Každý zemědělec ze své vlastní zkušenosti ví, že častým důvodem předčasného vyřazení zemědělské techniky z provozu jsou procesy tření a opotřebení. Přitom v mnoha případech je odstavení celého strojního celku způsobeno poškozením jedné jediné součásti. Důsledkem jsou pak menší či větší ekonomické ztráty. Z této úvahy je jasné, proč v posledních letech vystupuje do popředí úkol prodlužování životnosti (resp. snižování opotřebení) exponovaných strojních dílů.
Možností řešení tohoto problému je hned několik. Jednou z nich je použití technologie navařování – zhotovení speciálního návaru odolného proti opotřebení na funkčním povrchu součásti.
Výhody navařování v praxi
Technologie navařování se v praxi využívá dvěma způsoby:
1. tzv. preventivní návary – tedy zhotovení návaru na funkční plochy v konečné fázi výroby součásti (návarem se zvyšuje odolnost povrchu proti opotřebení) (obr. 2),
2. tzv. renovace – tedy zhotovení návaru na provozem opotřebované funkční plochy (návarem se doplňuje chybějící materiál).
Návary mohou (ovšem pouze při správném použití !!!) přinést významné kladné ekonomické efekty, např.:
1. materiálové a energetické úspory, neboť výroba celé nové součásti je obvykle materiálově a energeticky podstatně náročnější než zhotovení návaru na jedné či několika opotřebovaných plochách při renovaci,
2. snížení pracnosti, neboť obrábění jedné či několika funkčních ploch po renovaci navařením je jednodušší než obrábění všech funkčních ploch při výrobě nové součásti; kromě toho lze v některých případech návar použít bez následných úprav (jako je tomu např. při navařování dílů zemědělských strojů pro zpracování půdy), příp. jen s malou úpravou (např. obroušení ručním broušením),
3. zvýšení životnosti navařené součásti, neboť z nabídky na našem trhu lze vždy vybrat vhodný návarový materiál pro konkrétní provozní podmínky určité součásti; ta může při správné volbě návarového materiálu mít oproti původní i podstatně vyšší životnost, takže se sníží frekvence výměn opotřebovaných součástí, doby prostojů zařízení při opravách atd.
Navařování vrstev se speciálními vlastnostmi při použití návarových materiálů v různých formách je jednou z rychle se rozvíjejících aplikací technologie svařování. Využívá se jej nejen v zemědělství, ale také ve stavebnictví, těžbě, dopravě a manipulaci s materiálem a v mnoha dalších oborech lidské činnosti. Pro optimální využití navařování v praxi je však nezbytná detailní znalost technických a technologických vlastností jednotlivých návarových materiálů a jejich chování v podmínkách různého provozního zatížení. Tyto údaje jsou, společně s ekonomickými podklady, nejdůležitějším kritériem hodnocení vhodnosti a úspěšnosti použití návaru v praxi.
Situace v praxi však není tak jednoduchá, jak by se mohlo jevit z předchozího odstavce. Opotřebení je totiž velmi složitý proces, jehož výsledkem je „trvalá nežádoucí změna povrchu a rozměru, způsobená vzájemným působením funkčních povrchů nebo funkčního povrchu a opotřebovávajícího média“. Podle podstaty procesu se opotřebení rozděluje na šest základních druhů – adhezívní, abrazívní, erozívní, kavitační, únavové, vibrační a jiná (kombinace předchozích druhů). V praxi se však nikdy neuplatní všechny druhy opotřebení zároveň. Obvykle je dominantní jeden druh opotřebení, se kterým může spolupůsobit jeden či několik dalších (např. eroze). V oblasti zemědělství bývá dominantním opotřebení abrazívní, charakterizované působením tvrdých částic na opotřebovávaný povrch. Takovými tvrdými částicemi může být např. křemičitý písek nebo kameny v půdě, příp. prach přítomný prakticky při všech zemědělských činnostech. Intenzita opotřebení je závislá na mnoha faktorech, např. intenzita abrazívního opotřebení je ovlivňována velikostí, tvarem, pevností a tvrdostí abrazívních částic, strukturou materiálu, velikostí normálového zatížení, velikostí kluzné rychlosti, vlhkostí atd. Z tohoto neúplného výčtu ovlivňujících faktorů je zřejmé, že odolnost proti opotřebení je veličinou velmi složitou vlastností a tomu odpovídá i náročnost jejího objektivního popisování a zjišťování. Zároveň je to vysvětlení, proč uživatel nemůže při koupi návarových materiálů dostat od prodejce konkrétní a přesné údaje o jejich odolnosti proti opotřebení na „jeho“ výrobku. První informací o návarovém materiálu je chemické složení návarového kovu, které všichni prodejci (kromě jediného – firmy Castolin) poskytují. Z něho si lze učinit představu o výsledné struktuře a tedy i o vlastnostech návaru. Na tomto místě je třeba zmínit ještě jeden faktor, a to limitní velikost opotřebení, při které ztrácí součást funkčnost a je nutné ji vyřadit. Pohybuje se v širokých mezích - pro některé součástí (např. vstřikovací čerpadla) je tato velikost řádově několik setin milimetrů, pro další (např. plužní čepele, viz obr. 1) je řádově desítky milimetrů a pro jiné (např. zuby velkorypadel v povrchových dolech) je řádově stovky milimetrů.
Hodnocení odolnosti proti opotřebení materiálu
Velikost opotřebení se vyjadřuje buď veličinami přímo měřenými, nebo veličinami poměrnými. Přímo měřenou veličinou může být např. velikost délkového (v mm), hmotnostního (v g) nebo objemového (v mm3) otěru. Druhý způsob je vyjádření bezrozměrnými poměrnými veličinami, kdy se velikost opotřebení zkušebního tělesa porovnává s velikostí opotřebení etalonu. V tomto případě se používá termínu „poměrná odolnost proti opotřebení“.
Pro stanovení odolnosti kovových materiálů proti jednotlivým druhům opotřebení lze v principu použít zkoušky provozní nebo laboratorní. Každý z uvedených přístupů ke zkoušení má svoje výhody, ale i nevýhody a tedy i oblast nejvhodnějšího použití. Metodiku zkoušení odolnosti proti různým typům opotřebení je vždy nutné volit se zřetelem na převládající podmínky procesu opotřebení a požadované výsledky sledování.
Provozní zkoušky probíhají v reálném pracovním prostředí. Umožňují studovat a hodnotit opotřebení přímo na strojní součásti nebo konstrukčním uzlu. Jejich výsledky jsou však ovlivněny mnohdy velkou proměnlivostí provozních parametrů. Např. při sledování opotřebení plužních čepelí jsou fatálně ovlivňovány např. změnou vlhkosti půdy, různým utužením v různých místech pozemku, změnou typu půdy, aj. Proto mají význam jen pro konkrétní výrobní zařízení nebo pro zařízení pracující ve stejných nebo velmi blízkých podmínkách. Sledování opotřebení součástí v provozu bývá většinou značně časově a finančně náročnější než provedení laboratorních zkoušek. Na základě statisticky zpracovaných výsledků provozních zkoušek je pak možné prognózovat životnost jednotlivých součástí, konstrukčních uzlů nebo celých strojních zařízení.
Laboratorní zkoušky obvykle dovolují modelovat pouze některé parametry procesu opotřebení. Proto lze dosažené výsledky zobecnit až po důkladné analýze skutečných provozních podmínek. Laboratorní přístroje umožňují detailně studovat vliv jednotlivých dílčích faktorů na charakter a intenzitu opotřebení. Jejich výhodou je podstatně nižší cena a opakovatelnost podmínek zkoušky. V příslušné literatuře je publikováno dostatek údajů o přístrojích na zkoušení odolnosti materiálu nebo strojních dílů proti jednotlivým druhům opotřebení. Např. pro stanovení odolnosti materiálů proti abrazívnímu opotřebení lze použít některé z nejméně sedmi typů zkušebních zařízení. Podle podmínek v oblasti kontaktu mezi opotřebovávaným povrchem (zkušebním vzorkem) a opotřebovávajícím médiem se experimentální zařízení rozdělují na přístroje s vázanými částicemi a přístroje s volnými částicemi.
V praxi se v České republice nejčastěji používají přístroje s brusným plátnem (obr. 3), neboť jsou jednoduché, spolehlivé a výsledky zkoušek mají relativně malý rozptyl. Jejich nevýhodou je však proměnná kvalita používaného brusného plátna. Zkouška je normována v ČSN 01 5084. Přístroj pro provádění výše uvedené zkoušky je již téměř 20 let využíván v laboratořích katedry materiálu a strojírenské technologie pro zjišťování odolnosti proti opotřebení kovových materiálů, zejména však návarů používaných pro navařování součástí zemědělských strojů a zařízení pracujících v podmínkách intenzívní abraze. Výsledky těchto experimentů jsou průběžně publikovány.
Zkoušené návarové materiály
V tomto příspěvku jsou publikovány souhrnné výsledky zkoušek celkem 20 typů návarových materiálů 11 výrobců určených pro zhotovení vrstev odolných proti opotřebení. Jejich chemické složení je uvedeno v tab. 1.
Příprava a provedení experimentu
Všechny výše uvedené návarové materiály byly navařeny za podmínek stanovených jejich výrobcem. Základním materiálem byla ocel 11 373 (ČSN 41 1373). Parametry navařování jednotlivých materiálů byly voleny dle doporučení výrobce a jsou uvedeny v příslušných katalozích. Po zhotovení, resp. dodání desek s návary, byla z rozměrnějších polotovarů vyřezána zkoušená tělesa vhodných rozměrů (25 x 25 x 17,5 mm), na jejichž čelních plochách (25 x 25 mm) byly návary.
Postup při zkoušce a její vyhodnocení
Podstatou zkoušky abrazívního opotřebení na přístroji s brusným plátnem (obr. 3) podle ČSN 01 5084 je opotřebování zkušebního tělesa brusným plátnem za předem definovaných podmínek. Zkušební přístroj se sestává z rovnoměrně se otáčející vodorovné desky, na kterou se upevňuje brusné plátno. Zkušební těleso je při zkoušce drženo upínací hlavicí a přitlačováno k brusnému plátnu silou vyvozenou závažím. Dále se sestává ze zařízení umožňujícího radiální posuv vzorku a koncového vypínače. Zkušební těleso je během zkoušky posunováno od okraje ke středu brusného plátna a částí svého povrchu přichází neustále do styku s nepoužitým brusným plátnem.
Porovnávací zkušební tělesa (etalony) jsou vyrobena z oceli 12 014.20 (ČSN 41 2014) s tvrdostí HV = 95 – 105. Jako brusného plátna se používá korundového kepru A99 – G,S 25 značky Glóbus 120. Brusné plátno se dodává v 50 m rolích, ze kterých se postupně podle potřeby odřezávají a ve stejném pořadí spotřebovávají kotouče o daném průměru.
Při zkoušce se na vodorovnou desku připevní brusné plátno, do upínací hlavice se uchytí zkušební těleso, které se zatíží předepsanou silou (vyvozenou závažím). Po kontrole chodu přístroje se provede vlastní zkouška. Při zkoušení se pro kontrolu chodu přístroje, jakosti brusného plátna a pro zjištění poměrného opotřebení mezi jednotlivé zkoušky zařazují zkoušky porovnávacích těles (etalonů).
Před zkouškou a po zkoušce se zjišťuje hmotnost všech porovnávacích zkušebních (etalonů) a zkoušených těles s přesností na 10-3 g. Dále se měří tvrdost povrchu HV 30 všech vzorků. Princip zkoušky je v podstatě docela jednoduchý – materiál s nižším hmotnostním úbytkem v průběhu zkoušky je odolnější proti opotřebení a naopak.
Hodnota poměrného opotřebení [%] (viz obr. 4) zkoušených materiálů při abrazívním opotřebení se vypočítá jako podíl průměrného hmotnostního úbytku zkoušených těles (s návary) a průměrného hmotnostního úbytku porovnávacích zkušebních těles (etalonů).
Výsledky experimentů
Výsledky zkoušek v grafické podobě jsou uvedeny na obr. 4. Materiály jsou seřazeny podle rostoucího obsahu uhlíku. V obrázku jsou uvedeny hodnoty poměrného opotřebení a tvrdosti povrchu zkoušených návarů.
V příspěvku jsou publikovány výsledky laboratorních zkoušek odolnosti proti abrazívnímu opotřebení na brusném plátně 20 vybraných návarových materiálů 11 výrobců. Zkoušky byly provedeny podle ČSN 01 5084. Součástí experimentů bylo i měření tvrdosti HV 30 povrchu všech vzorků.
Z výsledků je zřejmé, že na tuzemském trhu je v současnosti dostatek po technické stránce kvalitních návarových materiálů. Téměř polovina ze zkoušených návarových materiálů vykazovala opotřebení menší než 10 % opotřebení materiálu etalonového.
Na závěr je nezbytné zdůraznit, že výše popsaná technická úroveň návarových materiálů je pouze jedním (i když velmi důležitým) kritériem. Při řešení konkrétního problému je třeba zohlednit celkovou ekonomickou efektivitu aplikace technologie navařování. Tomuto problému se bude věnovat článek v některém z budoucích čísel časopisu.
Tento příspěvek vznikl v rámci řešení výzkumného záměru CEZ: J03/98:413100016 České zemědělské univerzity v Praze s názvem „Optimalizace řízení spolehlivosti a environmentální aspekty strojů.“
