Vývoj tvrdonávarů

Navařování kobaltovými slitinami se provádí od roku 1922, kdy bratři Stoodyové provozovali zámečnickou dílnu, kde opravovali stroje a nářadí pro zemědělce. Kousek od jejich dílny došlo k objevení ropy. Bratři Stoodyové se rychle přeorientovali na opravu vrtacího nářadí a začali s navařováním. Sice S.Z. Ferranti obdržel v roce 1919 britský patent na ochranu parních ventilů kobaltovou slitinou, ale hlavním místem vývoje se staly Spojené státy americké – kvůli těžbě ropy.

V roce 1920 se začíná používat novinka – destičky ze slinutého karbidu jsou položeny na díl a okolo nich je proveden návar svařovacím drátem. Také směs karbidů wolframu s kobaltovou slitinou. Technologie se používá pro ochranu nástrojů pro těžbu ropy.

Vidíme, že na začátku používání tvrdonávarů se začalo s používáním drahých „Superslitin“, teprve později jsou vyvinuty přídavné materiály na bázi Fe.

Postupně došlo na další metody – obalené elektrody pro navařování na bázi Fe-C, Fe-C-Cr, tyčinky pro navařování šedé litiny, hledají se nové slitiny a legury. Dnes jsou na trhu tvrdonávary pro všechny technologie svařování. I po více než 100 letech se stále používá kyslíko-acetylenový plamen pro nanášení wolfram-karbidových vrstev. Navařuje se obalenou elektrodou, plnými a trubičkovými dráty v ochranné atmosféře i pod tavidlem. Navařování laserem je na vzestupu, jsou k dispozici systémy s výkony navařování 12 kg za hodinu.

SOUČASNOST

Rád bych přiblížil, jak probíhá vývoj a testování nových slitin. Nejprve potřebujeme mít zadání – co má návar “umět” a za jakých podmínek. Na skutečném projektu si ukážeme postup. Zde je hledána slitina pro teploty okolo 200 – 300 °C, teplota byla zjištěna třídenním kontinuálním měřením termočlánky na zařízení. Návar má odolávat abrazi a rázům, erozi a měl by mít dobrou životnost v případě, že bude navařen na hranu součásti.

Na základě tohoto zadání byl vybrán jeden stávající produkt pro vyšší teploty a k němu čtyři nové slitiny s teoretickým předpokladem dobré životnosti. Referenční tvrdonávar je komerční produkt Fe‑Cr‑Mo‑Nb‑C, nové slitiny pak Fe‑V‑Cr‑Mo‑C, Fe‑V‑Cr‑C, Fe‑Cr‑Co‑C a Fe‑Cr‑V‑C. Byly použity různé metody pro vytvoření návaru podle toho, jak je která slitina dostupná. Byla tedy použita technologie navařování trubičkovým drátem s vlastní ochrannou, navařování plasmou a laserem se stopou laseru roztaženou na 22 mm.

Po navaření byla zkoumána mikrostruktura a byly připraveny vzorky, které se použily pro laboratorní testy abraze s rázy. Vzorky jsou umístěny do rotujícího bubnu s pískem a ocelovými kuličkami, které simulují rázy. Test abraze se provádí tak, že vzorek je tryskán danou dobu stejným abrazivem, ale mění se teplota použitého vzduchu. Je tak možno porovnat odolnost proti erozi za rozdílných teplot.

ZÁVĚR

Při laboratorních zkouškách byla porovnávána tvrdost a mikrostruktura použitých slitin, dále odolnost při erozi různými částicemi za různých teplot a zkouška odolnosti proti otěru pomocí křemičitého písku a ocelových kuliček. Na tyto zkoušky navazuje praktická zkouška návarů na provozovaném zařízení.

Poměrně velké primární karbidy vyloučené v hypereutektické struktuře Fe-Cr-Mo-Nb-C, se následně ukázaly být nevýhodou při zkoušce abraze s rázy a vedly k vyšší míře opotřebení. Stejně tak křehká eutektická struktura Fe-Cr-V-C má tendenci se rozdrobit, což má za následek zvýšené opotřebení. Naproti tomu laserem navařené slitiny Fe-V-Cr-Mo-C a Fe-V-Cr-C vykazují lepší odolnost opotřebení na hraně a nižší opotřebení při zkoušce abrazí s rázem s ocelovými kuličkami, díky homogennější struktuře s jemně dispergovanými tvrdými částicemi. Fe-Cr-C s homogenní martenzitickou strukturou se ukázal při zkoušce otěruvzdornosti s příliš vysokými rázy příkonem (ocelovými kuličkami) příliš měkký a dochází u něj k plastické deformaci. Při erozní zkoušce s křemičitým pískem byly porovnávané materiály testovány při teplotě 20 °C, 300 °C a 500 °C. Zvláště při zvýšených teplotách 500 °C vykazují slitiny Fe-V-Cr-Mo-C a Fe-Cr-V-C podobné a nižší opotřebení, než referenční slitina Fe-Cr-Mo-Nb-C. Fe-Cr-V-C. Ta má však tendenci tvořit křehká ohniska ve struktuře.

ZDROJE INFORMACÍ:
• D. Gardner, History of Hardfacing, New Zealand Engineering, 15. ledna 1952
• http://www.haynesintl.com/company-information/our-heritage/our-company-history 3. 3. 2018
• M. Riddihough, „Hard surfacing by Welding“ Transaction of the Institute of Welding, May 1945

Materiál byl prezentován na semináři Nové materiály, technologie a zařízení pro svařování 2018.

Autor

• Braha David