Opotřebení materiálů
Životnost a spolehlivost strojů a strojních zařízení je kromě koroze ve značné míře ovlivněna procesy tření a opotřebení na funkčních površích. Opotřebení vede k postupné ztrátě požadované funkční způsobilosti stroje či strojního zařízení. Tribologickým procesům, které za normálních podmínek nevedou k bezprostřední havárii stroje, není však obvykle v technické praxi věnována taková pozornost jako procesům únavového porušování nebo creepu. Průzkumy však ukazují, že v 80% případů primární příčinou vyřazení strojů a strojních zařízení z provozu jsou procesy opotřebení.
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 lze rozdělit 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.
Podle dlouholetých zkušeností je opotřebení strojů a tím i jejich životnost ovlivněna 3 hlavními skupinami příčin:
- koncepcí a konstrukcí stroje nebo strojního zařízení, včetně volby materiálu,
- kvalitou výroby,
- zpracovávaným materiálem a podmínkami provozu stroje.
Lze odhadnout, že každá z vyjmenovaných skupin příčin se podílí na opotřebení strojů a strojních zařízení zhruba z 1/3, i když v jednotlivých případech se vyskytují výrazné odchylky, ovlivněné konkrétním zpracovávaným materiálem, provozem či jinou příčinou.
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. Na funkčním povrchu exponovaných součástí však působí kromě opotřebení i další degradační procesy, které postupně zhoršují parametry strojů a strojních zařízení. Četnost poruch a životnost strojů a strojních zařízení při provozním nasazení jsou závislé na celé řadě faktorů jako jsou konstrukční řešení, použité materiály důležitých součástí, kvalita výroby, působení zpracovávaného media a provozní podmínky.
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 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.
Důležité parametry při abrazívním opotřebení
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.
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.
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. U houževnatých materiálů tato porucha nastane pravděpodobně těsně za abrazívní částicí, protože zde působí tahové napětí. Odstraňování materiálu abrazí u křehkých materiálů 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. Souhrn teoretických i experimentálních údajů o odolnosti různých kovových i nekovových materiálů proti abrazívnímu opotřebení je zpracován v knize Suchánek, J. - Kuklík, V. - Zdravecká,E.: Abrazívní opotřebení materiálů, Praha, 2007
Prof.Ing. Jan Suchánek, CSc.
