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].


Samozrejme, dôležitý je výsledný efekt, a to dosiahnuté vlastností danej vrstvy ako sú tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu[4,5]. Jednou z technológií, ktoré sa dajú využiť na zlepšenie mechanických vlastností povrchových vrstiev ocelí, je aj pretavovanie povrchu s využitím oblúkového procesu. Táto technológia umožňuje sproduktívniť proces tvorby vrstiev, ekonomicky ho zvýhodniť napríklad pred chemicko-tepelným spracovaním [6,7]. V porovnaní s touto technológiou dokáže vytvoriť vrstvy väčších hrúbok a porovnateľnej tvrdosti.

Materiál a metódy
Na vykonanie jednotlivých experimentov sme použili oceľ 41CrAlMo7-10 (STN 41 5340). Je to stredne legovaná ušľachtilá chróm – molybdén – hliníková oceľ určená na nitridovanie.

tab1

Na tvorbu oteruvzdorných vrstiev boli použité prášky na báze dusíka a bóru, ktoré sú obsiahnuté v nasledujúcich zmesiach:
1. Nitridačný prášok od firmy AZ Prokal, s. r. o., Brno.
2. Boridovací prášok B4C.
3. Boridovací prášok Durborid G od firmy AZ Prokal, s. r. o., Brno.

Na každé meranie boli pripravené tri vzorky. Na pripravené vzorky bol nanesený príslušný prášok a ten pomocou elektrického oblúka metódou TIG pretavený. Pri pretavovaní sme použili zvárací prúd I = 110 A a prietok plynu 12 l.min-1. Vzorky boli pretavené po celej ploche ručne s využitím ochranného plynu Ar.

Tvrdosť bola meraná pomocou tvrdomera HPO 250/AQ metódou Vickers. Zariadenie sme nastavili na meranie tvrdosti pri sile 98,1 N, čo zodpovedá meraniu HV 10. Na experimentovanie bolo použité laboratórne zariadenie na skúšanie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu podľa STN 01 5084 – Stanovenie odolnosti kovových materiálov proti abrazívnemu opotrebeniu na brúsnom plátne.
Pomerná odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu (ψabr) je základným kritériom pre hodnotenie materiálov v laboratórnych podmienkach. Pred samotným experimentom a po experimente bola zisťovaná hmotnosť porovnávacieho etalónu a skúšaných telies. Hodnoty pomerného opotrebenia materiálu vzhľadom na etalón pri abrazívnom opotrebení boli vypočítané podľa vzťahu:

rov1

kde:
ψabr = pomerná odolnosť proti opotrebeniu (–),
Wopz = priemerný objemový úbytok porovnávacích skúšobných telies (mm3),
Woz = priemerný objemový úbytok skúšobných telies (mm3),
Whpz = priemerný hmotnostný úbytok porovnávacích skúšobných telies (g),
Wpz = priemerný hmotnostný úbytok skúšobných telies (g),
ρpz = merná hmotnosť porovnávacieho materiálu (g.cm-3),
ρz = merná hmotnosť skúšaného materiálu (g.cm-3).

V grafickej podobe boli spracované závislosti pomernej odolnosti proti opotrebeniu od pretavovacieho prostredia pre skúmaný základný materiál, ako aj vplyv jednotlivých chemických prvkov na zvýšenie tvrdosti a odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu.

Výsledky
Výsledky meraní tvrdosti a odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu sme spracovali do nasledovných grafov a tabuliek.

tab2

V tab. 2 sú namerané hodnoty tvrdosti HV 10 na základnom materiáli 15 340 v prírodnom stave.

tab3

Ako prvá bola pretavená vzorka v argóne. Táto vzorka bola robená z dôvodu zistenia vplyvu teploty na vlastnosti ocele, nakoľko ide o legovanú oceľ a už samotný tepelný zásah môže značne zmeniť mechanické vlastnosti materiálu. Po nej boli vzorky ocele pretavené v jednotlivých prostrediach a spracované na meranie tvrdosti. Na každej vzorke bolo robených 5 meraní tvrdosti HV 10 tesne pod povrchom pretavenej vrstvy. Namerané hodnoty tvrdosti sú uvedené v tab. 3 a 4 a spracované na obr. 1.

tab4

Na obr. 1 vidieť vplyv jednotlivých prostredí v pretavenej vrstve na zmenu tvrdosti povrchových vrstiev. Tvrdosť vo vrstve nasýtenej dusíkom dosiahla v porovnaní so vzorkou pretavenou v Ar hodnotu vyššiu o 422 HV 10, čo predstavuje 88-percentný nárast tvrdosti.
Vzorka pretavená v argóne bola pri hodnotení tvrdosti braná ako etalón, pretože už samotné teplo vnesené do legovanej oceli 15 340 spôsobí zmenu tvrdosti, čo preukázali aj merania (tab. 4).
V porovnaní so vzorkami pretavenými v B4C a v Durborite vykázala vzorka č. 3 aj vyššie hodnoty, a to v rozmedzí 120 až 137 HV 10, čo bolo spôsobené tým, že tento materiál je prednostne určený na nitridovanie, čomu zodpovedá i jeho chemické zloženie.

Obr. 1 Tvrdosť HV 10 pre materiál 15 340 v závislosti od povrchovej vrstvy
obr1
1 – základný material,
2 – materiál pretavený v Ar,
3 – materiál pretavený v N,
4 – materiál pretavený v B4C,
5 – materiál pretavený v Durborite

 

Odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu bola hodnotená podľa vyššie uvedenej metodiky. Ako prvý bol hodnotený etalónový materiál 12 014.1 (tab. 5).

tab5

Po etalónovej vzorke boli skúšané ostatné pretavené vrstvy. Jednotlivé hodnoty hmotnostných úbytkov a vypočítaná odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu Ψabr. sú uvedené v tab. 6 a na obr. 2.
Pri hodnotení oteruvzdornosti na základe pomernej odolnosti proti opotrebeniu Ψabr. na obr. 2 vidieť, že najlepšie výsledky sme dosiahli pri vzorke č. 3 pretavenej v dusíku, kde Ψabr. dosiahlo hodnotu 1,8089, čo bolo zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu o 59 % v porovnaní s vrstvou vytvorenou v Ar. Vzorky pretavené v zmesiach bóru dosiahli podstatne nižšie hodnoty pomernej odolnosti proti opotrebeniu. Pri B4C to bolo 104 % a pri Durborite 113 % v porovnaní so vzorkou pretavenou v Ar predstavujúcou v tomto prípade 100 %.

tab6

Výsledky jednoznačne preukázali, že pre daný materiál 15 340 je najvhodnejšie využiť pretavovanie v zmesi obohatenej o dusík, kde nám tvrdosť dosiahla hodnoty 899 HV 10 a odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu Ψabr. = 1,8089. Vrstvy tvorené bórom dosiahli hodnoty na úrovni 597 až 614 HV 10 a odolnosť proti opotrebeniu dosiahla hodnoty od 1,1927 do 1,2904.

Obr. 2 Pomerná odolnosť proti opotrebeniu ocele triedy 15 340 v závislosti od použitého prostredia.
obr2
1 – základný materiál
2 – materiál pretavený v Ar
3 – materiál pretavený v N
4 – materiál pretavený v B4C
5 – materiál pretavený v Durborite

 

Záver
Jedným zo spôsobov dosiahnutia takýchto vrstiev je ich tvorba s využitím elektrického oblúka chráneného inertným plynom. Ten je využitý na vnesenie potrebného tepla do oblasti pretavovania. V súčasnosti sa táto technológia nevyužíva vo veľkom rozsahu, nakoľko väčšina autorov rieši tento problém s využitím plazmového oblúka [8].
Spôsob difúzneho nasycovania povrchu ocelí s využitím elektrického oblúka prvkami, ktoré zlepšujú ich mechanické vlastnosti a aj odolnosť proti opotrebeniu je určený na tvorbu vrstiev v rozsahu hrúbky vrstvy rádovo v milimetroch. Preto je vhodná napríklad pre súčiastky pracujúce v abrazívnom prostredí[9,10,11]. Práve týmto problémom sme sa v príspevku zaoberali aj my. Riešili sme využitie tejto technológie na tvorbu oteruvzdorných vrstiev na oceli 15 340 s využitím práškov na báze dusíka a bóru. Boli to nitridačný prášok a boridovací prášok Durborid G od firmy AZ Prokal, s. r. o., Brno a boridovací prášok B4C.
Pretavovanie bolo realizované technológiou TIG s využitím ochranného plynu Ar. Hlavným cieľom bolo určiť vhodnosť danej technológie na odolnosť vytvorených vrstiev proti opotrebeniu v abrazívnych podmienkach. Z nameraných a vypočítaných hodnôt uvedených v jednotlivých tabuľkách a grafoch môžeme zhodnotiť vplyv pretavenia v rôznych prostrediach na zmenu mechanických vlastností a oteruvzdornosť jednotlivých vrstiev.

TEXT: Ivan KOVÁČ, Pavol KOVÁČ, Katedra kvality a strojárskych technológií TF SPU v Nitre
Recenzent / Reviewer: Ing. Ján Turis, PhD.

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

LITERATÚRA
1. KOTUS, M. - DRAHOŠ, Š.2010. Stanovenie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu v laboratórnych podmienkach, in: Proceedings of the Quality and Reliability of Technical Systems 2010, Slovak University of Agriculture in Nitra, Nitra, 2010, p. 347 - 350.
2. KOTUS, M. - ANDRÁSSYOVÁ, Z. - ŽITŇANSKÝ, J. - BUJNA, M. - ŽÚBOR, P. 2011. Surface welding of seedbed cultivator shares with a shielding gas. In Acta technologica agriculturae. ISSN 1335-2555. Nitra : Slovenská Poľnohospodárska Univerzita, 2011, roč. 14, č. 4, s. 110-112.
3. KOTUS, M. 2010. Stanovenie odolnosti prídavných materiálov pri vytvorení jednovrstvových návarov. In Technická diagnostika strojů a výrobních zařízení „DIAGO
2010“. Ostrava: Vysoká škola baňská – Technická univerzita, 2010. s.196-201. ISSN 1210-311X.
4. MIKUŠ, R. - ŠOŠKA, R. - ČAVOJSKÝ, P. 2017. Zvyšovanie kvality lemešov vytváraním dvojvrstiev: Plough shares quality increasing by application of double layers. In Bezpečnosť - kvalita - spoľahlivosť. Košice: Technická univerzita. (2017), s. 157-162. ISBN 978-80-553-3115-7.
5. ŠOŠKA, R. - ČIČO, P. - MIKUŠ, R. 2016. Working life of ploughshare renovated by hard facing. In MendelNet 2016. Brno: Mendelova univerzita. (2016), s. 928--932. ISBN 978-80-7509-363-9.
6. MIKUŠ, R. - ŠOŠKA, R. - MAĎAR, P. 2016. Prevádzkové skúšky lemešov s dvojvrstvou = Operational tests of double-layered plough shares. In: Kvalita, technológie, diagnostika v technických zborník vedeckých prác. 1. vyd. Nitra: Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2016, s. 137--144. ISBN 978-80-552-1506-8.
7. ŽITŇANSKÝ, J. – ŽARNOVSKÝ, J.2005. Renovačné procesy a vplyv rezných podmienok. In.: Kvalita a spoľahlivosť technických systémov: zborník z medzinárodnej vedeckej konferencie technických systémov počas konania 12. Medzinárodného strojárského veľtrhu v Nitre, Nitra, 25. – 26. Máj 2005. S. 184 – 187.
8. MAKISHI, T. - NAKATA, K. 2004. Surface hardening of nickel alloys by means of plazma nitriding, 2004.
9. ŽITŇANSKÝ, J. - KOTUS, M. - ŽARNOVSKÝ, J. - ANDRÁSSYOVÁ, Z. 2012. Effect of the category of machined materials and coolants on the cutting process. In Acta technologica agriculturae. ISSN 1335-2555. Nitra: Slovenská Poľnohospodárska Univerzita, 2012, roč. 15, č. 4, s. 102-105.
10. BERNÁT, R. - ZÁLEŠÁK, Z. - KOTUS, M. - BENEŠ, L. 2009. Sledovanie vlastností tvrdonávarových vrstiev po obrábaní. In TechMat ´09: Perspektivní technologie a materiály pro technické aplikace: sborník přednášek konference s mezinárodní účastí, Svitavy, 19. listopadu 2009. Pardubice: Univerzita Pardubice, 2009, s. 203--208. ISBN 978-80-7395-046-0.
11. HRABĚ, P. - CHOTĚBORSKÝ, R. - RUŽBARSKÝ, J. - ŽARNOVSKÝ, J. 2010. 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.