Charakterizácia procesov abrazívneho opotrebenia

 

 

Vo všeobecnosti sú povrchové interakcie spájané s materiálo­vými vlastnosťami, podmienkami kontaktu, konštrukčným riešením, podmienkami prevádzky, chemickým, chemicko­-tepelným spracovaním materiálu a majú za následok stratu energie (trenie) a materiálové straty (opotrebenie). Opotrebenie môže byť spre­vádzané interakciou funkčných povrchov, funkčných povrchov so spra­covávaným médiom alebo nečistotami z okolitého prostredia pri ich vzájomnom relatívnom pohybe. Príčinou porúch, ktoré môžu byť vyvo­lané účinkom častíc pôsobiacich na povrchoch, je abrazívne alebo ero­zívne opotrebenie.

 

ABRAZÍVNE OPOTREBENIE

Abrazívne opotrebenie predstavuje jeden z intenzívnych degradačných procesov materiálu účinkom tvrdých, prevažne minerálnych častíc. Pri­tom dochádza k oddeľovaniu a premiestňovaniu čiastočiek materiálu. V prvom prípade abrazívneho opotrebenia tvrdé častice môžu byť voľné alebo určitým spôsobom viazané (v hornine, na brúsnom plátne). Druhý prípad abrazívneho opotrebenia je vyvolaný prítomnosťou tvrdých častíc medzi funkčnými povrchmi, ktoré sú v relatívnom pohybe. Vyskytuje sa pri klzných dvojiciach, kde vznikajú tvrdé nečistoty medzi nedostatočne utesnenými funkčnými povrchmi. Toto rozdelenie prípadov abrazívneho opotrebenia predstavuje zložitý a komplexný problém, ktorý si vyžadu­je detailnejšie štúdium a analýzu jeho mechanizmov, pri ktorých nastá­va. Do analýz priebehu abrazívneho opotrebenia je nevyhnutné zahrnúť aj časový priebeh síl pôsobiacich medzi časticami abrazíva a opotrebová­vaným povrchom [1, 2].

Medzi významné faktory, ktoré určujú odolnosť proti abrazívnemu opot­rebeniu, je možné zaradiť tvrdosť, veľkosť, tvar a intenzitu pôsobiacich častíc, tvrdosť, tvar, veľkosť a množstvo tvrdých fáz a ich rozloženie v zák­ladnej kovovej hmote. S rastúcou tvrdosťou tvrdých štruktúrnych zložiek (karbidov, boridov a pod.) a s ich rastúcim podielom v štruktúre rastie odolnosť proti opotrebeniu[3].

TRIBOLOGICKÉ SKÚŠKY

Metódy tribologického skúšania materiálov je možné klasifikovať pod­ľa viacerých kritérií, medzi ktoré možno zaradiť: typ kontaktu, spôsob a druh vzájomného kontaktu, tvar kontaktnej plochy telies a vzájom­ný pohyb, ktorý vykonávajú jednotlivé telesá prípadne prevládajúci typ opotrebenia. Metodika a postupy prípravy a realizácie týchto skúšobných metód sú popísané v normách ASTM prípadne ISO. Na získanie údajov o opotrebení sa využívajú tribologické skúšky, ktoré možné klasifikovať nasledovne [4]:

• modelové skúšky na laboratórnych zariadeniach, ktoré pracujú v pres­ne definovanom režime, ktorý umožňuje vyjadriť jeho vzťah ku štruk­túre systému, k prevádzkovým parametrom a pod.,

• skúšky na simulačných zariadeniach, pri ktorých reprodukujeme také premenné, od ktorých sa v prevádzke očakáva najväčšia účasť na tri­bologickom procese,

• prevádzkové skúšky, ktoré sú najpreukázateľnejšie, ale časovo a fi­nančne najnáročnejšie.

Laboratórne skúšky abrazívneho opotrebenia sa realizujú na skúšobných zariadeniach od prístroja s brúsnym plátnom (klzná abrázia bez rázové­ho zaťaženia) až po laboratórny čeľusťový drvič (modelovanie procesov opotrebenia pri drvení). Pri laboratórnych skúškach pri voľbe skúšobné­ho zariadenia a parametrov skúšky je nevyhnutné zvažovať stav abrazí­va (pevne viazané, voľné), veľkosť častíc abrazíva, ich tvar a tvrdosť, smer a rýchlosť relatívneho pohybu počas abrázie a veľkosť síl pôsobiacich v tribologickom systéme. Podľa podmienok v oblasti kontaktu opotrebo­vávaného povrchu s abrazívnymi časticami sa experimentálne zariadenia, ktoré modelujú klznú abráziu, rozdeľujú na:

• prístroje s viazanými časticami,

• prístroje s voľnými časticami,

• prístroje s vrstvou voľných častíc medzi stykovými povrchmi telies,

• zariadenia modelujúce procesy abrázie v reálnych podmienkach pre­vádzky.

Viazané abrazívne častice môžu byť vo forme hrotu definovaného tva­ru, brúsneho plátna alebo brúsneho kotúča. Prístroje s brúsnym plátnom sa používajú najčastejšie na skúšanie odolnosti kovových materiálov. Okrem prístrojov s rotačným pohybom sa používajú prístroje s priamo­čiarym vratným pohybom, prípadne prístroje s brúsnym pásom. Rozptyl výsledkov je ± 5 %. Ich nevýhodou sú zmeny abrazivity brúsnych plátien, ktoré musia byť priebežne kontrolované pomocou etalónových vzoriek. Nevýhodou všetkých prístrojov s viazanými časticami je klesajúca abra­zivita brúsneho plátna a brúsneho kotúča pri opakovanom kontakte jed­notlivých abrazívnych častíc s opotrebovávaným povrchom skúšaných vzoriek, čo môže viesť k zmene mechanizmu opotrebenia.

Prístroje s voľnými časticami možno rozdeliť na prístroje s brúsnou nádo­bou, prístroje s pogumovaným kotúčom a bubnové prístroje. Základom prístrojov s brúsnou nádobou je skúšobná nádoba s abrazívnymi častica­mi, v ktorej sú umiestnené vzorky. Nedostatkami prístrojov sú nízka in­tenzita procesu opotrebenia a postupný pokles abrázie voľnými časticami vplyvom otupovania rezných hrán a ich znečisťovaním. V priebehu skú­šok sa musí abrazívo periodicky vymieňať.

Prístroje s pogumovaným kotúčom vytvárajú klznú abráziu častíc, kto­ré sú sypané medzi vzorku a rotujúci kotúč. Modelujú sa podmienky pre­vádzky strojných zariadení pracujúcich v zemine alebo spracúvajúcich palivá alebo nerastné suroviny.

Bubnové prístroje sú v prevádzke jednoduché a spoľahlivé. Nevýhodou je časová náročnosť skúšok a obmedzená aplikovateľnosť získaných experi­mentálnych údajov [2].

Skúšanie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu tenkých povlakov prináša použitie prístrojov, kde rotujúca guľôčka (pevná, voľná) unáša do oblasti kontaktu jemné abrazívne častice. Táto metóda sa používa na vý­skum odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu tenkých povlakov PVD (1-5 μm), čím sa zvyšuje potenciál metód skúšania povrchových kompo­nentov s PVD povlakmi ako sú napríklad vrtáky, ložiská, turbínové lopat­ky a biomedicínske implantáty [5].

 

ABRAZÍVNE OPOTREBENIE CERMETOV

WC-Co systém predstavuje materiál pre termické striekanie na výrobu tvrdých ochranných povlakov. Vysoká rýchlosť kyslíkovo-acetylénového termického nástreku (HVOF) je proces, ktorý umožňuje vytvárať husté karbidové cermentové povlaky. Odolnosť proti opotrebeniu karbidových fáz sa dosahuje v povlaku cez optimalizáciu procesných parametrov strie­kania [6, 7, 8]. WC-Co cermetový povlak HVOF nástrekom bol nanesený na vopred upravený povrch tryskaním.

Vzorky boli vyrobené zo základného materiálu l St45 s rozmermi 70×22×8 mm. Obsah kobaltu je 17 percent hmotnosti, tvrdosť 1218 HV01. Pohľad na dosiahnutú hrúbku nástreku a jeho mikroštruktúru je na obr. 2. Priemerná veľkosť zrna karbidov sa pohybovala od 1 μm po viac ako 10 μm (obr. 2b).

Abrazívne opotrebenie sa stanovilo na zariadení s pogumovaným kole­som. Abrazívo bolo sypané medzi vzorku a rotujúci kotúč. Tvrdosť gumy na oceľovom kolese bola 60 Shore A. Klzná dráha bola 1 031 m, relatív­na rýchlosť bola 3,32 ms-1. Vzorky boli tlačené proti skúšobnému kolesu s použitím konštantnej záťaže 35 N. Prístroj s pogumovaným kolesom je na obr. 3. Skúška predstavuje simuláciou tzv. low-stress abrázie, interak­cie troch telies v procese abrazívneho opotrebenia.

Nekovový minerálny abrazívny materiál zodpovedajúci norme ISO 11126, ktorého zloženie je z čistého granátu v pevnej homogénnej kryštálovej štruktúre, vyznačujúci sa dlhou životnosťou, bez rizika silikózy s označe­ním GARNET #80 [9].

 

OTERUVZDORNOSŤ A MIKROŠTRUKTÚRA CERMETOV

Oteruvzdornosť cermetov je určená pevnosťou karbidických častíc, spoji­vovej fázy a podielom karbidov. Obecne pevnosť karbidických častíc cer­metov sleduje Hall-Pitchov zákon, čo bolo potvrdené pre spekané WC-Co [10]. Za predpokladu, že pôsobiace zaťaženie je prenášané iba karbidmi, zaťaženie pôsobiace na jednotlivé častice karbidov bude nepriamo úmer­né objemovému podielu karbidov. Pretože opotrebenie je úmerné pôso­biacemu zaťaženiu na tvrdú fázu a nepriamo úmerné pevnosti karbidic­kých častíc, môže byť získané z rovnice [11]:

kde W – hmotnostné straty opotrebením alebo pomerné opotrebenie, dc a fC sú veľkosti karbidických častíc  a ich objemový podiel v povlaku, K1 je konštanta závisiaca na skúšobných podmienkach a môže závisieť na  pó­rovitosti a ďalších mikroštruktúrnych faktoroch matrice. Relatívne ab­razívne opotrebenie je vhodnejšie k popisu odolnosti proti opotrebeniu rôznych WC-Co povlakov. Preto relatívna odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu povlaku WC-Co je definovaná:

 

kde r–referenčný povlak, Wr, dcr, fCr – opotrebenie, veľkosť karbidickej čas­tice a objemový podiel karbidov referenčného povlaku, Kr – modifikačná konštanta. Pri použití rovnakej spojivovej fázy: Kr je redukovaný na jed­notku, potom platí:

 

 

 

 

 

 

 

 

Opotrebenie cermetových povlakov je úmerné druhej odmocnine karbi­dickej častice v povlaku a nepriamo úmerné objemovému podielu kar­bidov. Pevnosť tvrdých karbidických častíc, odolných proti vytrhávaniu abrazívom, je dôležitá pre zlepšenie oteruvzdornosti. Preto malé karbidy vykazujú vysokú pevnosť, ktorá je priaznivá pre odolnosť proti abrazívne­mu opotrebeniu [12].

Na obr. 4 je povrch po abrazívnom opotrebení WC-Co cermetového po­vlaku pri zaťažení 35 N. V priebehu opotrebenia pri zaťažení prebieha od­stránenie spojivovej fázy popraskanie zrna hraníc karbidov. Odstránenie spojiva medzi karbidmi má významnú úlohu pri opotrebení kompozitov. Po odstránení spojiva nasleduje fragmentácia veľkých zŕn karbidov s po­stupným odstránením týchto fragmentov až kým sú celé zrná odstránené.

Ostrohranné abrazívne častice prenikali do spojivovej fázy a vyberali ju (obr. 4a). Odstránenie spojivovej fázy je hlavným mechanizmom pri ab­razívnom opotrebení kompozitov v prvom stupni opotrebenia. Obvod kontaktných plôch karbidov je mierne narušený. Bolo potvrdené, že ná­streky pri zvýšenej veľkosti karbidov znižujú odolnosť proti abrazívne­mu opotrebeniu [8, 13]. Dôležitá je aj väzba medzi jednotlivými naná­šanými vrstvami. Pri vysokom zaťažení, za intenzívneho opotrebenia, môže nastať delaminácia povrchovej vrstvy skôr než vytrhávanie jed­notlivých karbidických častíc. Odolnosť proti opotrebeniu povlakov cermetu bude určovaná väzbou jednotlivých lamiel než pevnosťou jed­notlivých karbidov.

 

ZÁVER

Vynikajúcu odolnosť proti opotrebeniu cermetu sa pripisuje rovnomerne rozloženými karbidovým časticiam, ktoré sú pevne zabudované vo fáze spojív. Abrazívne opotrebenie termického nástreku cermetu bude určené veľkosťou karbidov a obsahom karbidov. Výsledky laboratórnych skúšok závisia na ich schopnosti simulovať podmienky v tribosystéme a v získa­ní potrebných údajov pre rozhodovanie o výbere materiálov alebo povr­chového spracovania. Rôzne skúšky odolnosti proti opotrebeniu môžu byť užitočné za istých podmienok dotykových tlakov a klzných rýchlostí, ale žiadna skúška nemôže byť úspešná vo všetkých aspektoch. Nezahrnu­tie akéhokoľvek z týchto faktorov, môže vážne znížiť efektívnosť a vypo­vedaciu schopnosť simulácie [14].

 

POĎAKOVANIE

Príspevok vznikol s v rámci riešenia projektu VEGA 1/0264/11, VEGA 1/1102/11, LPP-0149-09.

 

LITERATÚRA

[1] Blaškovitš,P., Balla, J., Dzimko, M.: Tribológia. ALFA, Bratislava 1990, ISBN 800-50-06-330

[2] Suchánek, J., Kuklík, V., Zdravecká, E.: Abrazívní opotřebení materiálů. Praha. ČVUT, 2007. ISBN 978-80-01-03659-4, 162 str.

[3] Zum Gahr, K.– H.:Wear by hard particles, Tribology International, Vol. 31, No. 10, pp. 587-596, 1998

[4] Blaškovitš, P., Kovaříková, I., Kasala, M., Knošo, P.: Meranie tribologických charakteristík, Strojárstvo Extra, 3/2008

[5] Allsopp, D.N., , Hutchings, I.M.: Micro-scale abrasion and scratch response of PVD coatings at elevated temperature,. Wear 251, 2001, str. 1 308-1 314.

[6] Gee, M.G., Gant, A., Roebuck, B.: Wear mechanisms in abrasion and erosion of WC-Co, Wear 263 (2007) str. 137-148.

[7] Gant, A.J., Gee, M. G.: Wear of tungsten carbide-cobalt hardmetals and hot isostatically pressed high speed steels under dry abrasive conditions, Wear 251 (2001), str. 908-915

[8] Zdravecká, E., Ondáč, M.: Tribológia povrchových vrstiev, SjF TU Košice, Edícia študijnej literatúry, 2012, ISBN: 978-80-553-0885-2.

[9] Zdravecká, E., Marton, M., Ondáč, M., Tkáčová, J., Trpčevská, J.: Combined study of wear phenomena using wheel abrasion test. In: PRO-TECH-MA 2012:International scientific conference 2012, s. 456-463. – ISBN 978-80-553-0950-7

[10] Roebuck, B., Almond, E.A.: Deformation and fracrureprocesses and the physical metalluregy of WC-Co hardmetals, Int. Mater. Rev., 33, 1988, str. 90-110.

[11] Li, C.-J., Ohmori A., Tani, K.: Effect of WC particlesize on the abrasive wear of thermally sprayed WC-Cocoatings, Materials and Manufacturing Processes 14, No.2, 1999, str. 175-184.

[12] Li, C.-J, Wang, Z.-Z., Ji, G.-C.: Relation between abrasive wear and microstrucure of HVOF cermet coatings, Thermal Spray 2003: Advancing the Science and Apôôying the Technology, Ohio, USA 2003

[13] Zdravecká, E., Smetana, Š., Suchánek, J.: Abrazívne a erozívne opotrebenie, Košice 2012.

 

TEXT/FOTO EVA ZDRAVECKÁ, MIROSLAV ONDÁČ, KATEDRA TECHNOLÓGIÍ A MATERIÁLOV, STROJNÍCKA FAKULTA, TU V KOŠICIACH