Odolnost proti abrazivnímu opotřebení slitin neželezných kovů
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.
Na funkčním povrchu exponovaných součástí působí i další degradační procesy, které postupně zhoršují parametry strojů a strojních zařízení. Mezi tyto degradační procesy patří i abrazívní opotřebení vyvolané interakcí tvrdých, obvykle minerálních, částic s funkčním povrchem součástí. V extrémních případech vede intenzívní abrazívní opotřebení k velkým ztrátám při výpadku produkce vyvolaném nucenou odstávkou stroje či strojního zařízení, dále nezbytnými náklady na výrobu náhradních dílů či jejich renovaci a náklady na vlastní údržbu. Často se uvádí, že 50% případů opotřebení je způsobeno procesy abraze. Abrazivní opotřebení je charakterizováno oddělováním a přemísťováním částic materiálu při rýhování a řezání tvrdými částicemi. Tyto částice mohou být volné nebo určitým způsobem vázané.
V technické praxi je znám i druhý případ abrazivního opotřebení, kdy jsou tvrdé částice přítomny mezi dvěma funkčními povrchy, které jsou v relativním pohybu.
Uvedený případ je typický pro drcení a mletí hmot. Vyskytuje se však i 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.
Mechanizmy abrazívního porušování materiálů
Nejjednodušší model pro opotřebení kovů při abrazi je případ 2 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.
V prvém případě dochází k plastické deformaci spojené s rýhováním povrchu, kdy se vytváří nárůstek před abrazivní částicí a materiál je kontinuálně vytlačován do boků a vytváří valy kolem rýhy. V ideálním případě se nedochází k přenosu ani se nevytváří částice otěru a proto nedochází k otěru. V praxi pravděpodobně bude však otěr způsoben delaminačním mechanizmem po vyčerpání deformační schopnosti povrchových vrstev materiálu.
V druhém případě tvorba rýh je 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.
Při abrazivním opotřebení houževnatých materiálů může nastat porušování křehkým lomem a napomoci tak při tvorbě třísek a částic otěru. U houževnatých materiálů 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 jestli hrot klouže po povrchu nebo působí staticky a na okolním prostředí. Odstraňování materiálu abrazí u křehkých materiálů je spíše řízeno křehkým lomem než plastickou deformací. Také při abrazivním opotřebení heterogenních materiálů, které obsahují houževnaté a křehké fáze, může nastat lom. Převládající mechanizmus odstraňování materiálu bude záviset na vlastnostech jednotlivých fází a na jejich objemovém podílu.
Opotřebení povrchu materiálu probíhá především vyrýváním rýh a oddělováním částic ve formě třísek. O účinku abrazivních částic rozhoduje i jejich poloha. Pouze vhodně orientovaná abrazivní zrna oddělují částice materiálu.
Se zvětšováním zatížení resp. měrného tlaku téměř lineárně roste počet rýh na exponovaném povrchu, přičemž tento růst je charakteristický pro každý průměr abrazivních částic. Šířka rýh závisí na velikosti a tvaru abrazivní částice a nepřesahuje obvykle 10-20% jejího charakteristického rozměru. I při poměrně malých zatíženích dochází k plastické deformaci v oblasti kontaktu mezi abrazivem a opotřebovávaným povrchem. S růstem zatížení roste počet abrazivních částic, které se dostávají do kontaktu s opotřebovávaným povrchem.
Obecně 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 abrazivnímu opotřebení malá. S růstem tvrdosti opotřebovávaného kovového materiálu roste odolnost proti opotřebení a dosahuje maximální hodnoty v okamžiku, kdy platí vztah
Hodnota koeficientu k se pohybuje v rozmezí 1.3 - 1.7. Vlivy poměru tvrdostí abraziva a opotřebovávaného kovového materiálu na poměrnou odolnost proti abrazívnímu opotřebení (poměr objemových otěrů etalonového materiálu a zkoušeného materiálu) jsou znázorněny na obr. 1. 
Vysoké hodnoty poměrné odolnosti proti abrazívnímu opotřebení jsou dány použitým etalonem - cínoolověnou kompozicí.
Abrazívní opotřebení neželezných kovů
Nižší fyzikálně-mechanické vlastnosti neželezných kovů se projevují nižší odolností proti abrazivnímu opotřebení kovů a jejich slitin v porovnání s ocelemi a proto je jejich použití v podmínkách abrazivního opotřebení účelné jen v případech málo intenzivního porušování povrchů částicemi v kombinaci s dalšími speciálními požadavky (např. odolnost proti chemickému působení okolního prostředí a zpracovávaného materiálu).
Experimentální údaje ukazují, že odolnost proti abrazívnímu účinku částic většiny neželezných kovů je poměrně malá, avšak kompozitní materiály s kovovou matricí zpevněnou tvrdými disperzními částicemi jsou perspektivními materiály pro součásti pracující v podmínkách abraze.
Al a slitiny Al
Hliník a jeho slitiny mají většinou poměrně nízké mechanické hodnoty. Užívají se však pro jejich nízkou hustotu ( = 2698 kg/m3), příznivý poměr mezi pevností a hustotou a dobrou korozní odolnost. Nejrozšířenějšími slitinami hliníku jsou Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu a Al-Li-X. Ve většině případů mají tyto slitiny nízkou odolnost proti abrazívnímu opotřebení. Substituční zpevnění mírně zvyšuje odolnost proti abrazívnímu opotřebení slitiny 2024 Al. Povrchovými úpravami (např. tvrdým chromováním, elektrochemickými nebo autokatalyticky vyloučenými povlaky Ni-P s karbidy SiC) je však možné zvýšit odolnost proti abrazívnímu opotřebení slitin Al.
Experimentálně se potvrdil poznatek, že tvrdost neurčuje dostatečně odolnost proti abrazívnímu opotřebení. Na opotřebeném povrchu Al-Mg plechů v kontaktu s granulovaným materiálem (písek a štěrk) byly pozorovány různé typy morfologie opotřebeného povrchu - kontinuální a diskontinuální rýhy i plastické otisky. Na stejné dráze bylo pozorováno jak řezání s přemístěním materiálu, tak rýhování s intenzívní plastickou deformací. Na velkých rýhách SEM pozorování odhalilo přítomnost adhezívního opotřebení, které se projevuje delaminací a lomem materiálu. Měření průběhu mikrotvrdosti prokázalo, že tloušťka povrchové zpevněné vrstvy je asi 240 µm.
U slitiny Al-Si s různým obsahem Si tvrdost těchto slitin postupně rostla s obsahem Si do 37,8 %. Poměrná odolnost slitin Al-Si do 10 % je stejná jako u čistého Al. Při dalším růstu obsahu Si poměrná odolnost rostla a od 14 % Si se zvyšovala lineárně s obsahem Si (viz tab. 1).
Parametry zkoušky: přístroj s brusným plátnem Ch4-B, etalon - armko-železo (137 HV), abrazivo - SiC
Mg a slitin Mg
Hořčík a jeho slitiny jsou poměrně měkké. Lité i tvářené slitiny Mg se používají především pro příznivý poměr mezi pevností a hustotou. Lze je používat v omezeném rozsahu v případech kovového styku při dobrém mazání. Odolnost proti abrazivnímu opotřebení může být poněkud zlepšena vhodným tvrdým povlakem, zejména tvrdým chromováním. Niklové a anodizované povlaky se u slitin Mg používají spíše pro zlepšení odolnosti proti korozi.
Ti a slitiny Ti
Titan se v praxi používá především pro příznivý poměr mezi pevností a hustotou a vysokou korozní odolnost. Jen v omezeném měřítku se titan a jeho slitiny bez povrchové úpravy používají v tribologických aplikacích, protože mají malou odolnost proti abrazivnímu opotřebení.
U vybraných slitin titanu lze však odolnost proti opotřebení zvýšit difuzními procesy jako jsou oxidace, bórování, nitridace a cementace nebo povlakem tvrdého chrómu. Hlavní překážkou pro širší aplikaci titanových slitin je jejich vysoká cena v porovnání s ocelemi či se slitinami ostatních lehkých kovů.
Zn a slitiny Zn
Slitiny na bázi Zn jsou potenciální cenově i energeticky efektivní materiálový systém jako náhrada některých Fe a neželezných slitin v různých inženýrských aplikacích. Zpevnění částicemi SiC v kovové matrici zlepšuje odolnost proti abrazívnímu opotřebení za málo intenzívních podmínek. Např. kompozit - slitina Zn (Zn-37,5 Al-2,5 Cu-0,2 Mg) + 10 % SiC (60 - 100 m) odolává abrazívnímu opotřebení jemnými částicemi abraziva.
Částice SiC zajišťují malou řeznou hloubku při působení abrazívních částic. Při vážných podmínkách abrazívního opotřebení, jako jsou vysoká zatížení, větší řezné hloubky způsobují lom a částečné odstraňování částic výztuže (SiC). Kompozitní materiál má pak nižší otěruvzdornost než kovová matrice.
Cu a slitiny Cu
Poměrné odolnosti proti abrazívnímu opotřebení Cu a slitin Cu (Cu-Al, Cu-Ni, Cu-Sb, Cu-Sn, Cu-Zn, mosazí a bronzů) stanovené na přístroji s brusným plátnem jsou nižší než u armko-železa. Substituční zpevnění u slitin Cu-Al, Cu-Ni, Cu-Sn a Cu-Zn se projevuje jen malým růstem otěruvzdornosti v porovnání s čistou mědí.
Parametry zkoušky: přístroj s brusným plátnem Ch4-B, etalon - armko-železo (137 HV), abrazivo- SiC
Závěry
Teoretické i experimentální údaje o odolnosti proti abrazívnímu opotřebení slitin neželezných kovů ukazují, že jejich otěruvzdornost v porovnání s ocelemi je poměrně nízká. Legováním prvky, které vytváří se základním kovem tuhé roztoky obvykle nepřináší zvýšení odolnosti proti abrazívnímu působení tvrdých částic. Zvýšit jejich otěruvzdornost lze však povrchovými úpravami - autokatalytickými a elektrochemicky vyloučenými kompozitními povlaky, tvrdým chromováním nebo termickými nástřiky. Perspektivní mohou být kompozitní materiály, které kombinují měkkou houževnatou matrici s tvrdými dispergovanými částicemi.
Prof. Ing. Jan Suchánek, Csc.;
Ing. Vladimír Kuklík, CSc., IWE
