Navařování korozivzdorných trvrdonávarů pro rotační díly plunžrů hydraulických lisů. Zbyněk Bunda

Transkript

1 SOUTĚŽNÍ PŘEHLÍDKA STUDENTSKÝCH PRACÍ FST 2007 Navařování korozivzdorných trvrdonávarů pro rotační díly plunžrů hydraulických lisů ABSTRAKT Zbyněk Bunda Navařování je nanášení kovové vrstvy na povrch výrobku s cílem zvýšit odolnost proti abrazi, nárazu, korozi nebo proti dalším druhům opotřebení. Navařování plunžrů hydraulických lisů značně snižuje spotřebu tvrdého materiálu a také zmenšuje náklady na jejich výrobu a údržbu. Odolného návarového materiálu se použije tam, kde je opotřebení největší po obvodu plunžru. Tím navařování umožňuje dosáhnout velkých úspor legovaného materiálu, snížení výrobní ceny a velké životnosti plunžru. Plunžry hydraulických lisů pracují v prosředí s dynamickým namáháním. Podle velikosti plunžru stanovíme velikost ploch opatřených návarem. Stanovíme tloušťku návaru a celkový objem navařeného materiálu. Dále je třeba stanovit vhodný navařovací materiál podle požadovaných vlastností návaru a druhu základního materiálu. Dále se plunžr obrábí soustružením. Takto opravené plunžry mají po renovaci delší životnost než původní, protože je možné navařit vrstvy, které jsou odolnější proti opotřebení, nárazu, otěru nebo korozi, než původní materiál. 1. ÚVOD Obr. 1 Plunžr Plunžr 1 je nejjednodušším druhem pístu a je zároveň i pístní tyčí. Používá se především jako součást některých druhů čerpadel (tzv. potápník) a hydraulických strojů. Výhodou proti klasickým pístům je jeho výrobní nenáročnost a relativně snadná možnost utěsnění pomocí ucpávek. Obr. 2 3D model plunžru Používáním se plunžr opotřebí po svém povrchu, což je nežádoucí. Řešením je proto navaření vrstvou odolného materiálu v několika vrstvách a tím získání požadovaných vlastností. 2. PRACOVNÍ PODMÍNKY PLUNŽRŮ Podle konstrukčního uspořádání mohou plunžry pracovat v horizontální nebo vertikální poloze. V případě horizontálního uspořádání vzniká mezi povrchem a ucpávkou složka pasivního odporu, která je obecně větší, než u plunžru s vertikálním uložením. Proto musíme u hmotných plunžrů uvažovat vlečné kapalinové tření (normálová reakce). 1 Název je odvozen z anglického výrazu plunger = potápěč

2 Pracovní prostředí je tvořeno vodou, která je ve styku s plunžrem v jeho čelní a obvodové části. Dle předpisu musí mít voda maximálně 60 C a tlak 25 MPa, musí být zbavena veškerých pevných nečistot a chemicky neutrální, v krajním případě může být slabě alkalická (8-10 ph). Voda smí obsahovat maximálně 50 mg suspendovaných látek na 1 litr. Nesmí však obsahovat žádné mikroorganismy vytvářející sedimenty, ani kyselinu sirovodíkovou H 2 S. Pracovní prostředí plunžru lze charakterizovat kavitačními, korozními a jim podobnými účinky. 3. KONTROLA CHEMICKÉHO SLOŽENÍ MATERIÁLU Obr. 3 Rozřezaný a navařený vzorek, materiál Metoda GDOES (Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy) Tabulka 1 Chemické složení základního materiálu zjištěné metodou GDOES [hm%] Prvek C Mn Si P S Cu Cr Mo Al dle atestu 0,42 0,55 0,26 0,0180 0, ,070 0,080 0,0100 0,0450 Vzorek 1 0,44 0,54 0,28 0,0100 0, ,061 0,026 0,0001 0,0440 Vzorek 2 0,45 0,54 0,28 0,0089 0, ,060 0,030 0, ,0464 Vzorek 3 0,44 0,53 0,27 0,0071 0, ,061 0,030 0, ,0460 Chemické složení ZM zjištěné metodou GDOES v jednotlivých vzorcích je téměř identické ve srovnání s chemickým složením uvedeným v atestu. Mezivrstva drát UNION S 2 Mo průměr 3 mm. Tabulka 2 Chemické složení drátu UNION S 2 [hm%] C Si Mn Mo Union S 2 Mo 0,10 0,10 1,00 0,50 Přídavný drát SOUDOKAY 420-SA Tvrdost navařené vrstvy je 53 HRC, tato vrstva má martenzitickou strukturu. Přídavný drát je dodáván na cívkách. Tabulka 3 Chemické složení přídavného drátu SOUDOKAY 420-SA [hm%] C Si Mn Cr SOUDOKAY 420-SA 0,27 0,35 1,35 13,0

3 Tabulka 4 Změřené chemické složení jednotlivých návarů [hm%] Prvek C Mn Si P S Cu Cr Mo Mezivrstva 0,23 0,087 0,30 0,0700 0, ,071 0,062 0, návar 0,24 1,180 0,36 0,0076 0, ,047 6,860 0, návar 0,31 1,280 0,30 0,0054 0, ,030 9,950 0,059 Změny chemického složení v jednotlivých vrstvách návaru jsou především dané vyhořením prvků, dolegováním z tavidla a také promíšením s materiálem, na který je vrstva navařována. 4. METALOGRAFIE Makrostruktura Makrostruktura umožňuje posoudit oblast a charakter TOO, kovové spojení a eventuální přítomnost vad v návaru. Obr. 4 Makrostruktura navařené mezivrstvy zvětšení 5x Obr. 5 Makrostruktura první navařené vrstvy, zvětšení 5x Obr. 6 Makrostruktura druhé navařené vrstvy, zvětšení 5x Mikrostruktura Základní materiál Základní materiál má vyřádkovanou perliticko feritickou strukturu. Řádkování vzniklo při válcování materiálu. Leptáno Nitalem po dobu 8 s. Obr. 7 Struktura ZM, zvětšení 200x

4 Vzorek s navařenou mezivrstvou Na hranici ZM a mezivrstvy je patrný ostrý přechod mezi tepelně ovlivněnou oblastí základního materiálu a strukturou mezivrstvy, která je tvořena bainitem, feritem a Widmanstättenovou strukturou. Leptáno Nitalem po dobu 8 s. Obr. 8 Přechod mezi ZM a navařenou mezivrstvou, zvětšení 200x Vzorek s prvním návarem Na vzorku s navařenou mezivrstvou a prvním návarem nedošlo k výrazné změně struktury vlivem vnesení tepla při navařování další housenky. První návar je tvořen jehlicemi martenzitu a feritem. Při metalografické přípravě tohoto vzorku bylo problematické optimálně naleptat oblast přechodu z mezivrstvy do prvního návaru. Na vzorcích s tvrdonávary bylo použito leptadlo Villela Bain. Doba leptání byla 4 s. Obr. 9 Přechod z mezivrstvy do prvního návaru, zvětšení 100x Vzorek s druhým návarem Struktura druhého návaru se skládá z martenzitu a feritu. Je zde patrná dendritická struktura. Použité leptadlo bylo Villela Bain a doba leptání byla prodloužena na 7 s. Obr. 10 Přechod mezi prvním a druhým návarem, zvětšení 200x

5 5. ZKOUŠKA TVRDOSTI Zaznamenává se odpor proti statickému nebo dynamickému vnikání cizího tělesa. Zkouška tvrdosti podle Vickerse (ČSN ) je založena na principu vtlačování pravidelného čtyřbokého jehlanu s vrcholovým úhlem mezi protilehlými stěnami jehlanu 136±0,5 do materiálu. Tvrdost je vyjádřená jako poměr zkušebního zatížení F k ploše povrchu vtisku, který se uvažuje jako pravidelný čtyřboký jehlan se čtvercovou základnou, s úhlopříčkami D a D a s vrcholovým úhlem rovnajícím se úhlu vnikajícího tělesa. Tvrdost podle Vickerse se určí ze vztahu: HV 2 d = 0,189 (1) F Kde: F zátěžná síla d průměr délek úhlopříček Tvrdost byla měřena na digitálním tvrdoměru Buehler, typ 2104 (VMT-7S) zatěžovací silou 10 N po dobu 10 s. Měření bylo provedeno ve dvou liniích na každém vzorku směrem od ZM k návarům. Vpichy byly umístěny ve vzdálenostech, které udává tabulka od hranice ZM. Obr. 11 Vyznačené místa vpichů na vzorcích Zvýšení tvrdosti v TOO u prvního vzorku (asi o 100 HV) se již nevyskytuje v takové míře u vzorků 2 a 3 (zde nárůst činí asi 30 HV). Nárůst tvrdosti není tak vysoký z důvodu vnesení tepla navařením dalších dvou housenek a tím přežíhání TOO a navařené mezivrstvy. Mezivrstva tvoří měkkou podušku pod tvrdonávarem. Dalšího nárůstu tvrdosti dochází na rozhraní kovu mezivrstvy a chromového tvrdokovu, kde hodnota tvrdosti vzroste na malém úseku přibližně o 300 HV. To je způsobeno navařením kovu s odlišným chemickým složením. Změna tvrdosti v prvním návaru po navaření druhého návaru je již zanedbatelná. Tvrdost povrchu návaru je podle experimentálního měření 530 HV, což odpovídá podle tabulky 51 HRC. Hodnota této tvrdosti je optimální. Mnohonásobně zvyšuje životnost plunžru a je ještě možné ho po navaření třískově obrábět. Při dosažení vyšší tvrdosti by muselo být použito broušení, které by vzhledem ke své ceně snižovalo ekonomický efekt tohoto způsobu renovace. 6. ZÁVĚR Navaření plunžru hydraulického lisu bylo provedeno ve společnosti TS Plzeň a.s. navařovacím automatem ESAB A6B. Byla vybrána technologie navařování pod tavidlem zejména kvůli ekonomické výhodnosti. Pro použitý materiál musel být použit předehřev 300 C pro kvalitní návar. Návar byl proveden ve třech vrstvách, z toho první - mezivrstva má funkci podušky pod tvrdonávarem. Odolný návar byl navařován ve dvou dalších vrstvách drátem SOUDOKAY 420 SA a tavidlem RECORD SA. Tvrdost po obvodu plunžru je přibližně 530 HV. Výhody navržené technologie plunžrů jsou tyto: zvýšení produktivity práce zvýšení kvality vyráběných plunžrů úspora legovaných materiálů snížení výrobních nákladů

6 LITERATURA [1] Krňák R. a kolektiv: Kapesní příručka svařování, řezání, pájení. Praha, SNTL 1973 [2] Kovařík R., Černý F.: Technologie svařování. Plzeň, ZČU 2000 [3] Skálová J., Koutský J. Motyčka V.: Nauka o materiálech. Plzeň: ZČU 2000 [4] Kuncipál J. a kolektiv: Technologie svařování. Praha, SNTL 1986 [5] Požadavky na kvalitu vody, interní směrnice. TS Plzeň a.s. [6] Pluhař J., Puškár A., Koutský J., Macek K., Beneš V.: Fyzikální metalurgie a mezní stavy materiálu. Praha, SNTL1987 [7] Kuncipál J.: Pilous V., Dunovský J., Nové technologie ve svařování. N.p. Brno 1984 [8] Outrata J.: Technologie ručního zpracování kovů. SNTL Praha 1967 Autor: Zbyněk Bunda, Vedoucí práce: Ing. Aleš Franc, Západočeská univerzita v Plzni. zbynek.bunda@seznam.cz