Семинарски рад

Тема: Nаваривање, заштита од корозије и хабања

Професор: Зоран Карастојковић

Студент: Стефан Гагић

Број.индекса :19с

Јануар, 2016

Садржај

1.0 Увод......................................................................................................................................................3

2.0 Тврдоћа и отпорност на хабање.........................................................................................................4

3.0 Објашњење зашто је (условно речено) 55-58 HRC отпорније на хабање од 60 HRC (имајући у виду онај горе пример).............................................................................................................................8

4.0 ВРСТЕ ХАБАЊА...................................................................................................................................12

5.0 Неке најчешће коришћене врсте легура у наваривању као заштита од хабања...........................13

5.1 Мартензитне легуре:.....................................................................................................................14

5.2 Аустенитно манганске легуре.......................................................................................................14

5.3 КАРБИДИ.....................................................................................................................................15

5.4 Карбиди хрома...............................................................................................................................15

6.0 Легуре за наваривање од мартензитног нерђајућег челика..........................................................16

7.0 Легуре за наваривање алатних челика.............................................................................................18

7.0 Закључак.............................................................................................................................................19

8.0 литература..........................................................................................................................................20

1.0Увод

Заривањем се могу назвати све технике наношења метала на металну основу уз њено топљење. Само наваривање се изводи или ради поправке оштећеног дела или ради боље заштите новог дела у експлоатацији. Често наварени делови имају већу отпорност на хабање од „фабрички“ нових и дужи радни век.

Разликује се:

- наваривање ради антикорозивне заштите. У неким индустријама (хемијској најчешће...) јефтиније је наварити корозионо отпорним материјалом основу од црног метала него користити део од скупог нерђајућег челика или легуре никла...

- наваривање у смислу термалне баријере. Наноси се слој температурно отпорног материјала на температурно слабију основу.

- наваривање у смислу добијања захтеваних димензија. Најчешће се користи истородни материјал, а у пракси је узрок да стругар/глодач/брусач промаши димензије, па се део навари и обради истродним металом.

- сва остала наваривања у смислу борбе против хабања се називају „тврда наваривања“ (на енглеском „харфацинг“, „хард сурфацинг“...) без обзира колика је стварна тврдоћа, што ће рећи, „тврди“ навар може бити и мек (нпр бронза).

У стручној литератури и зборницима са разних семинара се могу наћи разни подаци о потреби тј сврсисходности наваривања.

Нпр:

- један извор каже: „ ... хабање је непријатељ профита бр. 1 ... ". После серије истраживања у Немачкој 1970-тих година, дошло се до закључка, да су у том моменту губици, због хабања делова и опреме око 4.5% бруто националног дохотка и да се коришћењем тада познатих знања, производа и технологија може уштедети 5 милијарди тадашњих марака.

- други извор каже да је у укупном оштећењу делова и опреме учешће хабања око 10%...

- трећи извор каже да су данас губици услед хабања у светској индустрији око 50-60 милијарди Еur...

- четврти извор каже да губици услед хабања износе око 3% бруто националног дохотка у развијеним економијама...

Хабање је присутно у свим индустријама. Проблем је што најчешће нема довољно квалификованих инжењера и технолога у тим индустријама који би могли да умногоме спрече поменуте губитке коришћењем наваривања. Поменимо рударство, пољопривреду итд где се наравно проблемима хабања баве рударски и пољопривредни инжењери и евентуално бравари а не машинци и металурзи или обучени заваривач.

2.0 Тврдоћа и отпорност на хабање

Да би се разумело наваривање као борба против хабања, на самом почетку је неопходно разбити једну општеприHVаћену илузију која се односи на тврдоћу (изражену у Бринелима, Роквелима...) као меру отпорности на хабање.

Из неког непознатог разлога, у изводима из каталога за електроде и жице за тврдо наваривање се најчешће срећу подаци о тврдоћи израженој у HRC (роквелима) и у HB (Бринелима). Вероватно су ти мање важни подаци, у недостатку оних правих важних и довели до тоталне конфузије тј до стварања утиска да је вредност изражена у HRC или HB и мера за хабање.

Потпуно погрешно, HRC и HB су мере за тзв макротврдоћу и нису мера за отпорност на хабање. Или стручније речено постоји релативно мала зависност између тврдоће у HRC или HB и отпорности на хабање. Тј нека легура са мањом макротврдоћом у HRC може бити неколико пута отпорнија на хабање у односу на неку другу легуру са већом макротврдоћом у HRC.

За почетак... „тврдоћа“ се дефинише као „мера отпорности продирању једног (тврђег) тела у друго (мекше)... и између осталог се изражава Бринелима, Роквелима...

А хабање је, јасно, губитак материјала тј масе... и јасно може се изразити рецимо грамима или килограмима у једници времена, нпр „г/сат“ или „kг/месец дана“ или како је и у ствари и приHVаћено као „индеx губитка масе у процентима од првобитне масе“...

Већ се уочава да тврдоћа („отпорност на продирање...“ изражено у Роквелима...) и не може да има много везе са губитком масе (изражене у г/сат или слично) и да макротврдоћа у Роквелима и Бринелима не може бити мера за отпорност на хабање.

Али да идемо редом.

У струци се каже да је неко чврсто тело (овде метал који се хаба) створен од атома (а атом је изузетно малих димензија). Даље, атоми једних елемената се везују са другима и праве молекуле. Група равномерно распоређених атома и/или молекула у простору се назива кристалном решетком или кристалним зрном. Значи, неки метални део који се хаба се састоји од кристалних зрна, замислимо их као лопте или коцке, минијатурних димензија спакованих у коначни облик радног дела...

Метода мерења по Бринелу се изводи утискивањем куглице од високоугљењичног каљеног челика тврдоће мин 850 HB, а пречник куглице је 1, 2, 2.5, 5 и 10 mm, тј димензије куглице су „веома велике“, далеко веће од димензија „групе атома/молекула“ тј кристалног зрна, што ће рећи, при утискивању ова куглица има додир/контакт са мали милион кристалних зрна материјала којем се мери тврдоћа. Зато се и овај начин мерења зове мерење макротврдоће.

Слика 1. Бринелова метода

Слика 2. Роквелова метода

Метода мерења по Роквелу рецимо тип HRC је слична. Користи се дијамантска купа за утискивање.

Слика 3. Викерсова метода

Метода којом се може мерити микротврдоћа (тврдоћа једног кристалног зрна) је Викерсова метода.

Карикирано речено, врх утискивача је довољно мали, тј врх је наоштрен тако да може да притисне једно једино кристално зрно.Овде треба уочити још једну замку мерења тврдоће. Узмимо да је дијамант најтврђи познати предмет, и ставимо једно парче дијаманта на неку сунђерасту подлогу. И све то ставимо испод Бринел, Роквел, Викерс утискивача. Нека тврдоћа ће се измерити. Али због угибања сунђера као подлоге, та тврдоћа ће бити апсолутно небитна и нетачна. Исти случај се дешава када на меки челик од 250HB нанесете тврду формацију која се састоји од тврдих зрнаца тврдоће 2500HV уметнутих у везиво од 300 HB. Мерење макротврдоће тврде формације директно на овом вратилу је скоро потпуно небитно.

Даље, постоји још један куриозитет при мерењу тврдоће, јако је битна сила којом се утискивач утискује у предмет као и време. Да би се нешто са нечим упоређивало, апсолутно је непходно навести комплетну ознаку о мерењу нпр „500 HV 300/15“ при чему је ово 300 = сила у Н којом се притискао утискивач а 15 је време у секундама колико је задржаван утискивач у предмету.

Такође, постоји нешто што се зове статистика мерења, средња вредност, одступања резултата (рецимо да једно има тврдоћу 600 +/-5 HV а друго тврдоћу 650 +/- 150 HV, које је сад тврђе) број репрезентативних мерења, грешка мерења...

Слика 4. АСТМ Г-65, Тест отпорности на абразивно хабање

Један од најпризнатијих тестова отпорности на хабање (тј на губитак масе) је тест АСТМ Г-65. Абразивно средство, нпр управо оно у којем ради део који се испитује (песак, шљунак, глина...) или неки од усвојених абразива типа Ал2О3 или СиЦ или слицно се одређено време насипа на место контакта узорка и гуменог точка који су у контакту под притиском. Гумени точак се ротира рецимо 3200 о/мин...

После неког времена се заустави машина, узме узорак (чија је маса била позната пре почетка теста, где је била позната дебљина слоја итд) па се узму разне мере, нпр колико је грама изгубљено за то време. И/или колика је дубина похабаног слоја. Или, често се узима тзв индеx хабања као добра мера за отпорност на хабање тј губитак масе.

Индеx хабања се изражава у процентима и представља однос тежине изгубљене масе у односу на тежину узорка.

Ево резултата једног теста (не улазећи који је абразивни песак коришћен итд):

- Хабање обичног челика је било 2.6 г/мин,

- хабање термомеханички тврде плоче 400 HV (познатије као тип хардокс) је било 2.0 г/мин,

- хабање каљеног челика тврдоће око 600 HB је било око 1.4 г/мин

- а хабање тврде композитне легуре (тврди карбиди хрома у челичној аустенитној матрици) чија је макротврдоћа око 55-58 HRC је било 0.2 г/мин.

Или карикирано, ако је тежина узорка била 100 грама, индеx хабања обичног челика је 2.6 % а индеx хабања ове композитне легуре је 0.2%.

Види се рецимо да је отпорност на хабање ове композитне легуре макротврдоће 55-58 HRC једно 7 пута већа од каљеног челика тврдоће 60 HRC.

У пракси је ова разлика мања, јер овде је мерена само отпорност на абразионо хабање тј губитак масе при абразивном хабању, а у пракси осим абразије готово увек у мањој или већој мери постоји још и хабање (губитак масе) услед трења, удара, корозије, ерозије, и још неких утицаја.

3.0 ( ) 55-58 HRCОбјашњење зашто је условно речено 60 HRC ( отпорније на хабање од имајући у виду онај горе

)пример

За почетак шта су то карбиди.

Карбиди су једињења неког елемента (или више елемената) са угљеником (Нпр Цр/Ц, W/Ц, Нб/Ц или (Фе+Цр)/Ц...). Карактеришу се тиме што су им кристална зрна веома тврда. Даље, неки елементи имају јачи афинитет према угљенику тј стварању карбида. Карикирано речено неки су јачи/бржи карбидотворци, тј ако се нађу у групи, једни елементи брже стварају карбиде а овима осталима ако остане угљеника које ови јаки и брзи не вежу за себе, створиће и они своје карбиде а ако им ови јаки и брзи не оставе довољно угљеника тј све покупе за себе, онда неће.

Ево редоследа који су елементи најјачи/најбржи карбидотворци (од најјачег ка најслабијем), (а споменути су само они који се користе у наваривању):

ТI – НB – B – W – Мо – Cr – Mn

(значи, најјачи карбидотворац је титанијум, па ниобијум, па ванадијум, па волфрам, па молибден, па хром па манган...).

Е сад замислите једну монофазну легуру, чија су сва кристална зрна иста, и нека је макротврдоћа 60 HRC. Значи она Роквелова купа се набија у тај материјал, утискује се преко хиљада истих кристалних зрна и измерена тврдоћа је 60 HRC.

А сад погледајте како нпр изгледа један тврди навар на основу од неког „меког челика“.

Слика 5. Тврди навар на основу од меког челика

Утиснимо Роквелову купу преко овог тврдог навара, који је композитна легура, јер се састоји од основе (матрице, везива) од челика, никла или кобалта, и од тврдих карбидних честица укљињених у основу. (отприлике као код тоцила где су тврда зрнца алуминијум-оксида или силицијум-карбида или дијамант уклињена у везиво од неке смоле, стакласте или керамичке смесе). Опет ће купа да се утисне преко хиљада кристалних зрна, од којих су нека мека а нека врло тврда. Нека средња вредност ће бити рецимо 55 HRC, што је мање од малопре измерених 60 HRC оног каљеног челика.

Е сад изложимо абразивном хабању обе површине, једну од каљеног челика једнолике тврдоће свих кристалних зрна тј макротврдоће 60 HRC и другу од ове композитне легуре где су једна мека зрна основе (матрице, везива...) а друга зрна врло тврди карбиди. Хабање ове друге легуре ће бити далеко мање иако јој је макротврдоћа изражена у HRC или HB мања.

Ево једне таблице микротврдоћа ових „врло тврдих“ карбида и ради успоредбе микротврдоће кварцног песка и дијаманта.

Таблица 1. микротврдоћа ових „врло тврдих“ карбида

Узмимо и да је оријентационо 60 HRC = 600 HV.

Када једно абразивно зрнце песка микротврдоће рецимо 900 HV задере преко оне прве каљене челичне површине, где су сва кристална зрна иста, где је макротврдоћа 60 HRC тј тврдоћа зрна око 600 HV, има да га лако зареже и похаба, просто јер је тврђе (900 HV према 600 HV).

А сада замислите пуно кубика песка да клизи или се утискује преко те површине, да милијарде зрнаца песка тврдоће 900 HV прелазе преко зрнаца 600В. Има да обрију ту површину само тако, да је нема, за кратко време.

Слика 6. Шема задирања абразивног зрнца преко површине метала и хабања основног материјала

Међутм када абразивно зрнце од 900 HV, наиђе рецимо на зрнце хром карбида од 1800 HV, не може му ништа. Али ипак „када милијарде зрнаца песка од 900 HV пређе преко једног зрнца од 1800 HV, ипак ће га уништити после неког дужег времена. Значи, јесте да ће га похабати али ће то бити споро тј неколико десетина пута спорије него када песак прелази преко 600 HV.

Међутим та композитна легура није састављена само од тврдих карбида већ и од лепка тј везива, који је рецимо тврдоће 250-300 HV, па на крају ипак неће ова композитна легура да се хаба неколико десетина пута спорије већ рецимо 5-10 пута спорије ако је у питању само абразивно хабање, а у пракси када осим абразије делују и удари и трење итд на крају то испадне рецимо 3-5 пута, што је иначе такође јако добар резултат. Ако се узме нека скупља легура, рецимо она са волфрам карбидом, онда ће наравно уместо 3-5 пута бити карикирано речено 10 и више пута отпорније на претежно абразивно реално хабање.

Слика 7. Отпорнисти на хабање

Најбољу отпорност на хабање услед минералне абразије (тј песка) има ова трећа легура са најмањом макротврдоћом, просто јер јер садржи велики број врло тврдих зрнаца карбида хрома уклињених у основу од меког челика.

Са друге стане, прве две легуре имају исту микротврдоћу, од којих је једна чиста мартензитна легура где су сва зрнца иста и исте микротврдоће, док је друга легура прошарана врло ситним врло тврдим карбидима титанијума. Резултат је спорије хабање тј губитак масе код ове друге легуре да Ти карбидима.

Значи, сада је потпуно јасно да макротврдоћа у Бринелима и Роквелима има смисла само када се упоређују монофазне легуре, код којих су сва зрнца иста.

Са друге стране када је у питању абразивно хабање, сама макротврдоћа нема великог смисла. Ту је битно који су карбиди у тврдој формацији, каква је основа, колика је количина карбида, коликих су димензија, каква је усмереност карбида..

4.0 ВРСТЕХАБАЊА

За „стручан“ приступ решењу хабања, потребно је увек препознати модел хабања (најчешће комбинација неколико њих, али тада треба препознати који су доминантни).

Основни модели хабања су:

Абразија, мала ситна зрнца гребу, задиру по металној основи и одвајају ситне делиће са ње. Иначе, сматра се да абразија учествује са око 40-60% у проблему хабања (негде кажу чак и до 80%).

Адхезија, одвајање метала са једног дела и његово „стапање“ са другим током трења тј клизања једног дела преко другог. Сматра се да учествује са 10-15% у укупном хабању.

Удар, поновљени јаки удари алата у камен, земљу, други метал... Сматра се да учествује са око 25% у укупном хабању.

Корозија, температура и остало учествују са око 15-20% у укупном проблему хабању.

У реалности, најчешће се дешава комбинација неколико ових основних врста хабања. Зато је потребно, за решење проблема, уочити који се све модели хабања дешавају, и проценити колики је утицај свакога од њих.

Сама абразија се класификује као:

Абразија мале јачине, тзв гребајућа абразија, (или тзв клизајућа абразија) услед клизања абразивног материјала:

Слика 8. Примери клизања абразивног материјала

Овај тип абразивног хабања се карактерише клизањем ситног абразивног материјала по металној основи. Абразивна зрнца се не ломе на делиће током клизања. Хабање настаје услед гребања оних абразивних делића који су у додиру са металном основом.

5.0 Неке најчешће коришћене врсте легура у наваривању као заштита од хабања

Неке најчешће коришћене фамилије легура које се користе у наваривању, као заштита од хабања су:

- мартензитне легуре,

- аустенитно карбидне легуре,

- мартензитно карбидне легуре,

- аустенитно манганске легуре,

- кобалтне легуре,

- нерђајуће мартензитне легуре,

- легуре на бази алатних челика,

- бронзане легуре,

- легуре на бази никла као заштита од високих температура...

- итд

5.1 :Мартензитне легуре

Угљеник је врло чудан и ћудљив елемент. Дајте му времена и температуру и сјединиће се са скоро сваким металним елементом. Некада се један једини атом угљеника сједињује са много металних атома. Врло полигаман елемент. Али ако му се одузме могућност да се сједињује са другим металним атомима, већ га заробимо (наглим тј брзим хлађењем) у металну матрицу, он узрокује напрезање те матрице тј доводи до њене велике тврдоће (стручније, „пресићен раствор угљеника у решетки гвожђа се зове мартензит“). Управо се то дешава при каљењу челика који садржи довољно угљеника.

5.2 Аустенитноманганске легуреКао прво се мора скренути пажња на феномен звани „мангански челици“ (по свом проналазачу се зову још и Хадфилдови челици). Они садрже око 12-14% Мн, али и велики садржај угљеника (у принципу, садржај мангана је најмање 10 пута већи од садржаја угљеника). По старом ЈУС-у такав материјал је Ч.3160.

Познато је да „обични“ челици са великим садржајем Ц, када се загреју (или се изложе заваривању) и онда ставе у воду/уље или на ваздуху, због брзог хлађења се закаљују тј структура

им постаје мартензитна, и постају врло тврди често и крти итд. Толико тврди да се често морају „отпустити“ тј накнадно загрејати да би им се вратила жилавост и пластичност а задржала пристојна тврдоћа и чврстоћа („отпуштање“).

5.3 КАРБИДИ

Малопре су поменути као спас за абразивно хабање. Ово је огромна тема али основне особине карбида ће бити овде наведене.

Најважнији појединачни елемент у борби против абразивног хабања је УГЉЕНИК!

Јер он ствара мартензитне, тврде, структуре као и Карбиде, тврда метална једињења М-Ц (Метал-Царбон). Многи елементи граде карбиде од значаја за ову тему. Постоје такође многе форме карбида, зависно од металне компоненте са којом се угленик везује (Фе-Ц, Цр-Ц, Мо-Ц, W-Ц, В-Ц, Ти-Ц...). Даље један исти елемент може правити различите карбиде. Тако нпр Цр може формирати и Цр23Ц6 али Цр3Ц2 карбиде а волфрам и WЦ и W2Ц. Даље и неколико елемената може формирати један мешовити карбид, најпознатији (ФеЦр)7-Ц3. Важно је и колико карбида количински има али и колико су стабилни у металној легури и каква им је величина и каква им је оријентација, и колико су јако везани итд итд… (стварно сложена ствар).

5.4 Карбиди хромаКарбиди хрома се, од свих карбида, највише користе у борби против абразивног хабања!

Карбид крома се састоји од (Гвожђе+Хром)+Угљеник или Хром+Угљеник, и релативно је јефтин и лако је доступан. У зависности од количине хрома и угљеника могуће су разноразне комбинације. Тврдоћа му је око 1700-1800 HV, релативно је велик, има облик игле (у односу на друге карбиде), равномерно је распоређен по попречном пресеку навара, тј не тоне на дно као нпр карбид wолфрама. Сматра се да је оптимум за отпорност на абразију достигнут ако има карбида 35-45% у односу на укупну тежину метала тј да Ц има више од 4% а Цр више од 32%. Макротвдроћа легуре са хром карбидима се креће од 50-62 HRC (зависно од тога шта се „гађа“, да ли отпорност на умерену или јаку абразију, или отпорност на истовремено дејство абразије и удара, нижа цена, могућност лакшег брушења, број попречних прслина...).

Једна од најоптималних легура за наваривање садржи око 32-35% Цр и око 4-5% Ц. Угљеник са хромом ствара хром-карбиде и укупно легура је веома отпорна на абразију док је матрица тј везиво у које су карбиди углављени веома пластична и жилава и отпорна мање или више на удар и притисак.

Паметно је платити за ову жицу или електроду нешто више од класичне 55-60 HRC мартензитне легуре, јер ће навар трајати знатно дуже. Нарочито је оптимално погодна за плугове и кашике ровокопача. Макротврдоћа је око 60 HRC.

Легуре зване “хром карбидне” се могу у области наваривања поделити у три групе:

- Легуре са умереним садржајем хром карбида,

- Легуре са великим садржајем хром карбида,

- Легуре са комплеxним хром карбидима,

5.5

6.0 Легуре за наваривање одмартензитног нерђајућег челика

Ова група легура садржи углавном Ц до 0.25% и Цр до 18%. Имају добру отпорност на термо шокове, као и отпорност на притисак и фрикцију метал-метал, као и умерену корозиону отпорност и отпорност на умерене ударе. Тврдоћа је 35-45 HRC

Класични примери ових легура су ролне у железарама за ваљање металних лимова као и седишта вентила за пару и воду.

Понекад, када то дозвољавају услови рада користе се као замена за скупе кобалтне тј стелитне легуре.

Слика 9а.

Слика 9б. Репаратурно наваривање седишта и заптивног прстена на вентилу-затварачу напојне воде. Технологијом заваривања тј променом параметара заваривања се може постићи да једно од ова два буде мекше за неких 5 HRC, да би се омогућило да се брже хаба оно што је лакше наварити и обрадити а да се оно друго репарира тек сваки други или трећи пут.

7.0 Легуре за наваривање алатних челика

Некада је то био велики посао у Европи, јер је било пуно ковачница. Данас је велики број ковачница отишао на далеки исток, а у Европи се данас репарација алатних челика најчешће врши у аутомобилској индустрији.

Познато је да су челици са више од 0,25% Ц тешко заварљиви. А алатни челици садрже 0.3%Ц до чак 2.5%Ц и тиме се класификују, како кад и како од кога као „тешко заварљиви“, „условно заварљиви“, „незаварљиви“.

У сваком случају је потребан велики опрез при заваривању, тј најчешће репаратурном наваривању ових челика.

Груба подела ових челика је на:

- „алатне који раде на топло“,

- „алатне који раде на хладно“,

- „брзорезне“,

- „за калупе за пластику“,

7.0 Закључак

У стручној литератури и зборницима са разних семинара се могу наћи разни подаци о потреби тј сврсисходности наваривања.

Нпр

- један извор каже: „ ... хабање је непријатељ профита бр. 1 ... ". После серије истраживања у Немачкој 1970-тих година, дошло се до закључка, да су у том моменту губици, због хабања делова и опреме око 4.5% бруто националног дохотка и да се коришћењем тада познатих знања, производа и технологија може уштедети 5 милијарди тадашњих марака.

- други извор каже да је у укупном оштећењу делова и опреме учешће хабања око 10%...

- трећи извор каже да су данас губици услед хабања у светској индустрији око 50-60 милијарди Еur...

- четврти извор каже да губици услед хабања износе око 3% бруто националног дохотка у развијеним економијама...

8.0 литература

http://www.svetzavarivanja.rs/znanje-o-zavarivanju/navarivanje