatúra
[1] BLAŠKOVIČ, P.; BALLA, J.; DZIMKO, M.: Tribológia. 1. vyd. Bratislava: ALFA, 1990. 360 s. ISBN 80-05-00 633-0
[2] ČIČO, P.; BUJNA, M.: Odolnosť tvrdonávarových materiálov v prevádzkových podmienkach. 1. vyd. Nitra: Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2011. 119 s. ISBN 978-80-552-0628-8.
[3] KOTUS, M.; ČIČO, P.: Vplyv parametrov MIG/MAG navárania na tvorbu návaru (vedecká monografia). Nitra: Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2011. 112 s. ISBN 978-80-552-0553-3
[4] KOVÁČ, I.; VANKO, N.; VYSOČANSKÁ, M.: Verification of the working life of a ploughshare renovated by surfacing and remelting in the operation. In Research in agricultural engineering. 60, special iss. (2014), p. 98 – 103. ISSN 1212-9151.
[5] HRABĚ, P.; CHOTĚBORSKÝ, R.; RUŽBARSKÝ, J.; ŽARNOVSKÝ, J.: Comparison of high chromium and boride hardfacing. In Trends in agricultural engineering 2010: 4th international conference TAE 2010, conference proceedings, 7. – 10. september 2010, Prague Czech Republic. Praha: Česká zemědělská univerzita, 2010, s. 228 – 231. ISBN 978-80-213-2088-8.
[6] ČIČO, P.; KOTUS, M.; BUJNA, M.: Údržba a oprava strojov. 2. vyd. Nitra: Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2013. 178 s. ISBN 978-80-552-1019-3
[7] KOTUS, M.; ANDRÁSSYOVÁ, Z.; ČIČO, P.; FRIES, J.; HRABĚ, P.: Analysis of wear resistent weld materials in laboratory conditions. In Research in agricultural engineering 57, (2011), s. S74 – S78. ISSN 1212-9151.
[8] KOVÁČ, I.; ŽARNOVSKÝ, J.: Zlepšenie tribologických vlastností vrstiev nasycovaných bórom. In Manufacturing engineering. Výrobné inžinierstvo. 5, 2 (2006), s. 54 – 55. ISSN 1335-7972.

TEXT/FOTO: Rastislav Mikuš, Urban Abrhan, Katedra kvality a strojárskych technológií TF SPU v Nitre FOTO: ilustračné – archív redakcie
Recenzent / Reviewer: Ing. Miroslava Ťavodová, PhD.