MATERIJALI OTPORNI TROŠENJU - MOT Uvod o trošenju Procesi trošenja prisutni su u prirodi gdje god postoje dva dijela materije u relativnom gibanju (dinamički kontakt). Neki od tih procesa su tako polagani da ih redovito ne primjećujemo (npr. trošenje naših vlastitih zglobova). U tehnici se bavimo onim procesima trošenja koji predstavljaju problem jer dovode do neželjenog smanjenja ili prestanka funkcije tehničkih sustava 1
MATERIJALI OTPORNI TROŠENJU - MOT Trošenje nastaje kao rezultat složenih interakcija između elemenata sustava pod djelovanjem dinamičkog opterećenja Slika 1. Shema tribosustava 2
Otpornost trošenju = f ( 1, 2, 3,., v, F,.)= f (tribosustav) Ne postoji univerzalni materijal otporan trošenju!!! Kako se boriti protiv trošenja : Izborom materijala Inženjerstvom površine Konstrukcijskim rješenjima podmazivanjem, itd. 3
Adhezija Adhezijsko trošenje karakterizira prijelaz materijala s jedne klizne plohe na drugu pri relativnom gibanju, a zbog procesa zavarivanja krutih faza. Mikrozavarivanje Raskidanje mikrozavarenog spoja Otkidanje čestice Slika 2. Jedinični događaj adhezije 4
Za materijale koji nisu skloni stvaranju mikrozavarenih spojeva kažemo da su INKOMPATIBILNI i to je osnovni zahtjev na materijale tarnog para u slučaju kada postoji opasnost od adhezije. Inkompatibilnost se može definirati samo kao svojstvo tarnog para a ne materijala pojedinačno. Na inkompatibilnost povoljno utječu razlike u kemijskom sastavu i kristalnoj strukturi površina u kontaktu 5
Dobro: 1. Čelik/ležajni materijal 2. Nitriranje, CVD, PVD 3. Keramika/keramika (male sile npr. žiroskop u svemirskim letjelicama) Loše: 1. Ferit/ferit (kotač/kočna papuča) 2. Ferit/austenit (matica/vijak zasuna) 3. Austenit/austenit 6
7
8
Umor površine Umor površine je odvajanje čestica s površine uslijed cikličkih promjena naprezanja. Stvaranje mikropukotine, redovito ispod površine Napredovanje mikropukotine Ispadanje čestice trošenja, obično oblika pločice ili iverka Slika 3. Jedinični događaj umora površine 9
Mikroskopske pukotine nastaju na mjestu maksimalnog smičnog naprezanja. Mikroskopske pukotine već postoje u materijalu (razni defekti) ili tek nastaju djelovanjem promjenjivog opterećenja na gibanje i gomilanje dislokacija. Otpornost na umor površine naziva se i DINAMIČKA IZDRŽLJIVOST POVRŠINE. Ovisi o otporu gibanju dislokacija, a na njega utječe veliki boj čimbenika (npr.: podpovršinski koncentratori naprezanja, površinske pogreške, diskontinuteti u geometriji dodira, itd). 10
Dobro*: Loše: 1. Cementirani čelik 2. Kaljeni čelik 3. ADI (izotermički poboljšani nodularni lijev) 1. Pogrešno toplinsko obrađeni čelici (npr. zaboravljeno kaljenje) 2. Nitriranje (za visoka naprezanja) *Sve ovisi o naprezanjima. Npr. dobra rješenja su i: Polimerni zupčanici (samo prijenos gibanja) Keramički kuglični ležajevi (svemirska tehnika) 11
12
13
Abrazija Abrazija je trošenje istiskivanjem materijala, uzrokovano tvrdim česticama ili tvrdim izbočinama Više od 50% svih slučajeva (troškova) trošenja! Prodiranje abraziva (a) u površinu materijala (1) pod utjecajem normalne komponente opterećenja F N Istiskivanje materijala u obliku čestica trošenja (č) pod utjecajem tangencijalne komponente opterećenja F t Slika 4. Jedinični događaj abrazije 14
Osnovni uvjet da dođe do abrazije je da postoji tvrđi element, to jest da je H a >H m Prema tome osnovi zahtjev na materijal u pogledu otpornosti na abrazivno trošenje je TVRDOĆA. Dobro: H a <H m 1. Bijeli lijev s ~3%C; 15%Cr i 3%Mo, γ e + γ, 400HV K e (Cr 7 C 3 ) Kvarc SiO 2 ~1400HV ~1200HV Ovaj BL moguće je obrađivati rezanjem (keramički alat) jer su karbidi nepovezani, za razliku od nelegiranog BL 15
Prije navedeni BL ima najbolju lomnu žilavost od svih bijelih lijevova (~800 N/mm 3/2 ) 2. Navarivanje elektrodama* koje daju sličan satav i strukturu navara kao pod 1 * Proizvodi ih i Elektroda Zagreb. Važan je sastav (~3% C, ~15%Cr) odnosno struktura (Cr 7 C 3e ), a ne HRC! Ovo će biti na vježbi! 3. Boriranje (~1800HV) 4. Vanadiranje (~2800HV) 5. PVD, CVD (samo za niska naprezanja) Loše: H a >H m Npr.: SiO 2 α c 1200HV 800HV 16
17
18
19
20
21
Slika 5. Shema procesa erozije česticama Erozija krutim česticama Erozija česticama je gubitak materijala s površine krutog tijela (1) zbog relativnog gibanja (strujanja) fluida (3) u kojem se nalaze krute čestice (a). Relativno gibanje se može opisati kao strujanje. Postoji slijedeći stupanj opasnosti od pojedinih mehanizama trošenja: Abrazija vrlo visoki Umor površine -visoki Budući da osim mehanizma abrazije i procesima erozije krutim česticama značajan i mehanizam umora površine, njihovi učinci i utjecaji različitih čimbenika opisuju se na razini jediničnog sudara čestica s trošenom površinom, što je prikazano na slijedećoj slici. 22
Slika 6. Jedinični sudar krute čestice s trošenom površinom Upad krute čestice trošenja određenom brzinom gibanja i pod određenim kutom, te njezin sudar s trošenom površinom materijala Odbijanje krute čestice od trošene površine uz prateće razerenje površine otkidanjem djelića materijala u obliku čestice trošenja Ovisno o veličini kuta α(kut udara) imati ćemo slijedeće mehanizme trošenja: mali α ABRAZIJA veliki α UMOR POVRŠINE 23
Na narednim slikama prikazano je kako duktilni matreijali, kao metali i legure, postižu najveći stupanj erodivnosti pri manjim kutevima udara, npr. 15 O -30 O. Za razliku od njih, krkhi materijali kao npr. staklo, keramika najveće vrijednosti postižu kod većih kutova, tj oko 90 O 24
Dobro: 1. Pjeskarilica Unutrašnje stjenke komore obložene gumom zbog velikog kuta udara α Sapnica u odnosu na obrađeni materijal je pod malim kutem udra α, jer se obrađuje tvrdi metal Loše: 1. Čelik otporan trošenju npr HARDOX 25
26
27
28
29
Erozija kapljevinom Erozija kapljevinom je trošenje izazvano strujanjem kapljevine ili plina s kapljicama. Slično kao kod erozije česticama ali bez krute faze! Zato je isključen abrazijski mehanizam trošenja, a ostaje umor površine kao najopasniji mehanizam trošenja. Umor površine postaje problem tek kada su brzine sudara iznad 100m/s, tada govorimo o kapljicama koje udaraju u trošeni materijal. Ako je brzina 3m/s govorimo o mlazu Pokazatelj otpornosti na trošenje je DINAMIČKA IZDRŽLJIVOST POVRŠINE. Karakteristični primjeri erozije kapljevinom su: lopatice parnih turbina zrakoplovi 30
Slika 8. Relativna otpornost nekih materijala na eroziju kapljevinom 31
Mjera za izbjegavanje erozije kapljicama je izbor materijala dovoljne dinamičke izdržljivosti Dobro: 1. Steliti (legure s 50% Co) lijevani Navareni naštrcani Loše: 1. Čelik (α +P) npr cjevovod Sisak 32
33
34
35
Kavitacijska erozija Kavitacijska erozija je trošenje krutog tijela pri strujanju kapljevine u kavitacijskom režimu tj., uz nastajanje i naglo implodiranje mjehurića pare što izaziva visoke lokalne udarne tlakove ili temperature. Relativno gibanje može se opisati kao strujanje. Mogući su slijedeći mehanizmi trošenja: umor površine jako visoki utjecaj tribokorozija niski utjecaj Pokazatelj otpornosti na trošenje je DINAMIČKA IZDRŽLJIVOST POVRŠINE. 36
Mjere za izbjegavanje kavitacijske erozije: konstrukcijske mjere izbor materijala dovoljne dinamičke izdržljivosti površine dodavanje aditiva za smanjenje napetosti površine tekućine Dobro: 1. Materijali s što većim R d npr. za propelere sivi lijev bronca nehrđajuči čelik: austenitni martenzitni niski R d smjer razvoja visoki R d 37
38
39