Práca sa venuje vyhotoveniu návaru kovovým práškom NP 60 s vysokým obsahom Ni na konštrukčnú uhlíkovú oceľ S235JRG1 (11 373) indukčným ohrevom. Využitím „skin efektu“ sa redukuje teplom ovplyvnená oblasť základného materiálu spôsobená návarom. Parametre a podmienky navárania sme stanovili výpočtom a overili experimentálne. Príspevok poukazuje na možnosti širokého využitia tejto technológie v praxi a konkurencie schopnosť s koncentrovanými zdrojmi energie (laser, elektrónový lúč).

 

V dnešnej dobe obmedzených zdrojov a financií nachádza naváranie a renovácie široké uplatnenie v technickej praxi. Naváranie je jednou z najprogresívnejších technológií. V mnohých prípadoch majú takto opravené činné časti rôznych súčiastok dlhšiu životnosť ako pôvodný diel, pretože sa môže použiť návar odolnejší proti opotrebeniu, rázom, abrázii alebo korózii. Navarené vrstvy sú často pomerne hrubé (2 mm a viac) a pri niektorých aplikáciách sa musia použiť medzivrstvy, aby sa dosiahla metalurgická adaptilita s finálnou vrstvou. Voľbou vhodnej technológie vyhotovenia návaru sa zvyšuje produktivita a kvalita navarenej vrstvy. Medzi takéto technológie patrí aj naváranie indukčným ohrevom. Dostupnosť technológie, rýchlosť ohrevu a šetrenie životného prostredia sú hlavnými faktormi uplatnenia tejto technológie v strojárstve [1, 2, 3].

 

Charakteristika základného a prídavného materiálu

Ako základný materiál sa použila konštrukčná uhlíková oceľ S235JRG1 (11 373). Ide o relatívne cenovo dostupný materiál zvyčajných kvalít, ktorý sa používa na výrobu poľnohospodárskych zariadení. Samotný návar bol vyhotovený pomocou indukčného ohrevu, ktorým sa naváral kovový prášok NP 60. Chemické zloženie ocele S235JRG1 a kovového prášku NP 60 z VÚZ-PI sú v tab. 1 a 2. Základný materiál ma rozmery 60 x 30 x 1 mm. Naváraný povrch sa očistil, odmastil a obrúsil na požadovanú drsnosť. Teplota tavenia prášku je 1 200 až 1 220 °C [4, 5].

tab1

Zariadenie na indukčný ohrev

V experimentoch sa použil polovodičový generátor HRF15 od firmy RAJMONT, s.r.o., Hradec Králové, ktorým disponuje Materiálovotechnologická fakulta STU (obr. 1). Generátor dodáva maximálny výkon 16 kW a frekvenciu od 50 do 500 kHz. Technické parametre zdroja a generátora sú uvedené v tab. 3.

obr1
obr2

Návrh induktora, parametrov a podmienok navárania

Na naváranie indukčným ohrevom bola navrhnutá jednoduchá U cievka (obr. 2, 3) s priemerom rúrky ø 10 mm. S takto navrhnutou cievkou tvaru U sa s daným generátorom dosiahla frekvencia v rozsahu od 400 do 420 kHz.

obr4

Vzdialenosť naváranej ocele od povrchu cievky bola cca 3 mm. Uskutočnili sa dva druhy návarov (obr. 4, 5). Jeden s použitím taviva Borax, ktorého teplota tavenia je 800 až 1 000 °C a druhý bez použitia taviva. (Výrobca VÚZ PI SR Bratislava udáva, že kovový prášok NP 60 je možné navárať aj bez použitia taviva.) Hrúbka kovového prášku pred naváraním s tavivom i bez taviva bola 3 mm.

obr5

Parametre navárania:

VF generátor: U = 322 V; I = 83 A;

výkon P = 7 kW; frekvencia f = 400 až 420 kHz; čas ohrevu t = 24 s.

 

Natavený prášok priľnul na základný materiál. Na obr. 5 je návar čistého prášku a návar vyhotovený s tavivom. Tavivo vyplávalo na povrch návaru a vytvorilo súvislú vrstvu.

 

Vyhodnotenie kvality návarov

Kvalita vyhotovených návarov sa hodnotila vizuálnou kontrolou, ultrazvukovou defektoskopiou, optickou mikroskopiou, meraním mikrotvrdosti a mikroanalýzou EDX.

Ultrazvuková defektoskopia potvrdila celistvosť návaru. V návare neboli pozorované žiadne póry ani iné chyby.

Optickou mikroskopiou sa študovalo rozhranie návaru so základným materiálom, kde bola pozorovaná oxidicka vrstva a vrstva tvorená popusteným perlitom, ktorý je veľmi náchylný na preleptanie. Na porovnanie je uvedená preleptaná perlitická a oxidická vrstva na obr. 6 a 7.

obr6

Mikrotvrdosť návaru zodpovedala požadovaným tabuľkovým hodnotám od výrobcu. Meraním mikrotvrdosti sa potvrdilo, že v teplom ovplyvnenej oblasti (TOO) sa nevyskytujú nijaké nežiaduce nestabilné štruktúry. Na obr. 8 je dokumentovaný priebeh tvrdosti cez rozhranie návaru a základného materiálu.

obr8

Čiarová EDX mikroanalýza sa vykonala za účelom určenia koncentrácie prvkov na rozhraní návaru a základného materiálu (obr. 9). Pozorovala sa zóna popusteného perlitu, aby sa vylúčila alebo potvrdila prítomnosť oxidických vrstiev. Prítomnosť oxidov sa na rozhraní nepotvrdila. Mierne zvýšená koncentrácia kyslíka bola zapríčinená rozpustením nízko taviteľných oxidov S a P v zóne popusteného perlitu. Potvrdilo sa, že pozorovaná oblasť je zložená z popusteného perlitu, v objeme ktorého je difúzne rozpustený uhlík [6].

 

Záver

Cieľom príspevku bolo navrhnúť a overiť technológiu vysokofrekvenčného indukčného navárania kovového prášku na konštrukčnú uhlíkovú oceľ S235JRG1 (11 373). Použitým prídavným materiálom bol kovový prášok NP 60 z VÚZ-PI SR Bratislava.

Aplikovali sme jednoduchú cievku tvaru U, pri ktorej sa dosiahla frekvencia až 420 kHz. Kovový prášok sa naváral na čelá dvoch vzoriek vo vrstve 3 mm s použitím i bez použitia taviva. Parametre indukčného navárania boli: frekvencia 420 kHz, výkon 7 kW, čas ohrevu t = 24 s.

Kvalita vyhotovených návarov sa hodnotila vizuálnou kontrolou, ultrazvukovou defektoskopiou, optickou mikroskopiou, meraním mirkotvrdosti a EDX mikroanalýzou. Na rozhraní návaru a základného materiálu vznikol popustený perlit a zistili sa minimálne difúzne procesy.

Technológia indukčného navárania kovových práškov je veľmi produktívna a efektívna technológia, ktorá môže konkurovať aj koncentrovaným zdrojom energie, ako sú napríklad lasery, elektrónový lúč či plazmový oblúk.

 

Poďakovanie:

Príspevok vznikol s podporou GA VEGA MŠVVS SR a SAV (projekt č. 1/2594/12 a projekt č. 1/1000/09)

TEXT/FOTO prof. Ing. Milan Turňa, CSc. IWE, prof. RNDr. Milan Ožvold, CSc., Ing. Miroslav Jáňa, Materiálovotechnologická fakulta STU, Ústav výrobných technológií, Trnava