titMRozvoj hospodárstva a neustály konkurenčný boj o zákazníka prináša nové podnety v oblasti výroby, obchodu i spotreby. Výrobcovia sa snažia stále viac vychádzať v ústrety zákazníkom, svojou výrobnou a obchodnou stratégiou chcú uspokojiť potreby širšej vrstvy spotrebiteľov s dôrazom na ekonomický a environmentálny vplyv svojich výrobkov.

titmDrevom plnené plasty (Wood Plastic Composite v skratke WPC) predstavujú materiály vznikajúce spojením hydrofóbnej a hydrofilnej zložky (drevo + polymér) v určitom pomere za pridania aditív bez použitia toxínov.

titProblematika zlepšovania vlastností povrchových vrstiev ocelí je stále stredobodom pozornosti množstva odborných a vedeckých pracovníkov po celom svete. Jedným smerom hľadania a realizácie oteruvzdorných vrstiev je ich tvorba na základe využitia nových technológií (PVD, CVD, plazma atď.), druhým smerom je využívanie konvenčných technológií, ktoré sú aj cenovo dostupnejšie [1,2,3].

titNaše tomografické laboratoře již od roku 2012 úzce spolupracuje zejména s odvětvím automotive. Účastníme se různých mezinárodních vědeckých projektů.

Na prípravu lesných plôch pred výsadbou mladých stromčekov a pestovaním nového lesa je potrebná mechanizácia, ktorá odstráni náletový porast, prevzdušní pôdu a pod. Zariadenia používané na tieto činnosti sú väčšinou konštruované ako prídavné zariadenia na kolesové lesné traktory alebo ako jednoúčelové, napríklad drviče nežiaducich nárastov, mulčovače, alebo lesné frézy s vlastným pohonom.
Odolnosť voči abrazívnemu opotrebeniu exponovaných plôch strojových súčiastok, nástrojov a podobne, sa všeobecne dosahuje technologickými zásahmi na povrchu, ktoré kvalitatívne menia vlastnosti základného materiálu. Jedným zo spôsobov, ako zvýšiť odolnosť nástroja voči abrázii, je aplikovať na exponované plochy tvrdonávary, ktoré by predĺžili čas ich nasadenia v prevádzke. Nástroje na drvenie nežiaducich porastov – mulčovače – podliehajú abrazívnemu opotrebeniu v heterogénnom prostredí, ktoré je spojené s rázmi. Telo nástroja s feriticko-perlitickou štruktúrou po strate wolfrám-karbidových (WC) špičiek nie je schopné dlhodobo odolávať takémuto zaťaženiu [1].


Materiál a metódy

Abrazívne opotrebenie je podľa STN 01 5050 charakterizované ako oddeľovanie častíc z funkčného povrchu účinkom tvrdého a drsného povrchu druhého telesa [2]. Typickým poškodením povrchu pri abrazívnom opotrebení sú ryhy. Opotrebenie je tým menšie, čím tvrdší je funkčný povrch. Potreba ochrany povrchov voči účinkom opotrebenia vyplýva z ekonomických dôsledkov opotrebenia. Účinnosť takejto ochrany musí byť zabezpečená počas celého „technického života“. Abrazívne opotrebenie materiálu je ovplyvnené jeho mechanickými vlastnosťami, štruktúrou, chemickým zložením ako aj druhom a typom pôsobiaceho abrazíva [3,4]. Obr. 1 znázorňuje pôsobenie tvrdých a mäkkých abrazívnych častíc na rôzny povrch materiálu. Pri veľmi malej veľkosti abrazívnych častíc je veľmi malé opotrebenie, keď dochádza ku kontaktným únavovým procesom a nie k abrazívnemu opotrebeniu. 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 [1,5].


obr 1obr 2


Naváranie

Naváranie – hardfacing, môžeme definovať ako nánosové zváranie, kde je metalurgickým procesom za vysokých teplôt natavený základný materiál, zároveň je tavený a do tavného kúpeľa pridávaný aplikovaný návarový materiál (prídavný materiál). Výsledkom navárania je homogénna kovová alebo zliatinová vrstva. Pri naváraní je najčastejším cieľom vytvoriť vrstvu s nízkym koeficientom premiešania so základným materiálom. Snahou je eliminovať množstvo vneseného tepla do základného materiálu, čím dochádza k zníženiu vnútorných napätí a deformácií v materiáli pri procese s vlastnosťami, ako napríklad odolnosť voči korózii, tepelnému namáhaniu, abrazívnemu a adhéznemu opotrebeniu, kavitácii, erózii, oteru a ďalším nepriaznivým faktorom [6,8]. Prídavné materiály reprezentujú širokú škálu zliatin na báze Fe, Ni, Co s prídavkom karbidotvorných prvkov (Cr, W, Mo, V, Ti, Nb), prípadne ďalších legúr (B, Si a pod.). Používajú sa vo forme tyčiniek, drôtov, obalených elektród, rúrkových elektród, práškov, naváracích pást a aluminotermických zmesí. Na trhu je ich veľké množstvo, prakticky každý výrobca vyrába rôzne modifikácie základných typov. Výrobcovia prídavných kovových materiálov zvyčajne uvádzajú údaje o jednotlivých oblastiach aplikácie návarových zliatin a podľa nich riadia svoje výrobky [8]. Elektródy s vysokým obsahom chrómu sa často používajú pre svoju nízku cenu a dobrú odolnosť proti opotrebeniu časticami. Drahšie zliatiny, ktoré obsahujú karbidotvorné prvky, ako sú wolfrám, vanád a niób, kombinujú vysokú tvrdosť karbidických fáz a húževnatosť kovovej matrice. Karbidy, vďaka svojej vysokej tvrdosti, predstavujú prekážky proti vnikaniu tvrdých častíc. Zvýšená tvrdosť však neznamená automaticky vždy lepšiu odolnosť proti opotrebeniu alebo dlhšiu životnosť [7]. Kovová matrica musí odolávať ryhujúcemu účinku častíc a zároveň zabraňovať vylamovaniu karbidov. Pri kombinovanom pôsobení abrázie a rázov sú niekedy používané relatívne mäkké, ale húževnaté zliatiny. Táto skupina návarových zliatin zahŕňa austenitické mangánové ocele, martenzitické zliatiny a vysokolegované ocele kaliteľné na vzduchu [6,7]. Nástroje používané v lesníckych technológiách sa na Slovensku nevyrábajú. Nakupujú sa od dodávateľov, ktorí ponúkajú rôzne typy a druhy nástrojov, podľa účelu ich použitia. Cena nástrojov sa pohybuje od 60 eur vyššie. Závisí to od typu a výrobcu nástroja.


Telo nástroja je vyrobené technológiou objemového tvárnenia za tepla. Polotovar tela nástroja je výkovok, ktorý obrábaním na CNC stroji a následným prispájkovaním WC špičiek striebornou tvrdou spájkou na nárazovú zónu nástroja dostáva finálnu podobu (obr. 2). Na obr. 3 je nástroj po strate WC špičiek. Je na ňom viditeľná plastická deformácia, ktorá spôsobila úbytok materiálu na tele nástroja. Nástroj pracoval v prevádzke cca 300 hodín. Je charakteristický vlastnosťami, ako napríklad odolnosť voči korózii, tepelnému namáhaniu, abrazívnemu a adhezívnemu opotrebeniu, kavitácii, erózii, oteru a ďalším nepriaznivým faktorom [6,8].


Prídavné materiály reprezentujú širokú škálu zliatin na báze Fe, Ni, Co s prídavkom karbidotvorných prvkov (Cr, W, Mo, V, Ti, Nb), prípadne ďalších legúr (B, Si a pod.). Používajú sa vo forme tyčiniek, drôtov, obalených elektród, rúrkových elektród, práškov, navarovacích pást a aluminotermických zmesí. Na trhu je ich veľké množstvo, prakticky každý výrobca vyrába rôzne modifikácie základných typov. Výrobcovia prídavných kovových materiálov zvyčajne uvádzajú údaje o jednotlivých oblastiach aplikácií návarových zliatin a podľa nich riadia svoje výrobky [8]. Elektródy s vysokým obsahom chrómu sa často používajú pre svoju nízku cenu a dobrú odolnosť proti opotrebeniu časticami.


obr 3


Telo nástroja je vyrobené z ocele triedy 14 220 (16CrMn5). Je to konštrukčná nízkolegovaná cementačná chrómmangánová oceľ, s obsahom chemických prvkov v percentuálnom zastúpení C – 0,212 %, Mn –1,302 %, Cr – 1,219 %, Si – 0,241 %, Ni-0,131 % a zvyšok Fe [9]. Analýzami, ktoré boli publikované v [9,10] bolo zistené, že nástroj s feriticko- perlitickou štruktúrou v tepelne nespracovanom stave, s nízkou hodnotou tvrdosti – 18,1HRC, resp. 225HV10, s abrazívnou odolnosťou Wh = 0,0996 g a hodnotou koeficientu tvrdosti KT = 0,4 po strate WC špičiek nevyhovuje jeho pracovným podmienkam.


V prevádzke je vystavený abrázií, ktorú spôsobujú zložky heterogénneho pracovného prostredia. Okrem spracovávanej drevnej hmoty z nerovnomerného zloženia, tvrdosti a priemeru je to pôda. Na jej povrchu sa vyskytujú horniny a minerály rôznej veľkosti, tvrdosti a pôvodu, nepredvídateľne a nepravidelne rozmiestnené. Vysoké otáčky rotora adaptéra bázového stroja – cca 1 000 ot-1, na ktorom sú nástroje uložené, nerovnomerné zaťaženie jednotlivých nástrojov, v súvislosti s uložením na rotore, ešte prispievajú k ich skorému opotrebeniu, hlavne na chrbte nástroja, čo ovplyvňuje dĺžku ich použitia v prevádzke [9].


obr 4


Analýzami nástroja z pohľadu maximálneho ovplyvnenia časti tela nástroja plastickou deformáciou boli navrhnuté plochy na chrbte a čele tela nástroja (obr. 4).


Experiment

Pri výbere tvrdonávarového materiálu sme brali do úvahy viaceré aspekty, a to spôsob zaťaženia nástroja, typ základného materiálu ako aj prostredie, v ktorom nástroj na drvenie nežiaducich nárastov pracuje. Kvôli zvýšeniu odolnosti nástroja boli zvolené návarové elektródy aplikované spôsobom navárania MMA (111). Návarová elektróda E 520 RB je podľa technického listu [11] vhodná na návary odolné proti silnému abrazívnemu opotrebeniu pri normálnych aj zvýšených teplotách (banské kombajny, zemné stroje, poľnohospodárske stroje). Výrobca je VÚZ, Bratislava, označenie podľa DIN E 10-UM- 60-CGP. Elektróda sa vyznačuje dobrými operatívnymi vlastnosťami, dobrým zapaľovaním, stabilitou a horením oblúka, má dobré ukladanie vrstiev a roztekanie návarových húseníc. Má vysoký obsah chrómu a uhlíka, tvorí ledeburickú štruktúru s prítomnosťou karbidov chrómu. Návarová elektróda E DUR 600 je bázická elektróda určená na naváranie dielov vystavených abrazívnemu opotrebeniu. Sú to napríklad zemné stroje, brázdiace nože, časti mlynov, tesniace plochy a pod. Predstavuje elektródu, tvoriacu ledeburickú štruktúru návaru, s nízkym obsahom uhlíka a chrómu. Má výborné operatívne vlastnosti – dobré zapaľovanie oblúka, dobrá stabilita a horenie oblúka, dobré ukladanie vrstiev a roztekanie návarových húseníc. Výrobca – Elektrode Jesenice [12]. Chemické zloženie elektród je uvedené v tab. 1.


tab 1


Špecifikácie vybraných tvrdonávarových elektród, ako aj naváracieho procesu, sú uvedené v tab. 2.


tab 2


Pre laboratórne hodnotenie tvrdonávarových materiálov boli na vzorkách vykonané nasledujúce testy a skúšky:
• meranie tvrdosti metódami HRC a HV10;
• hodnotenie odolnosti voči abrazívnemu opotrebeniu podľa normy GOST 23.208-79;
• mikroskopická analýza.
Pri skúškach boli pri teplote okolia dodržané štandardné skúšobné podmienky, platné pre jednotlivé metódy hodnotenia mechanických vlastnosti, ako aj mikroskopických analýz. Pri meraní tvrdosti Rockwellovou metódou bola použitá metodika podľa STN EN ISO 6508-1:2006 [13]. Meranie sa uskutočnilo na univerzálnom tvrdomere UH250.


obr 5

obr 6


Zaťažovacia sila F = 1 471 N. Tvrdosť podľa Vickersa bola meraná podľa metodiky STN ISO 6507-1:2006 [14] tvrdomerom Vickers 432SVD. Trvanie zaťaženia bolo t = 15 s a zaťažovacia sila F = 98,07 N. NA zistenie hodnôt tvrdosti HV10 boli použité tabuľky z STN EN ISO 6507-4:2006 [15]. Na obr. 5 sú dokumentované preparované vzorky s naznačeným merania tvrdosti HRC a HV10. Príprava vzoriek a samotné testovanie odolnosti materiálu voči opotrebeniu bolo vykonané podľa normy GOST 23.208-79. Testovanie odolnosti materiálov proti opotrebeniu voľnými abrazívnymi časticami [16].
Je to norma zo skupiny štandardov Zabezpečenie odolnosti výrobkov proti opotrebeniu. Podstata metódy spočíva v porovnaní úbytku zo skúšanéhomateriálu a úbytku materiálu etalónu pri rovnakých skúšobných podmienkach. Na testovanie boli podľa uvedenej normy pripravené tri vzorky narezané technológiou delenia abrazívnym vodným lúčom (AWJM), následne konvenčne trieskovo obrobené frézovaním a kvôli dosiahnutiu presných rozmerov a drsnosti povrchu brúsené na rovinnej magnetickej brúske (obr. 6).
Na účely analýz mikroštruktúry – kvality návarových materiálov a stavu premiešania základného materiálu – tela nástroja a návarových vrstiev bola použitá experimentálna technika svetelnej mikroskopie, a to inverzný metalografický mikroskop Olympus CX71 s kamerou Olympus DP12.Na vyvolanie štruktúry základného materiálu bolo použité leptadlo 2 % Nital, na leptanie návarov bolo použité leptadlo Cor (120 ml CH3COOH, 20 ml HCl, 3g kyselina pikrová, 144 ml CH3OH). Meranie tvrdosti Tvrdosť návarovej vrstvy bola meraná Rockwellovou metódou. Priemerná hodnota z troch meraní je uvedená v tab. 3. V tabuľke je na porovnanie uvedená aj hodnota tvrdosti základného materiálu (tela nástroja), ako aj hodnota HRC v druhej vrstve tak, ako ju uvádzajú výrobcovia v technických listoch elektród [11,12].


tab 3


Ako je zrejmé z výsledkov meraní, tvrdosť v návare výrazne stúpla. Hodnoty korešpondujú s hodnotami HRC dokladovanými výrobcami elektród. Tvrdosť podľa Vickersa bola meraná v dvoch paralelne vedených smeroch od povrchu návaru do základného materiálu.
Priebeh tvrdosti pri hodnotení tvrdonávaru E 520 RB je na obr. 7. Hrúbka návaru elektródou E 520 RB je cca 3,5 mm a je v ňom zaznamenaná výrazne vyššia tvrdosť ako v základnom materiáli. Priemerne dosahovala hodnotu 625 HV10. Priebeh kriviek v grafe je skokový, nie je pozorovaná prechodová oblasť medzi prvou vrstvou návaru a základným materiálom, čo by naznačovalo prítomnosť TOO.


obr 7


Priebeh tvrdosti pri hodnotení tvrdonávaru E DUR 600 je na obr. 8. V návare je oveľa vyššia tvrdosť, v priemere 720 HV10, ako v základnom materiáli.
Rozdiel je až 500 HV10, v hrúbke cca 4,0 mm. Priebeh kriviek v grafe je výrazne skokový, nie je pozorovaná prechodová oblasť medzi prvou vrstvou návaru a základným materiálom, čo by naznačovalo prítomnosť TOO, aj keď na makre merania tvrdosti je pozorovaná svetlejšia oblasť v základnom materiáli.


obr 8


Meranie odolnosti voči abrazívnemu opotrebeniu Hodnoty získaných koeficientov Wh, ψh a KT tvrdonávarových materiálov sú v tab. 4. Na porovnanie sú v tabuľke uvedené aj hodnoty koeficientov základného materiálu 16CrMn5, ktorý predstavoval etalón.


tab 4


TEXT/FOTO: Ing. Miroslava ŤAVODOVÁ, PhD., doc. Ing. Daniela KALINCOVÁ, PhD., Technická univerzita vo Zvolene, Fakulta environmentálnej a výrobnej techniky

Clipboard01Ochrana životného prostredia je jednou z najdôležitejších sociálno-kultúrnych tém posledných desaťročí. Ochrana a podpora zdravého životného prostredia je dôležitým základom pre zachovanie ľudskej existencie. Kvalita životného prostredia je výrazne ovplyvnená stavebným priemyslom. Vyžaduje sa tiež značná spotreba redundantných zdrojov a energie. V tejto súvislosti je potrebné neustále hľadať alternatívne spôsoby a metódy na podporu energetickej účinnosti, znižovania neefektívnej výroby, veľkého množstva odpadu a emisií.