titulnyČlánok sa zaoberá možnosťou zvýšenia životnosti cestnej radlice, a to aplikáciou tvrdonávaru na jej funkčnú časť. Na exponovanú časť vyradenej radlice bol navarený materiál s inými vlastnosťami a štruktúrou, ako mal jej pôvodný materiál.


Najskôr boli vykonané vstupné laboratórne skúšky, a to chemická analýza, meranie tvrdosti a mikroskopická analýza. Podľa chemického zloženia základného materiálu a typu opotrebenia bol zvolený návarový kov, ktorý bol aplikovaný metódou navárania v ochrannej atmosfére aktívneho plynu (MAG). Po aplikácií návarového kovu na vzorku boli vykonané laboratórne skúšky, a to meranie tvrdosti a mikroskopická analýza. Na základe výsledkov analýzy môžeme konštatovať, že došlo k dostatočnému premiešaniu návarového materiálu, a teda by mal pri práci vydržať relevantné zaťaženie. Vhodnou voľbou návarového materiálu môžeme dosiahnuť efektívne zvýšenie životnosti snežnej radlice.
Snežné radlice sú v procese svojej práce vystavené nepriaznivým pracovným podmienkam. Podliehajú opotrebeniu, a to hlavne abrazívnemu, keďže pracujú v heterogénnom prostredí. Z dôvodu rýchleho opotrebenia dochádza k skorému vyradeniu snežnej radlice z prevádzky. Preto je potrebné venovať pozornosť možnostiam zvyšovania ich životnosti. Jednou z možností je naváranie materiálov na funkčné plochy tak, aby sme získali lepšie vlastnosti, ako sú vlastnosti pôvodného materiálu. Najčastejšie používanou metódou pre naváranie je metóda MAG.

Materiál a metódy
Na zaistenie bezpečnej zjazdnosti lesných odvozných ciest v zimnom období je nevyhnutná zimná údržba a v rámci nej predovšetkým odstraňovanie snehu a posýpanie zľadovatených vozoviek. Na odstraňovanie snehu z ciest sa používajú snehové pluhy, snehové frézy, gardery, buldozéry a pod. Na lesných cestách sa osvedčili šípové pluhy, ktoré sa upevňujú pred nákladné automobily alebo traktory.
Snežná radlica pracuje v heterogénnom prostredí, kde pri práci prichádza do styku s vozovkou, a teda snehom, kameňmi, minerálnymi časticami, štrkom, pieskom a pod. Najskôr sa do styku s vozovkou dostáva zhrňovací nôž radlice, ktorý je namáhaný rázom pri prvom kontakte s vozovkou a ďalej, po celú dobu zhŕňania, abráziou a koróziou. Abráziou a koróziou je namáhaná celá pracovná časť radlice (zvarenca).
Medzi najstaršie a najviac používané metódy pre zváranie a naváranie patrí oblúkové zváranie obalenou zváracou alebo naváracou elektródou. Podľa EN ISO 4063 sa označuje skratkou 111, jeho európskou skratkou je MMA. Naváraním môžeme získať odolnosť proti určitému typu opotrebeniu alebo určité špecifické vlastnosti, ktoré závisia od druhu návarového kovu. Naváranie sa používa na renováciu nástrojov do použiteľného stavu, ale aj na výrobu nových nástrojov. Výroba nových nástrojov naváraním je ekonomicky výhodnejšia, nakoľko sa nástroj môže vyrobiť z lacnejšieho materiálu a jeho povrchové vlastnosti sa dosiahnu navarením návarového kovu. Návarový materiál musíme vyberať podľa pracovných podmienok nástroja a musí mať vlastnosti vhodné na použitie v daných podmienkach [2]. Pri voľbe návarového materiálu musíme poznať, aký je základný materiál, na ktorý sa bude navárať, akému typu opotrebenia bude pri práci vystavený a aký druh povrchu sa vyžaduje po navarení. Navárací materiál je možné nanášať akýmkoľvek zváracím procesom [3].

Obr. 1 Šípová snežná radlica
Návarové kovy je možné klasifikovať podľa ich chemického zloženia, podľa Medzinárodného inštitútu zvárania (IIW), ale aj podľa ich charakteristických vlastností a odolnosti voči opotrebeniu. Doteraz nie je jednotný názor na najvhodnejší typ štruktúry z hľadiska odolnosti voči abrazívnemu opotrebeniu. Dôvodom je široká škála prevádzkových podmienok a rôznorodosť procesu abrázie. Niektorí autori považujú za najvýhodnejšiu austeniticko-karbidickú štruktúru, iní zase martenziticko-karbidickú štruktúru [4]. Návary typu austenitickej ocele sú vhodné pre abrazívne opotrebenie, ktoré spolupôsobí s rázovým opotrebením.
Návary so základnou austenitickou hmotou a tvrdými karbidickými časticami majú húževnatejšiu matricu, a teda nedochádza u nich ku štiepaniu [5]. Pre podmienky abrázie pri vysokých špecifických tlakoch a prítomnosti nárazov možno považovať austeniticko-karbidickú štruktútu za najvýhodnejšiu [4]. Austeniticko-mangánové návary sú taktiež vhodné pre abrazívne opotrebenie sprevádzané rázmi. Pri rázoch dochádza k spevňovaniu štruktúry, a tým je štruktúra viac odolná voči abrazívnemu opotrebeniu. Štruktúru odolnú voči abrazívnemu opotrebeniu môžeme získať vopred, a to deformáciou návaru za studena [6].
Návary so základnou martenzitickou hmotou sa vyznačujú veľkou odolnosťou proti abrazívnemu opotrebeniu. Je to spôsobené 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 narastá odolnosť proti opotrebeniu [7]. Martenziticko-karbidická štruktúra je vhodnejšia pre nízkonapäťovú abráziu [4].

Výsledky a diskusia
Radlica, ktorá bola predmetom experimentu, je bežne používaným nástrojom na úpravu ciest v zimnom období.
Na obr. 2a je časť radlice, z ktorej boli odobraté vzorky pre vstupné skúšky a pre aplikáciu návarového materiálu, a na obr. 2b je metalografický výbrus priečneho rezu z použitej radlice.
Vstupné skúšky a merania vykonané na vyradenej radlici boli:
• chemická analýza – základného materiálu (ZM) a zhrňovacieho noža (ZN); • meranie tvrdosti; • mikroskopická analýza – ZM, zvaru a ZN.

Obr. 2 a Časť vyradenej radlice b Metalografický výbrus
Obr. 2: a) Časť vyradenej radlice, b) Metalografický výbrus

 

Metódou atómovej emisie s iskrovým výbojom na spektrometroch ARL 4460 fy. THERMO ARL a infračervenou absorpciou bola vykonaná chemická analýza vzoriek. Základný materiál, z ktorého bola radlica vyrobená a ktorá bola predmetom skúmania, je oceľ 11 484. Je to jemnozrnná oceľ obvyklej akosti, má zaručenú zvariteľnosť. Používa sa v častiach zariadení pracujúcich pri teplotách do -50°C vyrobených z plechu so zaručenou hodnotou vrubovej húževnatosti až do -50°C. Materiál zhrňovacieho noža radlice je oceľ 13 240. Je to mangán-kremíková oceľ vhodná na zušľachťovanie. Používa sa na stredne namáhané časti strojov a časti cestných vozidiel zvlášť odolné voči opotrebeniu.
V tab. 1 je chemické zloženie ZM a ZN a v tab. 2 sú ich základné mechanické vlastnosti.

Tab. 1 Chemická analýza ocele základného materiálu a zhrňovacieho noža
Tab. 1: Chemická analýza ocele základného materiálu a zhrňovacieho noža (hm. %)
Tab. 2 Základné mechanické vlastnosti ZM a ZN
Tab. 2: Základné mechanické vlastnosti ZM a ZN

 

Meranie tvrdosti podľa Vickersa HV 0,5 a podľa Rockwella HRC sa vykonalo na odobratých vzorkách z vyradenej radlice. Tvrdosť bola meraná podľa platných štandardov. Priemerná tvrdosť ZM bola podľa Vickersa 168 HV 0,5. Priemerná tvrdosť zvaru bola 335 HV 0,5, tvrdosť podľa Rockwella nebolo možné odmerať. Priemerná tvrdosť ZN bola podľa Vickersa 538 HV 0,5, podľa Rockwella 50 HRC.
Hodnoty nameraných tvrdostí na pôvodnej radlici sú v tab. 3.

Tab. 3 Hodnoty tvrdostí ZM zvaru a ZN merané na vyradenej radlici
Tab. 3: Hodnoty tvrdostí ZM zvaru a ZN merané na vyradenej radlici

 

Príprava vzoriek bola vykonaná štandardným spôsobom. Boli použité leptadlá 2 % Nital a Cor. Leptadlo Cor bolo použité pre leptanie zvaru a návaru.
Na obr. 3 je zachytený tvar opotrebenia zhrňovacieho noža. V spodnej časti môžeme vidieť nerovnomerné opotrebenie na čepeli zhrňovacieho noža.

Obr. 3 Stav opotrebenia zhrňovacieho noža
Obr. 3: Stav opotrebenia zhrňovacieho noža

 

Na obr. 4a môžeme vidieť zónu stavenia zvar – zhrňovací nôž. Zvar má typickú dendridickú štruktúru.
Na obr. 4b môžeme vidieť zónu stavenia zvar – ZM. Môžeme konštatovať, že v oboch prípadoch došlo k dostatočnému premiešaniu materiálov so zvarom.

Obr. 4 Zóna stavenia ZM a ZN
Obr. 4: Zóna stavenia ZM a ZN

 

Na základe vstupných meraní a analýz sme navrhli pre zvýšenie životnosti radlice jej úpravu naváraním.

Obr. 5a Vzorka pre navarenie elektródou OK 84.58
Obr. 5a: Vzorka pre navarenie elektródou OK 84.58Obr. 5a: Vzorka pre navarenie elektródou OK 84.58Obr. 5b: Vzorka pre mikroskopickú analýzu

 

Na vzorku z radlice (obr. 5a) sme navárali vybraný návarový materiál v jednej vrstve. Pri voľbe návarového materiálu sme vychádzali hlavne z typov opotrebení, ktorým je radlica vystavená, ako aj na základe údajov získaných z literatúry [3]. Tvrdosť návaru bez predhrevu je 52 – 59 HRC.
Elektróda OK 84.58 je vysokovýťažková elektróda na naváranie funkčných plôch odolávajúcich opotrebeniu za súčasného namáhania rázmi s potrebnou čiastočnou koróznou odolnosťou, napr. častí poľnohospodárskych a lesníckych strojov, miešače, dopravné zariadenia a pod. Opracovanie návaru je možné brúsením [3].
Chemické zloženie elektródy OK 84.58 EN 14700: E Z Fe 6 je v tab. 4.

Tab. 4 Chemické zloženie elektródy OK 84.58
Tab. 4: Chemické zloženie elektródy OK 84.58 (hm. %)

 

Naváranie sa uskutočnilo certifikovanými zváračmi. Na vzorku sa navarila jedna vrstva tvrdonávaru. Pred samotným naváraním sa musela elektróda vysušiť podľa údajov uvedených v technickom liste. Sušenie prebiehalo v sušiarni ZEPACOMP. Parametre navárania sú uvedené v tab. 5.

Tab. 5 Parametre navárania elektródou OK 84.58
Tab. 5: Parametre navárania elektródou OK 84.58

 

Vzorka pre mikroskopickú analýzu bola pripravená štandardným postupom. Na naleptanie základného materiálu sa použilo leptadlo 2 % Nital a Cor (obr. 5b). Na obr. 6a,b môžeme pozorovať svetelnou mikroskopiou (SM) zónu stavenia návar dvojice OK 84.58 – ZM. Môžeme konštatovať, že došlo k dostatočnému premiešaniu ZM a návaru, nie sú viditeľné žiadne póry, trhliny alebo iné neprípustné chyby, ktoré by znižovali súdržnosť medzi ZM a návarom. To potvrdzuje správnosť voľby návarového materiálu, ako aj voľby parametrov navárania.

Obr. 6 Zóna stavenia SM návar OK 84.58 materiál zvarenca
Obr. 6 Zóna stavenia – SM – návar OK 84.58 – materiál zvarenca

 

Pri vykonanej EDX analýze rozhrania návar – ZM (obr. 7) na skenovacom elektrónovom mikroskope (SEM) môžeme opäť vidieť prítomné difúzne premiešanie návaru a ZM.

Obr. 7 Zóna stavenia SEM návar OK 84.58
Obr. 7: Zóna stavenia – SEM – návar OK 84.58

 

Tvrdosť návaru OK 84.58 sa merala podľa Vickersa a podľa Rocwella. Priemerná hodnota tvrdosti návaru bola 546 HV 0,5 a 50 HRC. Tvrdosť návaru OK 84.58, uvedená v technickom liste elektródy je 52 až 59 HRC. Namerané tvrdosti návaru sú uvedené v tab. 6.

Tab. 6 Hodnoty tvrdostí návaru OK 84.58
Tab. 6: Hodnoty tvrdostí návaru OK 84.58

 

Na základe grafov môžeme porovnať tvrdosť ZM a ZN s tvrdosťou povrchu dosiahnutom po navarení OK 84.58. Graf 1 charakterizuje priebeh tvrdostí meraných od ZM po zhrňovací nôž cez zvar, kde je zaujímavé pravdepodobné spevnenie v oblasti za TOO bližšie k zvaru. Keďže ide o radlicu, ktorá pracovala dlhodobo v prevádzke, spevnenie je pravdepodobne zapríčinené pôsobením síl od prostredia, v ktorom radlica pracovala. Spevnenie je vyššie na rozhraní zhrňovací nôž – zvar a blíži sa tvrdosťou k nameranej tvrdosti zhrňovacieho noža. Priemerná tvrdosť základného materiálu dosahuje tvrdosť 168 HV a tvrdosť zhrňovacieho noža 538 HV 0,5.

Graf 1 Tvrdosť meraná od ZM po zhrňovací nôž
Graf 1: Tvrdosť meraná od ZM po zhrňovací nôž (cez zvar)

 

Na grafe 2 vidíme priebeh tvrdostí meraných od ZM po návar OK 84.58. Môžeme vidieť mierny pokles tvrdosti medzi vzdialenosťami 4,5 mm až 12 mm. Môžeme konštatovať, že ide pravdepodobne o TOO. Od vzdialenosti 13,5 mm a vyššie môžeme pozorovať tvrdosť návaru OK 84.58. Priemerná tvrdosť tohto návaru dosahuje hodnotu 546 HV 0,5. Tvrdosť návaru OK 84.58 je väčšia ako tvrdosť zhrňovacieho noža, a teda môžeme predpokladať, že návar bude mať o niečo lepšie vlastnosti ako materiál pôvodného zhrňovacieho noža.

Graf 2 Tvrdosť meraná od ZM po návar OK 84.58
Graf 2: Tvrdosť meraná od ZM po návar OK 84.58

 

Ako je zrejmé z obr. 6, návar má martenzitickú štruktúru s obsahom jemných karbidov chrómu. Martenzitická štruktúra zabezpečuje tvrdosť a karbidy chrómu by mali zaručiť dobrú oteruvzdornosť [5], a teda je tu predpoklad na dobrú odolnosť voči abrazívnemu opotrebeniu. Ako uvádza autor Adamka J., práve martenzitická štruktúra vykazuje veľmi dobrú odolnosť voči abrazívnemu opotrebeniu. Tomuto opotrebeniu sú cestné radlice v procese svojej práce najviac vystavené. Autori Brziak P. a kol. uvádzajú, že martenziticko-karbidická štruktúra, ktorú sme získali návarom OK 84.58 je vhodnejšia pre podmienky nízkonapäťovej abrázie sprevádzanou rázmi. Návarom OK 84.58 sme získali podobnú štruktúru ako bola štruktúra pôvodného zhrňovacieho noža. Avšak na pôvodnom zhrňovacom noži vidíme deformácie, ktoré vznikli vplyvom pôsobenia pracovného prostredia (obr. 3).

Záver
Radlice sú vystavené pri svojej činnosti vysokému opotrebeniu, a to hlavne abrazívnemu a ich výmena je pomerne ekonomicky náročná, preto je potrebné hľadať možnosti zvyšovania ich životnosti. Jednou takouto možnosťou je naváranie materiálu, ktorý má iné vlastnosti ako sú vlastnosti pôvodného materiálu. Naváraním môžeme získať povrch, ktorý by mohol lepšie odolávať vplyvom pracovného prostredia. Vhodnou voľbou návarovej elektródy môžeme dosiahnuť efektívne zvýšenie životnosti cestnej radlice, či už z technického alebo ekonomického hľadiska.

TEXT/FOTO Monika Vargová, Miroslava Ťavodová, Fakulta techniky, Technická univerzita vo Zvolene
Odborný príspevok recenzovali: Ing. Pavol Radič, PhD.; Výskumný ústav zváračský Bratislava, Doc. Ing. Harold Mäsiar, CSc.; Trenčianska univerzita A. Dubčeka v Trenčíne

Poďakovanie
„Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-16-0194“.

Literatúra
[1] SMREČEK, R. - SEDLIAK, P.: Lesná cestná sieť a účelové objekty – mapovanie a tvorba databázy. Proceedings of Symposium GIS Ostrava 2012: Současné výzvy geoinformatiky. Technical University of Ostrava, 2012
[2] ŤAVODOVÁ, M. - KALINCOVÁ, D. - KOTUS M.: Možnosti zvyšovania odolnosti voči opotrebeniu funkčných plôch mulčovacieho nástroja. In CD Zborník prednášok z 45. medzinárodnej konferencie ZVÁRANIE 2017: 08. - 10. november 2017: Tatranská Lomnica, Vysoké Tatry, Slovenská republika. pp. 116-123. ISBN 978-80-89296-21-7.
[3] ESAB [online]. [cit. 22-10-2020]. Dostupné na: https://www.esab-slovakia.sk/sk/sk/products/filler-metals/repair-and-maintenance/hardfacing-alloys/ok-weartrode-55-hd.cfm
[4] BRZIAK, P. a kol. autorov: Materiály a ich správanie sa pri zváraní. VÚZ, Bratislava. s. 216-235. ISBN 80-88734-10-X.
[5] FALAT, L. - DŽUPON, M. - ŤAVODOVÁ, M. - HNILICA, R. - ĽUPTÁČIKOVÁ, V. - ČIRIPOVÁ, L. - HOMOLOVÁ, V. - ĎURIŠINOVÁ, K.: Microstructure and abrasive wear resistance of various alloy hardfacings for application on heavy-duty chipper tools in forestry shredding and mulching operations. In Materials. 2019. s. 2019. ISSN 1996-1944.
[6] KUČERA M. - RUSNÁK, J.: Štúdium tribologických vlastností materiálov nanesených na povrch vybranými technológiami navárania. Nitra: SPU. 2008. ISBN 978-80-552-0000-2.
[7] ADAMKA J.: Vplyv štruktúry na odolnosť návarov proti abrazívnemu opotrebovaniu. In TECHNOLÓGIA 1995 Bratislava: Slovenská technická univerzita, 1995, s. 396-399. ISBN 80-227-0782-1.