ACTA UNIVERSITATIS AGRICULTURAE ET SILVICULTURAE MENDELIANAE BRUNENSIS SBORNÍK MENDELOVY ZEMĚDĚLSKÉ A LESNICKÉ UNIVERZITY V BRNĚ
Ročník LV
5
Číslo 1, 2007
VLIV STRUKTURY A PODMÍNEK ZKOUŠKY NA VELIKOST ABRAZIVNÍHO OPOTŘEBENÍ J. Filípek, R. Březina Došlo: 30. října 2006 Abstract FILÍPEK, J., BŘEZINA, R.: The structure and the test conditions influence to the abrasive wear. Acta univ. agric. et silvic. Mendel. Brun., 2007, LV, No. 1, pp. 45–54 The paper concerns about the comparison of abrasive wear of testing samples made of various metal materials (steels, isothermally heat-treated cast iron with spheroidal graphite, weld deposit) during both laboratory and operational tests. abrasive wear, steels, ADI cast iron, weld deposit, laboratory, operational tests
Životnost a spolehlivost řady strojních částí je značně ovlivněna abrazivním opotřebením. Zvláště intenzivně jsou opotřebovávány činné části strojů pro zpracování půdy, např. čepele plužních těles, botky secích strojů, rozhrnovací radlice sazečů brambor, nože rotačních kypřičů, plazy žacích adaptérů, vyorávací radlice, prsty obracečů a shrnovačů atd. Opotřebení má za následek nejen nevratnou ztrátu materiálu, ale také zvyšování energetické náročnosti operací. Sedlák a Bauer (1998) zjistili, že průměrný měrný odpor pluhu u ostrých čepelí se pohybuje okolo 49,4 kPa, u tupých 58,8 kPa, což představuje nárůst o 19 %. Vezmeme-li v úvahu komplexní soubor operací pro zpracování půdy od podmítky přes orbu až po mechanické ošetření porostu během vegetace, zjistíme, že celková obdělaná plocha v ČR představuje rozlohu větší než 23 mil. ha. Správná volba materiálů, které mají odolávat opotřebení, je jedním ze základních prvků bezporuchového a ekonomického provozu strojů. Zkušenosti z praxe ukazují, že existují určité závislosti odolnosti kovů proti opotřebení na mechanických vlastnostech (zejména tvrdosti) a struktuře materiálu. Březina, Filípek (2005) zjišťovali korelační vztah mezi abrazivním opotřebením v laboratorních i provozních podmínkách a mezi tvrdostí podle Vickerse. Hodnota korelačního koeficientu R se pohybovala v rozsahu
0,659–0,901. Tenenbaum a Guterman (1960) konstatují, že nejnižší opotřebení v laboratorních podmínkách dosáhli u strukturních kombinací austenit-karbidy, martenzit-karbidy, martenzit. Nejmenší odolnost vykazovaly struktury ferit-perlit, perlit-sorbit a jejich kombinace. Pro prodloužení technického života exponovaných částí strojů či pro jejich renovaci se v zemědělské praxi používá navařování. V součastné době nabízí trh celou řadu návarových materiálů z tuzemské i zahraniční produkce, např. EB 518, EB 519, OK 84.84, OK 84.78, HARD FRO 500, HARD FRO V1000, HARDFACE HC-0, EutecTrode – XHD-6710, Ultimium 8811, WOKA Durit NiA a další. U návarových materiálů byla v laboratorních podmínkách zjištěna výrazně vyšší odolnost proti abrazivnímu opotřebení. Brožek (1996) uvádí na brusném plátně až 50krát větší odolnost proti opotřebení u návaru OK 84.84 vůči etalonu z oceli 12 014.20. MATERIÁL A METODY Odolnost proti abrazivnímu opotřebení zkušebních vzorků (oceli, ADI litiny, návary) je vztažena k nízkouhlíkové oceli. Opotřebení bylo vyhodnoceno na základě hmotnostních úbytků při laboratorní a provozní zkoušce. 45
46
J. Filípek, R. Březina
50 μm
a) ocel 11 373
b) Brinar 400
c) Hadfieldova ocel
d) ADI litina 880/250/2
návar návar
základní materiál
e) CDP 4666 1: Mikrostruktura vybraných materiálů
základní materiál
f) WOKA Durit NiA
Vliv struktury a podmínek zkoušky na velikost abrazivního opotřebení
Zkoušené materiály Odolnost proti opotřebení byla testována na 16 druzích kovových materiálů, jejichž charakteristika a tvrdost je uvedena v tab. I. Soubor zkoušených materiálů je po strukturní stránce velmi pestrý. Na obr. 1 je znázorněna mikrostruktura vybraných materiálů: a) ocel 11 373 – ferit s nízkým podílem perlitu
47
b) Brinar 400 – martenzit a zbytkový austenit c) Hadfieldova ocel – legovaný austenit d) ADI litina 880/250/2 – grafit + dolní bainit a zbytkový austenit e) CDP 4666 – ledeburit + karbidy chromu, niobu a další f) WOKA Durit NiA – karbidy WC, W2C v matrici na bázi niklu.
I: Charakteristika a tvrdost zkoušených materiálů Označení materiálu ocel 11 373 BRINAR 400 DILLIDUR 500 XAR 400 XAR 400 W Hadfieldova ocel ADI 880/200/2 ADI 880/250/2 ADI 880/300/2 ADI 880/380/2 WOKA Durit NiA HARDFACE HC-0 XHD-6710 Ultimium 8811 CDP 4666 Teromatec 4630
Charakteristika nízkouhlíková feriticko-perlitická ocel
nízkolegované ocelové otěruvzdorné plechy
austenitická manganová ocel na odlitky
izotermicky zušlechtěná litina s kuličkovým grafitem
návarové materiály odolné abrazivnímu opotřebení
Tvrdost HV 124 364 458 286 386 214 509 439 375 290 702 742 876 565 754 886
Laboratorní zkouška opotřebení
Provozní zkouška
Laboratorní zkouška opotřebení na brusném plátně vychází z ČSN 01 5084 (Obr. 2). Zkušební vzorek je uchycen v držáku a je přitlačován závažím k brusnému plátnu. Během zkoušky se horizontální kotouč s brusným plátnem otáčí, přitom se testované těleso posunuje od středu k okraji brusného plátna. Po stanovené délce třecí dráhy koncový spínač stroj zastaví. Vzorky jsou očištěny a zvážením je stanoven hmotnostní úbytek. Podmínky laboratorní zkoušky: - tvar zkušebního vzorku: hranol 10 × 10 × 10 mm - počet vzorků každého testovaného materiálu: 4 - porovnávací etalon: ocel 11 373 (S 235 JRG1) o tvrdosti 124 HV - délka třecí dráhy: 50 m - průměr otáčející se desky: 480 mm - max. kluzná rychlost zkušebního tělesa: 0,5 m.s–1 - měrný tlak: 0,32 N.mm–2 - radiální posuv zkušebního tělesa: 3 mm.ot–1 - brusné plátno: korundové, zrnitost 120.
Provozní orební zkouška probíhala přímo na pozemcích (Obr. 3a). Zkušební vzorky se připevní na exponované místo přechodu mezi čepelí a odhrnovačkou u každého orebního tělesa pluhu (Obr. 3b). V průběhu orby jsou vzorky ve vymezených intervalech opakovaně demontovány, očištěny od zbytků zeminy a zváženy. Pozice vzorků na jednotlivých orebních tělesech se měnila podle předem stanoveného harmonogramu. Protože podmínky v průběhu orby nejsou konstantní, vždy se na jednom z orebních těles nacházel etalonový vzorek. Podmínky provozní zkoušky: - orební souprava: traktor JOHN DEERE 6620 + nesený čtyřradličný oboustranný pluh Kverneland ES 4r - tvar zkušebního vzorku: hranol 80 × 40 × 8 mm s otvorem Ø 10 mm se zahloubením pro šroub se zapuštěnou kuželovou hlavou - počet vzorků každého testovaného materiálu: 4
48
J. Filípek, R. Březina
- porovnávací etalon: ocel 11 373 (S 235 JRG1) o tvrdosti 124 HV - celková délka brázdy: 9 157 m
zaĜízení pro radiální posuv
- půda: půdní druh dle Nováka písčitohlinitý, zrnitostní třída – hlína.
závaží
vypínací zaĜízení upínací hlavice brusné plátno držák vzorku
horizontální kotouþ
F
zaĜízení pro radiální posuv
závaží
zkušební vzorek upínací hlavice držák vzorku
rám stroje
brusné plátno
v horizontální kotouþ
2: Laboratorní zkouška opotřebení na brusném plátně
odhrnovaþka zkušební vzorek zapuštČný šroub
plužní þepel dláto a) orební souprava 3: Provozní zkouška orbou
b) orební těleso
Vliv struktury a podmínek zkoušky na velikost abrazivního opotřebení
VÝSLEDKY A DISKUSE Průměrný úbytek hmotnosti oceli 11 373 na brusném plátně na třecí dráze 50 m činil 0,254 g. Při orební zkoušce po zorání brázdy dlouhé 9 157 m se snížila hmotnost vzorku z téže oceli v průměru o 5,609 g. Tyto hodnoty opotřebení jsou považovány za 100 % (Obr. 4). Hmotnostní úbytky všech testovaných materiálů
byly nižší než u etalonu, tj. nízkouhlíkové oceli 11 373. Obzvlášť vysokou odolnost proti opotřebení vykazovaly návarové materiály na brusném plátně (až 25 × větší než etalon – Obr. 4a). Při orební zkoušce je mechanismus opotřebení odlišný od brusného plátna, působí zde velké měrné tlaky, které způsobují rýhování materiálu. Odolnost návarů proti opotřebení při orbě už tak výrazná není (max. 7 × vzhledem k etalonu – Obr. 4b).
120
opotřebení (%)
100 80
etalon oceli ADI litiny návarové materiály
60 40 20
oc
e BR l 11 IN 37 AR 3 XA 40 R 0 D 40 IL 0 XA LID AD R UR 4 H I 88 00 ad 0 W fie /3 8 l AD dov 0/2 a I8 o AD 80 ce / I 8 25 l AD 80 0/2 I 8 /30 U 80 0/2 H lti /2 AR m 0 DF ium 0/2 Te AC 881 ro E 1 m HC at ec -O XH 46 D 30 W C D 671 O P KA 4 0 D 666 ur it Ni A
0
a) relativní opotřebení na brusném plátně
120 100 opotřebení (%)
49
80
etalon oceli ADI litiny návarové materiály
60 40 20
oc
el
BR 11 IN 37 AR 3 D IL 400 LI D AD XA UR I8 R4 AD 80 00 I 8 /25 80 0/2 XA /38 AD R 0/2 I 8 400 AD 80 W /3 H I 88 00 ad 0 /2 H AR field /200 DF ov /2 AC a o E cel XH HC U ltim D-6 O W 7 O i um 10 KA 88 D ur 11 C Te D it N ro P i A m 46 at ec 66 46 30
0
b) relativní opotřebení při orební zkoušce 4: Abrazivní opotřebení zkušebních vzorků (etalon ocel 11 373)
50
J. Filípek, R. Březina
Vztah tvrdosti a opotřebení při zkoušce na brusném plátně
1 000 Teromatec 4630
R 0,88 R ==0,901
XHD-6710
tvrdost (HV 10)
800
CDP 4666
etalon oceli ADI litiny návarové materiály
HARDFACE HC-0
WOKA DuritNiA
600
Ultimium 8811
ADI 880/250/2 DILLIDUR 500
ADI 880/200/2
400
ADI 880/300/2 ADI 880/380/2
XAR 400 W BRINAR 400 XAR 400
Hadfieldova ocel
200
ocel 11 373
0 0
50
100
150
200
250
300
hmotnostní úbytek při zkoušce na brusném plátně ( mg )
5: Korelační závislost mezi tvrdostí a odolností proti opotřebení na brusném plátně Struktura kovových testovaných materiálů je velmi rozdílná (Obr. 1), proto odolnost proti opotřebení jen částečně koresponduje s naměřenou tvrdostí. Korelační koeficient, vyjadřující těsnost mezi tvrdostí HV a opotřebením na brusném plátně, je R = 0,88 (Obr. 5, 6a). Na brusném plátně jsou podmínky abrazivního opotřebení konstantní. Hmotnostní úbytky je proto možné udávat v absolutních jednotkách (mg/50 m). Názornější je však srovnání s vhodně zvoleným etalonem. ČSN 01 5084 stanovuje jako porovnávací etalon ocel 12 014.20 o tvrdosti 100 HV. V našem případě se jedná o ocel 11 373. U souboru porovnávaných materiálů hodnota korelačního koeficientu R zůstává stejná, i kdybychom zvolili etalon jiný (např. Hadfieldovu ocel apod). Při orební zkoušce má korelační závislost mezi tvrdostí a opotřebením nižší těsnost než při zkoušce na brusném plátně (R = 0,79, Obr. 6b). Porovnáme-li vztah mezi opotřebením na brusném plátně a při orební zkoušce, pak korelační závislost je velmi těsná (R = 0,94, Obr. 7a). Na brusném plátně i při orbě byl použit stejný etalon (ocel 11 373), přesto je relativní opotřebení pro jednotlivé materiály rozdílné. Ve většině případů je na brusném plátně relativní opotřebení menší než při orbě. Výjimkou je Hadfieldova ocel a návar Ultimium 8811. Hadfieldova manganová austenitická ocel (ČSN 42 2760, Obr. 1c) může tvářením za studena dosáh-
nout podstatného zpevnění. Značné zvýšení tvrdosti se také přisuzuje přeměně metastabilního austenitu na martenzit v průběhu plastické deformace. Ocel proto vykazuje dobrou odolnost proti opotřebení jen při velkých měrných tlacích, které se vyskytují při orbě. Návar Ultimium 8811 obsahuje zrna karbidů wolframu uložená v matrici bohaté na nikl. Houževnatá matrice napomáhá absorbovat nárazy, zatímco ostrohranný tvar tvrdých karbidů zabraňuje jejich vylamování. U obou materiálů je na brusném plátně relativní opotřebení větší než při orbě. Zkouška na brusném plátně (ČSN 01 5084) obecně lépe odráží odolnost proti opotřebení v půdních podmínkách než pouhý údaj tvrdosti. Poměrná odolnost proti opotřebení φ u konkrétního materiálu však závisí na zvoleném etalonu (Obr. 7a, Tab. II). Např. pro ocel XAR 400 W je odolnost proti opotřebení na plátně φ1 a při orbě φ2 vzhledem k etalonu oceli 11 373 téměř stejná (k = 0,98). Tzn., že z výsledků získaných na brusném plátně bychom docela přesně stanovili odolnost proti opotřebení při orbě. Rozhodneme-li se pro etalon z Hadfieldovy oceli (Obr. 7b, Tab. II), je relativní odolnost proti opotřebení oceli XAR 400 W u obou zkoušek velmi rozdílná (φ1 = 0,86, φ2 = 0,60, k = 1,43). Kdybychom v tomto případě usuzovali na odolnost proti opotřebení z laboratorní zkoušky, dopustili bychom se značné nepřesnosti.
80
80
/2 5
0
0/ 2
40
R
/3 XA 80 /2 R AD 4 0 I8 0W 8 AD 0/3 I 8 00/ 2 80 H ad /2 fie 00 H /2 AR ldo v a D FA oc el C E H C -O XH D U 67 lti m 10 iu W m O KA 88 11 D ur it N C iA D Te P ro 4 66 m at ec 6 46 30
I8
I8
R
U
opotřebení (%) oc el 1 BR 1 3 73 IN AR 4 XA 00 R 40 D 0 IL LI D XA U R R AD 40 I8 0W H ad 80/ fie 38 0/ ld 2 o AD va o I8 ce 8 l AD 0/2 I 8 50/ 2 8 AD 0/3 0 I8 0 80 /2 U / 20 lti m 0/ H AR iu 2 m D FA 88 11 Te CE ro H C m at ec O 4 XH 630 D -6 71 C 0 D W P O KA 46 66 D ur it N iA
opotřebení (%)
opotřebení
opotřebení
b) polní zkouška orbou 6: Vztah mezi tvrdostí a odolností proti opotřebení R = 0,88
100
tvrdost
80 600
60 500
400
40
20
0
120 R = 0,79
tvrdost
80
60
40
20
0
0
tvrdost HV 10
120
600
500
400
300
200
100
tvrdost HV 10
100
AD
AD
XA
0
3
40
37
ID
AR
11
IL L
IN
el
D
BR
oc
Vliv struktury a podmínek zkoušky na velikost abrazivního opotřebení 51
1000
900
800
700
300
200
100
0
a) zkouška na brusném plátně
1000
900
800
700
52
J. Filípek, R. Březina
110
R = 0,94
100
polní zkouška brusné plátno
90 80
opotřebení (%)
70 60 50 40 30 20 10
71 lti m 0 iu W m O 88 KA 11 D ur it N iA C D Te P 46 ro m 66 at ec 46 30
-O
-6
AR
U
D
XH
D
E
HC
oc a
FA C
ov
ld fie
ad
H
H
a) porovnávací etalon – ocel 11 373
el
0/ 2 /2 0
0/ 2 80
/3 0 AD
I8
80
I8 AD
XA R
40
0
W
0/ 2
0/ 2 I8
80
/3 8
0
/2 5 AD
I8
80
40 AD
XA R
U
0 D
IL L
ID
40
3 37
A R
IN
11
BR
el oc
R
0
a) porovnávací etalon - ocel 11 373
300
polní zkouška
R = 0,94
brusné plátno
250
opotřebení (%)
200
150
100
50
W m O 88 KA 11 D ur it N iA C D Te P 46 ro m 66 at ec 46 30
0
O
71 -6 U
lti
m
iu
D XH
E
H
C-
el oc a
H
AR
D
FA C
ov
ld fie
ad H
AD
I8
80
/2 0
0/ 2
0/ 2
80
/3 0
0 40
I8 AD
R XA
I8
W
0/ 2
0/ 2
/3 8 80
/2 5 AD
AD
I8
80
40
U
XA R
ID
0
R
0 40
IL L D
A R
IN
BR
oc el
11
37
3
0
b) porovnávací etalon – Hadfieldova ocel b) porovnávací etalon – Hadfieldova ocel 7: Vliv volby etalonu na velikost relativního opotřebení
7: Vliv volby etalonu na velikost relativního opotřebení
Vliv struktury a podmínek zkoušky na velikost abrazivního opotřebení
53
II: Vliv volby etalonu na poměrnou odolnost proti abrazivnímu opotřebení
ocel XAR 400 W
materiál
etalon ocel 11 373
zkouška opotřebení na brusném plátně orbou met 100 met 100 φ1 = —— = —— = 1,67 φ2 = —— = —— = 1,71 mmat 59,8 mmat 58,4
100 met Hadfieldova φ1 = —— = ——– = 0,86 ocel m 116,8 mat
met 100 φ2 = —— = ——– = 0,60 mmat 167,4
poměr φ 1,67 k = ——1 = —— = 0,98 φ2 1,71 φ 0,86 k = ——1 = —— = 1,43 φ2 0,60
SOUHRN Pracovní orgány zemědělských strojů, které přicházejí do kontaktu s půdou, podléhají abrazivnímu opotřebení. To vede nejen k nutnosti výměny či renovace strojní součásti, ale také ke zvýšení energetické náročnosti operací. Otěruvzdornost kovových materiálů závisí na mechanických vlastnostech a struktuře materiálu. Velikost opotřebení v absolutních jednotkách (např. v gramech) je zpravidla velmi variabilní a závisí na podmínkách zkoušky. Proto se v praxi často používá termín relativní opotřebení, které je vztaženo ke zvolenému referenčnímu vzorku (etalonu). Nejrozšířenější laboratorní zkouškou abrazivního opotřebení je zkouška na brusném plátně (ČSN 01 5084). Výsledky této zkoušky v globále velmi dobře korespondují s provozní orební zkouškou (korelační koeficient R = 0,94). U konkrétního materiálu však těsnost shody závisí na volbě etalonu. Např. nízkolegovaná otěruvzdorná ocel XAR 400 W má vzhledem k oceli 11 373 téměř shodnou poměrnou odolnost proti opotřebení φ na brusném plátně i při orbě. V případě etalonu Hadfieldova ocel je poměrná odolnost proti opotřebení φ rozdílná. Pokud mechanicky aplikujeme výsledky z laboratorní zkoušky na provozní podmínky, dopustíme se značné chyby. Odolnost proti opotřebení oceli XAR 400 W bude při orbě 1,43krát menší, než odpovídá výsledku z brusného plátna. abrazivní opotřebení, oceli, ADI litiny, návary, laboratorní, provozní zkoušky
LITERATURA BROŽEK, M.: Vrstvy odolné proti opotřebení. Medzinárodné sympózium „Kvalita a spoľahlivosť strojov“, Nitra, 1996, s. 126–129. BŘEZINA, R.: Abrazivní opotřebení konstrukčních materiálů a návarů. Disertační práce, MZLU Brno 2005. BŘEZINA, R., FILÍPEK, J.: Porovnání laboratorních a provozních zkoušek abrazivního opotřebení. Medzinárodné vedecké sympózium „Kvalita
a spoľahlivosť technických systémov“, Nitra 2005, s. 110–114, ISBN 80-8069-518-0. TENENBAUM, M. M., GUTERMAN, V. M.: Vlijanie ostatocnogo austenita na soprotivlenije cementirovanoj stali abrazivnomu iznašivaniju, Povyšenije iznosostojnosti i sroka mašin, Kyjev, 1960, s. 386– 395. SEDLÁK, P., BAUER, F.: The effect of blunting of shares on energy reguirements of ploughing, Zemědělská technika, 44, 1998, s. 127–133.
Adresa Doc. Ing. Josef Filípek, CSc., Ing. Roman Březina, Ph.D., Ústav techniky a automobilové dopravy, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, Česká republika
54
