Adhezívní opotřebení
S rozvojem techniky stoupají nároky nejen na technickou úroveň nových strojů a strojních zařízení, ale i na jejich spolehlivost a efektivnost. V řadě výrobních odvětví je základním předpokladem splnění požadovaných technických a ekonomických parametrů trvalý a bezporuchový provoz. Rozbory příčin poruch strojů a zařízení ukazují, že nejčastější příčinou je opotřebení důležitých funkčních částí.
Na odolnost proti opotřebení má vliv řada faktorů: konstrukční řešení, výrobní provedení stroje či součásti, podmínky provozu a v neposlední řadě i materiál a jeho tepelné či chemicko-tepelné zpracování. Všechny faktory je nutno posuzovat komplexně s přihlédnutím k jejich vzájemné vazbě. V řadě případů lze zvýšit životnost součástí a konstrukčních uzlů aplikací materiálů s vyšší odolností proti danému typu opotřebení, avšak tento postup nevede vždy k nejefektivnějšímu řešení. Možno jej docílit pouze komplexním přístupem.
V technické praxi je častým jevem adhezívní opotřebení, i když tento termín není zcela přesný protože v procesu opotřebení třecích dvojic působí kromě adhezívního mechanizmu i další mechanizmy poškozování povrchových vrstev materiálů. Proto se bude věnovat v článku pozornost různým mechanizmům opotřebení třecích dvojic, vlivu jednotlivých faktorů na intenzitu opotřebení a výběru materiálů pro třecí dvojice pracující v podmínkách adhezívního opotřebení.
Mechanizmy opotřebení třecích dvojic
Adhezívní opotřebení je způsobeno silnými adhezívními silami, které se vytvořily mezi materiály v kontaktu. Vzhledem k tomu, že styčné povrchy nejsou hladké, dochází ke kontaktům lokálně ve styku nerovností povrchů. Ve styku mikronerovností dochází k elastické a plastické deformaci. Elastická deformace vzniká v prvé fázi dotyku vrcholků nerovností. Dosáhne-li tlakové napětí v dotykové oblasti meze kluz v tlaku, dojde postupně k plastické deformaci povrchových vrstev materiálu s nižšími mechanickými vlastnostmi. Při tom se mohou porušit povrchové vrstvy a na plochách dotyku nerovností kontaktních povrchů se začnou vytvářet mikrospoje. Při relativním pohybu obou povrchů se mikrospoje porušují působením tangenciálních nebo normálných sil buď na původní ploše dotyku nebo pod povrchem jednoho z kontaktních materiálů, obvykle měkčího materiálu. V důsledku plastické mikrodeformace se totiž značně zpevní povrchové vrstvy materiálu a proto je jejich pevnost vyšší než podpovrchových vrstev. Při porušování mikrospojů dochází k prudkému zvýšení lokální teploty. Tím se zvýší difuze a může tak docházet k přenosu měkčího materiálu na povrch tvrdšího kovu. Přenesený materiál vytváří postupně tenký, obvykle nespojitý povlak zpevněného materiálu na povrchu tvrdšího člena třecí dvojice. Některé přenesené částice se mohou přenést zpět na měkčí materiál. Důležitým předpokladem pro přenos materiálu je porušení oxidických nebo chemickou reakcí vzniklých povrchových vrstev. Vzniklý adhezívní otěr může být relativně mírný, pokud se prakticky netvoří částice otěru. Při intenzívním přenosu materiálu a zpětném přenosu částic materiálu může docházet k intenzívnímu poškozování třecích povrchů a tvorbě částic otěru. Adhezívní teorie tření a opotřebení považuje za primární tvorbu mikrospojů působením adhezívních sil a v menší míře uvažuje s rýhovacím účinkem nerovností. Molekulárně-mechanická teorie tření a opotřebení bere do úvahy působení makro i mikronerovností povrchů. Celkem rozlišuje 5 různých typů porušování ve styku nerovností dotykových povrchů ve styku nerovností dotykových povrchů, které se liší stupněm deformace v jeho okolí. Při elastické deformaci v oblasti styků nerovností dochází k porušování vysokocyklovou kontaktní únavou povrchových vrstev, která se projevuje nízkou rychlostí opotřebení. Při plastické deformaci je opotřebení vyvoláno nízkocyklovou únavou exponovaných povrchových vrstev. K rýhování materiálu dochází k značnému poškozování stykových povrchů vytrháváním materiálu s vysokou rychlostí opotřebení. Povrchové porušování slabých meziatomárních mikrospojů vzniká v okamžiku, kdy jejich pevnost je mnohem nižší než pevnosti základních materiálů. Tento případ je možný pouze při kladném gradientu mechanických vlastností v povrchových vrstvách obou třecích materiálů. Intenzita opotřebení je velmi malá. Hloubkové porušování pevných adhezívních mikrospojů je provázeno vytrháváním částic z povrchu základního materiálu, přenosem materiálu a intenzívní tvorbou částic otěru. Intenzita opotřebení je obdobně jako v případě rýhování velká a proto doba spolehlivé funkce třecího uzlu bude krátká.
Delaminační opotřebení je způsobeno mikrotrhlinami, které se vytváří pod povrchem a postupně se šíří až se spojí s dalšími trhlinami a pak dojde k oddělení částice otěru. Tvorba a šíření mikrotrhlin jsou způsobeny podpovrchovým deformačním gradientem vyvolaným zatížením kontaktu a jsou podporovány únavou povrchových vrstev nebo vadami materiálu. V důsledku těchto procesů nastane podpovrchová deformace kovového materiálu a postupné odstraňování částic otěru ve formě lístků nebo vrstevnatých útvarů. Struktura částic otěru proto je obdobná jako struktura podpovrchových vrstev, z kterých vzniká. Částice otěru, které vznikají při delaminačním opotřebení, se mohou stát částí přeneseného povlaku a jsou zpevněny stejným způsobem jako částice přenesené adhezívním opotřebením.
Vlivy některých faktorů na intenzitu adhezívního opotřebení
Proces opotřebení je ovlivňován řadou působících faktorů. Nejdůležitějšími jsou zatížení, kluzná rychlost, materiály třecí dvojice a jejich fyzikálně-mechanické i chemické charakteristiky, okolní prostředí, mazivo, systém mazání, velikost stykových povrchů, způsob výroby jednotlivých členů třecí dvojice a doba jejich funkce. Detailní zhodnocení vlivu všech zmíněných faktorů na proces adhezívního opotřebení přesahuje rámec tohoto článku a proto budou stručně zhodnoceny vlivy jen některých důležitých faktorů. Zatížení může působit v jednom směru nebo v různých směrech, může být stálé nebo přerušované. Ovlivňuje podstatně procesy tření a odolnost proti adhezívnímu opotřebení a tím i rychlost opotřebení. Obecně platí, že velikost opotřebení je přímo úměrná působícímu zatížení, pokud se nemění v procesu opotřebení stav stykových povrchů, což souvisí s působícími mechanizmy opotřebení. Malá intenzita opotřebení se může o několik řádů zvýšit po překročení kritické hodnoty zatížení. Současně vzroste i drsnost stykových povrchů a mění se charakter částic otěru. Místo malých převážně oxidických částic se při intenzívním opotřebení tvoří větší nezoxidované částice. Mezi velikostí opotřebení W a zatížením F platí vztah (pokud se nemění dominantní mechanizmus opotřebení)
W=Kx(F/A)n, kde
K - součinitel úměrnosti, který se mění s charakterem procesu opotřebení; F - zatížení; A - nominální plocha dotyku; n - exponent, větší než 1.
Kluzná rychlost výrazně ovlivňuje tepelný režim v oblasti stykových ploch. Při tření stykových povrchů dochází k přeměně mechanické energie na tepelnou energii. Vlivem plastické deformace povrchových vrstev a tvorby mikrospojů i jejich následného porušování se dosahují v povrchových vrstvách teploty, které se mohou blížit teplotě tavení kovu s nižší teplotou tavení. Při těchto teplotách dochází snadno k chemickým reakcím tepelně a mechanicky aktivovaných povrchových vrstev s okolním prostředím a s mazivem, které mohou podstatně ovlivnit proces opotřebení. V některých případech přítomnost produktů chemických reakcí působí na proces opotřebení příznivě. Např. oxidický povlak α-Fe2O3 u oceli působí jako ochranná vrstva i jako mazivo. V jiných případech produkty chemických reakcí mohou zvětšovat intenzitu opotřebení. Např. tvrdé oxidy některých kovů mohou působit na stykových površích abrazívně a tím měnit dominantní mechanizmus opotřebení. Při vysokých teplotách se také mění mechanické vlastnosti povrchových vrstev, což se projeví změnou velikosti skutečné dotykové plochy a také změnou intenzity procesu opotřebení. Vysoké teploty v oblasti kontaktu mohou způsobit i degradaci maziva, což ovlivní jeho mazivost.
Tab. 1 Dvojice kovů s dobrou odolností proti intenzívnímu adhezívnímu opotřebení
Tepelný režim ve styku dvou relativně se pohybujících povrchů je tedy funkcí řady faktorů, z nichž největší vliv mají kluzná rychlost, teplota okolního prostředí, součinitel vzájemného překrytí (poměr stykových ploch členů třecí dvojice), velikost stykových ploch a tepelné vodivosti materiálů třecí dvojice. Otázka vlivu kombinace použité dvojice materiálů a jejich fyzikálně-mechanických i chemických vlastností je velmi komplikovaná. Na odolnost proti adhezívnímu opotřebení u dvojice kovových materiálů má při tření bez maziva jejich vzájemná rozpustnost v tuhém stavu. Malé opotřebení třecí dvojice z různých kovů se docílí u kovů vzájemně nerozpustných nebo pokud jeden z kovů je ze skupiny B podle periodické soustavy prvků. U kovů navzájem nerozpustných je zmenšeno nebezpečí difuze v oblasti mikrospoje, což by podstatně ovlivnilo jeho pevnostní vlastnosti.
Dalším důležitým faktorem je krystalová struktura. Intenzita opotřebení je u kovů a slitin kovů s kubickou plošně středěnou krystalovou mřížkou až 100× vyšší než u kovů s hexagonální mřížkou. Austenitické oceli mají proto velmi špatné tribologické vlastnosti při tření bez maziva a pro jejich zlepšení je nutná povrchová úprava (chemicko-tepelné zpracování nebo nanesení povlaku s dobrými tribologickými vlastnostmi). Z fyzikálně-mecha-nických vlastností mají důležitou roli tvrdost a mez kluzu v tlaku. S rostoucí tvrdostí klesá intenzita opotřebení, avšak vliv tvrdosti je mnohem menší pokud dochází současně ke změně mikrostruktury a chemického složení. Vliv mikrostruktury na proces opotřebení třecích dvojic není jednoznačný. Obvykle oceli s martenzitickou strukturou se méně opotřebovávají než perlitické oceli. U perlitických ocelí je pak z hlediska opotřebení příznivější lamelární perlit než globulární perlit. V procesu opotřebení, zejména při tření bez maziva, v povrchových vrstvách dochází k strukturním změnám, které jsou vyvolány rychlým ohřevem na vysoké teploty a rychlým ochlazováním. Např. u ocelí může vznikat v povrchových vrstvách při vysokých kluzných rychlostech martenzit, který zmenšuje rozsah porušování stykových povrchů při malých zatíženích. Při velkých zatížení působí naopak nepříznivě.
V procesu výroby součástí vzniká na jejich povrchu charakteristický makro i mikroreliéf a zbytková pnutí. Tyto faktory ovlivňují proces opotřebení v počátečních fázích - při záběhu. Pro každý druh a stádium procesu opotřebení existuje optimální mikrorelief povrchu, který se vytváří ve fázi záběhu, nezávisle na původním povrchu získaném při obrábění. Pro zkrácení doby záběhu je účelné volit optimální drsnost povrchu, protože se jinak prodlouží doba záběhu a zvýší se celkové opotřebení. Obvykle se volí nižší drsnost tvrdšího povrchu, aby se zabránilo rýhovaní měkčího materiálu protikusu. Mazivo odděluje stykové povrchy, odstraňuje lokální maxima napětí ve styku nerovností, působí jako ochrana před vlivy okolního prostředí a odvádí teplo z oblasti kontaktu. Z hlediska opotřebení třecích dvojic je optimální hydrostatické nebo hydrodynamické mazání, kdy jsou povrchy odděleny dostatečnou vrstvou maziva. U hydrodynamického mazání tloušťka vrstvy maziva závisí na viskozitě, kluzné rychlosti a zatížení. Při mezním mazání jsou stykové povrchy odděleny vrstvou maziva molekulární tloušťky. Přítomností maziva se zmenšuje celková dotyková plocha ve styku nerovností a proto je přenos materiálu i celkový otěr značně menší než při tření bez maziva. Není-li mazání třecích ploch v důsledku provozních podmínek dostatečné, poruší se mezná mazací vrstva a in-tenzita procesu opotřebení výrazně vzroste.
Při normálních provozních podmínkách průběh procesu adhezívního opotřebení má 3 stadia:
- záběh, kdy dochází k odstraňování povrchových nerovností na funkčních površích a postupně se vytváří jejich optimální mikroreliéf. Intenzita opotřebení v průběhu záběhu klesá.
- ustálený proces opotřebení povrchů, kdy intenzita opotřebení se v průběhu provozu nemění a její hodnota je dána parametry procesu opotřebení (zatížení, kluzná rychlost, objemová teplota apod.)
- progresivní rozvoj procesu opotřebení, kdy růst intenzity opotřebení vede k poruše nebo nemožnosti třecího uzlu plnit požadovanou činnost.
S růstem parametrů jako jsou provozní teplota, zatížení, kluzná rychlost se fáze ustáleného procesu opotřebení zkracuje a v extrémních případech záběh přechází do fáze progresivního rozvoje opotřebení.
Volba dvojic materiálů pro práci v podmínkách adhezívního opotřebení
Výběr dvojice materiálů, který by zabezpečil uspokojivou funkci konstrukčního uzlu při proměnných provozních podmínkách, je obtížný problém pro každého konstruktéra. Současná úroveň poznatků v oblasti teorie adhezívního opotřebení totiž neumožňuje předvídat chování dvojice materiálů při tření bez maziva nebo při nedostatečném mazání pouze na podkladě jejich fyzikálně-mechanických a strukturních charakteristik. V obecné rovině pro dosažení dostatečné odolnosti proti adhezívnímu opotřebení při tření bez maziva jsou možné 2 základní přístupy:
1. Použít dva materiály s vysokou povrchovou tvrdostí.
2. Použít dva materiály s malou interakcí, např. kov-plast či keramika nebo dva vzájemně nerozpustné kovy.
Typickým příkladem prvého způsobu řešení je použití tvrdých návarů (např. stellitů) na těsnící plochy armatur. Důležitým požadavkem je vysoká přesnost a drsnost povrchu součástí ve stykové oblasti, což může výrazně zvýšit výrobní náklady (broušení a lapování funkčních ploch). Doporučuje se přitom volit dvojici materiálů lišící se chemickým složením nebo mikrostrukturou.
Mnohem častější je druhý způsob, kdy pro výrobně dražší součást se použije materiál s vyšší tvrdostí (např. hřídel z tepelně zpracované oceli, či z oceli s povrchovou úpravou zajišťující vysokou tvrdost povrchu) a druhý člen třecí dvojice je z materiálu s nižší povrchovou tvrdostí (např. kluzné ložisko z neželezných kovů či z plastu).
Při konkrétním návrhu materiálu třecí dvojice je třeba vzít v úvahu konstrukční řešení celého uložení a jeho provozní podmínky. Po důkladném zvážení všech působících vlivů je možné vybrat jednu dvojici materiálů nebo spíše skupinu dvojic materiálů, které splňují nejdůležitější kriteria a ověřit jejich chování laboratorními či provozními zkouškami.
Přehled materiálů používaných v podmínkách adhezívního opotřebení
Pro třecí dvojice se používají kovové materiály, plasty, kovokeramické a keramické materiály, grafit a elastomery.
Kovové materiály se používají nejčastěji. Hlavní podíl představují oceli, které se aplikují obvykle ve stavu po zušlechtění nebo po kalení a nízkém popuštění. Jejich opotřebení lze dále snížit vhodnou povrchovou úpravou - chemicko-tepelným zpracováním (cementace, nitridace, nitrocementace, karbonitridace, difuzní sírování), nanesením chemického a elektrochemického povlaku (např. tvrdé chromování), návary, nástřiky, povlaky CVD a PVD apod. Současná nabídka povrchových úprav zvyšujících odolnost ocelí proti opotřebení je rozsáhlá.
Volba oceli závisí na statickém a dynamickém namáhání dané součásti, na jejich rozměrech a tvaru. Zcela nevhodné z hlediska adhezívního opotřebení jsou austenitické manganové nebo chromniklové oceli.
Tab. 2 Poměrnýobjemový otěr vo vybraných třecích dvojic
Zkušební podmínky: tribometr HEF, v=1.37 m/s, L=50 km, prostředí - olej J4
Šedé litiny se často s úspěchem používají v podmínkách klidného chodu bez rázů, malého zatížení a malé kluzné rychlosti. Šedá litina je však citlivá na zvýšená lokální zatížení a na abrazívní částice z okolního prostředí a proto je nezbytné třecí uzly utěsnit nebo pravidelně promazávat plastickým mazivem. Obvykle se volí perlitické litiny s tvrdostí > 200 HB. U šedých litin s mikrostrukturou obsahující velký podíl feritu je nebezpečí intenzívního adhezívního opotřebení a proto jsou pro podmínky adhezívního opotřebení nevhodné.
Perlitická tvárná litina má většinou stejnou odolnost proti opotřebení jako šedá litina. Její předností je možnost zlepšit její fyzikálně-mechanické vlastnosti tepelným zpracováním.
V kombinaci s ocelí se používají různé homogenní a heterogenní slitiny neželezných kovů. Patří mezi ně cínové a olověné kompozice, cínové, cínoolověné, olověné a hliníkové bronzy, některé mosazi, červené kovy a vybrané slitiny hliníku.
Cínové a olověné kompozice se používají již dlouho pro výstelky kluzných ložisek. Jejich odolnost proti opotřebení výrazně roste při malých tloušťkách výstelky (< 0,1 mm), protože příznivě působí vyšší pevnost ocelového podkladu. Pro jejich funkci je důležité spolehlivé mazání funkčních povrchů.
Bronzy se rovněž tradičně používají v třecích dvojicích s ocelí. Jsou poměrně tvrdé a proto tvrdost ocelového čepu musí být minimálně o 100 HB vyšší. Předností cínových bronzů je jejich výborná korozní odolnost s porovnání olověnými bronzy. Mají však nižší odolnost proti adhezívnímu opotřebení. Pro vysoká zatížení se s úspěchem používají hliníkové bronzy. Hliník a většina jeho slitin má velmi špatné tribologické vlastnosti. Vyjímku představují hliníkové slitiny používané pro kluzná ložiska, které jsou odolné proti opotřebení v oblasti mezného mazání, mají vysokou mez únavy (důležité u dynamicky zatěžovaných ložisek), velkou odolnost proti korozi, velkou tepelnou vodivost, snadnou obrobitelnost a nízkou cenu. Důležitými požadavky při jejich aplikaci je kvalitní opracování povrchu pouzdra a ocelového čepu, tvrdost čepu min. 250 HB a spolehlivé mazání.
Vynikající odolnost proti adhezívnímu opotřebení při tření bez maziva mají některé slitiny na bázi Co, které obsahují Cr,W a Mo (stellity). Jejich předností je vysoká tvrdost a pevnost i při vysokých teplotách a proto se používají ve formě návarů na sedla armatur v parních elektrárnách a v chemickém průmyslu. Pro třecí dvojice lze použít široké spektrum plastů - polyamidy, polykarbonáty, polytetrafluoretylén, polypropylén, polyvinylacetát, epoxidové, formaldehydové, fenolické a polyesterové pryskyřice a polyuretany. Jejich tribologické vlastnosti je možné v řadě případů zlepšit přísadami plniv - minerálních částic, kovových prášků a vláken, uhlíkových vláken, pevných maziv apod. Třecí dvojice, u nichž jedna z komponent je vyrobena z plastu, mají však ve většině případů mnohem nižší maximální přípustnou kluznou rychlost a zatížení v porovnání s třecími dvojicemi na bázi kovových materiálů. Je to způsobeno podstatně nižší tepelnou vodivostí plastů v porovnání s kovy a nízkou teplotou jejich depolymerizace. Důležitým požadavkem pro zajištění dlouhodobé životnosti je také minimální drsnost povrchu protikusu. Z termoplastů se nejčastěji používají polyamidy a polytetrafluoretylén, které mají nízký koeficient tření a mohou pracovat i v podmínkách tření bez maziva. V současné době probíhá velmi intenzívní vývoj kompozitů s polymerní matricí, které mají velmi dobré tribologické vlastnosti.
Strojní díly a nástroje vyráběné z kovokeramických materiálů v řadě technických aplikací. Kluzné elementy se obvykle vyrábí z bronzových či železných prášků spékaných s řadou přísad, které zajišťují odolnost proti opotřebení. Tyto elementy obsahují určitý podíl pórů, které jsou zaplněny vhodným minerálním olejem. To umožňuje mezné mazání funkčních ploch při malých kluzných rychlostech a malých zatíženích bez rázů. Spékané kovové prášky s dalšími přísadami na bázi minerálních látek se používají jako kovokeramické materiály na brzdová a spojková obložení apod.
Mezi kovokeramické materiály lze též zařadit slinuté karbidy na bázi WC-Co, případně s dalšími karbidy. Slinuté karbidy se s úspěchem používají pro řezné a tvářecí nástroje. Keramické materiály na bázi oxidu hliníku, karbidu křemíku a nitridu křemíku jsou vhodné případy extrémního tepelného namáhání a intenzívního korozního působení. Mají vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení při tření bez maziva.
Prof. Ing. Jan Suchánek, CSc.
