FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE
TRIBOLOŠKA SVOJSTVA LEGIRANIH ČELIKA
Mentor: Student:
dr.sc. Suzana Jakovljević Ante Grabić
Zagreb 2014.
1
Sadržaj
1. Uvod………………………………………………………………………………………2
2. Tribologija………………………………………………………………………………...3
3. Legirani čelici………………………………………………………………………….10
4. Erozijska korozija pumpe konvejera od nehrđajučeg čelika………………………11
5. Abrazijsko trošenje cijevi topničkog oružja………………………………………...13
6. Trošenje kalupa od Č 4751 prilikom lijevanja aluminijskih legura……………….15
7. Zaključak……………………………………………………………………………….17
Literatura ……………………………………………………………………………………..18
2
1. Uvod
Ovaj seminar je napravljen tako da nam da kratki uvid u procese trpšenja legiranih čelika.
Najbitnija stvar je povezati teoretska tribološka svojstva sa pravim primjerima trošenja.
Posebno će biti opisana svi procesi trošenja i pokušati će se dati nekoliko primjera koji
pokrivaju najbitnije procese trošenja. Primjeri će biti svaki za svoj process trošenja tako da se
dobije jasan dojam o preblemu koji se pojavljuje.
Kod svakog primjera će biti napisani uzroci trošenja.
3
2. Tribologija
Tribologija je znanstveno-stručna disciplina koja se bavi problematikom trenja i trošenja.
U popularnom izražavanju tribologija uključuje trenje (friction), trošenje (wear) i podmazivanje
(lubrication). Bit tribologije predstavlja razumijevanje prirode postojećih interakcija i rješavanje
proizvodnih problema koji su povezani s fenomenima međupovršina materijala u relativnom
gibanju.
Slika 1 - Mikrostruktura površine
Tribologija obuhvaća osnovne discipline koje opisuju prirodu površina, interakcije,
gibanja i materijale. Primijenjene discipline tribologije opisuju utjecaj odabira materijala, obradu
površine, podmazivanje površina u primjeni, kao i područje novih istraživanja u nanotehnici.
Slika 2 - Tribološki test; četiri kuglice
4
Tribologija je stoga interdisciplinarna znanost gdje su osnovne (fundamentalne) discipline
tribologije, koje opisuju osnovnu prirodu površina, interakcije, gibanja i materijale, fizika,
kemija, matematika, mehanika fluida, mehanika, znanost o materijalima, metalurgija i strojarstvo.
rimijenjene discipline tribologije, koje opisuju efekte odabira materijala, obradbe, podmazivanja i
primjene su materijali (metali, polimeri, keramika, ‘novi’ materijali), obradba materijala
(površinski tretmani materijala), podmazivanje materijala (ulja, masti, aditivi), mehaničke
konstrukcije (zupčanici, ležaji, klizni elementi), kao i nova istraživanja (nanotehnologije).
Osnovni zadatak tribologije je kontrola (‘upravljanje’) trenja i trošenja.
Slika 3 - Utjecaj različitih materijala na trošenje strojnog dijela
Tribologija je ključna u modernoj mehanizaciji i u strojarstvu gdje se koriste površine
koje se međusobno kližu, kotrljaju ili se kreću relativno jedna u odnosu na drugu.Kad god se
površine kreću jedna po drugoj, dolazi do pojave trošenja - oštećenja na jednoj ili obje površine
koje najčešće podrazumijeva i progresivan gubitak materijala.
U većini slučajeva, trošenje je štetno; uzrokuje povećanu zračnost između pomičnih
komponenti, neželjenu slobodu kretanja, gubitak preciznosti, često vibracije, povećano
mehaničko opterećenje i još brže trošenje, te ponekad i umor materijala.
Gubitak relativno male količine materijala može biti dovoljan uzrok zatajenja rada velikih
i kompleksnih strojeva. Ipak, ponekad su (kao kod trenja) velika trošenja poželjna - npr. brušenje,
mljevenje i poliranje koriste pojavu trenja za brzo odstranjivanje materijala u kontroliranim
uvjetima, a niska razina trenja ponekad je i poželjna kod nekih procesa uhodavanja mehanizma.
5
Trošenje je postupni gubitak materijala s površine krutog tijela uslijed dinamičkog dodira s
drugim krutim tijelom, fluidom ili česticama.
Četiri osnovna mehanizma trošenja su: abrazija, adhezija, umor površine i tribokorozija.
Sama identifikacija mehanizama trošenja se vrši na temelju izgleda trošenih površina i oblika
čestica trošenja. Mehanizmi trošenja se opisuju jediničnim događajima, tj. Slijedom zbivanja koji
dovodi do odvajanja jedne čestice trošenja s trošene površine. Trošenje se može podijeliti na
trošenje klizanja, koje se javlja bez prisustva tvrdih čestica, i abrazijsko trošenje, koje se zbiva uz
njihovo prisustvo. U određenim uvjetima trošenje klizanjem može proizvesti krhotine koje
uzrokuju daljnje abrazijsko trošenje. Upravo zbog toga se treba imati na umu da granica između
različitih vrsta trošenja često ne može biti jednoznačno određena.
Abrazijsko trošenje
To je najučestalije trošenje u industriji. Nastaje kao posljedica prodiranja vrhova tvrđeg
materijala u površinske slojeve mekšeg uz brazdanje pri uzajamnom gibanju tijela. Posljedica je
mikrorezanje materijala zbog djelovanja abraziva.
Slika 4 - Shematski prikaz abrazijskog trošenja [2]
6
Abrazivno sredstvo može biti proizvod tipa: ugljen, cement, kamen, staklo, keramika i sl.
Trošenje se stoga javlja prilikom kopanja rudače, drobljenja, izvlačenja i otpremanja. Strojni
dijelovi su tada izloženi visokim naprezanjima i tzv. abraziji između dva tijela. Borba protiv ove
vrste trošenja zahtijeva vrlo tvrde, guste i otporne materijale za površinsku zaštitu.
Slika 5 - Abrazija između dva tijela
Abrazija između tri tijela javlja se kod uređaja kao što su pumpe ili ventili kada se
abrazivno sredstvo zaglavi između površina u trenju (pr. ležajevi). I ovdje se zbog visokih
naprezanja moraju koristiti čvrsti i otporni materijali.
Slika 6 - Abrazija između tri tijela
Osnovna razlika između ove dvije vrste abrazijskog trošenja je u tome što abrazija između
dva tijela nastaje isključivo zbog tvrdih izbočina na površinama u dodiru, dok se kod abrazije
između tri tijela radi o dvije površine između kojih se tvrde abrazivne čestice slobodno kreću i
uzrokuju oštećenja.
Mehanizmi abrazijskog trošenja djelotvorni su za vrijeme direktnog fizičkog kontakta
između dviju površina. Ako su površine odvojene kapljevitim filmom (isključene su abrazijske
čestice) ti mehanizmi trošenja ne djeluju.
7
Kod abrazijskog trošenja u većini situacija dolazi do grebanja i opažaju se brazde na
mekšoj površini, koje se vide kao serije utora-žljebova paralelnih s smjerom klizanja. Termini
koji se koriste za abrazijsko trošenje su grebanje, zarezivanje s pomoću dijetla ovisno o stupnju
djelovanja na površinu.
Slika 7 - Mikrorezanje materijala na koji djeluje abraziv
Adhezijsko trošenje
Adhezijsko trošenje nastaje kao posljedica djelovanja međumolekularnih sila u točkama
dodira tijela, a manifestira se kroz „preraspodjelu“ materijala s jedne na suprotnu površinu.
Slika 8 - Adhezijsko trošenje
To često dovodi do puknuća i hladnog zavarivanja radnih dijelova. Adhezijsko trošenje se
reducira korištenjem različitih materijala i tvrdih površina otpornih na ovu vrstu trošenja.
8
Erozijsko trošenje
Ova vrsta trošenja nastaje uslijed djelovanja djelića fluida (sa ili bez krutih čestica
nošenih fluidom) koji velikim brzinama udaraju o površinu tijela.
Slika 9 - Erozijsko trošenje
Jačina erozije najvećim dijelom ovisi o brzini i kutu udara čestica, te njihovoj tvrdoći.
Postoje dva osnovna oblika erozije:
- Erozija tupoga kuta- gdje se većina energije troši na deformaciju površine.
Zaštita od ove vrste trošenja zahtijeva elastični zaštitni sloj, najčešće
elastomer.
- Erozija oštroga kuta- proces koji je sliči abraziji i rezanju. Kako bi se smanjila
stopa trošenja, potrebna je velika tvrdoća same površine.
Neki od načini smanjenja erozijskog trošenja su:
- Eliminacija krutih čestica iz fluida
- Promjena kuta udara fluida o površinu
- Smanjenje relativne brzine fluida
- Izbor pogodnog materijala
- Dodatne izmjene površine materijala u cilju poboljšanja njegovih karakteristika.
9
Korozijsko trošenje
Javlja se u slučajevima kada se pojavi adhezijsko ili abrazijsko trošenje u kombinaciji s
korozivnim okružjem. Stopa gubitka materijala može biti veoma visoka. Uzrok tomu leži u
činjenici da se premazi za zaštitu od korozije lako odstranjuju trošenjem ostavljajući tako
nezaštićen metal koji brzo korodira. Stabilni sloj oksida koji bi priječio napredovanje korozije se
gubi uslijed adhezijskog/abrazijskog trošenja.
Sama korozija je elektrolitički proces koji uključuje izmjenu elektrona i iona. Može se pojaviti
između različitih metala ili između različitih dijelova istog metala ili slitine gdje postoji razlika
elektrokemijskog potencijala. Razlika nastaje i zbog prisustva oksida, različitih nečistoća, faza
slitine. Za koroziju je potreban i provodljivi elektrolit (vlaga, slana voda, i sl.) za uspostavljanje
električnog kruga.
Kavitacijsko trošenje
Kavitacijsko trošenje je ustvari podvrsta korozijskog trošenja. Javlja se kada se tlak u
tekućini snizi na vrijednost tlaka isparavanja te dolazi do pojave mjehurića pare. Oni bivaju
nošeni u područje višeg tlaka gdje implodiraju (vraćaju se u kapljevitu fazu). Ako se implozija
mjehurića pare dešava u blizini čvrste stijenke, dolazi do njenog oštećenja. Sama pojava
popraćena je vibracijama i bukom.
10
3. Legirani čelici
Legiranji čelik sadrži osim željeza i ugljika jedan ili vise legirnih elemenata. Promjene
svojstava koje dobivamo legiranjem mogu se samo općenito naznačiti.
Čelik se legira određenom količinom nekog elementa da bi se dobilo traženo svojstvo ili
kombinaija svojstava. Neminovno se legiranjem neka svojstva i pogoršavaju.
Čelici se po masenom udjelu legirnih elemenata dijele na:
- Niskolegirane (s masenim udjelom legirnih elemenata do 5 %)
- Visokolegirane (s masenim udjelom barem jednog legirnog elemenata više od
5 %)
Legirani čelici se primjenjuju kada se traži neka istaknuta svojstva koja se ne mogu postići
nelegiranim čelicima. - npr. mehanička, prokaljivost, otpornost trošenju i sl.
Kod otpornosti trošenju, najbitnije svojstvo čelika je martenzitna mikrostruktura sa što višom
tvrdoćom i što viši udio kvalitetnih karbida.
Slika 10 - Mikrostruktura brzoreznog čelika
11
4. Erozijska korozija pumpe konvejera od nehrđajučeg čelika
Kod ovog primjera je došlo do trošenja usljed erozijske korozije[1]. Erozijska korozija je
jedna vrsta fizikalno kemijskog oštećivanja materijala koja uzrokuje progresivno odnošenje
materijala s površine, a uglavnom se javlja u sustavima za prijenos tekućina (korozivnih).
Slika 11 - Impeler prije trošenja
Impeler se je usljed djelovanja erozijske korozije istrošio od 10 mm na debljinu manju od
1 mm. Vrijeme koje je bilo potrebno za ovu pojavu je 4 mjeseca.
Okolina u kojoj je došlo do pojave je:
- Mulj zagađen 7%-tnom sumpornom kiselinom
- Cink
- Magnezijev sulfat
- Željezo sulfat
- Temperatura od 30 oC
Uzrok pojave korozije je mulj koji je djelovao na čelik. Tvrde čestice u mulju su erodirale
impeler.
12
Slika 12 - Impeler pumpe nakon trošenja
Da bi spriječili ovakvu vrstu korozije u istim uvjetima, potrebno je koristiti čelik prevučen
Stelitom. Osnovni elementi koji ulaze u sastav stelita su Co (20–65%), Cr (11–32%), W (2–5%),
kao i određena količina C. Odlikuju se velikom tvrdoćom i na povišenim temperaturama (na
750°C tvrdoća im je ~ 750 HV) i otpornošću na trošenje.
13
Abrazijsko trošenje cijevi topničkog oružja
Proces opaljenja ima složeno mehaničko, toplinsko i kemijsko djelovanje na cijev oružja.
Višestruki mehanizmi trošenja javljaju se u cijevi tijekom opaljenja: abrazija, adhezija, umor
površine i tribokorozija.
Slika 13 - Rotacija prijektila u trenutku izlaza iz cijevi
Ispitni uzorci su izrađeni od čelika 42CrMo4. Otpornost na trošenje je predstavljena
gubitkom mase uzoraka tijekom trošenja. Rezultati istraživanja pokazuju da nezagrijavani uzorci
imaju veću otpornost na trošenje u usporedbi sa zagrijavanim uzorcima.
Slika 14 - Pogled na ožljebljeni kanal cijevi
14
Slika 15 - Tipična istrošenost kanala topovske cijevi; a - normalna istrošenost, b -
prekomjerna istrošenost (erozija taljenjem)
Značajan porast trošenja materijala od 43 % u odnosu na nezagrijavane uzorke ostvaren
je kod uzoraka koji su prethodno zagrijavani na 900 °C. Zaključno, rezultati istraživanja pokazuju
da režim paljbe ne smije biti prekoračen, jer on dovodi do pregrijavanja cijevi i do smanjenja
otpornosti materijala na trošenje.
15
Trošenje kalupa od Č 4751 prilikom lijevanja aluminijskih legura
Osnovni materijal za lijevanje su tri legure aluminija (Al 226, Al 231, Al 239). Radne
temperature alata dosežu 170 °C. Tlačni klipovi se podmazuju specijalnim visokokvalitetnim
tekućim grafitnim premazom, dok se alati podmazuju premazom na bazi molibden - disulfida.
Slika 16 - Trošenje kalupa
Mjesta najintenzivnijeg trošenja alata zabilježena su na čeličnim kalupima izrađenim od
Č 4751 (ISO 1.2343), pri procesu ulijevanja vrućeg tekućeg aluminija (pri temperaturi od
690°C). Mehanizmi trošenja alata generiraju se ulazom vruće taline u kalupe.
Slika 17 - Detalj trošenja kalupa
16
Prepoznati parametri relevantni u ovim slučajevima trošenja su:
- brzina ulaza taline u kalupe (kinetička energija taline),
- kut ulaza taline u kalupe,
- temperaturne varijacije i dilatacije,
- kemijski sastav materijala kalupa i kemijski sastav taline.
Evidentno je da do oštećenja alata za lijevanje aluminijskih legura pod tlakom dolazi
uslijed sprega različitih opterećenja koja se pojavljuju istovremeno tijekom procesa lijevanja.
Konstrukcija kalupa (alata), odabir materijala alata i toplinski umor materijala uslijed cikličkog
procesa rada doprinose nastanku pukotina na njegovoj površini.
Ono što je svojstveno ovom slučaju je pojava adhezivnog trošenja, usljed naljepljivanja
litine na kalup.
Na smanjenje učinka erozije kapljevinom često nije dovoljan samo primjereno odabran
osnovni materijal alata. Da bi se postigla odgovarajuća otpornost na eroziju kapljevinom, provodi
se još i dodatna zaštita od trošenja postupcima modificiranja površine.
17
Zaključak
Kod ovog seminara cilj je bio povezati trošenje i legirane čelike. Ukratko su objašnjeni
procesi trošenja i legirani čelici.
Na tri primjera smo ispitali procese trošenja legiranih čelika. Sva tri primjera su imala
drugačije parameter zbog kojih je došlo do trošenja.
Prikazani su procesi erozijskog trošenja kod impelera pumpe, abrazivnog trošenja kod
cijevi topničkog oružja i adhezivnog trošenja kod kalupa za lijevanje aluminija. Na ovaj način se
pokušalo dobiti široku sliku o procesima trošenja na samo dva primjera.
18
Literatura
[1] Predavanja: T. Filetin: “Izbor materijala”, Zagreb, 2010.
[2] T. Filetin, F. Kovačiček, J. Indof: “Svojstva i primjena materijala”, Zagreb, 2007.
[3] M. Jakopčić, K. Grilec: “Utjecaj pregrijavanja cijevi topničkog oružja na otpornost
prema abrazijskom trošenju materijala”, Hrvatsko društvo za materijale i tribologiju,
Zagreb, 2000.
[4] Specijalistički projekt: Petar Ljumović: “Analiza triboloških mehanizama trošenja na
kalupima za visokotlačno lijevanje”, voditelj dr.sc. D. Živković: Split, 2013.