prof.dr.sc. Vera Rede Zavod za materijale Metalni materijali otporni trošenju akademska godina: 2017./2018. 1
Metalni materijali otporni trošenju 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 2
Trošenje nastaje kao rezultat složenih interakcija između elemenata sustava pod djelovanjem dinamičkog opterećenja Shema tribosustava 3
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. 4
Suvremeni čelici otporni na trošenje Kemijski sastav (za ploče debljine 8 mm) Hardox 400 kemijski sastav Hardox Švedska HTK Poljska RAEXAR 400 Finska FORA 400 - Belgija -Nizak sadržaj ugljika -Precizno definirani udjeli i vrsta legirnih dodataka Mora osigurati dobru zavarljivost, čvrstoću, tvrdoću i otpornost na abrazijsko trošenje. Dinamička izdržljivost i otpornost na krhki lom trebaju biti što više. Za isti čelik sastav se može razlikovati s obzirom na dimenzije poluproizvoda.
Mikrostruktura visoka čistoća ulaznih komponenti i napredni metalurški procesi - nema štetnih uključaka u mikrostrukturi (bolja Rd) Mikrostruktura nakon popuštanja Hardox 500: vrlo homogena; sitnozrnati, finoigličasti martenzit + fini koherentni karbidi Površina loma - ispitivano na -40 C Mikrostruktura ovih čelika može biti i drugačija: HTK 700 ima mikrostrukturu M+B+F
Mehanička svojstva (za ploče debljine 8 mm) Ovisnost lomne žilavosti o temperaturi
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 Jedinični događaj adhezije 8
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 9
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 10
Površina čeličnog prstena nakon neuspješnog uhodavanja s isto takvim prstenom Veliki prijelaz materijala s jednog prstena na drugi 11
Klizno trošenje kočne papuče od sivog lijeva 12
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 Jedinični događaj umora površine 13
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). 14
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) 15
Prerani površinski umor reduktorskog zupčanika zbog neodgovarajuće toplinske obrade 16
Odnesen materijal s cementitnog zupčanika podmazivanog uljem Čelik 20MoCr4 17
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 Jedinični događaj abrazije 18
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, e, 400HV K e (Cr 7 C 3 ) Kvarc SiO 2 Integralna tvrdoća: 477 do 860 HV Najbolja kombinacija HV i URL od svih BTL ~1400HV ~1200HV Ovaj BL moguće je obrađivati rezanjem (keramički alat) jer su karbidi nepovezani, za razliku od nelegiranog BL 19
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 20
21
22
Košuljica isplačne pumpe kod koje je došlo do razaranja površinskog sloja umorom površine zbog nepravilno izvedenog površinskog kaljenja 23
Zatupljenje reznog vrha lopate bagera Nakon mjestimično preranog istrošenja prednje rezne oštrice, odnesen je navareni zaštitni Fe-Cr-C sloj. Istrošenje je nastalo zbog višeg udjela grubozrnatih čestica šljunka. 24
Brazde na boku zuba pogonskog zupčanika traktora 25
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). Shema procesa erozije česticama Relativno gibanje se može opisati kao strujanje. 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 sljedećoj slici. 26
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 razaranje površine otkidanjem djelića materijala u obliku čestice trošenja Ovisno o veličini kuta α (kut udara) imati ćemo sljedeće mehanizme trošenja: mali α ABRAZIJA veliki α UMOR POVRŠINE 27
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 28
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 29
Erozija krutim česticama na rotoru parne turbine (oksidi otkinuti s radnih površina nošeni strujom pare) 30
Lopatica pjeskarilice istrošene erozijom česticama kvarcnog pijeska 31
Uzdužni žljebovi na cijevi za transport krutih tvari Materijal: poboljšani čelik E360 Medij: mješavina vode i pijeska 32
Stvaranje nabora na površini spiralnog kućišta rotacijske pumpe izrađenog od feritno-austenitnog čeličnog lijeva Medij: 95%-tna H 2 SO 4 s 4% krutih čestica Fe 2 SO 4, Al 2 (SO) 4 i MgSO 4 33
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 34
Relativna otpornost nekih materijala na eroziju kapljevinom 35
Mjera za izbjegavanje erozije kapljicama je izbor materijala dovoljne dinamičke izdržljivosti Dobro: 1. Steliti (legure s 50% Co) lijevani Navareni naštrcani Steliti Co-Cr legure s još 4 do 6 % LE -tvrde, žilave, korozijski postojane i toplinski otporne legure Loše: 1. Čelik (α +P) npr. cjevovod Sisak 36
Prerani umor površine nezaštićenog dijela lopatice parne turbine Zaštita lopatice parne turbine stelitnim pločicama 37
Poprečni grebeni na vodenoj strani cjevovoda, čelik 13CrMo 4-4 38
Krateri s rupicama i šupljinama ispod površine na limenom dnu spremnika za odmašćivanje čelika Materijal: čelik S235 39
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. 40
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 41
Kavitacijska erozija izazvana strujanjem rashladnog medija na košuljici cilindra brodskog motora 42
Kavitacijska erozija rotora centrifugalne pumpe Kavitacijska erozija propelera 43
Hvala na pažnji! 44