MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2010 VLADIMÍR DVORSKÝ

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Degradace strojních součástí opotřebením Bakalářská práce Vedoucí práce: doc. Ing. Josef Filípek, CSc. Vypracoval: Vladimír Dvorský Brno 2010

3 Mendelova univerzita v Brně Ústav techniky a automobilové dopravy Agronomická fakulta 2009/2010 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor: Vladimír Dvorský Zemědělská specializace Provoz techniky Název tématu: Degradace strojních součástí opotřebením Rozsah práce: s. Zásady pro vypracování: 1. Obecný rozbor poruchovosti strojních součástí. 2. Volba materiálu pro stroje a zařízení z hlediska odolnosti proti opotřebení. 3. Vztah mezi chemickým složením, strukturou, tvrdostí a odolností proti opotřebení. 4. Proveďte laboratorní a provozní zkoušky opotřebení vybraných materiálů. 5. Výsledky statisticky zpracujte a proveďte diskusi. Datum zadání bakalářské práce: listopad 2008 Termín odevzdání bakalářské práce: duben 2010

4 Vladimír Dvorský Řešitel doc. Ing. Josef Filípek, CSc. Vedoucí práce doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Vedoucí ústavu prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. Děkan AF MENDELU PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma DEGRADACE STROJNÍCH SOUČÁSTÍ OPOTŘEBENÍM vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis...

5

6 Poděkování Děkuji panu doc. Ing. Josefu Filípkovi, CSc. za odborné vedení bakalářské práce a ochotné poskytnutí praktických informací potřebných k vypracování této práce. ABSTRAKT Tato práce se zabývá degradací strojních součástí. Především poskytuje obecný rozbor poruchovosti strojních součástí různými druhy degradace. Nejvíce se práce zabývá degradací způsobenou opotřebením, které se dělí na šest druhů: abrazivní, adhezivní, erozivní, kavitační, únavové, vibrační. Popisuje volbu materiálu z hlediska odolnosti proti opotřebení. Ve druhé části se práce zabývá laboratorní zkouškou abrazivního opotřebení a provozní zkouškou erozivního opotřebení, na konec je opotřebení vyhodnoceno na základě hmotnostních a objemových úbytků. KLÍČOVÁ SLOVA Abrazivní opotřebení, adhezivní opotřebení, erozivní opotřebení, opotřebení, materiál, laboratorní zkouška, provozní zkouška.

7 ABSTRACT This work deals with the degradation of mechanical parts. Mainly provides a general analysis of the failure of mechanical components in different types of degradation. Most of the work deals with the degradation caused by wear, which is divided into six types: abrasion, adhesion, erosion, cavitation, fatigue, vibration. Describe the selection of material against of wear resistance. In the second part the work deals with laboratory tests of abrasive wear and the operational test of erosive wear, at the end it is wear evaluated on the basis of weight and volume decreases. KEY WORDS Abrasive wear, adhesive wear, erosive wear, wear, material, laboratory test, operational test.

8 OBSAH 1 ÚVOD CÍL PRÁCE LITERÁRNÍ PŘEHLED Degradace strojních součástí Druhy degradace strojních součástí Opotřebení Abrazivní opotřebení Adhezivní opotřebení Erozivní opotřebení Kavitační opotřebení Únavové opotřebení Vibrační opotřebení Deformace Koroze Koroze dle mechanismu korozních procesů Koroze dle vzhledu Koroze dle prostředí Otlačení Trhliny a lomy Statické lomy Únavové lomy Ostatní poškození Volba materiálu z hlediska odolnosti proti opotřebení Materiály odolné proti opotřebení Oceli Nízkolegované ocele Vysokolegované ocele... 30

9 Nástrojové ocele Litiny Bílá litina Šedá litina Tvárná litina Polymery Karbidy Keramika Grafit EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Cíl práce Zkoušený materiál Zkoušky odolnosti materiálů proti abrazivnímu a erozivnímu opotřebení Laboratorní zkouška abrazivní opotřebení Metodika laboratorní zkoušky Výsledky laboratorní zkoušky Provozní zkoušky erozivní opotřebení Metodika provozní zkoušky Výsledky provozní zkoušky Statistické zpracování výsledků zkoušek Metodika statistického zpracování zkoušek Vyhodnocení laboratorní zkoušky Vyhodnocení provozních zkoušek ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK... 52

10

11 1 ÚVOD Každý výrobek prochází během svého života několika etapami, které výrazně ovlivňují jeho osudy. Jsou to - projekt výrobku, - výroba, - provozní užívání výrobku, - vyřazení a likvidace. Každá etapa dává výrobku určité rysy a charakteristické vlastnosti, které jsou v následující etapě dále rozvíjeny, využívány a udržovány, nebo také znehodnocovány. Pro každý výrobek platí, že původní vlastnosti, které získal ve výrobních etapách svého života, se během užívání výrobku mění. Zpravidla způsobují zhoršení funkce výrobku, což vede ke snížení životnosti. Na trend i rychlost těchto změn má vliv především způsob užívání výrobku a jeho údržba. Proto je potřeba již při navrhování výrobků uvažovat s tribologickými jevy, jako tření a vznik opotřebení. Daná problematika je neustále řešena a zdokonalována se zvyšujícími se požadavky na stroje a zařízení. Především je pak řešen bezporuchový provoz a také prodlužování technické životnosti v závislosti na ekonomické stránce výroby a provozu. K tomu se přidává požadavek na jednoduchou údržbu, jednoduché, časově nenáročné opravy při odstranění náhodných poruch, protože problematika údržby strojů je rozsáhlá. Lze ji zkoumat z různých hledisek, nejvýznamnější je hledisko technické, ekonomické a ekologické. Náklady, které jsou spojeny s opotřebením, je potřeba snižovat. K úspoře nákladů způsobených opotřebením patří optimální volba materiálu, správná obsluha a údržba stroje, která může několikanásobně prodloužit životnost stroje nebo součásti. 9

12 2 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce je obecný rozbor poruchovosti strojních součástí opotřebením a dále popis faktorů, které ovlivňují volbu materiálu pro stroje a zařízení z hlediska odolnosti proti opotřebení. Kromě toho je cílem sledování a vyhodnocení velikosti abrazivního a erozivního opotřebení materiálu Ocel v laboratorních a provozních podmínkách. Opotřebení bude vyhodnoceno na základě hmotnostních a objemových úbytků. 10

13 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Degradace strojních součástí Poruchy a jimi vyvolaná přerušení provozu strojů jsou způsobeny celou řadou vlivů a procesů, které působí a probíhají přímo ve strojích. Tyto vlivy mají za následek změny vlastností strojních součástí. Tyto změny jsou prvotními technickými příčinami poruch. Souhrn těchto procesů se nazývá mechanizmus poruch. Jestliže se k sobě přibližují povrchy dvou funkčních ploch, např. působením vnějšího zatížení nebo vlastní hmotnosti, dojde k prvnímu dotyku ploch teoreticky ve třech bodech. V těchto bodech je skutečný měrný tlak tak veliký, že dochází k plastické deformaci a k odlamování částí povrchu (to vše samozřejmě v mikroskopických rozměrech). V důsledku toho přicházejí do kontaktu další místa na povrchu součástí. Na nich probíhají stejné děje a to tak dlouho, než skutečná plocha dotyku dosáhne takové velikosti, že skutečný měrný tlak už nevyvolává další deformace. Je zřejmé, že dosažení tohoto rovnovážného stavu závisí na více činitelích, zejména na vnějším zatížení a vlastnostech povrchových vrstev součástí. Při přibližování povrchů se porušuje celistvost adsorpční vrstvy i oxidové vrstvy a povrchy přicházejí do kovového kontaktu. To má za následek tvorbu mikrospor. Při jejich následném rozrušování v důsledku relativního pohybu povrchů dochází k oddělování kovových částic a přemísťování materiálu povrchů. Intenzita tohoto procesu závisí na řadě činitelů, z nichž nejvýznamnější jsou: - druh a vlastnosti vzájemně působících povrchů těles, - přítomnost a vlastnosti média mezi povrchy, - charakteristiky relativního média pohybu povrchů (směr, rychlost, jejich časové změny), - zatížení (velikost působících sil, jejich časové změny). Různé kombinace uvedených i dalších faktorů působí různé druhy poškozování funkčních ploch. Úkolem mé práce je zabývat se podrobněji degradací strojních součástí opotřebením. 11

14 3.2 Druhy degradace strojních součástí Různé kombinace faktorů působí různé druhy poškozování funkčních ploch, ty se rozdělují na: - opotřebení, - deformace, - koroze, - otlačení, - trhliny a lomy, - ostatní poškození Opotřebení Opotřebení je trvalá nežádoucí změna povrchu, zhoršení jeho kvality a funkčnosti, nežádoucí změna tvaru a rozměrů tuhých těles, zhoršení jejich mechanických, chemických, korozních, elektrických vlastností aj., způsobená vzájemným působením funkčních povrchů, nebo funkčního povrchu a média a jejich kombinací, které opotřebení vyvolává. Opotřebení se projevuje jako odstraňování nebo přemísťování částic hmoty z funkčního povrchu mechanickými účinky, které jsou někdy doprovázeny také i jinými vlivy, např. chemickými nebo elektrochemickými. Opotřebení se rozděluje na šest druhů: - abrazivní, - adhezivní, - erozivní, - kavitační, - únavové, - vibrační. Uvedené rozdělení představuje jen základní zjednodušené případy. V technické praxi se obvykle jednotlivé druhy opotřebení kombinují, jeden druh přechází v jiný, uplatňují se další vlivy (např. koroze, účinky vnějších sil apod.), takže vzniká řada variant. (Pošta, 2007) Častý je např. případ, kdy opotřebení začne jako adhezivní, vzniknou volné otěrové částice, které působí jako abrazivo a způsobují postupné převládnutí opotřebení abrazivního. Častokrát také dojde v důsledku vzniklých vůlí ke vzniku rázů, které 12

15 mohou vyvolat opotřebení únavové, nebo vést ke vzniku únavových lomů, takže u havarovaných součástí nelze často spolehlivě určit původní technickou příčinu poškození Abrazivní opotřebení Tento druh opotřebení je typický pro případy, kdy se stýkají dva povrchy a při tom jeden nebo oba jsou drsné a tvrdé, nebo kdy jsou mezi dvěma povrchy přítomny volné tvrdé částice, nebo kdy jde o zpracovávání materiálu, který obsahuje tvrdé částice. Potom dochází k oddělování částic materiálů z opotřebovávaného povrchu rýhováním a seřezáváním. Typický je rýhovaný vzhled povrchu, v případě intenzivního opotřebení jsou rýhy velmi hluboké, viditelné pouhým okem, v případě mírnějšího opotřebení jsou povrchy, alespoň v počátečním stadiu, vyleštěné a rýhy jsou patrné jen při zvětšení. Typickým příkladem výskytu abrazivního opotřebení jsou pracovní orgány strojů pro zpracování půdy a hornin, např. plužní ostří, odhrnovačky pluhů, radličky pleček a kultivátorů, zuby a lžíce bagrů, radlice buldozerů apod. První případ, kdy jde o vzájemné působení tvrdých drsných povrchů, je typický pro broušení součástí, vyskytuje se však i v pohyblivých uloženích součástí. Může dojít také k tomu, že tvrdé volné částice se zamačkají do měkčího z povrchů a potom rýhují tvrdší povrch. To se stává např. u hřídelových těsnění, ucpávek a prachovek. Druhý případ, kdy jde o působení volných abrazivních částic mezi dvěma povrchy, je velmi silně ovlivňován konkrétními poměry, především množstvím, tvarem, velikostí, pevností a tvrdostí částic. Třetí případ, kdy jde o zpracovávání abrazivního materiálu, je velmi blízký případu druhému. Intenzita opotřebení závisí i na počtu částic tvrdších než povrch součásti. Schematicky je mechanismus abrazivního opotřebení znázorněn na obrázku 1. Vliv množství abrazivních částic mezi opotřebovávanými povrchy je zřejmý. Je-li částic hodně, dochází k jejich shlukování či vrstvení a tím k abrazivnímu opotřebení i v případě, že většina částic má menší velikost, než je vůle mezi povrchy. Je také větší pravděpodobnost, že se bude vyskytovat větší množství částic takového tvaru, který je z hlediska abrazivního opotřebení nepříznivý (tj. ostrohranných), a že jich bude větší množství v takové poloze, kdy mohou intenzivněji opotřebovávat povrch součástí. Vliv tvaru abrazivních částic je velmi výrazný. Ostrohranné částice budou působit mnohem intenzivněji než částice zaoblené. 13

16 Je zřejmé, že hloubka vnikání částice do povrchu součásti bude záležet kromě tvaru také na síle, působící na částice v normálovém směru. Působit bude zcela určitě také případné převracení částice, které bude ovlivněno v případě abraze mazaných povrchů také poměry proudění v mazací vrstvě. Vliv velikosti abrazivních částic je zřejmý. V případě, kdy jsou abrazivní částice volné mezi dvěma povrchy, dochází k abrazivnímu opotřebení jen těmi částicemi, které jsou větší než vůle mezi oběma povrchy, popř. než tloušťka mazacího filmu. U těchto částic nadkritické velikosti pak přítomnost mazacího filmu nemá prakticky žádný vliv na výskyt abrazivního opotřebení. Z toho vyplývá například požadavek na filtrační schopnost filtrů v mazacím či hydraulickém okruhu. Vliv pevnosti abrazivních částic spočívá v tom, že při nízké pevnosti částic dochází k jejich drcení (snižují se rozměry, případně až pod kritické) a k otupování částic olamováním hran. Zároveň se však při drcení vytvářejí nové částice s ostrými hranami. Tyto jevy (zmenšování rozměrů a otupování na jedné straně a vznik nových ostrohranných částic na druhé) působí protikladně. Výsledkem je známý fakt, že s rostoucím zatížením povrchů, působícím na abrazivní částice, nedochází prakticky ke změně jejich abrazivity. Vliv tvrdosti abrazivních částic je rovněž zřejmý. Čím jsou abrazivní částice tvrdší než opotřebovávaný povrch, tím snáze do něj vnikají a tím je intenzita opotřebení větší. A naopak. Tím lze také odůvodnit a vysvětlit běžnou snahu konstruktérů a technologů dosáhnout co možno nejtvrdších povrchových vrstev u těch součástí, kde lze očekávat abrazivní opotřebení. (Pošta, 2007) Obr. 1 Schéma mechanismu abrazivního opotřebení (Pošta, 2003) 14

17 Adhezivní opotřebení Tento druh opotřebení je typický pro případy, kdy dochází ke smýkání dvou tuhých těles, přitlačovaných k sobě normálovou silou. Následkem toho dochází k jejich dotyku, k porušování povrchových adsorpčních a oxidových vrstev a ke vzniku adhezívních mikrospojů, které jsou vzápětí rozrušovány. Na vznik a průběh adhezívního opotřebení mají vliv zejména tyto faktory: - hloubka vnikání a poloměr zakřivení povrchových mikronerovností, - velikost zatížení a rychlost relativního pohybu, - schopnost materiálu vytvářet adhezní spoje. V závislosti na úrovni jednotlivých faktorů pak dochází k různě intenzivnímu opotřebení. Intenzitu adhezívního opotřebení navíc velmi výrazně ovlivňuje látka, přítomná mezi funkčními povrchy (mazivo). V jednom krajním případě adhezívního opotřebení dochází k mírnému opotřebení. To nastává tehdy, když rychlost porušování adsorpční a oxidové vrstvy na povrchu je menší než rychlost jejich obnovování. V takovém případě působí tyto vrstvy jako ochrana povrchů, brání vzniku adhezních spojů, které jsou méně četné a méně dokonalé, takže při jejich následném porušování nedochází k významnějšímu přenosu materiálu mezi povrchy. Takto mírně opotřebovávané povrchy jsou vyhlazené, lesklé, bez rýh a stop po zadírání. Obdobně se na vzhledu adhezívně opotřebeného povrchu projevuje i přítomnost maziva mezi troucími se povrchy. V druhém krajním případě adhezívního opotřebení dochází ke vzniku četných a relativně dokonalých adhezních mikrospojů, k jejich následnému rozrušování spojenému s přenosem materiálu mezi povrchy a ke vzniku volných (tzv. otěrových) částic. Takto intenzivně opotřebovávané povrchy jsou rýhované, rozbrázděné, v pokročilejším stadiu jsou i pouhým okem viditelné částice materiálu, ulpělé na jednom nebo i obou površích. Velmi silně vzrůstá odpor proti pohybu a obvykle dojde k úplnému zablokování (zadření). Příčiny tohoto stavu jsou různé, velmi často jde o následek selhání mazání. Schematicky je mechanismus adhezívního opotřebení znázorněn na obrázku 2. V případě mírného průběhu opotřebení (vhodná kombinace materiálů součástí, přítomnost dostatečného množství kvalitního maziva, příznivá kombinace faktorů ovlivňujících průběh opotřebení) dochází k porušování adhezívních mikrospojů v místě původního rozhraní mezi povrchy, takže dochází především pouze k jejich mikrodeformaci a tím k jejich vyhlazení. 15

18 V případě intenzivního průběhu opotřebení dochází k porušování adhezívních mikrospojů mimo původní rozhraní mezi povrchy, takže dochází k přenosu materiálu, případně ke vzniku volných otěrových částic. Obojí napomáhá stálému růstu intenzity opotřebení a vede až k těžkému poškození povrchů nebo zadření. Tomu napomáhá také nevhodná volba třoucích se materiálů, nedostatečné nebo žádné mazání i nepříznivá kombinace faktorů ovlivňujících průběh opotřebení. V technické praxi se častěji vyskytuje adhezívní opotřebení spojené s přenosem materiálu. To lze vysvětlit tím, že při velkých plastických deformacích v místě adhezívního mikrospoje dochází v důsledku těchto deformací ke zpevňování materiálu, které napomáhá tomu, že k následnému rozrušení mikrospoje dojde mimo původní rozhraní povrchů. Významnou roli zde hraje také to, že vznik a rozrušování mikrospojů je doprovázeno vysokým lokálním vzrůstem teploty, což zvyšuje plasticitu materiálu a podporuje tvorbu adhezívních mikrospojů. Častý je také případ, kdy opotřebení součástí začne jako adhezívní, v důsledku postupujícího opotřebení se zvyšují vůle a případně se tím zhoršují podmínky mazání. V důsledku opotřebení vznikají volné otěrové částice, které působí jako abrazivo, tj. postupně přechází opotřebení čistě adhezívní v kombinaci opotřebení adhezívního a abrazivního, až přejde v téměř čisté opotřebení abrazivní. Proces může dále pokračovat tak, že v důsledku zvětšených vůlí začnou vznikat ve styku součástí rázy, které vedou k otlačení povrchů a mohou způsobit lom. Při následné analýze poškození pak je velmi obtížné určit skutečnou počáteční příčinu selhání. (Pošta, 2007) Obr. 2 Schéma mechanismu adhezivního opotřebení (Pošta, 2003) 16

19 Erozivní opotřebení Tento druh opotřebení je charakterizován oddělováním materiálu účinkem: - částic, nesených proudem kapaliny nebo plynu (vyskytuje se např. u čerpadel na znečištěné kapaliny, ventilátorů, cyklonů, tryskačů, potrubí pneumatické, hydraulické či spádové dopravy aj.), - částic samotné kapaliny, páry nebo plynu (vyskytuje se např. u parních armatur, koncových stupňů parních turbín pracujících v oblasti mokré páry, plynových turbín, náběžných hran křídel a ostatních ploch letadel, ventilů spalovacích motorů aj.). Mechanismus erozivního opotřebení je podobný jako u opotřebení abrazivního, tj. dochází k rýhování a seřezávání materiálu. Typické pro erozivní opotřebení je nerovnoměrné porušení povrchu, který je zvlněný a zvrásněný a poškozený i v prohlubeninách. Intenzita erozivního opotřebení je ovlivněna řadou faktorů, zejména: - relativní rychlostí opotřebovávajících částic, - teplotou a chemickými vlastnostmi nosného média, - druhem, velikostí a tvarem částic, - kinetickou energií a úhlem dopadu částic, - vlastnostmi opotřebovávaného materiálu. Všechny uvedené vlivy působí současně, ovšem v různé míře, podle konkrétní situace. Jde tedy o komplikované a variabilní děje. Rychlost částic a jejich měrná hmotnost a velikost určují jejich kinetickou energii. Působení částic na opotřebovávaný povrch ovlivňuje celá řada faktorů. Lehké částice se nemusí vůbec dostat do kontaktu s povrchem; jsou zbrzděny a "odfouknuty" zhušťujícím se mediem. Je tedy zřejmé, že u erozivního opotřebení existuje kritická velikost, ale také kritická rychlost částic. V okamžiku dopadu částice na povrch dochází ke zmaření kinetické energie částice zbrzděním na určité dráze. Jestliže dopadají částice na povrch s velkou hodnotou modulu pružnosti, brzdí se na nepatrné dráze (malé pružné deformace) a vznikající síly a teploty jsou značné. K tomu dochází u tvrdších materiálů, např. u kalené oceli. Intenzita opotřebení je potom značná. Závisí silně také na úhlu dopadu. Jestliže dopadají částice na povrch s malou hodnotou modulu pružnosti, brzdí se na relativně dlouhé dráze a vznikající síly jsou malé. To nastává např. u pryže a některých plastů. Intenzita opotřebení je podstatně nižší než u tvrdých materiálů. 17

20 V okamžiku dopadu částice na povrch je částice smýkána a přitlačována na povrch vzniklými silami a působí v podstatě stejný proces jako u abrazivního opotřebení. Děj je závislý na velikosti vzniklých sil. Této představě odpovídají i praktické zkušenosti: při jinak stejných podmínkách jsou měkké, pružné materiály odolnější proti erozivnímu opotřebení než materiály tvrdé. (Pošta, 2003) Obr. 3 Schéma mechanismu erozivního opotřebení (Pošta, 2003) Kavitační opotřebení Kavitační opotřebení je charakterizováno oddělováním částic z povrchu v oblasti zanikání kavitačních dutin v kapalině. Mnoho součástí pracuje v různých kapalinách, velmi často ve vodě. Voda je silně agresivní prostředí, které působí provozní potíže a poruchy v důsledku koroze, eroze a kavitace. Zejména kavitační opotřebení bývá často nesprávně považováno za důsledky koroze. Ke kavitačnímu opotřebení může docházet pouze tam, kde se vyskytuje kavitace, tj. dochází ke vzniku kavitačních dutin, jejichž zánik vyvolává hydrodynamické rázy. Rázy působí na povrch materiálu zcela analogicky jako kontaktní tlaky u opotřebení povrchovou únavou. Kavitační opotřebení se vyskytuje např. ve vodních turbínách, čerpadlech, u součástí hydraulických systémů, ve vodovodech, v redukčních ventilech, v chladicích systémech pracujících s kapalinou, v pračkách, v tlakově mazaných ložiskách apod. Kavitační dutiny vznikají v místech, kde se z nějakých důvodů (proudění zúženým průtočným průřezem, působení tahových napětí na kapalinu aj.) sníží tlak pod hodnotu tlaku nasycených par kapaliny při dané teplotě. V tom případě se v kapalině začnou tvořit dutiny (kaverny) vyplněné parami kapaliny. Objem, který zaujímá kavitační dutina, může kolísat ve velkém rozsahu, řádově od krychlových milimetrů 18

21 do krychlových metrů. V oblasti vyššího tlaku pak tyto dutiny implozivně zanikají, to působí hydrodynamické rázy, které poškozují povrchy materiálu. Typický kavitačně poškozený povrch je drsný, jakoby vytrhaný. Hlavní faktory, které ovlivňují intenzitu kavitačního opotřebení, jsou: - obsah plynů v kapalině, - teplota a tlakové poměry, - povrchové napětí a viskozita kapaliny. V kapalinách, které při normálním tlaku obsahují viditelné bubliny vzduchu (plynu), se kavitační dutiny tvoří při snížení tlaku expanzí těchto bublin, vylučováním vzduchu z kapaliny nebo spojováním menších bublin. V kapalinách, ve kterých při normálním tlaku nejsou bubliny viditelné, vznikají kavitační dutiny až při poklesu místního tlaku přibližně na hodnotu tlaku syté páry při dané teplotě. Tyto dutiny jsou vyplněny převážně sytou párou kapaliny. Se vzrůstající teplotou kapaliny se zvětšuje počet vznikajících kavitačních dutin. Současně se však zvyšuje tlak nasycených par, takže vznikající dutiny mají menší objem. Tyto jevy působí na intenzitu kavitačního opotřebení protichůdně. Průběh kavitačního poškození v závislosti na teplotě má lokální maximum při určité teplotě, u vody je to v rozmezí asi 45 až 50 o C, asi při 80 o C je již intenzita poškození prakticky nulová. Důležitým faktorem je také rozdíl mezi vnějším tlakem a tlakem nasycených par. Čím je tento rozdíl větší, tím intenzivnější je kavitační opotřebení. Povrchové napětí kapaliny má výrazný vliv na velikost kavitačních dutin. Čím je větší povrchové napětí, tím větší dutiny vznikají za jinak stejných podmínek. Větší dutiny znamenají větší intenzitu kavitačního opotřebení. Viskozita kapaliny má vliv na rychlost růstu kavitačních dutin. Podle současných představ se vliv viskozity uplatňuje především těsně před zánikem kavitační dutiny a to tak, že snižuje rychlost, s jakou kapalina vniká do dutiny při její implozi. Mechanismus kavitačního působení není zcela přesně znám. Existuje několik hypotéz, experimentálně nejlépe potvrzená je tato představa: při zániku kavitačních dutin dochází k jejich nesférické implozi, při které dochází nejprve ke zploštění dutiny, do které v závěrečné fázi vniká mikroproud kapaliny o vysoké rychlosti (nad 300 m.s -1 ). To vyvolává tlakové vlny a rázy, které dosahují hodnot 10 3 MPa i vyšších. Je nutno si uvědomit, že kavitační poškození není výsledkem působení rázů vyvolaných zánikem jednotlivých dutin, nýbrž že jde vždy o velká množství (mraky) dutin. 19

22 Při implozi kavitačních dutin nastává různě intenzivní působení na povrch materiálu: - Mírné působení, při kterém nedochází k poškozování materiálu, ale je rozrušována mezní vrstva kapaliny na povrchu materiálu. To může iniciovat korozní poškození. - Slabé působení, při kterém jsou narušovány nedostatečně přilnavé povrchové vrstvy (nátěry, oxidační vrstvy, produkty koroze), vlastní materiál je poškozován jen nepatrně. - Středně silné působení, při kterém napětí v materiálu vyvolaná hydrodynamickými rázy jsou menší než mez kluzu materiálu. K poškození povrchu dochází následkem únavových dějů, které lze považovat za vysokocyklovou únavu. - Silné působení, při němž jsou vznikající napětí větší než mez kluzu. Dochází k plastické deformaci povrchových vrstev, to vede k jejich zpevňování, ale zároveň také k únavovému poškozování, které lze považovat za nízkocyklovou únavu. - Napětí vyvolaná hydrodynamickými rázy jsou větší než mez pevnosti materiálu. Pak dochází k poškození, které lze srovnávat s křehkým lomem, velmi ovšem závisí na vlastnostech materiálu povrchu. (Pošta, 2003) Obr. 4 Schéma mechanismu kavitačního opotřebení (Pošta, 2003) Únavové opotřebení Únavové opotřebení je charakterizováno postupnou kumulací poruch v povrchové vrstvě při opakovaných kontaktních napětích. Dosahují-li tato napětí hodnot nad mezí kluzu, jde o nízkocyklovou únavu, jsou-li pod mezí kluzu, jde o vysokocyklovou únavu. Nejčastější případy povrchové únavy jsou známy u valivých ložisek, ozubených kol, železničních kol, zdvihátek ventilů spalovacích motorů, pneumatických kladiv aj. Vznik, průběh i intenzita poškození únavovým opotřebením jsou velmi závislé na provozních podmínkách. 20

23 Kontaktní únavové opotřebení vzniká při silovém, cyklicky opakovaném styku dvou těles, při kterém se vyskytují vysoké lokální tlaky. K tomu dochází zejména při styku těles se zakřivenými styčnými plochami, typicky na bocích zubů ozubených kol. Kromě vysokých kontaktních tlaků zde ještě spolupůsobí skluz a tření, které přidávají ještě tahové a smykové namáhání a tím dále přispívají k porušování povrchu. Při tom se podmínky kontaktního namáhání značně mění podél boku zubů, protože se kromě čistého valení vyskytuje ještě různě velký skluz, který současně vytváří předpoklady pro vznik adhezívního opotřebení a projevuje se i různý vliv maziva. První únavové trhliny vznikají v tenké povrchové vrstvě materiálu. Ty se rozvíjejí a spojují, až nastane vylamování částí povrchu. Častým typem únavového poškození je tvoření důlků (pitting), obvykle okrouhlého tvaru, ovšem u povrchů s vysokou tvrdostí (valivá ložiska nebo cementované součásti) mohou mít důlky i hranatý nebo protáhlý tvar. Na jejich vzniku se význačně podílí mazivo. Účinkem kontaktních tlaků vniká mazivo do povrchových trhlin, v důsledku dalšího pohybu součástí je v nich uzavíráno a jeho tlak se účinkem kontaktního namáhání zvyšuje. To přispívá k dalším šíření trhlinek a vede až ke vzniku zmíněných důlků. Původně se označení "pitting" užívalo právě pro tento případ poškození, později se však jeho používání rozšířilo i na ostatní případy kontaktního únavového poškození. Zvláštním případem kontaktního únavového poškození je odlupování povrchové vrstvy materiálu (spalling). Dochází k němu zejména u povrchově tvrzených součástí, při malých tloušťkách tvrzené vrstvy. Vysoké, opakující se kontaktní tlaky vyvolávají podpovrchová smyková napětí, která působí vznik podpovrchových trhlin. Později dochází k prolamování povrchové vrstvy a k jejímu odlupování. Na vznik únavového opotřebení mají, kromě provozních podmínek, které mají rozhodující význam, vliv také: - tvrdost povrchové vrstvy, - nečistoty a vměstky, - drsnost povrchu. Experimentálně bylo prokázáno, že odolnost proti poškození únavovým opotřebením se zvyšuje s tvrdostí povrchu. Tato závislost je lineární a projevuje se i v oblasti vysokých tvrdostí (55 až 68 HRC). Vměstky působí nepříznivě, neboť se projevuje jejich vrubový účinek, a proto na nich nejdříve vznikají únavové mikrotrhliny. Nepříznivé působení vměstků se zvětšuje s jejich velikostí. 21

24 Drsnost povrchu má rovněž výrazný vliv na odolnost proti únavovému opotřebení. Vysvětlit to lze opět vrubovými účinky drsnějších povrchů. Zejména u povrchově tvrzených materiálů je vliv drsnosti povrchu na jejich odolnost výrazný. Zjištění prvních stop povrchové únavy (pitting) by mělo být vždy důvodem pro výměnu postižených součástí. Jakmile poškození dospěje do tohoto stadia, zpravidla se dál rozvíjí velmi progresivně a vede k rychlé havárii součásti. To je dáno tím, že v této fázi se k již popsanému průběhu únavových dějů přidávají další vlivy, především rázy vzniklé v důsledku objevení se důlků v povrchu a zvětšujících se vůlí. Může se objevit také abraze, působená uvolněnými částicemi materiálu. (Pošta, 2007) Obr. 5 Schéma mechanismu únavového opotřebení (Pošta, 2003) Vibrační opotřebení Vibrační opotřebení je charakterizováno oddělováním částic materiálu v místech kmitavých tangenciálních posuvů funkčních ploch při jejich současném zatížení normálními silami. Vzájemný pohyb má různý původ. Může se jednat o přímočarý vratný pohyb, o pohyb způsobený přenesenými vibracemi nebo o pohyb vzniklý v důsledku pružných deformací v uložení mechanicky namáhaných součástí. Běžně dosahují amplitudy vibrací řádových hodnot 10-4 až 10-1 mm. Při tak malých pohybech je znemožněno odstraňování otěrových částic, které jsou dále namáhány normálními i tangenciálními silami, oxidují a dodávají opotřebeným místům na ocelových a litinových součástech typické hnědočervené až hnědočerné zbarvení. Jde o tzv. "krvácení materiálu". K tomu nemusí vždy dojít. Obvykle k tomu nedojde, je-li místo opotřebení "chráněno" vrstvou maziva před přístupem vzdušného kyslíku. Vibračním opotřebením se poškozují i velmi tvrdé materiály, bez ohledu na přítomnost maziva. Vibrační opotřebení může iniciovat i únavové lomy. 22

25 K vibračnímu opotřebení může docházet např. v různých pohyblivých uloženích, na která se přenášejí kmity vlastní nebo vybuzené cizím zdrojem. Často se jedná o valivá ložiska, čepy, hřídele a spojky. Často k němu dochází také u nalisovaných spojení, např. náboje kol, setrvačníky, řemenice aj., není-li hřídel nebo čep dostatečně tuhý, takže dochází k jeho střídavému ohybu v místě nalisování. Typický výskyt tohoto opotřebení je u křížových kloubů a v drážkovém spojení kloubových hřídelů. Na průběh a intenzitu vibračního opotřebení působí řada faktorů, zejména: - amplituda pohybu, - frekvence pohybu, - měrný tlak ve styku součástí, - vlastnosti materiálu. Vibrační opotřebení vzniká především tehdy, je-li amplituda pohybu větší, než může být vyrovnáno pružnými deformacemi povrchů, a kdy tedy dochází ke skluzům. S rostoucí amplitudou pohybu se intenzita vibračního opotřebení zvyšuje. Vliv frekvence pohybu je poněkud paradoxní: při nižších frekvencích je opotřebení intenzivnější. Vysvětluje se to tím, že při nižších frekvencích se výrazněji mohou projevit chemické (korozní) složky procesu. Chemické reakce potřebují pro svůj průběh určitý čas. Se zvětšováním kmitočtu se zkracuje doba působení korozních činitelů na čerstvě obnažený kov i na již oddělené částice. Vliv měrného tlaku ve styku součástí není zcela jednoznačný. S rostoucím měrným tlakem se zvětšuje tření, tím se zmenšuje amplituda vibrací a tedy i opotřebení. Je-li vzájemný pohyb v důsledku vysokého měrného tlaku zcela vyloučen, k vibračnímu opotřebení nedochází. Tato podmínka však v praxi nebývá často splněna ani u nalisovaných spojení. Z vlastností materiálu působí na vibrační opotřebení především jeho schopnost tvořit oxidy, bránící kovovému styku součástí. Odolnost materiálu, který snadno a rychle tvoří oxidy je pak závislá především na abrazivních vlastnostech těchto oxidů. Tvrdost povrchu zpravidla zvyšuje odolnost proti vibračnímu opotřebení. (Pošta, 2003) 23

26 Obr. 6 Schéma mechanismu vibračního opotřebení (Pošta, 2003) Deformace Deformace je trvalá nežádoucí změna geometrického tvaru součásti. O deformaci jako samostatném poškození lze mluvit tehdy, jde-li o změnu geometrického tvaru součásti, např. prohnutí hřídele, ovalita prstencové součásti, vyboulení desky apod. Pružné deformace se za poškození nepovažují. K deformaci součásti dojde tehdy, překročí-li napětí v některém průřezu součásti mez kluzu materiálu. Při tom záleží též na vlastnostech materiálu. U křehkých materiálů k deformaci dochází zřídka, většinou vznikne lom, protože už poměrně malé deformace vedou k překročení meze pevnosti. (Pošta, 2007) Napětí vedoucí k deformaci může být způsobeno vnějšími nebo vnitřními silami. Vnější síly obvykle vyvolávají ohybové nebo torzní momenty. Vnitřní síly (vnitřní napětí) mohou být zbytková, v důsledku použitého výrobního postupu, nebo vnesená zvenčí, např. přehřátím při provozu nebo jako důsledek otlačení. Deformaci ovšem vyvolá také změna rovnováhy vnitřních pnutí, např. v důsledku stárnutí materiálu, který obsahoval vnitřní pnutí, v důsledku působení zvýšených teplot nebo v důsledku opotřebení, při kterém je odstraněna povrchová vrstva materiálu s koncentrovaným napětím Koroze Koroze je nežádoucí trvalá změna povrchu materiálu, způsobená elektrochemickými a chemickými vlivy okolního prostředí. 24

27 Koroze dle mechanismu korozních procesů Podle mechanismu korozních procesů se koroze dělí na chemickou a elektrochemickou. Chemická koroze se vyskytuje poměrně zřídka. Jsou to případy, kdy dochází k chemickým reakcím v nevodivém prostředí, například tvorba okují při tváření oceli za tepla. Elektrochemická koroze je nejčastější. Změny způsobené touto korozí si lze představovat jako procesy probíhající v galvanickém článku. Elektrochemická koroze může probíhat všude tam, kde se stýkají různé kovy, a je přítomen elektrolyt; stačí vzdušná nebo kondenzační vlhkost. Korozi velmi podporuje, je-li elektrolyt dobře vodivý, např. v důsledku přítomnosti iontů SO 2. Takovéto poměry jsou i u slitin. (Pošta, 2003) Koroze dle vzhledu Podle vzhledu se koroze dělí na rovnoměrnou a nerovnoměrnou. Rovnoměrná koroze probíhá přibližně stejně rychle po celém napadeném povrchu, lze poměrně přesně předvídat její postup. Nerovnoměrná koroze napadá jen některé části povrchu nebo některé strukturní složky materiálu. Napadená místa při tom navenek nemusí jevit zřetelné známky napadení. Bodová koroze proniká přednostně do hloubky materiálů a vede až k jejich proděravění. Laminární koroze postupuje přednostně po hranicích jednotlivých vrstev, např. u válcovaných nebo vrstvených materiálů, které se pak oddělují v šupinách. Mezikrystalická koroze postupuje po hranicích krystalových zrn do hloubky, často vede k úplné destrukci materiálu. Transkrystalická koroze postupuje do hloubky nejen po hranicích krystalových zrn, ale i napříč zrny. (Pošta, 2003) Koroze dle prostředí Podle prostředí se koroze dělí na korozi atmosférickou, půdní, ve vodě, v plynech apod. Nejčastěji se vyskytuje koroze atmosférická. Činitelé, kteří ji podporují, jsou zejména: - vlhkost, - přítomnost iontů minerálních solí, - přítomnost vzdušného kyslíku a jiných plynů (SO 2, H 2 S, Cl atd.), - sluneční záření a prachový spad (střídání teploty, vlhkost). 25

28 3.2.4 Otlačení Otlačení je trvalá nežádoucí změna povrchu způsobená vnějšími silami. K otlačení dojde tehdy, jestliže skutečný kontaktní tlak překročí mez kluzu materiálu povrchové vrstvy. O otlačení jako samostatném poškození lze mluvit tehdy, je-li zasažená (deformovaná) oblast makroskopických rozměrů. Z pohledu mikroskopického dochází k otlačení vždy a vlastně se jedná o první fázi opotřebení, ve které dochází k přibližování povrchů. Protože technické kovy lze považovat za objemově nestlačitelné, má při otlačení působení kontaktního tlaku za následek tok materiálu z místa působení tlaku. Objem materiálu se nemění, materiál neubývá, ale přemísťuje se a vytváří valy okolo místa působení tlaku. To má v technické praxi zpravidla za následek změnu vůlí v daném spojení, čímž může být vyvoláno např. zvýšené opotřebení nebo lomy v důsledku rázů. Otlačení v uvedeném smyslu je možno považovat za místní (povrchovou) deformaci. (Pošta, 2007) Trhliny a lomy Trhlina je porušení homogenity materiálu v části průřezu. Lom je porušení homogenity materiálu v celém průřezu. Příčiny vzniku trhlin a lomů jsou stejné jako u otlačení a deformací, tj. působení vnějších nebo vnitřních napětí, které v části průřezu, popř. v celém průřezu překročí mez pevnosti nebo mez únavy materiálu. Je-li materiál křehký, praskne a vznikne trhlina nebo lom. Vlivy, které k tomu vedou, jsou rozmanité. Může se jednat o - nevhodnou konstrukci (nevhodný tvar nebo rozměry), - nevhodný materiál (nedostatečně pevný nebo nedostatečně houževnatý), - nevhodnou technologii výroby (zbytková pnutí, vruby), - nesprávný provoz (přetěžování, zanedbání údržby), - časové změny vlastností materiálu (stárnutí, koroze, únava materiálu). Trhliny jsou jedním z nejčastějších poškození především u odlitků, u svařenců a u tepelně zpracovávaných součástí. Trhliny snižují pevnost součástí, působí netěsnosti a u dynamicky namáhaných součástí vedou ke vzniku únavových lomů. Lomy lze rozdělit na: - lomy statické (křehké nebo houževnaté), - lomy únavové. 26

29 Statické lomy Statický lom vznikne tehdy, je-li překročena mez pevnosti materiálu v některém průřezu. Vzhled lomové plochy statického lomu se mění podle vlastností materiálu a způsobu namáhání. Nejčastěji dochází k lomům vyvolaným ohybovým namáháním. Lomová plocha takového statického lomu je přibližně rovinná a kolmá na směr napětí. Její povrch je zrnitý, drsný, hrubší nebo jemnější v závislosti na velikosti zrna materiálu. Vzhled celé lomové plochy je stejný (nedojde-li k druhotnému poškození lomové plochy např. vzniklými rázy). Statické lomy vyvolané namáháním v krutu mají lomovou plochu typicky šroubovitou u houževnatějších materiálů a jehlicovitě roztříštěnou u tvrdších materiálů. Statické lomy vyvolané kombinovaným namáháním (krut a ohyb) mají i lomovou plochu komplikovanějšího tvaru, který se blíží k tvaru typické lomové plochy převládajícího namáhání. (Pošta, 2007) Únavové lomy Únavový lom vznikne tehdy, je-li překročena mez únavy materiálu. V místě povrchu, kde dochází ke koncentraci napětí, vznikne po určitém počtu cyklů zárodek trhliny. Pokračujícím proměnlivým zatížením se střídavě "otevírá" a "zavírá" a šíří se do hloubky materiálu. Tímto otevíráním a zavíráním se povrchy vyhladí, až vyleští, dostávají typický lasturovitě vyhlazený vzhled. Jak se tato únavová oblast vznikajícího lomu rozšiřuje, zmenšuje se nosný průřez součásti, až napětí vyvolané okamžitým zatížením překročí mez pevnosti a součást se ve zbývajícím průřezu zlomí statickým lomem. Lomová plocha únavového lomu má tedy dvě typické, vzhledově odlišné oblasti: - únavovou, s lasturovitě vyhlazeným povrchem, - statickou, s typickým drsným povrchem křehkého lomu, Podle tvaru jednotlivých oblastí únavového lomu a podle poměru jejich velikosti lze zpětně soudit na podmínky namáhání, za kterých ke vzniku únavového lomu došlo. To má velký význam pro posouzení případných opatření s cílem zabránit opakování poruchy, tj. pro rozhodnutí zda je možné a účelné snažit se o zlepšení provozních podmínek nebo zda příčina leží mimo možnosti provozovatele stroje. Únavový lom vzniká od místa s největší koncentrací napětí, zpravidla tahového. Šíří se popsaným způsobem. Čím pomalejší je rozvoj únavové trhliny (únavové oblasti lomu), tím více se povrch vyhladí, až vyleští. Tedy lomy s velmi hladkým povrchem 27

30 únavové oblasti se rozvíjely dlouho. To svědčí také o malém zatížení, popř. o dostatečném dimenzování až předimenzování součásti. Čím menší část celkové lomové plochy připadá na únavovou oblast, tím větší zřejmě bylo zatížení součásti, popř. tím menší její dimenzování. Přehled typických případů únavových lomů je na obr. 7. Pro případy namáhání s převažujícím tahem nebo ohybem je typická rovná (rovinná) lomová plocha, kolmá k ose součásti. V případě, že převažujícím namáháním je krut nebo krut s ohybem, vzniká únavový lom zcela analogicky. Lomová plochy však není rovinná, ale má složitý obecný tvar. Při namáhání čistým střídavým nebo míjivým krutem vzniká únavový lom se šroubovou plochou, při namáhání krutem stálého směru nebo jen s malou míjivou složkou vzniká únavový lom s kuželovou plochou, při kombinovaném namáhání krutem a ohybem vzniká plocha blízká uvedeným případům ale posunutá vzhledem k ose součásti. Je-li navíc materiál méně plastický, je povrch statické části lomové plochy roztříštěn. (Pošta, 2007) Ostatní poškození Kromě uvedených, nejčastějších a obvykle poměrně zřetelných poškození součástí dochází i k jiným, někdy méně zřetelným poškozením. Jako příklad lze uvést: - Stárnutí materiálu, což je souhrn vnitřních dějů v materiálu, vyvolaných střídavým provozním namáháním, střídáním teplot, metalurgickými pochody za nízkých teplot atd., které probíhají pozvolna v čase bez ohledu na používání či nepoužívání součásti, a vedou k pozvolným změnám pevnosti, tvaru aj. - Tepelná degradace materiálu, což je radikální změna fyzikálně-mechanických vlastností materiálu vyvolaná teplotou. Vyskytuje se zejména u plastů a kompozitů na bázi plastů. 3.3 Volba materiálu z hlediska odolnosti proti opotřebení Protože opotřebení je komplexní a složitý proces je výběr materiálů, které mu mají odolávat, důležitý při řazení v procesu opotřebení v inženýrské praxi. Výběr materiálů odolných proti opotřebení vyžaduje podrobné posouzení celkové funkce tribologického spojení, ve kterém bude pracovat, a okolí, ve kterém se budou materiály nacházet. Nejsou to jen požadavky na odolnost proti opotřebení, ale i požadavky na jiné vlastnosti. Často je to kompromis mezi ideálními mechanickými, anebo chemickými vlastnostmi. Například při volbě materiálů brzd je odolnost proti opotřebení kompromisem s dosahovaným vznikem tepla při tření. 28

31 Výběr materiálů na strojírenské použití můžeme sestavit podle doporučení, patří sem: 1. Kontrola požadavků na všeobecné a specifické vlastnosti. 2. Porovnání těchto vlastností s vlastnostmi materiálů, které se běžně používají pro jednotlivé typy aplikací. 3. Výběr materiálů, které se nejvíce shodují s požadovanými vlastnostmi. 4. Porovnání jejich chování. 5. Výběr specifických materiálů. 6. Posouzení testovacími zkouškami anebo v prototypu. Požadované vlastnosti se rozdělují na: - Všeobecné vlastnosti, - Specifické vlastnosti, - Tribologické vlastnosti. K všeobecným vlastnostem patří: pevnost (v tahu, v tlaku), únava, lomová houževnatost, tažnost, korozní odolnost, výroba (obrobitelnost), cena, dostupnost, tepelné vlastnosti. Ke specifickým vlastnostem patří: tvrdost, pružnost, elektrická vodivost, optické vlastnosti, pevnost, hmotnost, odolnost proti roztrhnutí, faktor bezpečnosti. K tribologickým vlastnostem patří: povrchové poruchy (kompatibilita), trvanlivost, koeficient tření, velikost opotřebení. (Blaškovič, 1990) 3.4 Materiály odolné proti opotřebení Oceli Nízkolegované ocele Tyto materiály se používají v inženýrské praxi v širokém rozsahu zejména vzhledem kvůli jejich nízké ceně. Nízkolegované oceli jsou vhodné pro teploty 100 až 150 C, přičemž si udržují dobrou odolnost proti opotřebení. Nízkolegované ocele jsou dobrým podkladovým materiálem na povrchové zpracování, jako je nauhličování, nitridování, chromování, navařování, stříkání, fosfátování, nanesení tuhých maziv a polymerů. Dobře odolávají konvenčním mazivům, a proto se pro některé z nich používá mazivo na snižování tření. (Blaškovič, 1990) 29

32 Ale kromě odolnosti proti abrazivnímu opotřebení se požaduje také dobrá houževnatost a pevnost, proto se používají nízkolegované oceli s obsahem uhlíku 0,4%, ve kterých tvoří strukturu nízkou popuštěný martenzit anebo bainit. Vhodná je např. ocel s chemickým složením 0,41% C, 3,60% Cr a 0,31% Zr, která má po vysoko teplotním mechanickém zpracování bainitickou strukturu. Další používané nízkolegované ocele: ČSN (0,80% C, 1,60% Mn, 0,50% Si), ČSN (0,65% C, 1,30% Mn, 0,50% Si, 1,30% Cr), ČSN (0,75% C, 1,20% Mn, 0,50% Si, 2,20% Cr), ČSN (0,85% C, 0,90% Mn, 0,50% Si, 1,70% Cr, 0,80% W, 0,60% Mo, 0,25% ). (Kuzičkin, 1988) Vysokolegované ocele Patří k nim manganová ocel s obsahem 1% C a 11 až 14% Mn. Výsledek této kompozice je austenitická ocel s nestabilním austenitem odolávajícím intenzivnímu abrazivnímu opotřebení. Pracovní zatěžování pod abrazivem způsobuje transformaci austenitu v povrchové vrstvě na martenzit, a tím se zvyšuje tvrdost a odolnost proti abrazivnímu na jedné straně a jádro zůstává houževnaté s austenitickou strukturou na druhé straně. Tento materiál se používá na pracovní části při drcení kamene, a na mnohé strojové části na zpracování zeminy a rudy. (Blaškovič, 1990) Do této skupiny patří oceli ČSN (1,10% C, 12,00% Mn), ČSN (1,10% C, 12,00% Mn, 0,70% Cr) Nástrojové ocele Nástrojovými ocelemi se obrábějí a tváří kovy, plasty. Materiál na obrábění musí v současnosti opracovat velké množství materiálu v krátkém časovém intervalu. Přitom si nástrojová ocel musí udržet tvrdost a řeznou hranu při vysokých teplotách, které se vytvářejí při obrábění. Proto vysoká tvrdost za tepla je jednou z důležitých vlastností nástrojových ocelí. Tyto oceli se vyrábějí legováním W-Cr a Mo-Cr, Mn-Cr-W, Cr-W-V. Jsou to například oceli dle ČSN , , , , , , (Blaškovič, 1990) 30

33 3.4.2 Litiny Litiny jsou heterogenní materiály s velkou škálou mikrostruktur. V porovnání s ocelemi mají litiny především vysoký obsah uhlíku a obsahují karbidy anebo volný grafit ve struktuře. V závislosti na rychlosti chladnutí, obsahu uhlíku a legujících prvků se získává výsledná struktura litiny Bílá litina Bílá litina je odolná proti abrazi v tlaku, obsahuje velké karbidy a nemá volný grafit ve struktuře. Masivní karbidy jsou schopné dobře odolávat opotřebení a také abrazi. Bílá litina se ale těžko obrábí. (Blaškovič, 1990) Šedá litina Šedá litina obsahuje určité množství volného grafitu. Šedá litina s martenzitickou matricí je velmi dobře odolná proti abrazivnímu opotřebení. Používá se často na tribologické aplikace tehdy, když se třecí dvojice mažou, protože volný grafit absorbuje do sebe a udržuje v sobě maziva na bázi uhlovodíků, a tím se zlepšuje mazání povrchů. Šedá litina se dá dobře opracovávat. (Blaškovič, 1990) Tvárná litina Tvárná litina obsahuje volný grafit ve formě sférických částic, a proto se její únavová pevnost zvyšuje. Tvárná litina je odolná proti vysokoteplotní oxidaci. Její forma s kompaktním grafitem má dobrou odolnost proti opotřebení a používá se na disky brzd, a na hlavy vznětových motorů. (Blaškovič, 1990) Přidáváním Si a P do litiny se zvyšuje odolnost proti abrazi. Zvyšování obsahu fosforu podporuje tvorbu tvrdého fosfidického eutektika, které je velmi odolné proti abrazivnímu opotřebení. Litina s vysokým obsahem P (nad 3%) se používá na tělesa brzdových bloků železničních vagónů. Vysoký obsah fosforu způsobuje však křehkost šedé litiny. Legováním litiny se získávají vlastnosti, které zvyšují její odolnost proti intenzivnímu abrazivnímu opotřebení, vysokým teplotám a korozi. 31

34 3.4.3 Polymery Polymery patří mezi nejmladší skupiny konstrukčních materiálů. U technických výrobků plasty často nahrazují kovy jako je zinek a jeho slitiny, slitiny olova, anebo i mosaz, protože mají specifické vlastnosti, které nemají kovy a keramika. Z nich je možno uvést hlavně: - Odolnost proti některým chemikáliím, - Relativně malá tendence k zadírání, - Samomazní schopnost, - Nízké moduly pružnosti, - Vysoká korozivzdornost. Velikost opotřebení při tření o kovové prvky je relativně malá. Polymery jsou většinou cenově dostupné a vyrábějí se z nich kluzná ložiska, součástky převodovek, těsnění a povrchy, které mají odolávat opotřebení. Podle všeobecné klasifikace možno polymery rozdělit do třech skupin: 1. Termoplasty (měknou anebo se taví při změnách teplot) 2. Reaktoplasty (tvrdé a křehké při ohřevu) 3. Elastomery (kaučuk schopné velké elastické deformace v obou směrem - tah, tlak. Pro strojírenskou výrobu se často uplatňují především termoplasty. Termoplasty jsou syntetické materiály, které působením tepla měknou a chemicky se při tom v podstatě nemění. Jsou vhodné pro výrobu součástí vstřikováním nebo odléváním. Polyetylén je druh termoplastického polyesteru. Má dobrou pevnost, houževnatost, odolnost proti opotřebení a je rozměrově stabilní do 100 C. Polyamidy jsou pevné a houževnaté. Mají vysokou odolnost proti opotřebení a dobře tlumí rázy a chvění. Nejsou však odolné proti kyselinám. Patří sem silon, nylon, kapron, perlon. Vyrábějí se z nich kluzná ložiska, ozubená kola pro provoz bez mazání, řemenice, kladky aj Karbidy Karbidy jsou nástrojové materiály, které se používají na obrábění vysokými rychlostmi, hlavně když rychlořezná ocel snižuje tvrdost v důsledku vyvíjeného řezného tepla. Nejpoužívanější karbid v průmyslové praxi je karbid wolframu. Vyrábí se práškovou metalurgií s použitím kovového pojiva anebo keramiky. 32

35 Karbidy jsou drahé materiály a vyrábějí se nákladnými technologiemi, proto i výběr karbidů, které mají odolávat opotřebení, musí být velmi precizní. Používají se především tehdy, když je potřeba dosáhnout vysoké odolnosti proti opotřebení při intenzivním abrazivním opotřebením, jako jsou například nástroje kalové čerpadla, nástroje na obrábění kovů a podobně. Karbidy možno opracovat jen diamantovými nástroji, a proto se jejich konečného tvaru dosahuje spékáním. Speciální tvary se velmi těžko získávají a zvyšují cenu nástroje. (Blaškovič, 1990) Keramika Keramika se používá při extrémně vysokoteplotní oxidaci, anebo pokud se vyžaduje odolnost proti korozi. Odolnost proti abrazi je vysoká kvůli její vysoké tvrdosti. Keramika se používá jako ložiskový materiál, těsnící kroužky. Keramika je křehčí a citlivější na nárazy a vruby jako karbidy. V technické praxi pro konstrukční použití se nejvíce využívá tavený čedič. Je snadno tavitelný a slévá se jako litina do forem. Je velmi tvrdý a má velkou odolnost proti opotřebení Grafit Grafit je materiál, který se používá v elektrotechnice, například v elektrických motorech na uhlíkové kontakty točivých částí. Dále se používá jako ložiskový materiál. Grafit je možné dobře obrobit, je možné na něm dosáhnout velmi hladký povrch. Relativně má nízké mechanické vlastnosti a používá se při malém a konstantním zatížení. Grafit se používá na ložiska, které se mažou vodou, například vodní čerpadla na tlakové reaktory pro teploty 350 C. Grafit při kluzném tření na oceli nezpůsobuje opotřebení poškrábáním. Je to samomazný materiál. (Blaškovič, 1990) Neželezné kovy a slitiny pro kluzná uložení Slitiny neželezných kovů poskytují široký výběr vlastností pro kluzná uložení. Jejich volba je provedena podle hledisek pracovní teploty, maximálně dovoleného tlaku p a rychlosti v. Cínové a olověné kompozice jsou nejčastějšími ložiskovými materiály tam, kde jsou provozní teploty omezeny na 100 až 150 C. Jsou vhodné pro malá až střední zatížení 33

36 (10 až 15 MPa) a vysoké rychlosti (50 až 70 m.s -1 ). Výhodou je malá tvrdost a tedy i malé opotřebení. Nevýhodou je vysoká cena. Používané kompozice: SnSb11Cu6, PbSn6Sb6. Bronzy se používají při malých kluzných rychlostech (5 až 10 m.s -1 ). Provozní teploty mohou dosáhnout 200 až 260 C. Maximální tlaky mohou být 150 Mpa. Používají se na dynamicky zatížená kluzná uložení při malých rychlostech. Nejběžnější je slitina CuSn5ZnPb. Předností cínových bronzů je vysoká odolnost proti korozi. Mosazi mají podobné využití jako bronzy. Maximální tlak je omezen na 10 až 20 MPa a rychlost 1 až 2 m.s -1. Jejich výhodou je nízká cena. Hliníkové slitiny mají velkou mez únavy, dobrou odolnost proti korozi, dobrou obrobitelnost. Dovolují poměrně značné zatížení 20 až 30 MPa. Často používaná je slitina AlSn20, AlSB6Pb5. (Sedláček, 1979) Kompozity Kompozity jsou moderní, kombinované (vícesložkové) materiály, které spojují výhodné vlastnosti všech svých složek. Známé je použití konstrukčních kompozitních materiálů, které se široce používají pro výrobu mnoha součástí v leteckém a automobilovém průmyslu i jinde. U těchto konstrukčních kompozitních materiálů se jedná téměř vždy o tzv. vláknové kompozity. Vlastnosti a tedy i možnosti použití kompozitních povlaků jsou dány řadou faktorů, nejvýznamnější z nich jsou: materiál matrice a materiál plniva, tvar, struktura a rozložení jednotlivých složek kompozitu. Matrice (báze) je jedna ze složek kompozitního materiálu (kompozitu), která zajišťuje povlaku monolitnost, spojení se základním materiálem, přenos a rozložení zatížení do objemu povlaku, chrání ostatní složky před vnějším působením. Podle materiálu matrice se kompozity mohou dělit na: - kompozity kovové, tj. s kovovou matricí. Dávají kompozitům vysokou pevnost, tepelnou i elektrickou vodivost, rozměrovou stálost. Chemická odolnost a odolnost proti opotřebení u nich závisí na druhu kovu. Mají ale vysokou měrnou hmotnost. - kompozity polymerové, tj. s polymerovou matricí. Vytvářejí při poměrně nízké pevnosti a tepelné odolnosti vysokou chemickou odolnost a nízkou měrnou hmotnost. 34

37 - kompozity keramické, tj. s keramickou matricí. Mají vysokou tepelnou odolnost, pevnost i tuhost. Jsou ale velmi křehké, jejich vytvoření je energeticky náročné, jsou drahé. Plnivo (plnidlo) je další složka kompozitu, která mu dodává určitou charakteristickou vlastnost, která by se ovšem nemohla projevit u samotného plniva, bez jeho kombinace s matricí. Podle tvaru použitého plniva se kompozity rozdělují na: - kompozity vláknové, - kompozity částicové, - kompozity vrstevnaté. U konstrukčních kompozitních materiálů se jedná téměř vždy o tzv. vláknové kompozity. Ty mají plnivo ve tvaru vláken, buď dlouhých, nepřerušených po celé délce součásti, nebo krátkých. Vlákna mohou být uspořádána v jednom směru, ve dvou směrech nebo chaoticky, mohou být také uspořádána jako tkanina. V praxi se nejvíce používají vlákna: - skleněná ( - aramidová (mají velkou pevnost a jsou dobře ohebná. Nejznámějším je KEVLAR), - uhlíková (mají nejlepší mechanické vlastnosti, vysokou korozní odolnost a únavovou pevnost). Výhodou kompozitů je jejich velká životnost. 4 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 4.1 Cíl práce Cílem je sledování a vyhodnocení velikosti abrazivního a erozivního opotřebení materiálu Ocel v laboratorních a provozních podmínkách. Opotřebení bude statisticky vyhodnoceno na základě hmotnostních a objemových úbytků. 4.2 Zkoušený materiál Ocel třídy (S 235 JRG1) Nízkouhlíková feriticko - perlitická ocel. Použití: na různé součásti běžného použití, výroba profilů apod. 35

38 Tab. 1 Chemické složení oceli C [%] Mn [%] P [%] S [%] 0,042 0,15 0,008 0,008 Mez kluzu: 259 Mpa Pevnost v tahu: 347 Mpa Min. tažnost: A 5 min 28 % Hustota: 7,75 g/cm³ 4.3 Zkoušky odolnosti materiálů proti abrazivnímu a erozivnímu opotřebení Laboratorní zkouška abrazivní opotřebení Pro laboratorní zkoušku odolnosti proti abrazivnímu opotřebení byla zvolena zkouška ČSN Stanovení odolnosti kovových materiálů proti abrazivnímu opotřebení na brusném plátně. Výhody zvolené metody: - spolehlivost a jednoduchost přístroje, - dostupnost zkušebního přístroje, - možnost volby různých drsností brusného plátna, - možnost zkoušet odolnost materiálu proti abrazivnímu opotřebení za normálních i vysokých teplot. Nevýhody zvolené metody: - změna abrazivity plátna nebo kotouče v průběhu zkoušky, jelikož se abrazivní částice postupně otupují a vylamují, kromě toho se jejich povrch znečišťuje částicemi otěru Metodika laboratorní zkoušky Abrazivní opotřebení kovových materiálu, plastů, se nejčastěji zjišťuje na přístrojích s vázanými částicemi, volnými částicemi nebo vrstvou volných částic mezi dvěma stykovými povrchy. Laboratorní zkouška opotřebení byla provedena na přístroji s vázanými částicemi. 36

39 V důsledku malých hmotnostních úbytků u laboratorních zkoušek je velmi důležité zachovávat přesný postup měření a dbát na čistotu vzorků při vážení. Obr. 7 Schéma zkušebního zařízení s brusným plátnem (ČSN , 1974) Zkušební přístroj s brusným plátnem se skládá z rovnoměrně se otáčející vodorovné desky (1), na kterou se upevňuje brusné plátno (2). Zkušební vzorek (3) je držen upínací hlavicí (4) a je přitlačován k brusnému plátnu silou vyvozenou závažím (5), dále ze zařízení (6) umožňující radiální posuv vzorku a koncového vypínače (7). Zkoušený vzorek se během zkoušky posunuje od středu ke kraji brusného plátna a částí svého povrchu neustále přichází do styku s brusným plátnem, přičemž se kotouč s brusným plátnem otáčí. Rozměr zkušebního vzorku je 10 x 10 x 10 mm. Po stanovené délce 50 metrů třecí dráhy koncový spínač stroj zastaví. Vzorky jsou očištěny a zvážením na elektronických vahách přesností 0,001 g je stanoven hmotnostní úbytek. Pokud velikost dráhy dosáhne 250 metrů, je stávající brusné plátno nahrazeno novým plátnem. 37

40 Obr. 8 Zkušební zařízení s brusným plátnem Parametry zkušebního zařízení: Délka třecí dráhy: 50 m Průměr otáčející se desky: 480 mm Max. kluzná rychlost zkušebního tělesa: 0,5 m.s -1 Měrný tlak: 0,32 N.mm -2 Radiální posuv zkušebního tělesa: 3 mm.ot -1 Brusné plátno: korundové, zrnitost 120 Velikost opotřebení zkušebních vzorků byla vyhodnocena na základě hmotnostních a objemových úbytků v průběhu zkoušky podle vztahů: Hmotnostní úbytky: kde: H = H 1 [mg] ui H i H ui úbytek hmotnosti při i-tém měření [mg] H 1 hmotnost nového vzorku [mg] H i hmotnost vzorku při i-tém měření [mg]. 38

41 Objemové úbytky: kde: m V = ui [cm 3 ] ρ m ui hmotnost při i-tém měření [g] ρ hustota [g.cm -3 ]. V = V 1 [mm 3 ] ui V i kde: V ui úbytek objemu při i-tém měření [mm 3 ] V 1 objem nového vzorku [mm 3 ] V objem vzorku při i-tém měření [mm3]. i Výsledky laboratorní zkoušky Hmotnostní úbytky zkušebních vzorků na brusném plátně po 50 metrech Tab. 2 Hmotnostní úbytky na brusném plátně Materiál OCEL Označení Hmotností úbytek vzorku po ujetí dráhy [mg] vzorku X X X X X X Průměr Objemové úbytky zkušebních vzorků na brusném plátně po 50 metrech Tab. 3 Objemové úbytky na brusném plátně Materiál OCEL Označení Objemový úbytek vzorku po ujetí dráhy [mm 3 ] vzorku X1 0 39,225 82, , , ,419 X2 0 40,774 83, , , ,645 X3 0 41,161 84, , , ,903 X4 0 44,903 86, ,29 175, ,452 X5 0 43,483 85,29 130, , ,741 X6 0 41,419 83, , ,71 213,419 Průměr 0 41,827 84, , , ,43 39

42 4.3.2 Provozní zkoušky erozivní opotřebení Při provozních zkouškách odolnosti materiálu proti abrazivnímu a erozivnímu opotřebení působí i další degradační procesy, proměnné zatížení, okolní prostředí apod. Důležitý požadavek, který musí provozní zkoušky splňovat, jsou stejné podmínky abrazivního a erozivního opotřebení v provozu a provozní zkouška musí být relativně krátká v porovnání s celkovou životností součásti. Výsledky provozních zkoušek jsou těmito podmínkami a vlivy často ovlivněny. Proto provozní zkoušky mají význam pro konkrétní výrobní zařízení nebo pro zařízení pracující v podobných podmínkách (Suchánek, 2007). Zkoušky erozivního opotřebení jsou obvykle prováděny na provozních zařízení za definovaných podmínek. Jsou velmi zatíženy druhem a přesností použitého zařízení Metodika provozní zkoušky Pro provozní zkoušku bylo použito 6 zkušebních vzorků Oceli Rozměr zkušebních vzorků byl 50 x 50 x 8 mm. Zkušební vzorky byly upevněny v přípravku, který byl nainstalován uvnitř tryskacího zařízení. V přípravku bylo upevněno 6 zkušebních vzorků. Následovalo metání abraziva lopatkami metacího kola po dobu 4 hodin na upevněné zkoušené materiály. Použitá abraziva byly kuličky a ostrohran. Před zahájením měření byly všechny vzorky zváženy s přesností na 0,001 g. Po uplynutí doby zkoušky byl každý zkušební vzorek řádně očištěn a znovu zvážen s přesností na 0,001 g. Tryskací zařízení-výrobce: Kovo Staněk, s.r.o., Brumovice Obr. 9 Tryskací zařízení 40

43 Parametry tryskacího zařízení: Počet lopatek metacího kola: 6 ks Výkon metacího kola: 7,5 kw Otáčky metacího kola: 2930 min -1 Parametry provozní zkoušky: t = 4 hodiny α = 11 v = 55 m.s -1 Použité abrazivo pro provozní zkoušku: 1) AMASTEEL S 23O - kuličky Kulatý ocelový tepelně zušlechtěný granulát. Je vyrobený z kvalitní uhlíkové oceli tepelným zušlechťováním, aby tak získal jemnou homogenní strukturu temperovaného martenzitu. Obr. 10 AMASTEEL S zvětšeno 5x 2) AMASTEEL LG 40 - ostrohran Ocelová drť o střední tvrdosti, hrany se při tryskání postupně zakulacují. Má menší abrazivní účinek. Obr. 11 AMASTEEL LG 40 - zvětšeno 10x 41