Tribotechnické listy

 

 

Abrazívní opotřebení kovových materiálů

Opotřebení strojů a strojních zařízení vede k postupné ztrátě požadované funkční způsobilosti a negativně ovlivňuje kvalitu i ekonomii výrobního procesu.

Opotřebení je nežádoucí změna povrchu nebo rozměrů tuhých těles, způsobená buď vzájemným působením funkčních povrchů, nebo funkčního povrchu a media. Projevuje se jako odstraňování nebo přemísťování částic hmoty z funkčního povrchu mechanickými účinky, případně doprovázenými i jinými vlivy (např. chemickými, elektrochemickými nebo elektrickými). Procesy opotřebení se rozdělují na 6 základních druhů: adhezívní, abrazívní, erozívní, kavitační, únavové a vibrační. V provozních podmínkách konkrétních strojů a zařízení je možné se setkat se situací, kdy působí současně více druhů opotřebení. Často též působí další degradační procesy, které mohou modifikovat dominantní mechanizmy opotřebení.
Při volbě materiálu pro strojní součásti se vychází z požadavku zajistit životnost stroje či strojního zařízení při minimálních výrobních a provozních nákladech. Přitom důležitými faktory jsou provozní mechanické a tepelné namáhání a charakter degradačních procesů, které působí na jejich povrchu. Základním předpokladem pro optimální volbu materiálů je proto znalost jejich chování v různých podmínkách provozu. Obvykle se věnuje velká pozornost namáhání vyvolanému působením statických a dynamických sil, protože při překročení meze pevnosti či meze únavy u důležitých součástí dochází k náhlé změně kvality - k lomu. Stroj či strojní zařízení dále již neplní svou funkci. Náhlá změna funkčních možností stroje vede k značným hospodářským ztrátám. Podstatně menší pozornost je při volbě materiálu věnována dalším degradačním procesům jako je opotřebení, které postupně mění rozměry a stav povrchu funkčních součástí.

Abrazívní opotřebení

Jedním z velmi intenzívních degradačních procesů je opotřebení materiálu účinkem tvrdých, převážně minerálních částic. Uvádí se, že přes 50 % všech případů opotřebení strojů a strojních zařízení je způsobováno abrazí. Abrazívní opotřebení, které vzniká při vzájemném silovém působení tvrdých, obvykle minerálních, částic a funkčního povrchu součásti. Přitom dochází k oddělování a přemísťování částeček materiálů. Tvrdé částice mohou být volné nebo určitým způsobem vázané (na př. v hornině, na brusném plátně). Druhý případ abrazívního opotřebení je vyvolán přítomností tvrdých částic mezi funkčními povrchy, které jsou v relativním pohybu. Vyskytuje se u kluzných dvojic, kde vnikají tvrdé nečistoty mezi nedostatečně utěsněné funkční povrchy. V procesu adhezívního opotřebení mohou též vznikat tvrdé částice otěru, které působí na jeden nebo oba kluzné povrchy abrazívně.
Toto rozdělení případů abrazívního opotřebení se obecně vžilo, i když se ukazuje, že procesy vzájemného působení abrazívních částic a opotřebovávaných materiálů jsou mnohem složitější. Je nezbytné do analýzy zahrnout charakter i časový průběh sil působících mezi částicemi abraziva a opotřebovávaným povrchem.
Změny na funkčním povrchu součástí vyvolané abrazívním působením částic jsou velmi různorodé, což je ovlivněno působícími materiálovými, konstrukčními i provozními faktory.
Nejjednodušší model pro abrazívní opotřebení plastických materiálů - kovů je případ dvou těles, kdy pevně vázané tvrdé částice nebo nerovnosti povrchu vnikají do povrchu a při relativním pohybu částic a měkčího opotřebovávaného povrchu kovu ho rýhují. Tento proces může a také nemusí vést oddělování třísek opotřebovávaného materiálu. Existují 2 extrémní případy.

Obr.1 Působení pevně vázaných abrazívních částic na opotřebovávaný povrch

V prvém případě dochází k plastické deformaci spojené s rýhováním povrchu, kdy se vytváří nárůstek před abrazívní částicí a materiál je kontinuálně vytlačován do boků a vytváří valy kolem rýhy. Teoreticky nedochází k přenosu materiálu, ani se nevytváří částice otěru a proto nedochází k otěru. Ve skutečnosti pravděpodobně bude otěr způsoben delaminačním mechanizmem po vyčerpání deformační schopnosti povrchových vrstev materiálu podle Suha.
V druhém případě je tvorba rýh spojena s odstraňováním materiálu z povrchu mikrořezáním. Extrémem v tomto případě je odstranění celého objemu materiálu rýhy ve formě třísky bez tvorby valů po stranách rýhy.
V reálných podmínkách na různých místech opotřebovávaného povrchu houževnatého materiálu může docházet k porušování jeho povrchových vrstev vysokocyklovým kontaktním únavovým procesem (abrazívní částice nevnikají do povrchu a způsobují pouze elastické deformace), nízkocyklovým kontaktním únavovým procesem (plastická deformace při vnikání abrazívních částic do povrchu) a rýhováním spolu s oddělováním částic opotřebovávaného materiálu. Při vysokých rychlostech relativního pohybu abrazívních částic vůči opotřebovávanému povrchu je nutné uvažovat i o dalších degradačních mechanizmech - tepelné ovlivnění materiálu (popouštění ocelí, měknutí polymerních materiálů), adsorbční porušování (reakce opotřebovávaného materiálu s povrchově aktivními látkami snižujícími povrchovou tvrdost) a tribochemické reakce opotřebovávaného materiálu s okolním prostředím. I když nastává plastická deformace během abrazívního opotřebení křehkých materiálů, křehký lom často určuje rychlost opotřebení. Podle Zum Gahra dokonce i při abrazívním opotřebení houževnatých materiálů může nastat porušování křehkým lomem a ovlivňovat tak tvorbu třísek a částic otěru. U houževnatých materiálů tato porucha nastane pravděpodobně těsně za abrazívní částicí, protože zde působí tahové napětí. Typ porušení při vnikání hrotu do povrchových vrstev křehkého materiálu závisí na působícím zatížení, na tvaru hrotu, na tom klouže-li hrot po povrchu nebo působí staticky a na okolním prostředí. Odstraňování materiálu abrazí u křehkých materiálů tedy dochází spíše křehkým lomem než plastickou deformací. Také při abrazívním opotřebení heterogenních materiálů, které obsahují houževnaté a křehké fáze může nastat porušování křehkým lomem. Převládající mechanizmus odstraňování materiálu bude záviset na vlastnostech jednotlivých fází a na jejich objemovém podílu.

Zjednodušený model abrazívního opotřebení kuželovou nerovností popsal Rabinowicz. Pro rovnováhu sil na obr. 2 platí vztah

F = pm r 2,
kde

pm - tvrdost povrchu (přesněji tlak potřebný k dosažení plasticity povrchových vrstev materiálu)

r - poloměr vtisku v úrovni původního povrchu

suchanek

Obr. 2 Zjednodušený model interakce abrazívní částice s opotřebovávaným povrchem podle Rabinowicze

Při pohybu kužele po dráze l se odstraní objem materiálu

Hodnota pm není konstantní, mění se s úhlem α.

Celkový objem odstraněného materiálu (tj. objemový otěr W0) je však výsledkem působení velkého množství abrazívních částic s různým úhlem α . Proto platí vztah

kde Kabr - průměrný tg všech abrazívních částic v daném případě. Podle Rabinowicze jsou obvykle hodnoty Kabr v mezích 2.10-1 ÷ 2.10-2.

Kragelskij prokázal, že deformace povrchu materiálu závisí především na poměru h/R, kde h - hloubka vniku nerovnosti tvrdého tělesa, R - poloměr vnikající nerovnosti.

Pružné deformace vznikají při h/R = 0,01 ÷ 0,0001, plastické deformace při h/R= 0,1 ÷ 0,2 a rýhování při h/R > 0,1 ÷ 0,2.

Obecně tedy platí, že otěr opotřebovávaného materiálu je úměrný přítlačné síle a délce dráhy, na které dochází k působení abraziva a nepřímo úměrný tvrdosti opotřebovávaného materiálu. Je-li tvrdost kovového materiálu Hm značně menší než tvrdost abraziva Ha , pak je odolnost proti abrazívnímu opotřebení malá. S růstem tvrdosti opotřebovávaného kovového materiálu roste odolnost proti opotřebení a dosahuje své maximální hodnoty v okamžiku, kdy platí vztah Ha = kHm. Hodnota koeficientu k se pohybuje podle Chruščova v rozmezí 1.3 - 1.7 a podle Tenenbauma v rozmezí 1.6 - 2.0.

Materiál

Tvrdost (HV)

Kovový materiál

Tvrdost (HV)

vápenec

110

železo Armco

90

sklo

500

žihané oceli

100 - 250

živec

600 - 750

perlitická ocel

230 - 350

křemen

900 - 1280

ocel pro valivá ložiska

700 - 950

WC

1900

nástrojové oceli

700 - 1000

korund

2000

cementovaná ocel

900

TiC

2450

nitridovaná ocel

900 - 1250

SiC

2500

WC+Co

1400 - 1800

Tab.1 Tvrdost některých minerálů, abraziv a kovových materiálů.

V praktickém nasazení strojů a strojních zařízení, kde se setkáváme s přírodními materiály, je obvykle nejtvrdší složkou SiO2 (1000 HV). Proto vysokou odolnost proti opotřebení budou mít materiály s tvrdostí 500 - 770 HV. Avšak naše laboratorní experimenty ukázaly, že ani oceli s vysokým podílem velmi tvrdých komplexních a speciálních karbidů nemají konstantní hodnoty poměrné odolnosti proti abrazívnímu opotřebení.
Intenzívní abrazívní otěr závisí výrazně na mineralogických vlastnostech abraziva. Významnou úlohu mají tvrdost, tvar jednotlivých zrn (makro- a mikrogeometrie), zrnitost, štěpitelnost a houževnatost.
U ocelí a litin závisí odolnost proti abrazívnímu opotřebení na pevnosti základní kovové hmoty a na obsahu karbidů, t.j. na obsahu uhlíku a dalších prvků ovlivňujících pevnost základní hmoty a tvorbu tvrdých strukturních složek. Podle chemického složení, tepelného zpracování a mikrostruktury mohou mít oceli a litiny velmi rozdílnou odolnost proti abrazívnímu opotřebení.

Opotřebovávaný materiál

Tvrdost

(HV)

Poměrná odolnost proti abrazívnímu opotřebení

ocel 12 014 (žíhaná) - ferit

95 - 105

1.0

ocel 12 020 (žíhaná) - ferit + perlit

152

1.2

ocel 12 050 (žíhaná) - ferit + perlit

195 - 205

1.32

ocel 19 152 (žíhaná na měkko) - perlit

167

1.19

ocel 12 050 (kalená) - martenzit

789

1.96

ocel 19152 (kalená) - martenzit

865

2.57

ocel 19 255 (kalená) - martenzit + cementit

750

1.89

ocel 19 436 (kalená) - martenzit + austenit + karbidy M7C3

876

3.85

ocel 42 2920 (aust. žíhaná) - austenit

260

1.59

bílá chromová litina Cr15Mo2 (kaleno) - martenzit + austenit + karbidy M7C3

67.1 HRC

4.01

nástřik K50

488 - 583

2.3

návar OTS 517

760

2.96

Tab. 2 Poměrné odolnosti proti abrazívnímu opotřebení vybraných ocelí a litin (zkoušeno na přístroji s brusným plátnem podle ČSN 01 5084)

Při výběru materiálu se musí zvážit celá řada faktorů, především to jsou hlediska výrobně-technická a provozně-ekonomická. Materiál použitý pro konkrétní součást musí zajistit dostatečnou životnost a pevnost a to i při nahodilém překročení provozních parametrů. Z daných materiálů se v praxi volí ten, který při dlouhodobém provozu dovoluje docílit nejnižší provozní náklady, nejmenší pracnost při údržbě nebo renovaci.

Případy málo intenzívního abrazívního opotřebení
Nejčastěji se jedná o abrazi sypkými materiály nebo málo pevnými částicemi při malých rychlostech pohybu. Obvyklé řešení je použití ocelových plechů nebo profilů bez tepelného zpracování. Zvýšit životnost lze použitím oceli s vyšší pevností (na př. plechy z oceli Hardox 500) nebo přechodem na materiál s vyšší odolností proti abrazívnímu opotřebení (na př. litiny nebo obklady z taveného čediče, korundu a pod.). Zcela nevhodné je použití austenitické manganové oceli, protože při málo intenzivním silovém účinku abrazívních částic nedochází k dostatečnému zpevnění povrchové vrstvy. Tyto oceli v podmínkách kluzné abraze nemají dostatečnou odolnost.

Případy středně intenzívního abrazívního opotřebení
Tento typ opotřebení je typický pro různé mlýny používané pro dezintegraci abrazívních materiálů, pro stroje pracující při těžbě, dopravě a zpracování zemin a různých stavebních či keramických materiálů. Vlivem silového působení mezi abrazivem a funkčními plochami součástí dochází obvykle k intenzívnímu zpevňování povrchové vrstvy materiálu a k růstu makropnutí. Snížení abrazívního opotřebení lze dosáhnout zvýšením pevnosti použitím vysokopevnostních ocelí nebo použitím heterogenních materiálů s vysokou pevností základní hmoty a tvrdými karbidy (otěruvzdorné bílé litiny, legované nástrojové oceli a pod.). Při silném rázovém namáhání vzrůstá nebezpečí porušování povrchových vrstev růstem vnitřních pnutí, zejména při rozpadu zbytkového austenitu v některých ocelích a litinách.

Případy velmi intenzívního abrazívního opotřebení.
Jde zejména o drcení tvrdých hmot a nerostných surovin, přičemž se dosahují na funkčních površích maximální silové účinky. S ohledem na požadovanou provozní bezpečnost se na výrobu rozměrných součástí drtičů a mlýnů používá nejčastěji velmi houževnatá manganová austenitická ocel a její modifikace. Tato ocel při velkém silovém zatížení zpevňuje do hloubky až několika mm v důsledku strukturních změn a dobře odolává opotřebení abrazívními materiály.
Některé případy intenzívní abraze při zpracování hornin a nerostných surovin se řeší nástrojovými ocelemi zušlechtěnými na velkou tvrdost, případně použitím vložek ze slinutých karbidů připájených na základní materiál o dostatečné pevnosti a houževnatosti (rotační dláta, vrtací korunky).

Použití speciálních vrstev pro podmínky abrazívního opotřebení

V případech, kdy v provozu nedochází k velkým rozměrovým změnám, se často s výhodou používají tvrdé návary nebo nástřiky na houževnatém a pevném materiálu. Použití chemicko-tepelného zpracování (nitridace, cementace, bórování) je efektivní v případech malého přípustného opotřebení. Tyto povrchové vrstvy jsou však křehké a pro není účelné je používat v případech abrazívního opotřebení kombinovaného s rázovým namáháním.


Prof.Ing. Jan Suchánek, CSc.

Späť

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd