Josef Pošta, technická fakulta, Česká zemědělská univerzita v Praze, Praha, ČR
Michail I. Černovol, department využití a servisu strojů, Kirovogradský institut zemědělského strojírenství, Kirovograd, Ukrajina
Vytváření kompozitních vrstev odporovým navařováním
Particle composites can satisfy the highest demands on surface resistency of machine elements against wear. One of their possible performance is the resistance welding of semi-manufactured composites. General results present welding, laboratory and field tests of the built-up machine elements.
Podle současných představ o tření a opotřebení by měl materiál, optimálně odolávající opotřebení, mít heterogenní strukturu. To znamená, že by měl obsahovat tvrdá zrna, rovnoměrně rozložená v elastické a houževnaté matrici. Takovým ideálním materiálem odolným proti opotřebení tedy může být materiál kompozitní.
Zejména pro zvýšení odolnosti proti opotřebení strojních součástí se kompozitní materiály používají v podobě vrstev [1]. Pro vytváření kompozitních vrstev na povrchu součástí se využívají různé technologické postupy, například obloukové navařování, nástřik, elektrolytické vylučování aj.
Široké možnosti pro vytváření kompozitních povlaků dává také odporové navařování [2]. Proces se uskutečňuje na speciálních zařízeních. V principu spočívá v současné deformaci navařovaného materiálu a povrchové vrstvy základního materiálu, zahřátých do plastického stavu krátkými (0,02 - 0,16 s) proudovými impulsy o intenzitě od 7 kA. Svarové body, které při tom vznikají, jsou roz
loženy na šroubovici a částečně se navzájem překrývají jak v podélném, tak v příčném směru. Toto překrytí je dáno poměrem otáček, frekvence proudových impulsů a axiálním posuvem elektrod.Jako přídavný materiál pro odporové navařování kompozitních vrstev jsou technologicky nejvhodnější předem vytvořené kompozitní polotovary (pásky, dráty, destičky). Pro podmínky abrazívního opotřebení musí být tvořeny houževnatou matricí a tvrdým plnivem, přičemž tvrdost plniva musí být vyšší než tvrdost opotřebovávajících
abrazívních částic. Jako takové plnivo výborně vyhovují karbidy kovů. Ty kromě vysoké tvrdosti a odolnosti proti opotřebení mají také dostatečnou elektrickou vodivost. Protože dostatečně vysoká elektrická vodivost je jedním ze základních požadavků na materiály navařované při průchodu elektrického proudu, hodí se karbidy kovů velmi dobře k odporovému navařování.S přihlédnutím k jejich dostupnosti byly v experimentech použity jako plnivo karbid chromu a karbid titanu.
Cílem provedených experimentů bylo:
ověřit praktickou realizovatelnost navržené technologie přípravy a odporového navařování kompozitových polotovarů (pásků)
najít hranice vhodnosti hlavních parametrů odporového navařování kompozitových pásků s ohledem na kvalitu spojení částic v pásku navzájem i se základním materiálem
laboratorně a provozně ověřit odolnost proti opotřebení vzorků (součástí) opatřených odporově navařenými kompozitovými povlaky různého složení.Technologie přípravy kompozitových polotovarů byla následující:
smísení výchozích práškových složek v požadovaných poměrech
povlakování částic směsi niklem
úprava vlhkosti práškové směsi
lisování pásků
spékání pásků v inertní atmosféře.Základním materiálem matrice pásku bylo práškové železo s obsahem 0,25 % uhlíku. Pro zvýšení tvrdosti matrice byl přidáván chrom (15 - 18 %) a nikl (8 - 10 %). Obsah keramiky (karbidů) v matrici se pohyboval v rozmezí 20 - 60 % objemových.
Experimenty potvrdily, že příprava kompozitových polotovarů tímto postupem je dobře možná. Připravené pásky měly mechanické i elektrické vlastnosti vhodné pro odporové navařování. V důsledku povlakování všech složek směsi stejným kovem (niklem), byly vytvořeny podmínky pro optimální spojování částic při jejich plastické deformaci během lisování pásků. Díky tomu bylo možno připravit pásky s obsahem keramické složky nad 50 %, což je jinak velmi obtížné a problematické.
Vhodná rozmezí nastavení hlavních parametrů odporového navařování kompozitových pásků (proud, tlak elektrod) byla zjišťována na zařízení 01-11-02 "Remdětal". Výsledky byly zpracovány běžnými statistickými postupy a jsou v grafu na obr. 1.
Byla posuzována také mikrostruktura navařených vrstev. Bylo zjištěno, že částice karbidů jsou v matrici rozloženy s vyhovující rovnoměrností. To také zpětně potvrzuje vhodnost postupu přípravy kompozitových polotovarů.
Laboratorní zkoušky poměrné odolnosti proti abrazívnímu opotřebení byly prováděny na zařízení SMT-1, se zkušební dvojicí čep-pouzdro. Čep byl opatřen kompozitovým povlakem. Normální zatížení bylo 500 N a relativní rychlost pohybu povrchů 1,52 m/s. Do zóny tření byla přiváděna obrazívní směs, tvořená křemičitým pískem a olejem (5g křemičitého písku na 100 ml oleje). Jako etalon byla použita ocel 45 o tvrdosti v rozmezí 520 - 560 HV. Jako protikus (druhý člen třecí dvojice) byla použita ocel ŠCH15 (tvrdost 62 HRC) a litina SČ18. Opotřebení bylo zjišťováno vážením. Výsledky byly zpracovány běžnými statistickými postupy a jsou v grafu na obr. 2
V závislosti na obsahu karbidů má průběh odolnosti proti opotřebení lokální maximum. Maxima je (pravděpodobně) dosaženo při co možno nejvyšším obsahu částic plniva, je-li při tom současně obsah kovové matrice ještě dostatečný k tomu, aby nedocházelo k vydrolování tvrdých částic z vrstvy. Se snižováním podílu matrice natolik, že se částice plniva dotýkají, se snižuje vliv matrice na pevnost vrstvy. Bylo zjištěno, že optimální koncentrace karbidů leží v rozmezí 30 - 40 % objemových.
Provozní zkoušky byly prováděny na čepech podvozků pásových traktorů DT-75. Výsledky byly zpracovány běžnými statistickými postupy a lze je shrnout takto:
odolnost proti opotřebení výkyvného čepu vozíku podvozku vzrostla oproti výrobnímu provedení 13 krát
odolnost celého uložení (třecí dvojice) vzrostla 4,3 krát.Provozní zkoušky dále potvrdily, že takto uložení výkyvného čepu vozíku podvozku, upravené výše popsaným způsobem, může bez opravy pracovat po celou dobu používání traktoru a samotný čep s kompozitním povlakem je schopen pracovat po dobu ještě trojnásobně delší.
Literatura:
[1] CHERNOVOL, M. I.: Improvement in durability of machine elements with the aid of composite coating. In: Trends in agricultural engineering, Prague, 1992, p. 206-211.
[2] ČERNOVOL, M. I. - POŠTA, J.: Renovace součástí odporovým navařováním. In: Sborník MF VŠZ, Praha, 1986, s. 79-95.
[3] POŠTA, J. - HAVLÍČEK, J. - ČERNOVOL, M. I.: Renovace opotřebených strojních součástí. /Vědecká monografie/. MF VŠZ, Praha, 1991,144 s.