SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V

NITRE

TECHNICKÁ FAKULTA2123447

NÁZOV FAKULTYNÁZOV VYSOKEJ ŠKOLY

VPLYV CHEMICKÉHO ZLOŽENIA TVRDONÁVAROV NA

ICH ODOLNOSŤ PROTI OPOTREBENIU

2011 Jozef Slávik, Bc.

SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V

NITRE

TECHNICKÁ FAKULTA

VPLYV CHEMICKÉHO ZLOŽENIA TVRDONÁVAROV NA

ICH ODOLNOSŤ PROTI OPOTREBENIU

Diplomová práca

Študijný program: Kvalita produkcie

Študijný odbor: 2386800 Kvalita produkcie

Školiace pracovisko: Katedra kvality a strojárskych technológií

Školiteľ: Rastislav Mikuš, Ing.

NITRA 2011 Jozef Slávik, Bc.

Čestné vyhlásenie

Dolu podpísaný Bc. Jozef Slávik týmto vyhlasujem, že som záverečnú prácu na

tému „Vplyv chemického zloženia tvrdonávarov na odolnosť proti opotrebeniu“

vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry.

Som si vedomý zákonných dôsledkov v prípade, ak uvedené údaje nie sú pravdivé.

V Nitre 29. apríla 2011

Bc. Jozef Slávik

Poďakovanie

Týmto by som sa chcel poďakovať pánovi Ing. Rastislavovi Mikušovi za

odborné vedenie, cenné rady a čas, ktorý mi venoval. V neposlednom rade patrí veľká

vďaka aj zástupcom jednotlivých spoločností, ktorí ochotne poskytli prídavné materiály

pre účely tejto diplomovej práce.

Abstrakt

Táto práca je zameraná na skúmanie vplyvu chemického zloženia vybraných

tvrdonávarových materiálov na báze Fe-Cr-C na ich odolnosť proti abrazívnemu

opotrebeniu. Dvojice na porovnanie vplyvu chemického zloženia boli vyberané

s dôrazom na ich výrazne rozdielne chemické zloženie vo vybranom legujúcom prvku.

Bol skúmaný vplyv chrómu, nióbu, vanádu a bóru. Materiály boli skúšané na odolnosť

proti abrazívnemu opotrebeniu na brúsnom plátne. Najvýraznejší vplyv na zvýšenie

odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu majú hlavne bór (3 %), vanád (10 %) a niób

(4,5 %). Vplyv chrómu (9,8 %) na zvýšenie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu

bol nevýrazný.

Kľúčové slová: tvrdonávarové materiály, chemické zloženie, odolnosť proti

abrazívnemu opotrebeniu

Abstract

This work is focused on to study of chemical composition influences of selected

hardfacing materials on basis Fe-Cr-C on their abrasive wear resistance. Investigation

pairs of materials were selected with emphasis to marked differences in chemical

contents of selected chemical elements. Influences of chromium, niobium, vanadium

and boron were investigated. Materials were tested on device for tests of metal materials

against wear by abrasive cloth. The highest positive influences of boron (3 %),

vanadium (10 %) and niobium (4,5 %) on abrasive wear resistance increasing were

observed. Influences of chromium (9,8 %) on abrasive wear resistance increasing were

marginal.

Key words: hardfacing materials, chemical composition, abrasive wear resistance

Obsah Zoznam skratiek a značiek.............................................................................................7

Úvod..................................................................................................................................8

1 Súčasný stav riešenej problematiky doma a v zahraničí.......................................9

1.1 Abrazívne opotrebenie...........................................................................................9

1.2 Vplyv faktorov na proces abrazívneho opotrebenia.............................................14

1.2.1 Opotrebovávaný materiál.............................................................................15

1.2.2 Abrazivo.......................................................................................................20

1.2.3 Parametre dotyku..........................................................................................21

1.3 Druhy návarových materiálov..............................................................................22

3.3.1 Materiály typu martenzitickej ocele.............................................................22

3.3.2 Materiály typu austenitickej ocele................................................................23

3.3.3 Materiály ledeburitické.................................................................................25

3.3.4 Materiály neželezné......................................................................................25

3.3.5 Karbidy.........................................................................................................25

1.4 Spôsoby navárania...............................................................................................26

1.4.1 Naváranie plameňom....................................................................................27

3.4.2 Naváranie odtavujúcou sa elektródou...........................................................28

3.4.3 Naváranie neodtavujúcou sa elektródou.......................................................30

3.4.4 Naváranie aluminotermické..........................................................................32

3.4.5 Naváranie plazmou.......................................................................................32

3.4.6 Naváranie laserom........................................................................................33

2 Cieľ práce.................................................................................................................34

3 Metodika práce a metódy skúmania......................................................................35

3.1 Charakteristika skúšaných vzoriek a metodika ich výberu..................................35

3.2 Príprava vzoriek...................................................................................................36

3.3 Naváranie.............................................................................................................37

3.4 Meranie tvrdosti...................................................................................................38

3.5 Skúška podľa STN 015084..................................................................................40

3.6 Vyhodnotenie meraní...........................................................................................44

4 Výsledky práce.........................................................................................................45

4.1 Proces navárania...................................................................................................45

4.2 Vyhodnotenie skúšok tvrdosti..............................................................................46

4.3 Vyhodnotenie skúšky odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu podľa STN

015084......................................................................................................................49

5 Diskusia.....................................................................................................................54

6 Návrh na využitie výsledkov...................................................................................56

7 Záver.........................................................................................................................57

8 Zoznam použitej literatúry.....................................................................................59

9 Prílohy.......................................................................................................................61

Zoznam skratiek a značiek

SMAW - ručné oblúkové zváranie (Shielded Metal Arc Welding)

MOG - zváranie taviacou sa elektródou bez plynu (Metal Open Gas)

MAG - zváranie taviacou sa elektródou v aktívnom plyne (Metal Activ Gas)

ISO - medzinárodná organizácia pre normalizáciu (International

Organization of Standardization)

STN - slovenská technická norma

Značka Veličina Jednotka

HV tvrdosť podľa Vickersa -

HRC Tvrdosť podľa Rockwella (stupnica C) -

HVM Mikrotvrdosť podľa Vickersa -

T teplota °C

KT koeficient tvrdosti -

KIC lomová húževnatosť (kritický súčiniteľ intenzity napätia) -

U elektrické napätie V

I elektrický prúd I

t čas h

F sila N, kp

h hĺbka m

p tlak N.mm-2

S plocha m2

d priemer m

m hmotnosť kg

v rýchlosť m.s-1

Ψabr. pomerná odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu -

σ smerodajná odchýlka -

7

Úvod

Pri prevádzke dochádza k opotrebeniu, ktoré je vždy spojené s úbytkom

funkčnej plochy. Týmto dochádza k strate pôvodných tvarov a rozmerov, na ktoré boli

súčiastky pôvodne dimenzované a dochádza aj k strate schopnosti plniť požadované

funkcie, ktoré sú na ne kladené. Zníženie opotrebenia a obnovenie pôvodných rozmerov

a funkcií súčiastok má priaznivý vplyv na životnosť a v konečnom dôsledku znamená

materiálovú, finančnú a pracovnú úsporu v porovnaní so situáciou, keby sa nepoužila

technológia renovácie.

Na obnovenie funkčnosti súčiastok, teda na doplnenie opotrebeného materiálu

do pôvodných rozmerov a tvaru, sa používajú rôzne renovačné metódy. Jednou z týchto

renovačných metód je nanášanie tvrdonávarov na opotrebené funkčné plochy súčiastok.

Tým sa okrem obnovenia pôvodných tvarov a rozmerov súčiastok, dávajú súčiastkam

nové vlastnosti, často lepšie, ako mali pôvodne.

Aby bolo možné určiť vhodný materiál pre konkrétnu aplikáciu, je potrebné

poznať vlastnosti tohto materiálu, ktoré popisujú jeho správanie sa pri danom druhu

opotrebenia. Pretože prevládajúcim druhom opotrebenia pri aplikáciách tvrdých

povlakov je abrazívne opotrebenie, je potrebné zisťovať odolnosť tvrdonávarových

materiálov proti tomuto druhu opotrebenia. Zisťovanie odolnosti proti opotrebeniu

môžeme robiť buď v reálnych prevádzkových podmienkach, kde bude tvrdonávar

priamo aplikovaný na konkrétnu súčiastku a bude zabezpečovať odolnosť voči

opotrebeniu alebo formou laboratórnych skúšok, pri ktorých sa snažíme napodobniť

reálne prevádzkové podmienky, ktorým bude vystavená vrstva navareného materiálu.

Najdôležitejším atribútom ovplyvňujúcim výsledné vlastnosti materiálov je ich

chemické zloženie. Preto je Naša diplomová práca zameraná na skúmanie vplyvu

konkrétnych chemických prvkov tvrdonávarových materiálov na ich výsledné vlastnosti

po nanesení. Týmito výslednými vlastnosťami po nanesení budú tvrdosť na čele vzorky

a odolnosť voči opotrebeniu na viazanom abrazive (t. j. na brúsnom plátne) podľa

normy STN 015084.

8

1 Súčasný stav riešenej problematiky doma a v zahraničí

1.1 Abrazívne opotrebenie

K abrazívnemu opotrebovaniu povrchu dochádza ryhovaním a rezaním tvrdými

časticami alebo tvrdým a drsným povrchom druhého telesa, pri ich vzájomnom

relatívnom pohybe. Tieto častice môžu byť voľné alebo určitým spôsobom viazané.

Balla (1989) uvádza dve rozdielne formy prejavu abrazívnych procesov,

líšiacich sa charakterom vzájomného pôsobenia častíc a povrchu kovu:

1. s prevládajúcim mechanickým rozrušovaním,

2. s prevládajúcim mechanicko – chemickým rozrušovaním.

Podľa charakteru prostredia je možné aj pôsobenie chemických činiteľov, ktoré

narúšajú väzby v materiály hlavne na povrchu abrazívne opotrebovávaného materiálu.

Vplyvom týchto chemických činiteľov má abrazívne opotrebenie rýchlejší priebeh.

Vznik abrazívneho opotrebenia a jeho možné pôsobenia na základný materiál sú

znázornené na obr. 1 .

Obr. 1 Abrazívne opotrebenie (Kovaříková, Blaškovitš, 2007)

9

Kovaříková, Blaškovitš (2007) rozlišujú na základe vzájomných interakcií pri

abrazívnom opotrebení dva základné modely (obr. 2):

opotrebenie pri interakcii dvoch telies (častica a funkčný povrch), ktoré je

v praxi charakterizované napr. pri spracovaní pôdy alebo ťažbe surovín (obr. 2a),

opotrebenie pri interakcii troch telies (častica a dva funkčné povrchy), ktoré je

v praxi charakterizované rôznymi pohyblivými uloženiami, kde môže dôjsť

k vniknutiu nečistôt alebo pri drvení surovín (obr. 2b).

Obr. 2 Základné modely abrazívneho opotrebenia (Kovaříková, Blaškovitš, 2007)

a – interakcia dvoch telies, b – interakcia troch telies

Suchánek et al. (2007) uvádza, že pri abrazívnom opotrebení, kedy dochádza

k interakcii troch telies môže dôjsť k trom prípadom abrazívneho opotrebenia vplyvom

tvrdých abrazívnych častíc medzi funkčnou dvojicou:

1. Abrazívne častice prejdú priestorom medzi funkčnou dvojicou neporušené

a spôsobia opotrebenie povrchu vplyvom pôsobiaceho zaťaženia. Miera

opotrebenia stúpa lineárne s rastúcou hodnotou zaťaženia. Tento prípad nastáva

pri vysokej koncentrácii abrazívnych častíc s vysokou hodnotou pevnosti a pri

malom zaťažení.

2. Abrazívne častice sa porušia pri určitej hĺbke vniku do opotrebovávaného

materiálu. Porušovanie prebieha až do určitej medznej veľkosti, ktorá je daná

dynamickou rovnováhou zaťaženia a miestnych tlakov prenášaných časticami.

Vzdialenosť povrchov funkčnej dvojice je daná medznou veľkosťou

abrazívnych častíc. Lineárna závislosť opotrebenia na zaťažení sa mení na

mierne klesajúcu závislosť. Tento prípad nastáva pri stredných tlakoch a nízkej

10

koncentrácii abrazívnych častíc s malou pevnosťou (klzné dvojice a málo

zaťažené valivé dvojice).

3. Abrazívne častice sa porušujú, pokiaľ ich rozmery nedosiahnu súčet veľkostí

nerovností povrchu a hrúbky mazacej vrstvy. Potom prejdú oblasťou kontaktu

funkčnej dvojice. Vzdialenosť povrchov funkčnej dvojice je daná hrúbkou

mazacej vrstvy, ktorá závisí od podmienok hydrodynamického

a elastohydrodynamického mazania. Hĺbka vniknutia a veľkosť opotrebenia

závisí od pevnostných charakteristík abraziva a nezávisí na zaťažení. Tento

prípad je typický pre vysoké kontaktné tlaky pri valení a pri valení, kedy

dochádza k preklzu (valivé ložiská, zaťažené ozubené prevody).

Pri nízkych zaťaženiach je opotrebený povrch tvorený hlavne krátermi

(mikropitting), ktoré sa môžu tvoriť pri odvaľovaní abrazívnych častíc pri opotrebení

v dôsledku interakcie troch telies, kedy dochádza k plastickému deformačnému oteru.

Z rastom zaťaženia je povrch tvorený viac ryhami, ktoré sa môžu tvoriť hlavne pri

klznom pohybe abrazívnych častíc pri opotrebení v dôsledku interakcie troch telies.

Na to, či dôjde k mikropittingu alebo k mikrorezaniu má vplyv aj tvrdosť

opotrebovávaného materiálu a abrazívnych častíc. Pri nižšej tvrdosti je opotrebenie

tvorené najmä mikropittingom. Veľmi intenzívny oter môže nastať, aj keď napríklad

jeden povrch z dvojice opotrebovávaných povrchov je oveľa mäkší ako druhý. Vtedy

dôjde k zakotveniu abrazívnych častíc v mäkšom povrchu a tieto častice potom ryhujú

tvrdší povrch z dvojice funkčných plôch. Abrazívne častice pôsobia na opotrebovávaný

povrch tromi rôznymi spôsobmi: vytváraním nárastku pred abrazívnym zrnom,

ryhovaním a vytváraním valu pozdĺž ryhy a vytváraním triesky pred reznou hranou

abrazívneho zrna (Suchánek et al., 2007).

Balla (1989) uvádza, že najdôležitejšie z charakteristík procesu opotrebenia sú

podmienky, pri ktorých opotrebenie prebehlo. Tieto podmienky sú potrebné pre proces

analyzovania opotrebenia. Patria sem najmä vlastnosti abraziva, spôsob väzby abraziva,

sila, ktorou pôsobí abrazivo na opotrebovávaný povrch, relatívna rýchlosť pohybu,

dĺžka dráhy a v neposlednej rade aj chemická agresivita prostredia. Schopnosť abraziva

narúšať materiál závisí nielen od jeho tvrdosti, ale aj od geometrie jednotlivých zŕn

abrazívneho materiálu. Veľmi významný je aj vplyv veľkosti abrazívnych častíc,

pretože pri väčších rozmeroch častíc sa abrazívne opotrebenie zväčšuje. Najvyššia

11

odolnosť sa získava pri austeniticko-karbidickej štruktúre opotrebovávaného materiálu.

Pri legovaní je treba uvažovať nie o absolútnom obsahu legujúceho prvku, ale o pomere

k uhlíku, ktorý charakterizuje jeho rozdelenie medzi fázami. Pri pomere Cr/C od 1,8 do

5 a W/C od 0,4 do 1,6 je daný pomer neúčelný vzhľadom k tomu, že nedochádza k

zvyšovaniu odolnosti materiálu proti abrazívnemu opotrebeniu (odolnosť proti

opotrebeniu sa prejavuje len málo). Neúčelný je aj pomer V/C väčší ako 1. Okrem typu

karbidov vytvorených legúrami je potrebné zohľadniť aj ich množstvo a veľkosť.

Väčším množstvom karbidov rastie aj odolnosť proti opotrebeniu, ale len do určitého

množstva, ktoré je pre rôzne materiály rôzne. Čo sa týka veľkosti karbidov, tak ich

nadmerná veľkosť má za následok, že sa pri abrazívnom opotrebovávaní ľahšie

porušujú a vylamujú zo základnej matrice opotrebovávaného materiálu.

Blaškovič et al. (1990) uvádza, že je potrebné rozlíšiť dve štádiá pri abrazívnom

opotrebení. Prvým je štádium, kedy dochádza k vtláčaniu abraziva do

opotrebovávaného povrchu, pri ktorom je limitujúcim faktorom vnikacia tvrdosť.

Druhým je štádium rozrušovania povrchu, kde sú rozhodujúcimi faktormi sily

medziatómovej väzby a pevnosť spojenia medzi štruktúrnymi zložkami navzájom na

hraniciach zŕn. Vysoký stupeň legovania nie je zaručujúcim faktorom pre dobrú

odolnosť proti opotrebeniu. Preto je dôležité pre zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu

okrem legovania uvažovať aj o optimálnom štruktúrnom stave opotrebovávaného

materiálu. Je to najmä z dôvodu, že parametre mriežok karbidov a austenitu sú bližšie,

ako je to u iných štruktúrnych zložiek (napr. martenziticko – karbidická štruktúra). Pri

austeniticko – karbidickej štruktúre je vyššia aj pevnosť hraníc austenit – karbid, čo má

za následok, že abrazívne zrno ťažšie vylupuje karbid z matrice. Výrazný vplyv má aj

vzťah medzi tvrdosťou abrazívneho povrchu alebo častíc a tvrdosťou opotrebovávaného

povrchu.

12

Pri koeficiente tvrdosti KT vyššom ako 0,5 až 0,6 je pomerne prudký vzrast odolnosti

proti opotrebeniu (obr. 3).

KT=HH a

(1)

Kde: H – tvrdosť opotrebovávaného materiálu

Ha – tvrdosť abraziva

Obr. 3 Vzťah medzi pomerom tvrdosti opotrebovávaného kovu (H), abraziva (Ha)

a pomernou odolnosťou proti opotrebeniu (Ψ) (Blaškovič et. al., 1990)

13

1.2 Vplyv faktorov na proces abrazívneho opotrebenia

Suchánek et al. (2007) uvádza, že na proces abrazívneho opotrebenia vplýva

v prevádzke veľké množstvo faktorov, ktoré je možné zaradiť do troch skupín, ktorými

sú parametre opotrebovávaného materiálu, parametre abraziva a parametre dotyku, kde

okrem prevádzkových parametrov pri abrazívnom opotrebení sú aj vplyvy prostredia na

tribologický uzol (tab. 1).

Opotrebovávaná

plocha pri abrazii

Tvrdosť jadra

Tvrdosť na povrchu

Tvrdosť deformovanej štruktúry

Mikroštruktúra : veľkosť zrna, tvar, veľkosť a orientácia tvrdšej

fázy

Abrazivo Tvrdosť

Geometria nerovnosti/častice: veľkosť, tvar, orientácia

Rozdelenie nerovností/častíc: hustota, výšky, priestor pre oterové

častice

Parametre dotyku Zaťaženie

Nominálna dotyková plocha

Relatívna rýchlosť

Prostredie: vzduch, voda, mazivo, teplota

Orientácia systému (umožňuje odstraňovanie abrazívnych

a oterových častíc z miesta styku)

Výsledné

parametre

Pomerný oter

Koeficient opotrebenia

Koeficient trenia

Koeficient odstraňovania

Špecifická energia

Topografia povrchu

Priebeh tvrdosti do hĺbky

Tab. 1 Dôležité parametre pri abrazívnom opotrebení (Suchánek et. al., 2007)

14

1.2.1 Opotrebovávaný materiál

Suchánek et al. (2007) uvádza, že chemické zloženie opotrebovávaného

materiálu a podmienky tepelného spracovania ovplyvňujú najmä mikroštruktúru

opotrebovávaného materiálu. Pri oceliach a liatinách závisí odolnosť proti abrazívnemu

opotrebeniu od pevnosti a húževnatosti základnej kovovej matrice a od množstva

karbidov. Na vlastnosti základnej matrice a na tvorbu karbidov v tejto matrici má vplyv

obsah uhlíku a ďalších legujúcich prvkov.

Mikuš (2009) uvádza, že podľa vplyvu legujúcich prvkov na priebeh

polymorfnej premeny sa delia na prvky rozširujúce oblasť stability feritu, ako sú napr.

Cr, Si, Ti, Mo, V, Al a na prvky rozširujúce oblasť stability austenitu, ako sú napr. Mn,

Ni, Co. Vzhľadom k afinite prvkov k uhlíku je ich možné rozdeliť na legúry

karbidotvorné (Cr, Mo, Mn, Ti, B, Zr, Nb, .....), ktoré tvoria v základnej matrici stále

karbidy a na legúry nekarbidotvorné tzv. grafitizačné (Ni, Co, Si, Al, N, ....). Pri tvorbe

karbidov v základnej matrici môže dôjsť k vzniku jednoduchých karbidov, ktoré sú

tvorené uhlíkom a legujúcim prvkom (WC, TiC, B4C, .... ). Taktiež môže dôjsť k tvorbe

komplexného typu karbidov, ktoré sú tvorené prísadovým prvkom (prvok tvoriaci

karbid) a iným prvkom, ktorý ho môže čiastočne nahradzovať ( (CrFe)7C3,

(CrFe)23C6, .....). Platí zásada, že ak sa v zliatine nachádza viac legujúcich

karbidotvorných prvkov, tak majoritne vytvorí karbid prvok s väčšou afinitou k uhlíku.

Skočovský et al. (2001) uvádza rozdelenie prvkov, ktoré sa najčastejšie

vyskytujú v oceliach:

škodlivé sprievodné: S, O, P, N, H

prospešné sprievodné: Mn, Si, Cu, Al

legujúce prvky: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Co, Ti, Al, Nb, Zr, B, N, Be, Pb.

Síra (S) spôsobuje krehkosť za tzv. červeného žiaru. Sulfid železnatý zhoršuje najmä

húževnatosť a tvárnosť ocele pri teplote okolia a ďalej zvárateľnosť ocelí a pri

cementovaní ovplyvňuje rovnomernosť koncentrácie uhlíka. Kyslík (O) vplýva na

húževnatosť, ktorú výrazne zhoršuje, z čoho vyplýva zvýšenie tranzitnej teploty. Fosfor

(P) pri vyšších obsahoch tvorí fosfid Fe3P pri koncentrácii nad 0,1 %, ktorý má za

následok zníženie húževnatosti ocele a zväčšuje lámavosť za studena. Nepriaznivo

vplýva aj pri zváraní ocelí, kedy podporuje tvorbu odmiešanín. Dusík (N) spôsobuje pri

rýchlejšom ochladzovaní taveniny a pri väčšej koncentrácii vylučovanie jemne

disperzných nitridov. Vylučujú sa najmä po hraniciach zŕn a v sklzových rovinách,

15

a tým spôsobujú zníženie húževnatosti, zvýšenie medze klzu, prechodovej teploty

a dôjde aj k poklesu tvárnosti za studena (starnutie ocele). Prospešné sprievodné prvky

majú za úlohu kompenzáciu vplyvov škodlivých prvkov. Mangán (Mn) patrí medzi

základný prvok na dezoxidáciu a odsírenie (0,25 ÷ 0,9 %). Je rozpustný najmä vo ferite,

ale malá časť aj v cementite a zvyšuje jeho stabilitu. Spôsobuje zväčšenie medze

klzu, pevnosti a neovplyvňuje nepriaznivo húževnatosť a zvárateľnosť dobre

zvárateľných mäkkých ocelí. Kremík (Si) je dezoxidačnou prísadou (do 0,5 %) a je

rozpustný najmä vo ferite. Jeho pôsobenie na mechanické vlastnosti uhlíkových ocelí je

zväčša priaznivé. Meď (Cu) nie je veľmi bežnou prísadou v oceliach a zlepšuje najmä

odolnosť proti poveternostným vplyvom a zároveň nevplýva podstatne na mechanické

vlastnosti. Hliník (Al) je častým sprievodným prvkom a jeho najväčšie využitie je ako

dezoxidačná prísada a pôsobí priaznivo proti starnutiu oceli. Prvky s koncentráciou nad

určité množstvo sú v oceliach považované za legujúce (Mn – 0,9 %, Si – 0,5 %, Ni – 0,5

%, Cr – 0,3 %, W – 0,2 %, Co – 0,2 %, Mo – 0,1 %, V – 0,1 %, Ti – 0,1 %, Al – 0,1 %)

a takto legované ocele sú označované ako zliatinové.

Skočovský et al. (2001) uvádza rozdelenie zliatinových ocelí podľa obsahu

legujúcich prvkov na :

nízkolegované (do 2,5 %),

stredne legované (od 2,5 % do 5 %),

vyššie legované (od 5 % do 10 %),

vysokolegované (nad 10 %).

Všetky zliatinové prvky vedú k zníženiu eutektoidnej koncentrácie uhlíka

a maximálnej rozpustnosti uhlíka v austenite (spôsobujú posuv bodov S a E v sústave

Fe-Fe3C k nižším obsahom uhlíka), ale najvýraznejší vplyv majú prvky Cr, Si, W, Mo,

V, Ti. Výsledkom je zvýšený podiel perlitu v legovaných oceliach, ako by to bolo

v uhlíkových oceliach pri rovnako nízkom obsahu uhlíka alebo môže dôjsť

k vylučovaniu ledeburitu v zliatinových oceliach pri nízkom obsahu uhlíku. Vplyvom

legujúcich prvkov v zliatinových oceliach dochádza aj k tvorbe karbidov. Mangán (Mn)

podporuje tvorbu komplexných karbidov (legovaný cementit (FeMn)3C a karbidy

chrómu). Chróm (Cr) tvorí komplexné karbidy typu M23C6 a M7C3, ktorých súčasťou je

aj železo a mangán. Volfrám (W) a molybdén (Mo) sa viažu hlavne na komplexné

karbidy, ako je (FeWMo)6C, ak oceľ okrem nich obsahuje aj prvky s vyššou afinitou k

uhlík. Ak nie sú obsiahnuté tieto prvky, tak vznikajú špeciálne karbidy typu MC a M2C.

16

Medzi prvky ktoré sa vždy viažu na špeciálne karbidy a majú teda najvyššiu afinitu

k uhlíku patria V, Zr, Nb, Ta, Ti. Tieto prvky tvoria najčastejšie MC a M4C3 karbidy.

V sústave železo – legujúci prvok pri rovnovážnych podmienkach existujú dva typy

vysokolegovaných ocelí (obr. 4), a to sú austenitické a feritické. Zvýšením teploty A4

a znížením A3 a A1 sa rozširuje pole austenitu. Medzi prvky, ktoré otvárajú oblasť

austenitu úplne (obr. 4a) patria napr. Ni, Mn a Co a medzi prvky ktoré čiastočne

otvárajú oblasť austenitu (obr. 4b) patria N, Cu, B. Znížením teploty A4 a zvýšením A3

a A1 majú za následok feritotvorné prvky, ktoré zužujú pole austenitu. Medzi prvky,

ktoré uzatvárajú oblasť austenitu s úplnou rozpustnosťou, a pri vzniku súvislého poľa

grafitu (obr. 4c) patrí najmä Cr. Medzi prvky, ktoré uzatvárajú oblasť austenitu

s ohraničenou rozpustnosťou (obr. 4d) patria pri určitých množstvách koncentrácie Be,

Al, Si, P, Ti, V, Mo, W. Tieto sústavy sú len orientačné, nakoľko niektoré zliatinové

prvky tvoria so železom aj intermetalické zlúčeniny, ktoré tvoria ďalšie štruktúrne

zložky u niektorých vysokolegovaných ocelí. Medzi najznámejšie intermetalické

zlúčeniny patria FeCr (sigma fáza) a Fe3W2 (Skočovský et al., 2001).

Obr. 4 Binárne sústavy Fe – legujúci prvok (Skočovský et al., 1990)

a – austenitotvorné prvky úplne otvárajúce oblasť γ, b – austenitotvorné prvky

čiastočne otvárajúce oblasť γ, c – feritotvorné prvky zatvárajúce oblasť γ s úplnou

rozpustnosťou, d – feritotvorné prvky zatvárajúce oblasť γ s ohraničenou

rozpustnosťou

17

Suchánek et al. (2007) uvádza, že fyzikálne charakteristiky, ako je napr. pevnosť

medziatómových väzieb, majú vplyv na odolnosť proti opotrebeniu pri čistých kovoch,

niektorých zliatinách a nekovových látkach (minerály). Vďaka tomu rôzne zliatiny

s rovnakou tvrdosťou ale s rôznou pevnosťou medziatómových väzieb majú rozdielne

hodnoty odolnosti proti opotrebeniu. Určitá závislosť je aj medzi pomernou odolnosťou

proti abrazívnemu opotrebeniu a lomovou húževnatosťou KIC.

Tvrdé štruktúrne zložky (karbidy) v závislosti od svojej tvrdosti, tvaru, veľkosti,

množstva a rozloženia (disperzné rozloženie) v základnej kovovej matrici ovplyvňujú

odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu. S ich rastúcou tvrdosťou a zväčšujúcim sa

podielom v základnej kovovej matrici stúpa aj odolnosť proti opotrebeniu. Pri

posudzovaní podielu karbidov v základnej matrici musíme brať do úvahy aj matricu ako

faktor, ktorý vplýva na abrazívne opotrebenie materiálu (Suchánek et. al., 2007).

Popov et al. (1969) uvádza, že pri perliticko-karbidickej mikroštruktúre stúpa

tvrdosť a odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu do 35 % podielu karbidov. Pri

feriticko-karbidickej mikroštruktúre stúpa tvrdosť a odolnosť proti abrazívnemu

opotrebeniu do 5 ÷ 6 % podielu karbidov. Vyšší podiel karbidov už podstatne

neovplyvňuje odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu. Odolnosť ocelí proti

opotrebeniu je daná aj typom karbidov, ktoré sú v nej obsiahnuté. Napr. pri zmene

karbidov M3C na komplexné karbidy M7C3 sa zvýši odolnosť proti opotrebeniu. Medzi

skupinu karbidov, ktoré vedú k najväčšej odolnosti proti opotrebeniu patria komplexné.

Suchánek et al. (2007) uvádza, že príkladom komplexného karbidu je napr. VC

karbid, ktorý vznikne pridaním legujúceho prvku vanádu do chrómových

ledeburitických ocelí. Prísada vanádu spôsobuje aj vhodnejšie rozloženie karbidov

chrómu a ich legovanie uhlíkom a chrómom.

V štruktúre liatin je dôležitou zložkou, od ktorej závisí opotrebenie aj grafit.

Lamely grafitu pri šedej liatine pôsobia ako koncentrátory napätia a znižujú odolnosť

proti opotrebeniu. Odolnosť liatin proti abrazívnemu opotrebeniu je určená najmä

matricou (Suchánek et al., 2007).

Chotěborský et al. (2009) uvádza, že na odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu

má výrazný vplyv aj veľkosť karbidov. Najlepšie odolávajú dlhé karbidy M7C3, pretože

majú lepšiu súdržnosť s matricou a nedochádza k tak ľahkému vylamovaniu, ako je to

pri kratších karbidoch.

18

Suchánek et al. (2007) uvádza, že na abrazívne opotrebenie má výrazný vplyv aj

matrica opotrebovávaného materiálu. Najnižšiu odolnosť proti opotrebeniu majú ocele

a zliatiny s feritickou matricou. Zvyšovanie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu

pomocou substitučného spevnenia karbidotvornými prvkami (Cr, W, V) sa výrazne

neprejavuje na zvýšení odolnosti proti opotrebeniu pri feritickej matrici. S rastúcim

obsahom perlitu vo feritickej matrici (transformácia na feriticko-perlitickú matricu) sa

zvyšuje odolnosť voči abrazívnemu opotrebeniu. Pri tejto matrici má lamelárny perlit

vyššiu odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu ako globulárny. Ocele a liatiny

s martenzitickou matricou majú vyššiu odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu ako pri

perlitickej matrici. Vyšší obsah uhlíka a legujúce prvky majú za následok zvýšenie

odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu. Priaznivý účinok na odolnosť proti

abrazívnemu opotrebeniu má vysoký obsah zvyškového austenitu v martenzitickej

štruktúre, ktorý sa objavuje vplyvom tepelného spracovania, prípadne vysokého obsahu

uhlíka a legujúcich prvkov. Tento priaznivý účinok je daný vyššou pevnosťou fázového

rozhrania austenit-karbid ako fázového rozhrania martenzit-karbid. Tieto kladné účinky

vysokého obsahu zvyškového austenitu (napr. chróm-ledeburitické ocele 78 % ÷ 84 %)

platia najmä pre γ-Fe legované C, Cr alebo Mo. Odolnosť chrómniklových ocelí

s austenitickou matricou pri abrazívnom opotrebení je nízka, nakoľko nedochádza

k fázovým premenám. Rovnako aj pri mangánových oceliach s austenitickou matricou

nedochádza k transformácii austenitu na štruktúrne zložky s vyššou tvrdosťou

(martenzit, bainit) pri opotrebovávaní klznou abraziou. Preto je využitie mangánových

ocelí s martenzitickou štruktúrou v podmienkach abrazie s pôsobením rázov, kedy

dochádza k spevňovaniu austenitu a dochádza k čiastočnej transformácii na fázu

martenzitického typu, čo spôsobuje nárast tvrdosti povrchovej vrstvy.

Opotrebenie silne ovplyvňuje vlastnosti povrchovej vrstvy a vplyvom týchto

povrchových javov sa výrazne líšia chemické a fyzikálno-mechanické vlastnosti

povrchovej vrstvy a základného materiálu. V procese abrazívneho opotrebenia dochádza

v povrchovej vrstve k vysokým tlakovým pnutiam a k fázovej transformácii, kedy

dochádza k rozpadu metastabilného austenitu na martenzit. Oceľ s vysokým podielom

zvyškového austenitu je oveľa odolnejšia v povrchovej vrstve ako oceľ s nízkym

obsahom zvyškového austenitu (Suchánek et al., 2007).

19

Tab. 2 Mikrotvrdosť karbidov, nitridov a boridov (Suchánek et al., 2007)

Chemické

zloženie

Mikrotvrdosť

(HVM)

Chemické

zloženie

Mikrotvrdosť

(HVM)

Chemické

zloženie

Mikrotvrdosť

(HVM)

B4C 4950 - 5000 NbC 1961 - 2400 Fe4N --

SiC 2500 - 3350 TaC 1600 - 1787 NbN 1396

TiC 3000 - 3200 WC 1780 - 2080 TaN 1060 - 3236

VC 2094 - 2944 BN -- HfN 1600

Cr3C2 1350 - 2280 AlN 1230 TiB2 3370 - 3480

Cr23C6 1650 Ca3N2 -- ZrB2 2200 – 2252

Cr7C3 1336 - 2200 VN 1520 HfB2 2190

Mn3C -- TiN 1994 - 2450 NbB2 2500

Fe3C 800 ZrN 1520 - 1988 TaB2 1670

1.2.2 Abrazivo

Tvar abrazívnych častíc vplýva výraznou mierou na opotrebenie. Pri ostrých

hranách abrazívnych častíc je predpoklad, že dôjde k ryhovaniu opotrebovávaného

materiálu a tým k oddeľovaniu častíc z opotrebovávaného materiálu pri relatívnom

pohybe abrazívnych častíc. Na opotrebenie má vplyv počet abrazívnych častíc s reznou

schopnosťou (ostré a hranaté tvary častíc). Počet týchto častíc sa môže zvyšovať, napr.

vplyvom zvýšenia relatívnej vlhkosti kvôli ktorej dochádza k ľahšiemu porušovaniu

abraziva a dochádza k vytváraniu väčšieho množstva rezných hrán. Pri malom zaťažení

sa výrazne nemení veľkosť abrazívnych častíc, ale dochádza k otupovaniu ich rezných

hrán a tým klesá ich abrazívny účinok. Pri veľkom zaťažení dochádza k intenzívnemu

porušovaniu abrazívnych častíc. Toto porušovanie pri abrazívnych časticiach so

sklonom k veľkej štiepiteľnosti zrna nevyvoláva výrazné zmenšenie intenzity

opotrebenia, pretože zároveň dochádza k výraznej tvorbe nových rezných hrán.

Hodnotenie tvaru abrazívnych častíc sa najčastejšie robí pomocou kvalitatívnej metódy

na základe vizuálneho posúdenia, kedy sa častice dajú označiť ako zaoblené, čiastočne

hranaté, alebo hranaté. Toto kvalitatívne hodnotenie musí byť doplnené aj stanovením

ostrohrannosti častíc. Ostrohrannosť častíc je možné stanoviť pomocou rozsiahleho

súboru meraní, ale výsledky z nich majú značne obmedzenú použiteľnosť. Detailné

20

meranie mikrogeometrie abrazívnych častíc je veľmi prácne, obtiažne a ťažko

využiteľné pre potreby praxe (Suchánek et al., 2007).

(Suh, 1986) uvádza, že pri veľmi malej veľkosti abrazívnych častíc je veľmi

malé opotrebenie, kedy dochádza ku kontaktným únavovým procesom a nie

k abrazívnemu opotrebeniu. Vtedy dochádza k plastickej deformácii a ide o maximálnu

odolnosť základného materiálu proti abrazívnemu opotrebeniu. S ďalším rastom častíc

dochádza k výraznému zvýšeniu opotrebenia a v tretej fáze je opotrebenie nezávislé na

priemere častíc, alebo dochádza len k miernemu nárastu.

Suchánek et al. (2007) uvádza, že mineralogické vlastnosti abrazívnych častíc

majú vplyv na celkovú abrazivitu, a to najmä svojou štiepitelnosťou, ktorá je

vyjadrením schopnosti častíc rozrušovať sa vplyvom zaťaženia a tvoriť nové rezné

hrany. Napr. živec, ktorý má menšiu tvrdosť ako kremeň dosahuje porovnateľnú

rýchlosť opotrebenia. Je to dôsledkom toho, že častice živca sa v procese opotrebenia

štiepia a vytvárajú nové, no menšie ostrohranné častice. Vysokú abrazivitu majú hlavne

korund a karbid kremíku (pri abrazii ocele). Z hornín má najväčšiu abrazivitu žula,

čadič a granulit (pri abrazívnom opotrebení oceli 15 260.6).

Chotěborský et al. (2009) uvádza, že odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu na

určitých druhoch zliatin, pri použití piesku ako abraziva rastie, až do určitého množstva

karbidickej fázy (cca 30 %) a pri ďalšom zvyšovaní podielu tejto fázy v zliatine

odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu klesá. Naopak, pri korundovom abrazive má

zvyšujúci sa podiel karbidickej fázy priaznivý vplyv na odolnosť proti abrazívnemu

opotrebeniu (odolnosť rastie).

1.2.3 Parametre dotyku

Suchánek et al. (2007) uvádza, že pri rastúcom zaťažení sa zvyšuje hmotnostné

opotrebenie skúšobnej ocele na prístroji s brúsnym plátnom. Ale môže dôjsť aj

k zníženiu opotrebenia vplyvom zvýšenia zaťaženia. Tento jav môže nastať napr. pri

vzájomnom pôsobení tvrdých karbidov ako sú M7C3 v štruktúre opotrebovávaného

materiálu, ktoré vyvolávajú väčšie poškodzovanie hrán a topografie abrazívnych častíc

SiO2 pri zvýšení zaťaženia. Poškodzovaním dochádza k zníženiu abrazívneho

opotrebenia. Tento efekt sa však môže prejaviť len v kombinácii veľmi tvrdých

karbidov alebo boridov obsiahnutých v opotrebovávanom materiály, na ktorý pôsobia

pomerne mäkké abrazívne častice.

21

Suchánek et al. (2007) uvádza, že rastom klznej rýchlosti dochádza k miernemu

zvýšeniu opotrebenia pri skúške na brúsnom plátne so skúšobnou vzorkou žíhanej

uhlíkovej ocele a tepelne spracovanej ocele so stredným obsahom uhlíka (platí do

hodnoty klznej rýchlosti 2 m.s-1). Pri skúškach hliníka, mosadze a Armco železa na

brúsnom plátne je objemové opotrebenie menšími abrazívnymi časticami (70 μm) so

stúpajúcou klznou rýchlosťou vzrastajúce. Pri väčších abrazívnych časticiach (300 μm)

je rast objemového opotrebenia so stúpajúcou klznou rýchlosťou zanedbateľný. Pri

skúškach na pryžovom kotúči je u mäkkých kovových materiálov, ako je Al alebo Cu

opotrebenie nemenné s rastúcou klznou rýchlosťou. Ale pri kalenej chrómovej

ledeburidickej oceli opotrebenie klesá s rastúcou klznou rýchlosťou pri skúške na

pryžovom kotúči.

Veľkosť opotrebenia lineárne rastie s časom prevádzky, pokiaľ nedochádza

k tvarovým zmenám opotrebovávaného materiálu a k zmene dominantného

mechanizmu opotrebenia.

1.3 Druhy návarových materiálov

Základným kritériom voľby návarového materiálu sú najmä laboratórne

a prevádzkové skúšky odolnosti navarenej vrstvy proti opotrebeniu. Z tohto dôvodu sa

v praxi využíva mnoho druhov návarových zliatin so širokou škálou chemického

zloženia a tým aj rôznorodosťou ich vlastností.

Čičo (2009) uvádza ich možné rozdelenie do týchto základných skupín:

materiály typu martenzitickej ocele,

materiály typu austenitickej ocele,

materiály ledeburitické,

materiály neželezné,

karbidy.

3.3.1 Materiály typu martenzitickej ocele

Pri týchto typoch materiálov sa kalenie alebo tepelné spracovanie po navarení

vrstvy robí len výnimočne. Ide o základné prídavné materiály určené predovšetkým na

ručné zváranie obalenou elektródou. Tvrdosť získaná týmito prídavnými materiálmi je

v závislosti na rýchlosti samovoľného ochladzovania odvádzaním tepla do základného

materiálu. Preto je potrebné hlavne z daného dôvodu prídavný materiál mierne legovať

22

prvkami, ktoré zvyšujú prekaliteľnosť, čo má za následok, že rýchlosť ochladzovania je

dostatočná k zakaleniu. Ich tvrdosť je približne od 250 HV po 600 HV (Čičo, 2009).

Adamka (1995) uvádza, že ocele so základnou martenzitickou hmotou sa

vyznačujú veľkou odolnosťou proti abrazívnemu opotrebeniu, čo je spôsobené hlavne

vysokou tvrdosťou martenzitickej štruktúry a na opotrebovanom povrchu dochádza

k vzniku deformačného spevnenia. Transformáciou zvyškového austenitu

a precipitáciou jemných karbidov, ktoré vyvoláva deformácia vzniká spevnenie. Týmto

spôsobom sa zvyšuje odpor proti dislokačným pohybom a tým narastá odolnosť proti

opotrebeniu.

3.3.2 Materiály typu austenitickej ocele

Čičo (2009) uvádza, že využitie daných materiálov je v prípade opotrebovávania

navarenej vrstvy, ktoré je sprevádzané silnými údermi. Tieto prídavné materiály sa

vyznačujú svojou húževnatosťou pri pomerne malej tvrdosti asi 200 HV. Pre lepšie

odolávanie opotrebeniu je potrebné mechanické spevnenie silnými údermi, vďaka

ktorým sa povrchová vrstva spevní. Pri danom type prídavného materiálu sa na zváranie

nesmie použiť plameň, pretože by došlo k rozpadu austenitu vplyvom prehriatia

základného materiálu a zmenšila by sa rýchlosť ochladzovania. Tvrdosť po spevnení je

približne 500 HV.

Adamka (1995) uvádza, že najväčšiu odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu

vykazujú návary so základnou austenitickou hmotou a tvrdými karbidickými časticami.

Pre vysvetlenie najväčšej odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu práve pri kombinácii

austenitická základná matrica a tvrdé karbidické častice existujú dve teórie:

1. Nastáva veľké drobenia zŕn na fragmenty v dôsledku deformácie v podmienkach

abrazívneho opotrebenia a dochádza k tvorbe blokovej štruktúry, ktorá je

v povrchovej vrstve rozdrobená a orientovaná pod uhlom 20 - 35° vzhľadom

k povrchu.

2. V dôsledku deformácie v povrchových vrstvách nastáva rast hustoty sklzových

dislokácií, vznik vrstevných chýb a dvojčaťových lamiel. Tieto aspekty bránia

pri plastickej deformácii pohybu dislokácií. V priebehu abrazívneho opotrebenia

sa obnažujú tvrdé karbidické zložky v základnej austenitickej štruktúre

a dochádza k ich drobeniu. Väčšia časť z nich pôsobí ako abrazivo a určité

menšie množstvo je zatláčané do základnej austenitickej matrice a spôsobuje

zvyšovanie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu.

23

Mechanizmus abrazívneho opotrebenia pre austeniticko-karbidickú štruktúru je

znázornený na obr. 5.

Austeniticko – mangánové návary sú z dôvodu spevňovania štruktúry údermi za

studena vhodné pre použitie v abrazívnom prostredí kombinovanom s rázmi, kde

dochádza k ich zvyšovaniu odolnosti proti opotrebeniu. Deformáciou (7 %) za studena

možno vopred získať zvýšenie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu. Toto zvýšenie

odolnosti proti opotrebeniu je spôsobené vznikom blokovej štruktúry s 20 % až 30 %

orientáciou k povrchu a menej aj vznikom martenzitu (Adamka, 1995).

24

Obr. 5 Mechanizmus abrazívneho opotrebenia, austeniticko-

karbidická štruktúra (Kovaříková, Blaškovitš, 2007)

3.3.3 Materiály ledeburitické

Čičo (2009) uvádza, že ich hlavné využitie je hlavne pri abrazívnom opotrebení

minerálnym abrazívom bez pôsobenia mechanických rázov. Ak sú v prídavnom

materiáli okrem karbidov železa prítomné aj karbidy legujúcich prvkov, ako napr. Cr,

W a iné, je odolnosť vyššia pretože štruktúra návarovej vrstvy je tvorená

nerovnorodosťou štruktúrnych zložiek, ktoré tvoria tvrdé štruktúry. Najviac odolné sú

nadeutektické zliatiny, ktoré sú tvorené dlhými ihlicami karbidov legúr a uhlíka

v základnom húževnatom materiáli. Najčastejšie používané sú bežné s nízkym obsahom

Cr (2 ÷ 5 %) a zliatiny vysoko legované s obsahom Cr (20 ÷ 30 %). Vplyvom ďalších

legúr je možné napr. zvýšiť odolnosť proti zvýšeným teplotám (W), zvýšenie odolnosti

proti chemickým vplyvom a praskaniu (Ni).

3.3.4 Materiály neželezné

Čičo (2009) uvádza, že ich využitie je pre špeciálne účely. Zliatiny Co sa

využívajú na účely spojené s ich vlastnosťami, ktoré sú:

vysoká tvrdosť do teploty asi 700 °C,

maximálna tvrdosť dosiahnuteľná bez tepelného spracovania,

vysoká odolnosť voči chemickým vplyvom a opotrebeniu.

Zliatiny neželezných materiálov tvorené Co sa nazývajú stellity a ich využitie

vzhľadom k ich značnej cene je najmä na kriticky namáhané časti, kde bežné materiály

nie sú dostatočne odolné, hlavne proti opotrebeniu a tepelnému namáhaniu. Na

naváranie sa zväčša využíva plameň. Do skupiny neželezných prídavných materiálov

patria aj prášky na báze Ni, pri ktorých sa na naváranie využíva hlavne plazma, laser

a kyslíkovo-acetylénový plameň.

3.3.5 Karbidy

Najčastejšie spekané karbidy wolfrámu vynikajú tvrdosťou a veľkou odolnosťou

proti opotrebeniu. Naváranie sa uskutočňuje najmä plameňom, kde prídavný materiál je

vo forme oceľového trubičkového drôtu, ktorý je naplnená karbidovou drťou. Veľkosť

karbidických zŕn sa volí podľa účelu. Hrubšie čiastočky sú využiteľné na zlepšenie

rezného účinku napr. vrtnej korunky pri vŕtaní hornín. Použitie jemnejšieho zrna je

účelnejšie pri zvyšovaní odolnosti proti opotrebeniu. Z hľadiska zvýšenia odolnosti

navarenej vrstvy proti opotrebeniu je účelné, ak sa karbidové zrná takmer netavia

a zostanú viazané v základnej štruktúre húževnatejšej ocele (Čičo, 2009).

25

Feriticko-karbidická štruktúra tvrdonávarov má veľmi malú odolnosť proti

abrazívnemu opotrebeniu. Je to najmä v dôsledku toho, že rozpustnosť uhlíka v α železe

je obmedzená a aj vplyv Cr na spevnenie α železa je veľmi malý. Okrem iného má

mriežka α železa vysokú náchylnosť na vznik trhlín v podmienkach dislokačného

mechanizmu plastickej deformácie. Tvrdosť štruktúry sa zvyšuje prítomnosťou

karbidov, ale odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu sa výraznejšie nezvyšuje

(Adamka, 1995).

1.4 Spôsoby navárania

Blaškovitš et al. (2006) uvádza, že naváranie je nanesením vrstvy kovu na

povrch súčiastky tavným spôsobom zvárania. Cieľom navárania je získať na povrchu

zliatinu, ktorá má mnoho vlastností ako je napr. odolnosť proti opotrebeniu a korózii,

žiarupevnosť a iné. Častým cieľom navárania v praxi je jeho využitie na báze

renovačnej technológie, vďaka ktorej je možné obnoviť rozmery strojovej súčasti,

pričom väčšinou dôjde aj k zlepšeniu vlastností povrchu. Snahou navárania je zvýšiť

životnosť renovovanej súčiastky. Ide o zníženie faktorov ako je spotreba materiálu

a energie, ktoré by bolo potrebné vynaložiť na vytvorenie novej súčiastky. Pri naváraní

je dôležité zohľadniť vplyv tepelnej energie na vlastnosti súčiastky, vplyv fyzikálno –

metalurgických faktorov, vplyv rýchlosti ochladzovania súčiastky po navarení, vplyv

tepelného spracovania a v neposlednom rade aj vplyv tribologických charakteristík

ktoré budú vplývať v tribologickom uzle na navarenú vrstvu súčiastky.

Prednosti technológie navárania:

možnosť naniesť materiály s rôznym chemickým zložením na základný materiál

rôzneho chemického zloženia,

vysoká produktivita navárania v rozsahu od niekoľko gramov za hodinu

(mikroplazma, laser, ...), až po niekoľko kilogramov za hodinu (elektrotroskové

naváranie),

možnosť získania veľmi hrubých návarov (0,2 až 100 mm),

možnosť navárania súčiastok so zložitými tvarmi,

jednoduchosť naváracích systémov,

možnosť zavedenia mechanizácie, automatizácie a robotizácie do navárania,

väčšinou nie je vyžadovaná kvalifikácia zváračov na vysokej úrovni,

možnosť spojenia navárania s inými technológiami,

26

výhodná orientácia kryštalitov (primárnych) vzhľadom na pracovnú plochu

súčiastky.

Za nedostatky navárania možno považovať:

Zhoršenie vlastností návaru premiešaním základného materiálu s návarovým,

Deformácia najmä tenkých profilov vplyvom tepla pri naváraní,

Heterogenita návaru závislá od jednotlivých metód navárania a od spôsobu

ukladania húseníc,

V niektorých prípadoch je potrebný predohrev základného materiálu, dodržanie

teplotných režimov pri naváraní, tepelné spracovanie po navarení súčiastky,

Zložitejšie mechanické opracovanie.

Čičo (2009) uvádza základné požiadavky na návar:

dobrá kaliteľnosť, prekaliteľnosť, odolnosť proti opotrebeniu,

malá hĺbka prevarenia, malé tepelné ovplyvnenie základného materiálu,

malé premiešanie prídavného materiálu so základným,

dobré spojenie prídavného materiálu so základným.

Tolnai (2007) uvádza, že fyzikálne a metalurgické deje prebiehajú v oblúku

veľmi rýchlo, za vysokých teplôt a sú ovplyvňované:

geometrickým usporiadaním systému katóda – anóda,

chemickým zložením plazmy, okolitej atmosféry, elektród,

tepelnou vodivosťou plazmy, elektród a základného materiálu.

1.4.1 Naváranie plameňom

Najčastejšie býva ako zdroj tepla plameň v zmesi horľavého plynu s kyslíkom

(acetylén s kyslíkom). Ale pri naváraní napr. olova, alebo pri nánosovom spájkovaní

kovmi s nízkou teplotou tavenia sa využíva aj zmes splynených horľavých kvapalín so

vzduchom alebo s kyslíkom. Najvhodnejším z horľavých plynov pri naváraní plameňom

je acetylén v zmesi s kyslíkom kvôli vysokej teplote plameňa a jeho zápalnej rýchlosti.

Je to vďaka štruktúrnej stavbe molekuly acetylénu, ktorá je tvorená dvomi atómami

uhlíku a dvomi atómami vodíku. Pri rozpade acetylénu sa uvoľňuje zlučovacia energia

(8714 kJ.kg-1). Pri naváraní má veľkú výhodu najme redukčný plameň (prebytok

acetylénu) najmä pre naváranie na uhlíkové a ušľachtilé ocele. Výhoda redukčného

plameňa je v nauhličení povrchovej vrstvy (povrch sa napotí) a na takto nauhličený

povrch sa lepšie pritavuje prídavný návarový materiál. Výhodou je aj zníženie podielu

27

základného materiálu v navarenej vrstve. Jednotlivé pomery acetylénu a kyslíka sú

znázornené na obr. 6 (Bajda, 2005).

Obr. 6 Plamene podľa pomeru C2H2 : O2 (Bajda, 2005)

a) redukčný, b) neutrálny, c) oxidačný

Blaškovitš (2006) uvádza, že k výhodám navárania plameňom patrí najmä

menšia náchylnosť na praskanie, ktorá je spôsobená vplyvom vyššieho prehriatia

základného materiálu. Možnosťou je aj naváranie tvarovo zložitých súčiastok

a technológia sa vyznačuje nízkymi nákladmi na prevádzku. K nevýhodám patrí nízka

produktivita, zvýšené pretavenie materiálu, vysoký dôraz na kvalifikovanú obsluhu

a značne obmedzená možnosť mechanizácie.

3.4

3.4.1

3.4.2 Naváranie odtavujúcou sa elektródou

Blaškovitš (2006) uvádza, že ručné naváranie obalenou elektródou (SMAW resp.

ROZ) patrí k najrozšírenejším technológiám navárania z dôvodu dostupnosti zariadenia

a nenáročnosti pri obsluhe. Teplota v procese navárania je vyvinutá v elektrickom

oblúku. Pri naváraní je nutné udržiavať krátku vzdialenosť elektrického oblúka medzi

elektródou a základným materiálom, aby sa zabezpečila ochrana kúpeľa pred

nežiaducimi účinkami vzdušnej atmosféry a aby nedochádzalo k vypaľovaniu

legujúcich prvkov.

28

Bajda (2005) uvádza, že najčastejšie používané sú elektródy s bázickým obalom.

Spravidla sú v obalovej hmote elektródy, okrem ochranných zložiek zabezpečujúcich

v procese navárania ochranu zvarového kúpeľa pred účinkami atmosféry, aj zložky

legujúce návarový kov. V niektorých špecifických prípadoch sa využívajú aj elektródy

s kyslým alebo s rutilovým obalom.

Bajda (2005) uvádza, že naváranie kontinuálne podávanou elektródou (obr. 7) sa

dá rozdeliť do dvoch základných metód. Prvou metódou je MIG (Metal Inert Gas), kde

ide o ochranu zvarového kúpeľa inertným plynom (Ar a jeho zmesi), ktorý nezasahuje

do kúpeľa a druhou je metóda MAG (Metal Aktiv Gas), kde aktívny plyn (CO2 a jeho

zmesi) zasahuje do zvarového kúpeľa.

Blaškovitš (2006) uvádza, že technológia MIG sa najčastejšie využíva pri

vysokolegovaných chrómniklových austenitických oceliach a zliatinách na báze Cu

a iných prvkov. Pri MAG metóde je ochrana v nasýtení kovu dusíkom a zabráneniu

tvorby pórov. Prídavný drôt musí obsahovať dezoxidovadlá (Si, Mn a iné ). Je možnosť

použitia aj trubičkových prídavných materiálov, ktoré sú plnené ferolegúrami,

troskotvornými prísadami a kovovým práškom. Naváranie môže byť s ochranou CO2,

Ar a jeho zmesi alebo bez ochranného plynu kedy ide o metódu MOG.

Obr. 7 Naváranie kontinuálne podávanou elektródou (Bajda, 2005)

1 – základný materiál, 2 – návarový drôt, 3 – tavenina, 4 – návar, 5 – napájací

prievlak, 6 – horák, 7 – podávacia kladka, 8 – prívod plynu, Z - zdroj

Bajda (2005) uvádza, že naváranie pod tavidlom je charakterizované

kontinuálnym podávaním prídavného materiálu, ktorý sa odtavuje elektrickým oblúkom

29

pod vrstvou tavidla (tavidlo návar chráni, formuje ho a v niektorých prípadoch aj

dolegováva). Tavidlá sa používajú keramické, sintrované a tavené. V praxi je široké

využitie rôznych spôsobov navárania pod tavidlom (naváranie jedným drôtom, 2

drôtmi, naváranie páskou pod keramickými a tavenými tavidlami, naváranie dvoma

páskami a iné).

Blaškovitš (2006) uvádza, že pri horizontálnom naváraní na povrch je zloženie

zvarového kovu z 2/3 základný materiál a 1/3 je návarový prídavný materiál. Aby sa

predišlo takémuto značnému premiešaniu využívajú sa rôzne modifikácie navárania pod

tavidlom, ako sú napr. :

naváranie nezávyslým oblúkom, ktorý horí medzi dvomi elektródami,

naváranie pomocou trojfázového zdroja,

naváranie pomocou kombinovaného oblúka, kedy oblúk medzi elektródami

a základným materiálom je napájaný jednosmerným zdrojom a medzi

elektródami navzájom je napájanie zo striedavého zdroja,

naváranie pomocou metódy podávania studeného prídavného materiálu,

naváranie viacerými prídavnými drôtmi umiestnenými vedľa seba,

naváranie pomocou pásových elektród a iné.

Pri vibračnom naváraní horí oblúk s taviacou sa elektródou v ochrannom

prostredí. Dochádza k približovaniu a vzďaľovaniu sa elektródy od základného

materiálu a tým k natavovaniu na základný materiál. Elektrický oblúk je prerušovaný

v rytme vzďaľovania a približovania sa elektródy. Vibrácie sú vytvárané

elektromagneticky alebo mechanicky. Ochranným prostredím je kvapalina (voda -10 ÷

20 %, technický glycerín – 3 ÷ 4 %, kalciovaná sóda – 1 %, minerálny olej)

a v niektorých prípadoch aj plyn pričom najčastejšie ide o oxid uhličitý. Obyčajne

sa navára jednosmerným prúdom pri obrátenej polarite, kedy je kladný pól na elektróde

(Blaškovitš, 2006) .

Pri elektrotroskovom naváraní sa využíva elektrický oblúk na roztavenie

prídavného materiálu. Kovový a troskový kúpeľ sú formované v návarovej medzere

pomocou medeného kryštalizátora chladeného vodou. Troska sa zohrieva prúdom na

teplotu cca 2000 °C. Pri naváraní sa natavuje povrch súčiastky a dochádza k taveniu

prídavného materiálu, ktorého kvapky sa zlievajú s roztaveným základným materiálom

a vytvárajú kúpeľ (Blaškovitš, 2006).

30

3.4.3 Naváranie neodtavujúcou sa elektródou

Naváranie uhlíkovou elektródou je v dnešnej dobe už prakticky nevyužívaná

technológia. Voľbou vhodného tavidla, prídavného materiálu a pomocou doplnkov

a pomôcok je možné získať relatívne kvalitný návar. Pri atomickom naváraní (obr. 8)

ide o naváranie netaviacou sa elektródou v atmosfére vodíka. Oblúk horí medzi dvomi

wolfrámovými elektródami nezávisle od základného materiálu, ktorý nie je zapojený

v prúdovom okruhu. V oblúku pri striedavom prúde sa štiepia dvojatómové molekuly

vodíka na jednotlivé atómy, čo má za následok odnímanie tepla. Atómy sa vplyvom

nižšej teploty na okraji podkovitého tvaru oblúka opäť zlučujú do molekúl. Týmto

procesom sa znova uvoľňuje teplo a teplota okraja plameňa dosahuje hodnoty 4 000 až

6 000 °C. Vodík chráni elektródy aj natavený materiál. Ide o technológiu, ktorá sa

v dnešnej dobe využíva len zriedkavo (Bajda, 2005).

Obr. 8 Atomické naváranie (Bajda, 2005)

1 – základný materiál, 2 – netaviaca sa W elektróda, 3 – hubica, 4 – prívod plynu, 5

– prídavný materiál, 6 - prievlak

Pri TIG (Tungsten Inert Gas) naváraní (obr. 9) dochádza k zapaľovaniu oblúka

medzi wolfrámovou, resp. wolfrám-thoriovou netaviacou sa elektródou a základným

materiálom. Tavný kúpeľ je chránený inertným plynom pred účinkom atmosféry

a prídavný materiál sa privádza vo forme práškov, tyčiniek a drôtov do miesta návaru,

mimo hubicu horáka samostatne. Najvhodnejším použitím je jednosmerný zdroj

napájania, kedy je kladný pól zapojený na elektródu a záporný na základný materiál.

Výhoda pri tomto zapojení, i keď dochádza k väčšiemu úbytku elektródy vplyvom toho,

že kladná polarita je horúcejšia, je v tom, že sa dosiahne plytší a širší prievar, čo

31

znamená menší podiel základného materiálu v návare. Pri tejto technológii je možné

využiť aj striedavý zdroj napájania. Najčastejšie využitie je pre naváranie antikoróznych

materiálov pri základnej uhlíkovej alebo ušľachtilej oceli. Taktiež aj na naváranie

materiálov odolávajúcich abrazívnemu, adhezívnemu,  kavitačnému opotrebeniu

a v neposlednom rade aj na materiály, ktoré odolávajú zadieraniu pri posuvnom pohybe

(Bajda, 2005).

Obr. 9 TIG naváranie (Bajda, 2005)

1 – základný materiál, 2 – netaviaca sa W elektróda, 3 – hubica, 4 – elektrický

oblúk, 5 – inertný plyn, 6 – prídavný materiál, 7, 8 – teleso horáka, 9 – návar, Z –

zdroj

3.4.4 Naváranie aluminotermické

Bajda (2005) ho uvádza aj ako naváranie pomocou termitu, ktoré prebieha pri

redukcii oxidov železa hliníkom a získa sa prehriaty kov s teplotou cca 2200 °C, ktorý

je zdrojom tepla pre natavenie základného materiálu, ale aj ako prídavný materiál. Pri

reakcii sa vytvára aj troska Al2O3. Pre naváranie je využívaný veľmi málo. Jeho

výhodou je dostupnosť v teréne, a to napr. v miestach bez elektrickej energie. Využíva

sa najmä na zváranie koľajníc a betonárskych výstuží.

3.4.5 Naváranie plazmou

Ak sa vytvorí medzi wolfrámovou elektródou a chladenou triskou elektrický

oblúk, okolo ktorého sa bude viesť argón, dusík, vzduch alebo rotujúci vodný vír, dôjde

k vytvoreniu plazmového oblúka, ktorý sa vyznačuje veľkou energetickou hustotou

a teplotou (cca 25 000 °C). Ak horí oblúk medzi wolfrámovou elektródou (katódou)

32

a chladenou anódou hovoríme o neprenesenom oblúku (obr.10). Tento sa používa pri

nevodivých materiáloch a prevažne pri žiarových nástrekoch. Ak prenesieme kladný pól

na vodivý materiál a medzi wolfrámovou katódou a základným materiálom ako anódou

sa vytvorí plazmový oblúk, tak ide o prenesený oblúk. Využitie je na naváranie,

zváranie a tepelné delenie kovov a zliatin (Bajda, 2005).

Obr. 10 TIG naváranie (Bajda, 2005)

3.4.6 Naváranie laserom

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je

zariadenie, ktoré mení dodávanú energiu na energiu elektromagnetického žiarenia. Pri

naváraní je potrebná vysokokvalifikovaná obsluha. Jej využitie je napr. na opravu

lisovacích foriem. Prídavný materiál môže byť napr. vo forme práškov alebo drôtov

(Bajda, 2005).

33

2 Cieľ práce

Cieľom diplomovej práce je zistiť vplyv vybraných chemických prvkov na

zmenu odolnosti vybraných tvrdonávarových materiálov proti abrazívnemu

opotrebeniu. Na základe cieľu práce si stanovíme tieto čiastkové ciele:

Prehľad tvrdonávarových materiálov dostupných na slovenskom trhu,

Výber konkrétnych dvojíc tvrdonávarových prídavných materiálov, ktoré sa

budú porovnávať,

Realizácia navárania konkrétnych tvrdonávarových prídavných materiálov

Skúšanie daných tvrdonávarových prídavných materiálov podľa normy STN 01

5084.

34

3 Metodika práce a metódy skúmania

Prípravy a všetky merania skúšobných a etalónových vzoriek budú

uskutočňované na prístrojoch, ktoré sú dostupné v laboratóriách na Katedre kvality

a strojárskych technológií Technickej fakulty SPU v Nitre.

3.1 Charakteristika skúšaných vzoriek a metodika ich výberu

Výber vzoriek bol realizovaný s ohľadom na ich podobné chemické zloženie

a s ohľadom na podobnosť technológie navárania a parametrov pri naváraní. Z ponuky

prídavných materiálov od firiem pôsobiacich na slovenskom trhu boli vybrané

konkrétne dvojice na porovnanie, ktorých chemické zloženie a tvrdosť po navarení je

uvedená v tab. 3. Pre účely experimentu boli vybrané prvky, ktoré sa vyznačujú

vysokou afinitou k uhlíku a sú to Cr, B, Nb a V. Všetky vzorky sú prídavné

tvrdonávarové materiály na báze Fe-Cr-C. Elektródy OK83.28 (vápenato-bázická),

OK84.42 (rutil-bázická), FIDUR10/65 (rutilový obal) a FIDUR10/70 (rutilový obal) sú

obalené elektródy určené na ručné naváranie elektrickým oblúkom metódou SMAW.

Elektródy SEEHCr68, SEEHCrV67 a FLUXODUR62-0 sú trubičkové elektródy pre

naváranie metódou MOG. Ide o metódu bez použitia aktívneho alebo inertného plynu

v procese zvárania. Elektróda SE405T je trubičková elektróda pre ručné naváranie

elektrickým oblúkom metódou SMAW. Pri dvojici vzoriek pre pozorovanie vplyvu Nb

a V je rozdielnym prvkom aj Mn. Pri posudzovaní týchto dvojíc vzoriek je predpoklad,

že rozdiel v tomto prvku prioritne neovplyvňuje výslednú štruktúru návaru a tvorbu

karbidov a tým odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu, nakoľko Mn má nižšiu afinitu

k uhlíku ako Nb a V.

35

Tab. 3 Chemické zloženie a tvrdosť navárových materiálov

C Si Mn Cr V Nb B HRCpozorovanie vplyvu Cr

OK83.28 0,1 0,7 0,7 3,2 30OK84.42 0,12 0,5 0,5 13 39-45

pozorovanie vplyvu BFIDUR10/65 4,5 0,7 0,5 34 62-64FIDUR10/70 4,8 0,7 0,5 38 3 68-70

pozorovanie vplyvu NbSEEHCr 68 5,6 0,8 38 4,5 2 68-70SE405T 5,5 0,9 1,5 40 2 62-65

pozorovanie vplyvu VSEEHCrV67 5 1 22 10 66-68FLUXODUR62-0 5 1,1 2 27 57-62

3.2 Príprava vzoriek

Celkovo bude skúšaných osem druhov prídavných materiálov a pre každý druh

materiálu budú vyhotovené tri skúšobné vzorky z materiálu oceľ 11 373, na ktorú budú

aplikované jednotlivé prídavné materiály naváraním. Vzorky budú vyhotovené

s priemerom Ø10 mm a dĺžkou 30 mm z tyčového polotovaru pílením na príslušné

rozmery v celkovom počte 24 vzoriek. Týchto 24 základných vzoriek bude označených

pomocou číselných razidiel a kladiva, aby bola jasne rozlíšená každá vzorka ako

samostatná entita z celkového súboru. Okrem nich sa pripraví aj zopár vzoriek navyše,

ktoré budú využité na skúšanie a overovanie správnej voľby naváracích parametrov

pred naváraním vzoriek, ktoré sú určené pre skúšky.

Vzorky sa po navarení opracujú sústružením po obvode a brúsením čela vzorky

s použitím chladiacej kvapaliny, aby nedošlo k tepelnému ovplyvneniu navarenej

vrstvy. Opracovanie bude vykonané podľa obr. 11.

36

Obr. 11 Obr. 12 Tvar vzorky pre skúšku na brúsnom plátne

3.3 Naváranie

Pri jednotlivých prídavných materiáloch výrobcovia uvádzajú odporúčané

parametre napätia a prúdu pri naváraní. Pri voľbe parametrov navárania zrejme nebude

možné zohľadniť tieto výrobcom odporúčané hodnoty, nakoľko sa bude navárať na

veľmi malú plochu materiálu, kde by mohlo dôjsť k pretaveniu a znehodnoteniu vzorky,

na ktorú bude návar aplikovaný. Parametre navárania pre všetky technológie aplikácií

budú zvolené na základe priameho skúšania, kedy bude pozorované, či nedôjde

k nadmernému nataveniu vzorky a aký bude vzhľad navarenej vrstvy. Po skúšobnej

vzorke sa aplikuje s príslušnými parametrami návar na vzorku určenú pre ďalšie skúšky.

Vzorky budú umiestnené v prípravku (obr. 12), ktorý bude vyrobený z bežnej

uhlíkovej konštrukčnej ocele zvarenej metódou MAG. Voľba prípravku bude z dôvodu

stabilného umiestnenia vzorky pri naváraní aby nedošlo k jej pohybu, a tým k narušeniu

procesu navárania.

Doba a teplota sušenia prídavných materiálov bude zvolená na základe

odporúčaní výrobcov (tab. 4). Návary sa budú realizovať v troch vrstvách a jednotlivé

vrstvy budú aplikované na seba v časovom rozmedzí niekoľko sekúnd, kedy je materiál

ešte čiastočne natavený. Pri tvorbe jednotlivých vrstiev je potrebné aby prečnievali cez

okraj vzorky a pokrývali celú čelnú plochu. Pri všetkých technológiách aplikácie sa

použije zdroj HI-MIG 500P (obr. 13) s použitím jednosmerného prúdu a napätia

s kladnou polaritou na elektróde. Využitie zdroja je možné na základe jeho

univerzálnosti a použitia pre rôzne technológie aplikácie. Pri technológii navárania

MOG sa použije aj podávač drôtu TOP 504A s tlačným mechanizmom podávania drôtu

(push systém).

Obr. 13 Prípravok pre umiestnenie naváraných vzoriek

37

Obr. 14 Zvárací zdroj HI-MIG 500P (nastavenie zdroja pre technológiu MOG)

3.4 Meranie tvrdosti

Pred skúškou na brúsnom plátne je potrebné odmeranie tvrdosti na čele vzorky.

Tvrdosť vzoriek s navarenou vrstvou vzhľadom k ich veľkej tvrdosti bude zisťovaná

metódou Rockwell (stupnica C) podľa normy STN ISO 6508-1. Skúška sa bude robiť

vtláčacím telesom s diamantovým kužeľom, ktorého vrcholový uhol je 120°. Pred

zisťovaním tvrdosti na vzorke sa prístroj nakalibruje pomocou skúšobného materiálu,

pri ktorom je presne určená hodnota jeho tvrdosti. Po kalibrácii tvrdomera sa skúšaná

vzorka najskôr zaťaží predbežnou silou F0 (98,07 N) a dôjde k vniku do hĺbky ho.

Následne sa zaťaží o prídavné zaťaženie F1 (1373 N) a vplyvom zaťaženia vnikne do

materiálu o hĺbku h1. Celkové zaťaženie je potom tvorené zaťažením F (1471 N), pri

ktorom vnikne teleso do hĺbky h, ktorá je súčtom hĺbky h0 a h1. Celkové zaťaženie bude

pôsobiť po dobu približne 5 s. Výsledná hodnota tvrdosti sa určí odčítaním hodnoty

hĺbky trvalého vtlačku e na stupnici hĺbkomera. Meranie na čele bude vykonané na

troch miestach pre každú vzorku. Princíp procesu merania metódou Rockwell so

stupnicou C je znázornení na obr. 14.

38

Obr. 15 Princíp skúšky tvrdosti podľa Rockwella (Balla et. al, 2009)

Tvrdosť etalónových vzoriek bude zisťovaná metódou Vickers na základe

normy STN ISO 6507-1. Skúška sa bude robiť diamantovým vtláčacím telesom v tvare

štvorbokého ihlana, ktorého vrcholový uhol protiľahlých plôch je 136°. Pred

zisťovaním tvrdosti na vzorke sa prístroj nakalibruje pomocou skúšobného materiálu,

pri ktorom je presne určená hodnota jeho tvrdosti. Teleso sa bude vtláčať silou 10 kp (F

= 98,0665 N) po dobu približne 10 ÷ 15 s. Po odľahčení vtláčacieho telesa sa zistia

rozmery uhlopriečok podstavy vtlačku. Zo zistených hodnôt uhlopriečok vtlačku sa

vypočíta aritmetický priemer týchto uhlopriečok. Výsledná hodnota bude určená

pomocou vzťahu (2). Plocha vtlačku sa určí pomocou vzťahu (3). Meranie na čele bude

robené na troch miestach pre každú vzorku. Princíp procesu merania metódou Vickers

je znázornený na obr. 15.

HV =0,102 FA

=0,1022F sin 136 °

2u2 (2)

A= u2

2sin 136 °2

(3)

Kde: HV – tvrdosť podľa Vickersa

F – zaťaženie skúšobného telesa, N

A – plocha vtlačku, mm2

u – aritmetický priemer uhlopriečok vtlačku, mm

39

Obr. 16 Princíp skúšky tvrdosti podľa Vickersa (Balla et. al, 2009)

3.5 Skúška podľa STN 015084

Pred skúškou na brúsnom plátne bude uskutočnené odváženie hmotnosti každej

vzorky z celkového počtu 24 vzoriek s navarenou vrstvou a etalónových vzoriek.

Váženie bude vykonané na digitálnej váhe Precisa 205A SuperBall-series, ktorej

presnosť merania je na 0,0001 g . Príslušná digitálna váha je zobrazená na obr. 16.

Vyváženie váhy sa skontroluje pomocou indikátora vyváženia (vodováha), ktorý je jej

súčasťou. Pred samotným vážením a počas váženia sa podľa potreby vynuluje počítadlo

váhy s miskou bez uloženej vzorky (v prípade ak na displeji po odňatí vzorky je iná

hodnota ako 0 g). Vzorky budú pred vážením očistené a odmastené. Vkladanie na misku

váhy bude uskutočňované tak, že tesne nad miskou sa vzorka pustí, aby voľne dopadla

na misku. Robí sa to z dôvodu aby nedošlo k preťaženiu váhy možným kontaktom

s rukou. Po umiestnení vzorky na misku váhy je nutné počkať na ustálenie hodnoty

hmotnosti po dobu niekoľko sekúnd. Namerané hodnoty sa zapíšu ako hmotnosť vzorky

pred skúškou mo .

40

Obr. 17 Digitálna váha Precisa 205A

Pri skúške na brúsnom plátne sa použije korundové plátno so zrnitosťou 120

a s priemerom Ø 480. Tlak pre vzorky s priemerom Ø 10 je stanovený normou STN

015084 na hodnotu 0,02 až 0,50 N.mm-2. Maximálna klzná rýchlosť vzorky je 0,5 m.s-1

a radiálny posuv vzorky je 3 mm.ot-1. Tlak na vzorku sa vyvinie pomocou závažia,

ktorým sa zaťaží vzorka upevnená v upínacej hlavici. Z tlakov odporučených normou

bude vychádzané pri voľbe hmotnosti závažia. Najskôr sa vypočíta čelná plocha vzorky

Sv , ktorá bude vystavená opotrebeniu pomocou vzťahu (4).

Sv=π d2

4=π 102

4¿̇ 314

4=78,5 mm2(4)

Kde: d - priemer vzorky , mm

Hmotnosť závažia mz sa určí z predpísaných tlakov podľa normy pre daný

priemer vzorky na základe vzťahu (5).

41

mz=(Sv pz )

10=

(78,5 . 0,02÷ 0,50 )10

=1,57 ÷39,2510

=0,157 ÷3,925 kg (5)

Kde: pz - merný tlak pre vzorku , N.mm-2

Na brúsnom plátne budú najskôr odskúšané dve etalónové vzorky za sebou,

ktoré slúžia na overenie funkčnosti zariadenia. Cieľom je zistenie, či medzi nimi nie je

signifikantný rozdiel v opotrebení, ktorý by diagnostikoval zlú funkčnosť zariadenia.

Do skúšky sa výsledky z opotrebenia týchto dvoch predbežných vzoriek nebudú

započítavať. Brúsne plátno sa bude vymieňať po každej skúšanej vzorke za nové. Po

dvoch skúšobných vzorkách nasleduje vzorka s navarenou vrstvou. Pri skúške troch

vzoriek jedného druhu prídavného materiálu sa bude postupovať podľa matice 1-2-1-2-

1, kde 1 je skúšobná vzorka s navarenou vrstvou a 2 je etalónová vzorka. Každá vzorka

sa po skúške očistí a odváži. Namerané hodnoty sa zapíšu ako hmotnosť vzorky po

skúške m1. Skúšobné zariadenie na meranie opotrebenia na brúsnom plátne je zobrazené

na obr. 17.

Obr. 18 Skúšobné zariadenie podľa normy STN 015084 (STN 015084)

1 - otáčajúca sa vodorovná doska, 2 - brúsne plátno, 3 - skúšobná vzorka, 4 -

upínacia hlavica, 5 - závažie, 6 - hriadeľ pre radiálny posun, 7 - koncový vypínač.

Z hmotností vzoriek pred skúškou m0 a po skúške m1 sa určia hmotnostné úbytky

Δmi pre každú vzorku samostatne na základe vzťahu (6).

∆ mi=m0 i−m1 i(6)

Kde: m0i - hmotnosť i-tej vzorky pred skúškou , g

m1i - hmotnosť i-tej vzorky po skúške , g

42

Z hmotnostných úbytkov jednotlivých vzoriek Δmi sa určí priemerná hodnota

hmotnostného úbytku Δ m z troch skúšobných vzoriek (jeden druh prídavného

materiálu) na základe vzťahu (7).

∆ m=∆ m1+∆ m2+∆ m3

3(7)

Kde: Δm1 - hmotnostný úbytok prvej vzorky , g

Δm2 - hmotnostný úbytok druhej vzorky , g

Δm3 - hmotnostný úbytok tretej vzorky , g

Rovnakým spôsobom ako pri určení hmotnostného úbytku pre vzorku

s navarenou vrstvou, sa bude postupovať aj pri určení priemernej hodnoty

hmotnostného úbytku Δ mE pre etalónové vzorky.

Hodnota pomernej odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu sa určí na základe

vzťahu (8):

Ψ abr .=ΔmE

Δ m(8)

Pri určovaní mernej hmotnosti návarov vytvorených tavnou metódou, ako je to

v prípade prídavných materiálov použitých v tejto diplomovej práci, je obtiažne určiť

túto mernú hmotnosť z dôvodu, že pri navarovaní vrstiev danými technológiami nie je

možné jednoznačne určiť hranicu základného materiálu a navarenej vrstvy, nakoľko

dochádza k značnému premiešavaniu so základným materiálom. Táto skutočnosť

sťažuje vytvorenie vzorky, z ktorej by sa stanovila merná hmotnosť pre prídavný

návarový materiál. Z vyššie uvedených dôvodov sa nebude pri určovaní pomernej

odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu uvažovať s mernou hmotnosťou jednotlivých

prídavných materiálov.

Súčasťou vyhodnotenia výsledkov podľa normy STN 015084 je aj stanovenie

aritmetických priemerov zo zistených tvrdostí na čelách skúšobných a etalónových

vzoriek. Aritmetický priemer sa stanoví na základe vzťahu (9).

43

X=x1+x2+x3

3(9 )

Kde: x1, x2, x3 - namerané hodnoty tvrdosti (HRC a HV 30)

3.6 Vyhodnotenie meraní

Všetky zistené výsledky z meraní tvrdosti a odolnosti proti abrazívnemu

opotrebeniu budú vzhľadom k zabezpečeniu presných a korektných údajov zhodnotené

v programe Microsoft Office Excel. V tomto programe budú vytvorené vzťahy na

základe vzorcov, ktoré sú uvedené v metodike pod kapitolami 5.4, 5.5 a 5.6 . Grafy

budú vytvorené tiež v tomto programe. V grafe na vyhodnotenie nameranej tvrdosti

budú na osi x zobrazené jednotlivé druhy prídavných tvrdonávarových materiálov a os y

bude tvorená nameranými hodnotami tvrdostí. Okrem týchto hodnôt budú v grafe

znázornené aj minimálne a maximálne hodnoty tvrdostí, ktoré uvádza výrobca pre

jednotlivé prídavné materiály. V grafe na vyhodnotenie odolnosti proti opotrebeniu na

brúsnom plátne budú na osi x zobrazené jednotlivé druhy prídavných tvrdonávarových

materiálov a os y bude tvorená hodnotami pomernej odolnosti proti abrazívnemu

opotrebeniu pre jednotlivé materiály. V grafe bude zobrazený aj etalón. Výsledky budú

spracúvané na licencovanom software v učebných priestoroch na Katedre kvality

a strojárskych technológií Technickej fakulty SPU v Nitre.

Okrem toho sa bude určovať aj smerodajná odchýlka nameraných hodnôt

tvrdostí a hmotnostných úbytkov jednotlivých prídavných návarových materiálov

a etalónu. Smerodajná odchýlka sa stanoví na základe vzťahu (10).

σ=√ 1n∑i=1

n

( x i−x )2(10)

Kde: n - počet prvkov xi

xi - aritmetický priemer tvrdostí a hmotnostné úbytky jednotlivých vzoriek

prídavných materiálov a etalónu

x - aritmetický priemer tvrdostí a hmotnostných úbytkov prídavných materiálov

a etalónu

44

4 Výsledky práce

4.1 Proces navárania

V procese navárania sa postupovalo podľa metodiky uvedenej v kapitole 5.3 .

Na základe toho sa určili parametre navárania, ktoré sa použili na naváranie vzoriek

s priemerom Ø10.

Na nanesenie prídavných materiálov OK83.28, OK84.42, FIDUR10/65,

FIDUR10/70 a SE405T sa použila metóda navárania SMAW (Shielded Metal Arc.

Welding – ručné oblúkové zváranie). Na nanesenie prídavných materiálov SEEHCr68,

SEEHCrV67 a FLUXODUR62-0 sa použila metóda navárania MOG (Metal Open Gas

– zváranie taviacou sa elektródou bez plynu).

Pri technológii MOG výrobca uvádza naváranie bez ochranného plynu. Pri

naváraní sa pre každú vzorku vyskúšala aplikácia bez ochranného plynu a s ochranným

plynom FERROMIX C18 (18% CO2 v Ar). Návary s použitím inertného ochranného

plynu sa vizuálne javili ako lepšie, bez defektov a s lepšou priľnavosťou, než pri

aplikácii bez ochranného plynu. Na základe toho sa rozhodlo, aj napriek odporúčaniu

výrobcu, použiť inertný plyn pri naváraní na skúšobné vzorky. Pri technológii MOG sa

nastavila rýchlosť podávania drôtu a napätie oblúka. Prúd si zvárací zdroj reguloval

automaticky. Pri technológii SMAW sa nastavila hodnota prúdu a napätie oblúka si

zdroj reguloval automaticky. Parametre pri naváraní a podmienky sušenia, ktoré sa

použili pre jednotlivé prídavné materiály, sú uvedené v tab. 4 . Na obr. 18 je

znázornené naváranie trubičkovou elektródou ZSE405T.

Obr. 19 Proces navárania technológiou SMAW (trubičková elektróda ZSE405T)

45

Tab. 4 Parametre navárania, spôsob sušenia a druh technológie

U (V)

I(A)

Rýchlosť podávania

drôtu (m.min-1)

Doba sušenia

(h)

Teplota sušenia

(°C)

Technológia aplikácie

Priemer elektródy

(mm)

OK 83.28 76 86 -- 2 200 SMAW 3,2

OK 84.42 75 80 -- 2 200 SMAW 3,2

FIDUR 10/65 76 90 -- 2 200 SMAW 3,25

FIDUR 10/70 76 90 -- 2 200 SMAW 3,25

SEEHCr 68 20 159 3,1 -- -- MOG 1,6

ZSE405T 75 80 -- -- -- SMAW 6

SEEEHCrV67 20 142 3,1 -- -- MOG 1,6

FLUXODUR

62-0

26 103 3 -- -- MOG 1,2

4.2 Vyhodnotenie skúšok tvrdosti

Na čele každej skúšobnej vzorky, ktorá bola navarená príslušným prídavným

materiálom, sa po opracovaní vzorky podľa obr. 11 odmerala hodnota tvrdosti podľa

Rockwella (stupnica C) a Vickersa na základe metodiky, ktorú sme uviedli v kapitole

5.4 .

Aritmetické priemery tvrdostí jednotlivých vzoriek, aritmetické priemery pre

jednotlivé materiály X a smerodajné odchýlky nameraných hodnôt tvrdostí σHRC a σHV30

boli určené pomocou vzťahov (9) a (10), ktoré sú uvedené v metodike (kapitola 5.5

a 5.6). Namerané hodnoty tvrdostí a aritmetické priemery pre jednotlivé skúšobné

vzorky prídavných materiálov a etalónu sú uvedené v prílohe A. Aritmetické priemery

tvrdostí a smerodajné odchýlky pre jednotlivé prídavné materiály a etalón sú uvedené v

tab. 5. Priemerné hodnoty tvrdostí zistené pri meraní (pre jednotlivé typy návarov) sú

znázornené na obr. 20 modrou farbou. Šedými farbami sú znázornené minimálne

a maximálne hodnoty tvrdostí, ktoré udáva výrobca pre jednotlivé typy prídavných

materiálov.

Na meranie Tvrdosti podľa Rockwella bol použitý tvrdomer Lucznik, ktorý je

znázornený na obr. 19 .

46

Obr. 20 Tvrdomer Lucznik

OK 83.28

OK 84.42

FIDUR 10/65

FIDUR 10/70

SEEHCr 6

8

SE 405T

SEEHCrV 67

FLUXODUR 62-0

01020304050607080

29.0638.4

57.3 62.2 60.73 61.1 60.86 57.2

druh tvrdonávarového prídavného materiálu

tvrd

osť H

RC

Obr. 21 Hodnoty tvrdostí jednotlivých návarov

Najmenšiu hodnotu tvrdosti dosiahli materiály OK83.28 a OK84.42, nakoľko

ich obsah chrómu a najmä uhlíka je výrazne menší, než u ostatných prídavných

materiálov. Pri prídavnom materiály OK84.42 je 32,14 % nárast tvrdosti oproti

materiálu OK83.28. Je to spôsobené nárastom obsahu chrómu o 9,8 %. Pri prídavných

47

materiáloch OK83.28, OK84.42, SE405T bola dosiahnutá tvrdosť približne v úrovni

dolnej hodnoty tvrdosti stanovenej výrobcom. FLUXODUR62-0 dosiahol rozmedzie

minimálnej a maximálnej hodnoty stanovenej výrobcom (minimálnu hodnotu tvrdosti

stanovenú výrobcom prekročil len o 0,35 %). Pri zvyšných prídavných materiáloch je

hodnota tvrdosti výraznejšie rozdielna od výrobcom stanovenej minimálnej hodnoty.

Pre prídavný materiál FIDUR10/65 je hodnota tvrdosti o 8,20 %, pre FIDUR10/70

9,32 %, pre SEEHCr68 11,97 % a pre SEEHCrV67 8,45 % nižšia, ako výrobcom

stanovená minimálna hodnota. Tieto rozdiely sú zrejmé aj z obr. 20 . Tieto odchýlky od

výrobcom stanovených hodnôt môžu byť spôsobené rôznymi faktormi. Z faktorov,

ktoré vplývajú na konečné výsledky nemožno vylúčiť ani vplyv človeka pri naváraní,

opracovaní vzoriek a meraní. Pri všetkých týchto činnostiach má na konečný výsledok

vplyv veľké množstvo premenných. Zrejme jeden z najzásadnejších faktorov, ktorý mal

vplyv na zistené výsledky, bola samotná voľba parametrov, pri ktorých sa museli

prehodnotiť výrobcom stanovené hodnoty na základe toho, že sa naváralo na veľmi

malú čelnú plochu skúšobnej vzorky. Taktiež nie sú známe ani ďalšie podmienky, pri

ktorých výrobca naváral a zisťoval hodnotu tvrdosti.

Pri zhodnotení výrobcom stanovených hodnôt je zrejmé, že najväčší vplyv na

zvýšenie tvrdosti by mali mať prídavné materiály FIDUR10/70 (3 % B), SEEHCr68

(4,5 % Nb a 2 % B) a SEEHCrV67 (10 % V). Údaje, ktoré boli namerané tento

predpoklad potvrdzujú len z časti, nakoľko neboli dosiahnuté výrobcom stanovené

hodnoty a prídavný materiál SE405T (2 % B) s nižším obsahom legúr dosiahol

v porovnaní s prídavným materiálom SEEHCr68 0,61 % nárast a v porovnaní

s SEEHCrV67 0,39 % nárast tvrdosti. Jedine prídavný materiál FIDUR10/70 dosiahol

vyššiu tvrdosť v porovnaní s materiálom SE405T s 1,8 % nárastom tvrdosti. Zároveň

prídavný materiál FIDUR10/70 dosiahol najvyššiu hodnotu tvrdosti zo všetkých

skúšaných materiálov.

Jedným z ukazovateľov stálosti vlastností dosiahnutých pri opakovanom

naváraní jedného druhu prídavného materiálu je aj smerodajná odchýlka σ, ktorá udáva

hodnotu odchýlky tvrdostí dosiahnutých naváraním pri rovnakých parametroch a pri

rovnakom druhu prídavného materiálu. Najlepšia stálosť hodnoty tvrdosti bola

dosiahnutá pri materiáli SEEHCrV67 (σHRC = 0,685). Najhoršia stálosť hodnoty tvrdosti

bola dosiahnutá pri materiáli FLUXODUR62-0 (σHRC = 1,663).

48

Tab. 5 Vplyv chemických prvkov na tvrdosť a hodnoty smerodajnej odchýlky

Druh

skúšaného

materiálu

X HRC σHRC

Druh skúšaného

materiáluX HRC σHRC

vply

v C

r

OK83.28 29,06 1,030

vply

vN

b

SEEHCr68 60,73 0,831

OK84.42 38,4 0,831 ZSE405T 61,1 1,499

vply

v B

FIDUR10/65 57,3 1,089

vply

vV

SEEHCrV67 60,86 0,685

FIDUR10/70 62,2 1,010 FLUXODUR62-0 57,2 1,663

X HV 30 σHV30

ETALÓN 107,1 0,875

4.3 Vyhodnotenie skúšky odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu

podľa STN 015084

Vzorky boli pripravené a bola na nich vykonaná skúška odolnosti proti

abrazívnemu opotrebeniu na brúsnom plátne, na základe metodiky, ktorá bola uvedená

v kapitole 5.5 . Ako zaťaženie vzorky sa zvolilo závažie s hmotnosťou cca 2,512 kg,

ktoré vyvinulo merný tlak 0,32 N.mm-2. Pomerná odolnosť etalónového materiálu sa

stanovila na hodnotu 1, pretože bola prijatá ako základná veličina pre porovnávanie

prídavných tvrdonávarových materiálov na odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu.

Hmotnostné úbytky jednotlivých vzoriek Δm, priemerné hodnoty hmotnostných

úbytkov ∆ m, smerodajné odchýlky hmotnostných úbytkov σΔm a pomerná odolnosť

proti abrazívnemu opotrebeniu Ψabr. sa určili pomocou vzťahov (6), (7), (8) a (10), ktoré

sú uvedené v metodike (kapitola 5.5 a 5.6). Namerané hodnoty hmotnosti a hmotnostné

úbytky pre jednotlivé skúšobné vzorky prídavných materiálov a etalónu sú uvedené

v prílohe B. Priemerné hodnoty hmotnostných úbytkov, smerodajné odchýlky

hmotnostných úbytkov a pomerná odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu pre

jednotlivé prídavné materiály a etalón sú uvedené v tab. 6. Hodnoty pomernej odolnosti

proti abrazívnemu opotrebeniu pre jednotlivé druhy skúšaných materiálov sú

znázornené na obr. 22. Porovnávané dvojice tvrdonávarových materiálov sú znázornené

rovnakou farbou.

49

Na meranie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu bol použitý prístroj

s viazaným abrazivom (brúsne plátno), ktorý je znázornený na obr. 21.

Obr. 22 Prístroj na meranie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu s viazaným

abrazivom (brúsne plátno)

Pri tvrdonávarovom materiáli FIDUR10/70 bola dosiahnutá najnižšia hodnota

smerodajnej odchýlky z hmotnostných úbytkov (σΔm = 0,0004190), čo znamená, že daný

prídavný materiál má najnižší rozptyl hmotnostných úbytkov, a preto z hľadiska

merania opotrebenia na brúsnom plátne sú hodnoty hmotnostných úbytkov

najstabilnejšie. Pri tvrdonávarovom materiáli OK83.28 bola dosiahnutá najvyššia

hodnota smerodajnej odchýlky z hmotnostných úbytkov (σΔm = 0,0004190), čo znamená,

že daný prídavný materiál má najvyšší rozptyl hmotnostných úbytkov, a preto

z hľadiska merania opotrebenia na brúsnom plátne sú hodnoty hmotnostných úbytkov

najmenej stabilnejšie.

50

Tab. 6 Vplyv chemických prvkov na hmotnostný úbytok, odolnosť proti

opotrebeniu

Druh skúšaného materiálu ∆ m , ∆ mE

(g)Ψabr.

σΔm

(g)

vply

v C

r

OK83.28 0,2416 0,7211 0,009107

OK84.42 0,1882 0,9256 0,008916

vply

v B

FIDUR10/65 0,1253 1,3903 0,001606

FIDUR10/70 0,06167 2,8249 0,0004190

vply

vN

b

SEEHCr68 0,07107 2,4512 0,0008654

ZSE405T 0,1098 1,5870 0,007879

vply

vV

SEEHCrV67 0,06297 2,7665 0,002958

FLUXODUR62-0 0,1222 1,4251 0,002496

ETALÓN (12014.2) 0,1742 1 0,001203

OK 83. 28

OK 84.42

FIDUR 10/65

FIDUR 10/70

SEEHCr 6

8

SE 405T

SEEHCrV67

FLUXODUR 62-0

ETALÓ

N0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0.72110.9256

1.3903

2.82492.4512

1.5870

2.7665

1.42511.0000

druh skúšaného materiálu

pom

erná

odo

lnos

ť Ψab

r.

Obr. 23 Pomerná odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu Ψ jednotlivých

skúšaných materiálov

Z obr. 22 vyplýva, že najlepšiu odolnosť proti opotrebeniu na brúsnom plátne

dosiahol prídavný materiál FIDUR 10/70. Najhoršiu odolnosť proti opotrebeniu má

prídavný materiál OK83.28. Prídavné materiály OK83.28 a OK84.42 dosiahli dokonca

menšiu pomernú odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu ako etalón (oceľ 12014.2).

51

Z hľadiska vplyvu jednotlivých prvkov na odolnosť proti opotrebeniu z

dosiahnutých výsledkov vyplýva, že pri hmotnostnom obsahu 2 % bóru (materiál

SE405T) nemá tento obsah výrazný vplyv na zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu.

Nárast odolnosti proti opotrebeniu oproti materiálu bez obsahu bóru (materiál

FIDUR10/65) je len 14,15 %. Obsah bóru 3 % (materiál FIDUR10/70) však už spôsobil

103,2 % nárast odolnosti proti opotrebeniu oproti materiálu FIDUR10/65. Tento rozdiel

v obsahu bóru spôsobil najvýraznejší vplyv na zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu

spomedzi všetkých skúmaných prvkov.

Z porovnania prídavných materiálov s rôznym obsahom nióbu vyplýva výrazný

vplyv tohto prvku na zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu. Rozdiel v obsahu nióbu

4,5 % (materiály SE405T a SEEHCr68) spôsobil 54,46 % nárast odolnosti proti

opotrebeniu. Tento nárast je zrejme spôsobený vytvorením komplexných

karbidov prvkov Cr, B a Nb. Výrazný nárast odolnosti proti opotrebeniu je aj pri

materiáli SEEHCrV67. V porovnaní s materiálom bez obsahu vanádu

(FLUXODUR62-0) je to nárast o 94,13 %.

Je potrebné poznamenať, že u prídavných materiálov FIDUR10/65,

FIDUR10/70, SEEHCr68, SE405T, SEEHCrV67 a FLUXODUR62-0 bol prítomný

vysoký obsah chrómu (viac než 20 %), ktorý ovplyvňoval štruktúrne zloženie

tvrdonávarov a tým aj ich výsledné vlastnosti. Hodnoty obsahov chrómu vo všetkých

týchto materiáloch však boli takmer rovnaké, takže pri ich vzájomnom porovnaní je

možné jeho vplyv vylúčiť.

Z výsledkov tiež vyplýva, že samotný chróm, pri daných obsahoch (materiály

OK83.28, OK84.42), nemá takmer žiadny vplyv na zvyšovanie odolnosti proti

opotrebeniu. Zvýšený obsah chrómu v materiáli OK84.42 oproti materiálu OK83.28

spôsobil 28,36 % nárast odolnosti proti opotrebeniu.

Kremík, ktorý je obsiahnutý vo všetkých prídavných materiáloch je v prípade

materiálu OK84.42 dezoxidačnou prísadou (obsah do 0,5 %). Pri ostatných prídavných

materiáloch pôsobí okrem dezoxidácie aj ako legujúci prvok (obsah nad 0,5 %). Spolu

s uhlíkom podporujú tvorbu grafitu v navarenom materiáli.

Ďalším dezoxidačným prvkom je mangán (spolu s kremíkom zabraňujú tvorbe

oxidov v tavenine). Tento je obsiahnutý v prídavných materiáloch OK83.28, OK84.42,

FIDUR10/65, FIDUR10/70, SE405T a FLUXODUR62-0. Pri materiáloch OK83.28,

OK84.42, FIDUR0/65 a FIDUR10/70 pôsobí ako dezoxidačná prísada (obsah do 0,9

52

%). V prípade materiálov SE405T a FLUXODUR62-0 pôsobí aj ako karbidotvorný

prvok (obsah nad 0,9 %). Pri týchto prídavných materiáloch mangán vplýva na tvorbu

komplexných karbidov (legovaný cementit (FeMn)3C a karbidy chrómu).

Pri Bóre (2 %) v prídavnom materiáli SE405T zrejme nedošlo k naviazaniu sa

na uhlík v dostatočnej miere a nevytvoril s ním karbidy. Je predpoklad, že to bolo

spôsobené vysokým obsahom chrómu, ktorý sa majoritne naviazal na uhlík a vytvoril

karbidy. Pri obsahu bóru (3 %) pri materiáli FIDUR10/70 zrejme došlo k tvorbe

karbidov vplyvom bóru oproti materiálu SE405T (2 % B). Je predpoklad, že 3 % bóru

vytvorili samostatný typ karbidu alebo komplexný typ karbidu v spojení s ostatnými

karbidotvornými prvkami.

Niób (4,5 %) v prídavnom materiáli SEEHCr68 zrejme spôsobil tvorbu karbidov

s vyššou tvrdosťou, ako majú karbidy chrómu. Je predpoklad, že spôsobil tvorbu

špeciálnych karbidov, nakoľko patrí medzi prvky s najvyššou afinitou k uhlíku.

Prísada vanádu (10 %) pri prídavnom materiáli SEEHCrV67 spôsobila nárast

odolnosti proti opotrebenia oproti materiálu FLUXODUR62-0, ktorého štruktúra bola

zrejme tvorená len karbidmi chrómu. Vanád spôsobil zrejme tvorbu špeciálnych

karbidov, pretože patrí aj s nióbom medzi prvky s najvyššou afinitou k uhlíku.

Chróm pri prídavných materiáloch OK83.28 a OK84.42 zrejme nespôsobil

tvorbu karbidov alebo došlo k tvorbe len malého množstva. Je to možné jednak

z nízkeho obsahu chrómu a z druhej strany aj vplyvom nízkeho obsahu uhlíka

v prídavnom materiáli. Tieto materiály dosiahli nižšiu odolnosť proti opotrebeniu. Pri

prídavných materiáloch FIDUR10/65 a FLUXODUR62-0 došlo zrejme k tvorbe

komplexných karbidov MC.

Podľa normy STN 015084 je skúška na brúsnom plátne zaťažená strednou

kvadratickou chybou, ktorá obvykle nepresahuje hodnotu 10 %. Na konečné výsledky

malo vplyv aj množstvo iných faktorov, ktoré vplývajú na výsledky už pri procesu

navárania, až po samotnú skúšku na brúsnom plátne. V neposlednom rade malo vplyv

na konečné výsledky aj vyňatie hodnoty mernej hmotnosti pri vyhodnocovaní, ktoré

zaťažilo výsledky určitou konštantnou chybou.

53

5 Diskusia

Balla (1989) tvrdí, že pomer V/C nad 1 nie je z hľadiska zvyšovania odolnosti

proti abrazívnemu opotrebeniu účelný. Hodnoty ktoré boli zistené toto tvrdenie

vyvracajú, nakoľko pomer vanádu v prídavnom materiáli SEEHCrV67 k uhlíku je na

úrovni 2 a daný materiál vykazuje značnú odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu.

Nárast odolnosti proti opotrebeniu pri materiáli SEEHCrV67 v porovnaní s materiálom

FLUXODUR62-0 bez obsahu vanádu je 94,13 %.

Balla (1989) tvrdí, že pomer Cr/C v rozmedzí 1,8 ÷ 5 je neúčelný z toho

hľadiska, že odolnosť proti opotrebeniu vplyvom legúr sa prejavuje len málo. Hodnoty

ktoré boli zistené toto tvrdenie čiastočne vyvracajú, nakoľko pomer Cr/C pri prídavnom

materiáli FLUXODUR62-0 je 5,4 a odolnosť proti opotrebeniu je na dosť značnej

úrovni Ψabr. = 1,4251 (napr. v porovnaní s SE405T s prídavkom 2 % B je odolnosť proti

opotrebeniu menšia len o 11,36 %). Tak isto aj prídavný materiál FIDUR10/65, ktorého

pomer Cr/C je na úrovni 7,5 vykazuje dosť značnú úroveň odolnosti proti abrazívnemu

opotrebeniu Ψabr. = 1,3903. Naopak pri prídavných materiáloch OK83.28 a OK84.42 je

odolnosť proti opotrebeniu nízka. Ich pomer Cr/C je 32 a 108,3. Z tohto je možné

usúdiť, že pomer Cr/C pri materiáloch s nízkym obsahom uhlíka, nemá taký výrazný

vplyv na hodnotu odolnosti proti opotrebeniu, ako je to u prídavných materiálov

s vysokým obsahom uhlíka (FLUXODUR62-0, FIDUR10/65).

Suchánek et al. (2007) uvádza, že fyzikálne charakteristiky, ako je napr. pevnosť

medziatómových väzieb, má vplyv na odolnosť proti opotrebeniu pri niektorých

materiáloch. Tvrdí, že vďaka tomu rôzne zliatiny s rovnakou tvrdosťou, ale s rôznou

pevnosťou medziatómových väzieb majú rozdielne hodnoty odolnosti proti opotrebeniu.

Toto tvrdenie na základe zistených hodnôt odolností proti abrazívnemu opotrebeniu

a tvrdostí prídavných materiálov SEEHCr68, SE405T a SEEHCrV67 môžeme potvrdiť.

Pri týchto prídavných materiáloch je tvrdosť na čele vzorky od 60,73 do 61,1 HRC (v

rozmedzí len 0,37 HRC). Ale ich odolnosť proti opotrebeniu je výrazne odlišná. Napr.

odolnosť proti opotrebeniu pri prídavnom materiáli SEEHCrV67 je oproti materiálu

SE405T väčšia o 74,32 %. Pritom hodnota tvrdosti materiálu SEEHCrV67 je menšia

oproti SE405T len o 0,24 HRC. Podobne je to aj pri porovnaní s materiálom

SEEHCr68, ktorého odolnosť proti opotrebeniu je nižšia oproti materiálu SEEHCrV67

o 12,86 %. Ich rozdiel v tvrdosti na čele vzorky je 0,13 HRC. Z vyššie uvedených

hodnôt je zrejmé, že pri materiáloch SEEHCrV67 a SE405T má na ich odolnosť proti

54

opotrebeniu zásadný vplyv aj pevnosť medziatómových väzieb. Pri porovnaní materiálu

SEEHCrV67 a SEEHCr68 je tento vplyv menší. Odolnosť proti opotrebeniu pri

materiáli SEEHCrV67 je väčšia o 2,11 % oproti materiálu FIDUR10/70. Materiál

SEEHCrV67 má väčšiu tvrdosť o 1,34 HRC oproti materiálu FIDUR10/70. Z tochto

vyplíva, že oba materiály majú s veľkou pravdepodobnosťou rovnakú hodnotu pevnosti

medziatómových väzieb.

Význam výsledkov by bolo účelné zhodnotiť aj mikroskopickým pozorovaním,

ktoré by objasnilo niektoré príčiny v rozdielnych hodnotách odolnosti proti

abrazívnemu opotrebeniu. V tomto smere je aj naďalej potrebné venovať sa

pozorovaniu vplyvu legujúcich prvkov a aj obsahu jednotlivých prvkov, ktoré vplývajú

na proces abrazívneho opotrebenia.

55

6 Návrh na využitie výsledkov

Výsledky dosiahnuté v tejto práci je možné využiť v prevádzkových

podmienkach, kde by boli dané návary aplikované na funkčné plochy podliehajúce

dvojtelesovej abrazii. Pri určitých prídavných materiáloch v tejto práci je predpoklad

pre ich využitie aj v prostredí, kde okrem abrazívneho opotrebenia pôsobia aj korozívne

účinky. Je to zrejmé z vysokého hmotnostného obsahu chrómu, ktorý je obsiahnutý

u týchto konkrétnych prídavných materiálov.

Výsledky je možné využiť aj z hľadiska názornej ukážky vplyvu jednotlivých

chemických prvkov na výslednú odolnosť proti opotrebeniu. V doplnení

s mikroskopickým pozorovaním štruktúry jednotlivých návarov, by bola daná práca

hodnotnou pomôckou vo vyučovacom procese.

V neposlednom rade môže byť inšpiráciou pre ďalšie skúmanie v oblasti vplyvu

chemických prvkov u konkrétnych prídavných materiálov.

56

7 Záver

Ako už bolo spomenuté, abrazívne opotrebenie má najčastejší výskyt pri

súčiastkách aplikovaných pre potreby praxe. Tieto degradačné procesy sú každoročne

spojené s veľkými materiálnymi a finančnými stratami. Na zamedzenie týchto strát je

možné využiť množstvo renovačných technológií a širokú škálu prídavných materiálov.

Jednou z týchto technológií je aj tavný spôsob nanášania tvrdonávarov na

funkčné plochy súčiastok. Ide o technológiu s najdlhšou históriou, ktorá má široké

zastúpenie v prevádzkovej praxi.

Najdôležitejším faktorom, ktorý ovplyvňuje konečnú odolnosť tvrdonávarovej

vrstvy je chemické zloženie. Vplyvom chemického zloženia je možné ovplyvniť

štruktúru a výsledné vlastnosti nanesenej vrstvy.

Na základe toho, bolo cieľom tejto diplomovej práce zhodnotenie vplyvu

vybraných legujúcich prvkov na odolnosť proti opotrebeniu, na základe porovnania

konkrétnych prídavných materiálov. Porovnávaním konkrétnych materiálov sme

sledovali vplyv B, V, Nb a Cr. Z dosiahnutých výsledkov, ktoré sú zistené na základe

skúšania opotrebenia na brúsnom plátne podľa normy STN 015084 vyplýva:

Pomerne významný vplyv bóru na zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu. Obsah

3 % bóru priniesol 103,2 % zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu. Pritom stojí za

pozornosť, že obsah bóru 2 % priniesol iba nepatrné zvýšenie odolnosti proti

opotrebeniu.

Obsah vanádu tiež priaznivo ovplyvňuje odolnosť proti opotrebeniu. Pri obsahu

vanádu 10 % došlo k zvýšeniu odolnosti proti opotrebeniu o 94,13 %.

Vplyv nióbu na odolnosť proti opotrebeniu je menej výrazný. Pri obsahu 4,5 %

nióbu bolo dosiahnuté iba 54,46 % zvýšenie odolnosti proti opotrebeniu.

Vplyv chrómu na odolnosť proti opotrebeniu je nevýrazný. Pri rozdiele obsahu

chrómu 9,8 % bolo dosiahnuté iba 28,36 % zvýšenie odolnosti proti

opotrebeniu. Navyše tvrdonávarové materiály legované chrómom dosiahli nižšiu

odolnosť proti opotrebeniu ako etalónový materiál.

Pri určovaní pomernej odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu sme použili ako

etalón oceľ 12014.2 . Jej pomernú odolnosť sme stanovili na hodnotu 1, pretože bola

prijatá ako základná veličina pre porovnávanie prídavných tvrdonávarových materiálov

na odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu.

57

Z dosiahnutých výsledkov vyplýva, že špecifický obsah legujúceho prvku môže

mať výrazné účinky na zvyšovanie odolnosti proti abrazívnemu opotrebeniu.

58

8 Zoznam použitej literatúry

BLAŠKOVITŠ, P. - ČOMAJ, M. 2006. Renovácia naváraním a žiarovým striekaním.

1. vyd. Bratislava : STU v Bratislave, 2006. 204 s. ISBN 80-227-2482-3

ČIČO P. 2009. Údržba a oprava strojov. 1. vyd. Nitra : Slovenská poľnohospodárska

univerzita, 2009. 175 s. ISBN 978-80-552-0171-9

SUCHÁNEK, J. - KUKLÍK, V. – ZDRAVECKÁ, E. 2007. Abrazívní opotřebení

materiálů. Praha : [České vysoké učení technické], 2007. 162 s. ISBN 978-80-01-

03659-4

BALLA, J. 1989. Tribológia a tribotechnika. 3. nepreprac. vyd. Nitra : Vysoká škola

poľnohospodárska, 1989. 129 s. ISBN 80-85175-25-8

TOLNAI, R. 2007. Strojárska technológia. 4. nezmen. vyd. Nitra : Slovenská

poľnohospodárska univerzita, 2007. 319 s. ISBN 978-80-8069-842-3

BALLA, J. – MIKUŠ, R. – CVIKOVÁ, H. 2009. Náuka o materiáloch (návody na

cvičenia). 5. nezmen. vyd. Nitra : Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2009. 162 s.

ISBN 978-80-552-0165-8

ADAMKA, J. 1995. Vplyv štruktúry na odolnosť návarov proti abrazívnemu

opotrebovaniu. In TECHNOLÓGIA 1995 Bratislava : Slovenská technická univerzita,

1995, s. 396-399. ISBN 80-227-0782-1.

KOVAŘÍKOVÁ, Ingrid – BLAŠKOVITŠ, Pavel. 2007. Abrazívne opotrebenie. In

Strojárstvo extra, 2007, č. 3, s. 12-13.

BLAŠKOVIČ, P. - BALLA, J. – DZIMKO, M. 1990. Tribológia. 1. Vyd. Bratislava :

Alfa, 1990. 360 s. 24 cm. ISBN 80-05-00633-0

SKOČOVSKÝ, P. - BOKŮVKA, O. – KONEČNÁ, R. – TILLOVÁ, E. 2001. Náuka

o materiály pre odbory strojnícke. Žilina : Žilinská univerzita v Žiline, 2001. ISBN 80-

7100-831-1

SUH, N. P. 1986. Tribophysics. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1986. ISBN:

0139309837 New Jersey.

POPOV, V. S. – NAGORNYJ, P. L. 1969. Vlijanije karbidov na abrazivnuju

iznosostojkost splavov. Litejnoje proizvodstvo, 1969, č. 8

MIKUŠ, R. 2009. Zliatiny železa. In Konštrukčné materiály na báze Fe [prednáška na

CD ROM]. Nitra: Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2009, s. 6-9.

STN ISO 01 5050 Opotřebení materiálu (Názvosloví)

59

STN ISO 6508-1 : 2000. Kovové materiály. Skúška tvrdosti podľa Vickersa. Časť 1:

Skúšobná metóda (stupnice A, B, C, D, E, F, G, H, K, T, N)

STN ISO 6507-1 : 1997. Kovové materiály. Skúška tvrdosti podľa Rockwella. Časť 1:

Skúšobná metóda.

STN 015084 Stanovení odolnosti kovových materiálů proti abrazivnímu opotřebení na

brusném plátně

Materiály pro navařování Zander Schweiss technik. 2005 [online] Wirpo, s. r. o.,

aktualizované 2005. [cit. 2011-01-25]. Dostupné na:

<http://www.wirpo.cz/cs/c/tabulky/2-materialy-pro-svarovani-a-

navarovani.htm#sekce12>

Elektródy na naváranie. 2005. [online] Kjellberg Slovensko s. r. o., aktualizované 2005.

[cit. 2011-01-20]. Dostupné na: <http://www.kjellberg.sk/index.php?

ID=produkty&IDPR2=|23|24|39&CAT=39&>

Katalóg prídavných materiálov - výber (SK,PL,EN) OERLIKON. 2010. [online] Air

Liquide SK s.r.o., aktualizované 2010. [cit. 2011-01-26]. Dostupné na:

<http://www.airliquidewelding.sk/file/otherelement/pj/consumables%20catalogue

%20pl_sk62565.pdf >

BAJDA, M. a i. 2005. Navařování kovù. In Svět svaru [online] 2005. [cit. 2010-10-26].

Dostupné na: <http://www.hadyna.cz/svetsvaru/technology/Navařování_complete.pdf

>.

CHOTĚBORSKÝ, R. – HRABĚ, P. a i. 2009. Abrazívní opotřebení návarových

materiálů na bázi Fe-Cr-C. In Konstrukce [online] 2009. [cit. 2010-09-20]. Dostupné

na: ˂ http://www.konstrukce.cz/UserFiles/files/K/2009/abraz_01.pdf>.

60

9 Prílohy

61

Príloha A: Namerané tvrdosti a aritmetické priemery tvrdostí jednotlivých prídavných materiálov a etalónu

Druh skúšaného

materiálu

Číslo

vzorky

vzorky

Namerané hodnoty tvrdosti HRC,

HV30

Aritmetický

priemer tvrdostí

OK83.28

11 29 31 30 30

21 30 29 30 29,6

31 28 27 28 27,6

OK84.42

12 40 37 39 38,6

22 39 40 39 39,3

32 37 38 37 37,3

FIDUR10/65

13 57 58 57 57,3

23 56 55 57 56

33 59 58 59 58,6

FIDUR10/70

14 60 64 62 62

24 64 63 64 63,6

34 60 62 61 61

SEEHCr68

15 59 60 60 59,6

25 60 62 61 61

35 61 62 62 61,6

SE405T

16 58 59 60 59

26 60 65 62 62,3

36 63 61 62 62

SEEHCrV67

17 59 61 60 60

27 61 60 62 61

37 60 63 62 61,6

FLUXODUR62-0

18 54 56 55 55

28 55 60 58 57,6

38 59 60 58 59

ETALÓN (12014.2)

1 107 106 106 106,3

2 108 107 110 108,3

3 107 107 106 106,6

Príloha B: Namerané hmotnosti a hmotnostné úbytky jednotlivých prídavných materiálov a etalónu

Druh skúšaného

materiálu

Číslo

vzorky

Hmotnosť vzorky

pred skúškou

Hmotnosť vzorky

po skúške

Hmotnostný

úbytok

62

vzorky

m0 (g) m1 (g) 𝚫m (g)

OK83.28

11 19,2873 19,0582 0,2291

21 18,4283 18,1833 0,2450

31 18,2739 18,0233 0,2506

OK84.42

12 19,0062 18,8239 0,1823

22 18,2696 18,0688 0,2008

32 18,2953 18,1138 0,1815

FIDUR10/65

13 18,1591 18,0335 0,1256

23 17,5744 17,4473 0,1271

33 18,1383 18,0151 0,1232

FIDUR10/70

14 18,5863 18,5242 0,0621

24 18,8075 18,7464 0,0611

34 18,7716 18,7098 0,0618

SEEHCr68

15 20,1601 20,09 0,0701

25 20,8091 20,7369 0,0722

35 19,6524 19,5815 0,0709

SE405T

16 18,8605 18,7604 0,1001

26 18,3278 18,2084 0,1194

36 18,6164 18,5066 0,1098

SEEHCrV67

17 19,8789 19,8128 0,0661

27 19,9847 19,9209 0,0638

37 20,096 20,037 0,059

FLUXODUR62-0

18 19,514 19,3947 0,1193

28 19,8256 19,7036 0,1220

38 19,6936 19,5682 0,1254

ETALÓN (12014.2)

1 13,187 13,0125 0,1745

2 13,0526 12,8771 0,1755

3 12,9876 12,8150 0,1726

63