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.