Tribologické aspekty navárania

1. Úvod.

Úspešnosť renovácie strojových častí technológiami navárania závisí predovšetkým od kvality navarenej vrstvy, ktoré so sebou nesie jej trvanlivosť a spoľahlivosť v prevádzkovom nasadení a na druhej strane ekonomickú výhodnosť.

Ak chceme zabezpečovať kvalitatívnu stránku renovácie obecne, musíme sa nevyhnutne zaoberať tribologickými vlastnosťami nanesenej vrstvy, teda vzájomným pôsobením kontaktných povrchov pri ich relatívnom pohybe a technológiou s tým spojenou.

Výber vhodnej vrstvy a technológie pre tribologické použitie sa práve riadi chovaním sa tribologickej dvojice v procese exploatácie. K tomu je nutné zaoberať sa skúmaním týchto vlastností , poznať ich vzájomné závislosti a na základe toho predpovedať možnosti prevádzkového použitia.

2. Tribológia navarených vrstiev.

Pri analýze chovania sa navarenej vrstvy väčších hrúbok /nad 1 mm/ pre súčiastku, ktorá pracuje v tribologickej dvojici môžeme vziať do úvahy Archardovu rovnicu opotrebenia (1) a napísať ju pre oblasť platnosti Hoockovho zákona v tvare: V/L=K.FN/?f

Kde V je opotrebený objem materiálu

L je dĺžka trecej dráhy

FN je normálové zaťaženie

?f je pevnosť v ťahu jedného z členov dvojice

Z interpretácie rovnice (1) potom vyplýva, že znižovanie objemu materiálu na trecej dráhe môžeme buď znižovaním zaťaženia, alebo zvyšovaním pevnosti navarenej vrstvy. Z hľadiska možných mechanizmov spevňovanie navarených vrstiev a ich príspevok k zvyšovaniu pevnosti sa dá uvažovať s týmito mechanizmami:

1/ tvorba dislokačnej štruktúry

2/ hranice zŕn

3/ cudzie atómy

4/ častice / kohezentné, nekohezentné, neusporiadanie 2. fáze v zrne, lamelárne neusporiadanie 2. fáze, hrubá dvojfázovosť/

5/ zvyšovanie, resp. znižovanie teploty

6/ rýchlosť plastickej deformácie a pod.

Cez tieto mechanizmy vieme efektívne znižovať objem opotrebeného materiálu.

Pretože však opotrebenie je nie vlastnosť materiálu, ale systému, musíme pri výbere materiálov k naváraniu s týmto uvažovať a tento analyzovať. Tu si vypomáhame modelovými výpočtami alebo fyzikálnym modelovaním.

3. Zvláštnosti tribológie u návarov.

Pri návaroch sa stretávame s odlišnosťami v navarenej strojovej časti. Predovšetkým pri naváraní strojových častí obyčajne navárame na základný materiál vrstvu, ktorá má odlišné chemické zloženie teda aj fyzikálne vlastnosti od základného materiálu súčiastky.

V dôsledku vysokého ohrevu a ochladzovania pri naváraní dostávajú sa do súčiastky napätia časové, ktoré po vychladnutí ostávajú v určitej hladine ako zvyškové. Tento výškový stav sa potom spočítava s napätiami od vonkajšieho zaťaženia a môže byť príčinou poruchy návaru, resp. celej navarenej strojovej časti.

Voľbou technológie navárania vieme tento stav ovplyvňovať a riediť.

4. Analýza mechanizmov opotrebenia.

Pri výbere návarových materiálov a ich aplikácii pre tvorbu povrchovej vrstvy, ktorá má odolávať opotrebeniu, je dôležité poznať vonkajšie účinky na povrchovú vrstvu a správne analyzovať mechanizmus jej opotrebenia.

Obraz 1 dokumentu opotrebenie ventilátorového mlyna pre mletie uhlia v elektrárni Nováky. Na schéme obr. 2 je znázornený mechanizmus drvenia a pohyb častíc uhlia po doskách ventilátorového mlyna. Vidieť tu veľmi názorne oblasť abrazívneho opotrebenia s rázmi na hranách dosiek a priľahlej zóny a časti erozívneho pôsobenia kĺzaním častíc v prúde vzduchu po ploche dosky.

5. Výber materiálov pre návary odolávajúce opotrebeniu.

Z príkladu sa dajú urobiť závery predovšetkým v tom, že pri väčšine trecích uzlov sa stretávame s viacerými mechanizmami opotrebenia. Z týchto dôvodov veľmi ťažko je možné redukovať opotrebenie len jedinou chemickou kompozíciou atakovaného povrchu. A tu sa práve výhodne naskytá príležitosť využívať návarové techniky, ktoré operatívne umožňujú vytvárať kompozitné vrstvy, vhodne nanesené proti pôsobiaci mechanizmom opotrebenia .

Ako príklad môžeme uviesť výrobu a obnovu dosiek ventikátorových mlynov pre mletie uhlia.

Na základe predchádzajúcich úvah o mechanizmoch pôsobenia častíc na dosky mlyna /obr. 2/ možno zvoliť podľa predchádzajúcich poznatkov a skúseností, že pre hranu dosky bude výhodné použiť návar s chemickým zložením:

C = 2,9%; Mn = 0,8%; Si = 2,8%; Cr = 14,5%; Mo = 1,5%; W = 4,0%; V = 1,1%; Cu = 1,0%

A na bočnú plochu dosky návar o chemickom zložení:

C = 1,6%; Cr = 12%; Mo = 0,5%; V = 0,2%.

Naváranie dosky vidieť na obr. 3. Prevádzkové skúšky z takto zhotoveným návarom poukázali zvýšenie životnosti zo súčasných 500 prevádzkových hodín na 980 hodín, čiže približne dvojnásobné zvýšenie životnosti mlyna.

Nakoniec treba zdôrazniť, ž pri výbere návarových zliatin a technológie navárania sa opierame o hodnoty koeficientov opotrebenia a optimalizujeme technológiu navárania vo vsťahu k požadovanej životnosti a spoľahlivosti tribologického uzla.

6.

Záver.

Na záver by som rád uviedol tú skutočnosť, že v súčasnom období má veľký význam širšie sa zaoberať otázkami aplikácie zváračských technológií pre naváranie, pretože tieto umožňujú veľmi efektívne šetriť základné materiály, suroviny a energiu, predovšetkým v oblasti údržby základných prostriedkov, najmä opakovaným nanášaním tvrdých vrstiev.

ŠPECIÁLNE METÓDY NAVÁRANIA

Špeciálne metódy navárania zakladajú sa na známych fyzikálnych princípoch. V podstate sa predovšetkým zameriavajú na zníženie tepelného a chemického ovplyvnenia základného/ naváraného/ materiálu a na zvýšenie kvality návarov.

Charakteristickým znakom špeciálnych metód navárania je podstatné zníženie spotreby tepelnej energie na jednotkovú dĺžku návaru. Okrem toho sa uplatňujú ešte nasledujúce technologické výhody: zníženie napätí a deformácií, zmenšenie tepelného ovplyvnenia naváraného materiálu, nové typy návarov umožňujú nové konštrukčné riešenia, naváranie materiálov, ktoré sa klasickými technológiami nedajú navárať, naváranie v ináč nedostupných miestach, nové chápanie technológie / univerzálne pružné linky na naváranie a pod./


Existujú dva vývojové smery navárania: metódy s vysokou hustotou výkonu / smerové energetické zdroje/ 104 až 109 W.cm-2 a metódy so zníženou spotrebou tepelnej energie.



Do druhej skupiny patria: naváranie plazmovým oblúkom, striekanie plazmovým oblúkom, naváranie elektrónovým lúčom, naváranie iónovým lúčom, naváranie laserovým lúčom.


V druhej skupine tepelnú energiu nahrádza iný druh energie / napr. mechanická/ alebo prívod tepelnej energie sa značne obmedzuje. Do tejto skupiny možno zaradiť napríklad naváranie tlakom za studena, naváranie explóziou kompaktných a práškových materiálov, naváranie trením, difúzne naváranie, naváranie ultrazvukovou energiou, naváranie metódou SINTER WELDING, vysokofrekvenčné naváranie, magnetoimpulzné naváranie, elektroimpulzné naváranie, elektroerozívne naváranie, elektrchemické naváranie, elektrokontaktné naváranie , magnetrónové naprašovanie, vysokofrekvenčné naprašovanie, depozícia koaxiálnymi a koľajnicovými plazmovými urýchľovačmi, reaktívne naparovanie, plazmové plátovanie a pod.

Defekty návarov


Vlastnosti danej zliatiny sú determinované jej chemickým zložením, do istej miery predchádzajúcim spôsobom výroby a tepelným režimom. Z hľadiska kvality povrchu návaru ­ trhliny, póry, - sa vedľa druhu základného materiálu významne ovplyvňuje tepelný režim a to ako teplota pred ohrevom, tak aj jej priebeh počas navarovania a po ohreve, t. j. tepelný režim po navarovaní.

Medzi najznámejšie defekty návarov patria trhliny. Tvorba trhlín je podmienená spolupôsobením dvoch faktorov. Aby vznikli trhliny , musí sa v materiály dostatočné machanicke napätie a ďalej materiál musí mať malú plasticitu.

Podľa pevnostných pomerov - pevnosti navarovaného kovu a pevnosti povrchových partií základného materiálu môžu trhliny iniciovat ako v návaroch, tak i v základnom materiály a to predovšetkým v tepelne ovplyvnenej zóne. Mechanické napätie a zároveň jeho úroveň môžu mať niekoľko príčin. Pri analýze procesu navarovania je účelné si všimnúť zároveň:

- veľkosť a tvar tavnej lazne. Obidve záležia hlavne na použitej technológií navarovania a na parametroch procesu navarovania, t.j. predovšetkým na tepelnom príkonu, rýchlosti navarovania, tepelných a fyzikálnych vlastnostiach materiálov, šírke základného materiálu a vôbec na vedení celého tepelného režimu počas navarovania. Tavnú lázeň je účelné rozdeliť na niekoľko častí. Na čelnej strane je tavná lázeň ohraničená množstvom tuhnutia. V strednej časti tak dochádza k istému zrovnomerneniu chemického zloženia pridávaného materiálu, ktoré sa však nasledovne porušuje v dôsledku difúznych i mechanických vplyvov tak ako postupuje navarovanie.

Je teda evidentné, že z hľadiska fyzikálne chemických reakcií niesu všetky miesta tavnej lázne rovnocenné. V celom objeme tavnej lázne dochádza predovšetkým k transportu taveniny v dôsledku tepelných vplyvov, predovšetkým sa uplatňujú i difúzne procesy. Podľa druhu technológií ( navarovanie plameňom alebo elektrickým oblúkom) je intenzita týchto procesovrôzna, pritom niekedy sa ich vplyvy kumulují, inokedy sa do istej miery rušia. Kov v tavnej lázni nieje preto v kľude, ale pohybuje sa v rôznych rýchlostiach a smeroch. Tieto pohyby umožňujú prenos tepla a hmoty vo vnútri tavnej lázni. Prúdenie je vyvolané tepelnými a mechanickými účinkami tepelného zdroja, pri navarovaní elektrickým oblúkom k tomu pristupujú i elektromagnetické sily.

Postup pri navarovaní práškových prídavných materiálov a podstata spoja

Navarovanie práškovými prídavnými materiálmi v porovnaní s navarovaním pomocou tyčiniek má nevýhodu v tom, že dochádza k roztrhnutiu materiálu i mimo oblasti navarovanej plochy. Tieto straty sú spôsobené tým, že posun prášku z horáku sa nedá regulovať a je daný výtokovým otvorom. Dopadový kužeľ prášku je možné meniť vzdialenosti horáku od materiálu. Pri navarovaní je nutné zachovať nasledujúci postup:

1) Príprava navarovaného materiálu ­ Zásadne j nutné navarovať na kovovo čistý povrch. Vhodné sú odmastené povrchy po triskovom opracovaní alebo povrchy otryskané. Pri renovácií plôch, ktoré boli namazané, je niekedy vhodné celú súčasť pred vlastnou prípravou povrchu vyhriať na teplotu cca 250 C a potom neskôr uskutočniť mechanické opracovanie povrchu.

Pri navarovaní plôch, ktoré boli predtým podrobené chemicko - tepelnému spracovaniu ( nitridace, cementovaniu), je nutné najskôr tieto vrstvy odstrániť, inak je nebezpečenstvo výskytu chýb pri vlastnom navarovaní.

2) Predohrev základného materiálu. Jeho výšku volíme s ohľadom na chemické zloženie základného materiálu a rozmer súčasti. Všeobecne platí, že s rastúcou teplotou predohrevu si uľahčujeme prácu ( je menší odraz prášku od základného materiálu); na druhej strane však je nebezpečenstvo zakujení navarovanej plochy, čím sa vylúči kvalitný spoj návaru so základným materiálom. Všeobecne platí, že teplota predohrevu sa pohybuje v rozmedzí cca 200 ­ 500 C, pričom niššia teplota sa volí u materiáloch, hrozí nebezpečenstvo zakujení, vyššie teploty pri navarovaní na viac legované základné materiály.

3) Po predohreve nasleduje vytvorenie tzv. protioxidačného nastreku. Jeho účelom je pokrytie celej navarovanej plochy nastaveným práškom. Táto súvislá vrstva naštšikaného prášku chráni pri ďalšom zvýšení teploty základný materiál pred oxidáciou. Spoj tejto nastriekanej vrstvy so základným materiálom je iba mechanický ( pri prelete plameňom sa jednotlivé čiastočky prášku natavia a pri dopadu na základný matreiál sa iba mechanicky zakotvia.

4) Ďalšia operácia je pretavenie protioxidačného nástreku. Tým sa vytvorí na povrchu navarovanej súčasti kompaktná vrstva, ktorá dostatočne môže chrániť základný materiál pred oxidáciou aj za vyšších teplôt.

5) Nasleduje vytvorenie vrstvy o požadovanej šírke. Tu môžeme nanášať buď postupne ( t. j. postupne nastriekávanie vrstiev a ich pretavovanie alebo naraz ).

Technológie navarovania pomocou práškových prídavných materiálov do istej mieri navarovania špeciálnych zliatin na báze kobaltu (pri navarovaní kyslíkoacetylénovým plameňom) alebo spájaním. Hĺbka, v ktorej dochádza k zmene chemického zloženia sa pohybuje okolo 0,1 mm.

Navarovanie pomocou práškových prídavných materiálov, aj keď sa používa prídavný materiál s nižšou taviacou teplotou, má prirodzene za následok tepelné ovplyvnenie základného materiálu. Pri tomto navarovaní dochádza v mieste spojenia základného materiálu k ohrevu na teplotu 1000 C. štruktúra základného materiálu sa preto bude meniť a to v závislosti na veľkosti ohrevu a vzdialenosti. U materiálov tepelne spracovaných pôjde o zmenu v tom smere, že vysokým ohrevom a pomalým chladnutím sa zmení štruktúra.

V závislosti na rýchlosti chladnutia a predchádzajúcim stavom tepelného spracovania sa môže v prechodovej oblasti zvýšiť i znížiť tvrdosť a pod.

OTERUVZDORNÉ MATERIÁLY POUŽÍVANÉ PRI RENOVÁCIÍ.

Navarovanie je jednou z rady technológií, ktorú môžeme použiť k tomu, aby sme opotrebenej súčasti vrátili pôvodný tvar a rozmery, prípadne môžeme touto technológiu vytvoriť súčasť s rozdielnymi vlastnosťami ich povrchových častí a jadra súčasti. Efektívnosť použitia tejto technológie závisí na niekoľkých faktorov, ako sú cena renovovanej súčasti, pracnosť jej výroby, veľkosť opotrebenia, rozmery súčasti, použitá technológia navarovania, cena použitého renovovaného materiálu, jeho dostupnosť, dostupnosť navarovacieho zariadenia atď.

Medzi týmito rôznorodými a niekedy i protichodnými hľadiskami a požiadavkami má významné miesto správna voľba navarovacieho materiálu. Zatiaľ nemáme k dispozícií takéto metódy skúšania, ktoré by nám bez zbytkov reprodukovali prevozné namáhanie a preto sa uchyľujeme k rôznym zjednodušeniam. Pri nich charakterizujeme odolnosť danej zliatiny proti konkrétnemu druhu namáhania a na jej chovanie v provozu potom usudzujeme z týchto ďalších hľadísk. Aj keď sa môže zdať, že takýto prístup je príliš vzdialený chodu, je nutné si uvedomiť, že v prevadzke niesu vždy reprodukovatelné podmienky, niekedy niesu tieto podmienky ani presne známe. Preto je účelné prevádzať laboratórne skúšky, ktore vďaka svojej reprodukovatelnosti umožňujú vzájomne porovnať vhodnosť konkrétnej zliatiny pre daný účel použitia.

Technológia navarovania

V posledných rokoch bolo vyvinutých veľa modifikácií klasických technológií navarovania. U nás sú pomery v tejto oblasti obmedzenejšie. S ohľadom na dostupnosť jednotlivých technológií i na prevedenej práci sa v tomto príspevku zaoberame prevažne výsledkami skúšok domácich navarovacích zliatin. Ďalej pre ilustráciu uvádzam i výsledky skúšok prevedených na niektorých dovozených práškových prídavných materiálov.

Stručná charakteristika základného spôsobu navarovania

Takmer všetky technológie navarovania vychádzajú z niektorého z troch základných princípoch. Sú to:

* navarovanie pomocou elektrického oblúka
* navarovanie pomocou plamenných horákov
* navarovanie pomocou práškových prídavných materiálov. Aj keď posledný z hora uvedených spôsobov je možné zaradiť do niektorého

z predchádzajúcich, uvádzame tu túto technológiu samostatne pre niektoré jej špecifické rysy.

Navarovanie pomocou elektrického oblúka.