abraze
Abraze, neboli oděr je mechanické opotřebení nebo eroze látky či materiálu třením, škrábáním nebo třením. Je to povrchový jev, který vede k postupnému odstraňování materiálu a mění tvar, texturu a někdy i vlastnosti postiženého povrchu. Pochopení oděru vyžaduje zvážení použitých materiálů, působících sil a podmínek prostředí.
Jedním z klíčových faktorů oděru je tvrdost materiálů. Mohsova stupnice tvrdosti je běžné kvalitativní měřítko odolnosti materiálu proti poškrábání. Tvrdší materiál odírá měkčí materiál. Například křemen (Mohsova tvrdost 7) odírá živec (Mohsova tvrdost 6). Tato zásada se používá v geologických procesech, jako je tvorba sedimentárních hornin, kde tvrdší úlomky hornin časem odírají a erodují měkčí horniny.
Typ abraziva také hraje významnou roli. Abraziva mohou být tvrdé částice, jako je písek nebo štěrk, nebo dokonce drsný povrch na jiném materiálu. Různé abrazivní materiály mají různé tvary, velikosti a složení, které ovlivňují rychlost a typ oděru. Například ostré, hranaté částice mají tendenci řezat a rýhovat povrch, zatímco zaoblené částice způsobují spíše leštění a vyhlazování.
Síla působící během oděru je také klíčová. Větší síla vede k rychlejšímu oděru. Tato síla může být aplikována různými způsoby, jako je klouzání, válení nebo náraz. Typ síly ovlivňuje mechanismus opotřebení. Například kluzný oděr zahrnuje tečnou sílu, která způsobuje odtržení materiálu z povrchu, zatímco nárazový oděr zahrnuje normálovou sílu, která způsobuje prasknutí a odstranění materiálu.
Podmínky prostředí významně ovlivňují oděr. Přítomnost kapalin, jako je voda nebo olej, může oděr buď urychlit, nebo zpomalit. Voda může působit jako mazivo, snižující tření a opotřebení. Může však také podporovat korozi, která materiál oslabuje a činí jej náchylnějším k oděru. Abrazivní suspenze, kde jsou abrazivní částice suspendovány v kapalině, se běžně používají v průmyslových procesech, jako je leštění a broušení.
Teplota ovlivňuje vlastnosti materiálu a může ovlivnit rychlost oděru. Při vyšších teplotách se materiály mohou stát měkčími a snadněji se odírají. Naopak, při nižších teplotách mohou některé materiály zkřehnout a být náchylnější k prasknutí pod abrazivními silami.
Příklady abraze jsou široce rozšířené:
K abrazi může dojít z různých příčin. Tyto příčiny se dělí podle povahy abrazivního činidla a podmínek, za kterých k oděru dochází. Pochopení těchto příčin je klíčové pro předvídání a zmírňování abrazivního opotřebení v různých aplikacích.
- Dvojtělesný oděr:
Tento typ oděru zahrnuje tvrdý materiál, který přímo škrábe nebo rýhuje měkčí povrch. Abrazivo je upevněno k jednomu z kontaktních povrchů.
- Zapuštěné abrazivo: Tvrdé částice se mohou zapustit do jednoho povrchu a pak působit jako řezné nástroje proti protilehlému povrchu během relativního pohybu. Například abrazivní zrna spojená v brusném kotouči odebírají materiál z obrobku. Podobně i částice nečistot nebo písku zachycené v brzdové destičce mohou způsobit abrazivní opotřebení brzdového kotouče.
- Drsnost povrchu: Vrozená drsnost tvrdšího povrchu může působit jako abrazivo proti měkčímu povrchu. Mikroskopické nerovnosti na tvrdším povrchu vytvářejí rýhy do měkčího materiálu. To je běžný mechanismus při kluzném opotřebení mezi nedostatečně mazanými povrchy.
- Třítělesný oděr:
Třítělesný oděr nastává, když se abrazivní částice mohou volně kutálet nebo klouzat mezi dvěma povrchy. Závažnost opotřebení závisí na velikosti, tvaru, tvrdosti a koncentraci abrazivních částic, jakož i na aplikovaném zatížení a relativní rychlosti mezi povrchy.
- Broušení volným abrazivem: To se záměrně používá v procesech, jako je lapování a leštění, kde se jemné abrazivní částice suspendované v tekutině používají k dosažení hladkého a přesného povrchu. Částice se kutálejí a kloužou a odebírají malé množství materiálu.
- Kontaminace: Nečistoty z prostředí, jako je písek, prach nebo štěrk, se mohou zachytit mezi pohyblivými částmi a způsobit závažné abrazivní opotřebení. To je velký problém u strojů pracujících v prašném nebo znečištěném prostředí. Například písek, který se dostane do motoru vozidla přes vadný vzduchový filtr, může způsobit značné opotřebení válců.
- Abrazivní suspenze: Přítomnost abrazivních částic v proudu tekutiny může vést k erozi a korozi. Abrazivní částice narážejí na povrch, odstraňují ochranné vrstvy a vystavují podkladový materiál korozi. To je významný problém v potrubích, která přepravují suspenze obsahující abrazivní pevné látky.
- Faktory prostředí:
Prostředí, ve kterém k oděru dochází, může významně ovlivnit jeho rychlost a závažnost.
- Teplota: Zvýšené teploty mohou snížit tvrdost materiálů, takže jsou náchylnější k abrazivnímu opotřebení. Naopak, nízké teploty mohou způsobit, že některé materiály zkřehnou, což zvyšuje jejich náchylnost k prasknutí a abrazivnímu opotřebení.
- Koroze: Korozivní prostředí může materiály oslabit a učinit je zranitelnějšími vůči abrazivnímu napadení. Tvorba korozních produktů může také působit jako abraziva a dále urychlovat opotřebení.
- Mazání: Přítomnost nebo absence mazání hraje kritickou roli při oděru. Dostatečné mazání může snížit tření a zabránit přímému kontaktu mezi povrchy, čímž se minimalizuje abrazivní opotřebení. Kontaminovaná maziva se však sama mohou stát abrazivními, jak bylo popsáno výše.
- Zatížení a rychlost: Vyšší zatížení a rychlosti obecně vedou ke zvýšení rychlosti abrazivního opotřebení. Zvýšené zatížení vede k většímu pronikání abraziva do povrchu. Zvýšená rychlost má za následek častější nárazy a vyšší třecí síly. Vztah mezi rychlostí opotřebení, zatížením a rychlostí je často popsán Archardovou rovnicí opotřebení, která říká, že objem opotřebení V je úměrný aplikovanému zatížení L a kluzné vzdálenosti s a nepřímo úměrný tvrdosti H měkčího materiálu:
V = (K * L * s) / H
kde K je bezrozměrný koeficient opotřebení.
- Vlastnosti materiálu:
Vrozené vlastnosti použitých materiálů významně ovlivňují jejich odolnost proti oděru.
- Tvrdost: Tvrdší materiály obecně vykazují větší odolnost proti abrazivnímu opotřebení. Je to proto, že tvrdší materiály jsou odolnější proti vtlačení a poškrábání abrazivními částicemi.
- Houževnatost: Houževnatost, schopnost materiálu absorbovat energii před prasknutím, je také důležitým faktorem. Materiály s vysokou houževnatostí mohou odolat šíření trhlin a zabránit křehkému lomu za abrazivních podmínek.
- Tažnost: Tažné materiály se mohou plasticky deformovat pod abrazivním zatížením, což může pomoci rozložit zatížení a snížit závažnost opotřebení.
- Mikrostruktura: Mikrostruktura materiálu, včetně velikosti zrna, rozložení fází a přítomnosti sraženin, může také ovlivnit jeho odolnost proti oděru. Například materiály s jemnými zrny obecně vykazují vyšší odolnost proti opotřebení než materiály s hrubými zrny.
Stručně řečeno, oděr je komplexní jev ovlivněný kombinací faktorů souvisejících s abrazivním činidlem, prostředím a vlastnostmi materiálu kontaktních povrchů. Důkladné pochopení těchto příčin je nezbytné pro vyvíjení účinných strategií minimalizace abrazivního opotřebení a prodloužení životnosti součástí a zařízení.
Materiály
Vlastnosti materiálů, jak abraziva, tak i obrušovaného povrchu, jsou kritickými faktory, které určují rychlost a povahu oděru. Tvrdost, houževnatost, lomová houževnatost, chemická reaktivita a povrchová energie hrají významnou roli.
Abrazivní materiály:
Abrazivní materiály se vybírají na základě jejich tvrdosti ve vztahu k materiálu, který se obrušuje. Obecně by mělo být abrazivo výrazně tvrdší. Mezi běžné abrazivní materiály patří:
- Oxid hlinitý (Al2O3): Jeden z nejpoužívanějších abraziv díky své relativně nízké ceně, dobré tvrdosti (Knoopova tvrdost přibližně 2100 kg/mm²) a houževnatosti. Je vhodný pro broušení železných kovů, dřeva a různých dalších materiálů. Existují různé formy oxidu hlinitého, jako je hnědý oxid hlinitý (méně čistý, houževnatější) a bílý oxid hlinitý (vyšší čistota, křehčí).
- Karbid křemíku (SiC): Tvrdší než oxid hlinitý (Knoopova tvrdost přibližně 2500 kg/mm²) a křehčí. Je účinný pro broušení neželezných kovů, keramiky, skla a plastů. Karbid křemíku je k dispozici v zelených a černých variantách, přičemž zelený SiC je obecně čistší a křehčí.
- Kubický nitrid boru (cBN): Výrazně tvrdší než oxid hlinitý a karbid křemíku (Knoopova tvrdost kolem 4500 kg/mm²). cBN se často používá pro broušení kalených ocelí a rychlořezných ocelí, materiálů, které mohou při vysokých teplotách chemicky reagovat s diamantem.
- Diamant: Nejtvrdší známý materiál (Knoopova tvrdost přibližně 7000-10000 kg/mm², v závislosti na orientaci krystalů a čistotě). Diamantová abraziva se používají pro broušení extrémně tvrdých materiálů, jako je keramika, slinuté karbidy a kámen. Používají se jak přírodní, tak syntetické diamanty. Syntetické diamanty jsou často preferovány kvůli jejich kontrolované velikosti, tvaru a čistotě.
- Zirkon-korund: Směs oxidu zirkoničitého a oxidu hlinitého. Toto abrazivo je známé svou houževnatostí a schopností udržet si ostrou řeznou hranu během broušení. Často se používá pro náročné broušení ocelí.
- Granát: Přirozeně se vyskytující minerální abrazivo. Granát je relativně měkký ve srovnání se syntetickými abrazivy, ale stále je účinný pro aplikace, jako je broušení dřeva a příprava povrchu.
- Smirek: Přirozeně se vyskytující směs korundu (oxidu hlinitého) a dalších minerálů, jako je magnetit, hematit a spinel. Smirek se používá v různých abrazivních aplikacích, včetně leštění a broušení.
Materiály obrobku:
Vlastnosti materiálu, který se obrušuje, významně ovlivňují proces oděru. Mezi faktory, které je třeba zvážit, patří:
- Tvrdost: Měkčí materiály se obrušují snadněji než tvrdší materiály. Relativní tvrdost mezi abrazivem a obrobkem je klíčovým determinantem rychlosti oděru.
- Houževnatost a tažnost: Křehké materiály mají tendenci se během oděru snadněji lámat a odštěpovat, zatímco tažné materiály mohou podléhat plastické deformaci.
- Lomová houževnatost: Odolnost materiálu proti šíření trhlin ovlivňuje velikost a tvar obroušených částic. Materiály s nízkou lomovou houževnatostí mají tendenci produkovat větší, nepravidelnější částice.
- Chemická reaktivita: Chemické reakce mezi abrazivem a obrobkem mohou ovlivnit rychlost oděru. Například některé kovy mohou během broušení oxidovat, což vede ke zvýšenému úbytku materiálu.
- Mikrostruktura: Mikrostruktura materiálu obrobku, včetně velikosti zrna, orientace zrna a přítomnosti sekundárních fází, může ovlivnit proces oděru. Například materiály s jemnozrnnou mikrostrukturou mohou vykazovat vyšší odolnost proti oděru.
- Povrchová energie: Povrchová energie obrušovaného materiálu může ovlivnit adhezi abrazivních částic a tvorbu částic opotřebení.
Příklady:
- Broušení kalené oceli vyžaduje velmi tvrdé a tepelně stabilní abrazivo, jako je kubický nitrid boru (cBN), protože se mohou generovat vysoké teploty broušení. Diamant může s železem při těchto teplotách reagovat, což vede k jeho degradaci.
- Broušení dřeva typicky používá měkčí abraziva, jako je granát nebo oxid hlinitý. Relativní měkkost zabraňuje nadměrnému úbytku materiálu a vytváří hladší povrch.
- Leštění optických čoček vyžaduje extrémně jemná abraziva, často ve formě suspenze, jako je oxid ceričitý nebo koloidní oxid křemičitý. Tato abraziva odstraňují materiál velmi pomalu, aby se dosáhlo vysokého stupně povrchové úpravy.
- Odolnost polymerů proti oděru lze zlepšit přidáním plnidel, jako jsou skleněná vlákna nebo uhlíkové nanotrubičky. Tato plniva zvyšují tvrdost a tuhost polymerní matrice.
Výběr vhodných materiálů pro abrazivo i obrobek je nezbytný pro dosažení požadované rychlosti oděru, povrchové úpravy a rozměrové přesnosti. Pochopení mechanických, chemických a mikrostrukturních vlastností těchto materiálů je klíčové pro optimalizaci procesu oděru.
Testování
Testování oděru je klíčové pro hodnocení odolnosti materiálů proti opotřebení způsobenému třecími silami. Tyto testy simulují reálné podmínky, aby se předpověděla životnost a výkonnost materiálů v různých aplikacích. Existuje široká škála metod, z nichž každá je navržena tak, aby posoudila odolnost proti oděru za specifických podmínek a pro konkrétní typy materiálů.
Jedna běžná kategorie testů oděru zahrnuje tření zkušebního vzorku proti standardizovanému abrazivnímu médiu. Úbytek hmotnosti nebo změna tloušťky vzorku se pak měří, aby se kvantifikoval rozsah oděru.
Taberův abraziometr: Taberův abraziometr (také známý jako Taberův oděruvzdorný tester nebo Taberův tester opotřebení) je široce používaný přístroj pro hodnocení odolnosti plochých vzorků proti oděru. Vzorek je upevněn na rotující platformě a na jeho povrch jsou spuštěna dvě abrazivní kola. Kola se otáčejí v opačných směrech a působí kombinovaným valivým a kluzným pohybem. Test obvykle probíhá po specifikovaný počet cyklů a měří se úbytek hmotnosti vzorku. Taberův abraziometr se často používá pro testování nátěrů, textilií, plastů a dalších materiálů, kde se jedná o ploché povrchy. K dispozici jsou různá abrazivní kola (např. CS-10, CS-17) pro simulaci různých typů abrazivního opotřebení.
Gravelometr: Gravelometr testuje odolnost nátěrů, jako jsou automobilové barvy, proti odštípnutí a oděru od nárazu štěrku. Kontrolované množství štěrku je hnáno proti zkušebnímu panelu pomocí stlačeného vzduchu. Test se obvykle provádí při nízkých teplotách, aby se simulovaly zimní jízdní podmínky. Stupeň odštípnutí a oděru se pak vizuálně posuzuje pomocí standardních hodnoticích stupnic.
Testování kolíkem na disku: Tato metoda zahrnuje přitlačení kolíku (obvykle vyrobeného z tvrdšího materiálu než zkušební vzorek) proti rotujícímu disku. Kolík je držen pod kontrolovaným zatížením a disk se otáčí konstantní rychlostí. Rychlost opotřebení kolíku nebo disku se měří úbytkem hmotnosti nebo změnou rozměrů. Testování kolíkem na disku umožňuje řízení několika parametrů, včetně zatížení, rychlosti a kluzné dráhy, takže je vhodný pro studium tribologického chování materiálů při kluzném tření.
Testování oděru pískováním: V tomto testu je proud abrazivních částic (např. křemičitý písek, oxid hlinitý) nasměrován na zkušební vzorek pomocí stlačeného vzduchu. Test se používá k hodnocení odolnosti materiálů proti erozi a abrazivnímu opotřebení. Úhel dopadu, velikost částic a tlak vzduchu jsou pečlivě řízeny, aby byla zajištěna reprodukovatelnost. Hloubka vytvořeného kráteru nebo úbytek hmotnosti vzorku se používá ke kvantifikaci odolnosti proti oděru.
Normy ASTM: Několik norem ASTM poskytuje podrobné postupy pro provádění testů oděru. Některé příklady zahrnují:
- ASTM D4060: Standardní zkušební metoda pro odolnost organických nátěrů proti oděru pomocí Taberova abraziometru
- ASTM D968: Standardní zkušební metody pro odolnost organických nátěrů proti oděru padajícím abrazivem
- ASTM D3389: Standardní zkušební metoda pro odolnost potahovaných tkanin proti oděru (metoda s rotační platformou a dvojitou hlavou)
- ASTM G65: Standardní zkušební metoda pro měření oděru pomocí zařízení s suchým pískem/gumovým kolem
Analýza dat:
Výsledky testů oděru se obvykle vyjadřují jako:
Výběr vhodné zkoušky oděru závisí na testovaném materiálu, zamýšleném použití a typu abrazivního opotřebení, u kterého se očekává, že v provozu nastane. Je třeba pečlivě zvážit parametry zkoušky, jako je zatížení, rychlost, abrazivní médium a trvání zkoušky, aby se zajistilo, že zkouška přesně simuluje relevantní podmínky opotřebení. Pro získání spolehlivých a reprodukovatelných výsledků je také nezbytná správná kalibrace a údržba zkušebních zařízení.
Jasně, tady je překlad do češtiny:
Prevence
Prevence oděru je klíčová pro prodloužení životnosti materiálů, snížení nákladů na údržbu a zajištění spolehlivého provozu různých systémů. Účinné preventivní strategie silně závisí na pochopení specifických mechanismů oděru a podmínek prostředí. Nejběžnější přístupy zahrnují výběr materiálu, povrchové úpravy, mazání a konstrukční úvahy.
Výběr materiálu:
Výběr materiálů s inherentní odolností proti oděru je často první linií obrany. Tvrdost je klíčovým faktorem, ale důležitou roli hrají i houževnatost a tažnost.
- Navařovací slitiny: Tyto slitiny, často obsahující chrom, nikl nebo karbidy wolframu, jsou speciálně navrženy pro vysokou odolnost proti oděru. Obvykle se nanášejí jako povlak na základní materiál svařováním nebo termickým nástřikem. Příkladem je použití slitin Stellite (slitiny kobaltu a chromu) na sedla ventilů ve spalovacích motorech, aby se odolalo opotřebení pohybem ventilů a částicemi.
- Keramika: Materiály jako oxid hlinitý (Al2O3) a karbid křemíku (SiC) nabízejí výjimečnou tvrdost a odolnost proti oděru. Používají se v aplikacích, jako jsou řezné nástroje, opotřebitelné desky v těžebních zařízeních a těsnění v čerpadlech, která manipulují s abrazivními kapalinami. Například keramické vložky se používají v potrubích pro suspenze, aby odolávaly opotřebení od transportovaných částic.
- Kalené oceli: Tepelné zpracování, jako je nauhličování nebo nitridování, může výrazně zvýšit povrchovou tvrdost ocelových součástí a zlepšit jejich odolnost proti abrazivnímu opotřebení. Kalené převody v převodovkách jsou hlavním příkladem.
- Polymery: Ačkoli jsou obecně méně odolné proti oděru než kovy nebo keramika, některé polymery, zejména ty vyztužené vlákny (např. nylon plněný sklem) nebo obsahující pevná maziva (např. acetal plněný PTFE), mohou poskytnout dostatečnou odolnost proti oděru ve specifických aplikacích. UHMWPE (polyethylen s ultravysokou molekulovou hmotností) je známý svou vynikající odolností proti oděru, takže je vhodný pro aplikace, jako jsou vložky dopravních pásů a vložky skluzů v systémech manipulace sypkými materiály.
Povrchové úpravy a povlaky:
Povrchové úpravy a povlaky upravují povrchové vlastnosti materiálu, aby se zlepšila jeho odolnost proti oděru, aniž by nutně změnily vlastnosti základního materiálu.
- Tvrdé povlaky: Tenké, tvrdé povlaky, jako je nitrid titanu (TiN), nitrid chromu (CrN) a povlak z uhlíku podobného diamantu (DLC), lze nanášet pomocí technik fyzikálního (PVD) nebo chemického (CVD) napařování. Tyto povlaky se běžně používají na řezných nástrojích, zápustkách a formách ke zlepšení jejich odolnosti proti opotřebení.
- Termické nástřikové povlaky: Techniky, jako je plazmové stříkání, plamenové stříkání a vysokorychlostní stříkání palivem a kyslíkem (HVOF), mohou nanášet silné, oděruodolné povlaky z materiálů, jako je keramika, kovy nebo cermety. Tyto povlaky se široce používají v průmyslových odvětvích, jako je těžba, zemědělství a letectví, k ochraně součástí před opotřebením.
- Procesy povrchového kalení: Techniky, jako je tryskání broky a laserové kalení, mohou v povrchové vrstvě materiálu vyvolat tlakové zbytkové napětí, což může zlepšit jeho odolnost proti abrazivnímu opotřebení snížením pravděpodobnosti iniciace a šíření trhlin.
- Eloxování: Eloxování hliníku vytváří na povrchu tvrdou, oděruodolnou oxidovou vrstvu, čímž se zlepšuje jeho trvanlivost v abrazivním prostředí. To se běžně používá v architektonických aplikacích a pro součásti vystavené venkovním podmínkám.
Mazání:
Mazání je kritickým aspektem prevence oděru, zejména v scénářích kluzného nebo valivého kontaktu.
- Mazání olejovým filmem: Udržování souvislého filmu maziva mezi kluznými povrchy zabraňuje přímému kontaktu a výrazně snižuje abrazivní opotřebení. Účinnost mazání olejovým filmem závisí na faktorech, jako je viskozita maziva, rychlost povrchu a zatížení.
- Mazání mezní vrstvou: Když mazání olejovým filmem není možné (např. při nízkých rychlostech nebo vysokém zatížení), maziva mezní vrstvy, jako jsou mastné kyseliny, estery nebo organosírové sloučeniny, mohou na površích vytvořit ochrannou vrstvu, která snižuje tření a opotřebení.
- Pevná maziva: Pevná maziva, jako je grafit, disulfid molybdenu (MoS2) a PTFE (teflon), lze přidávat do maziv nebo je nanášet přímo na povrchy, aby se snížilo tření a opotřebení, zejména v prostředí s vysokou teplotou nebo extrémním tlakem.
- Tuky: Tuky jsou polotuhá maziva, která se skládají ze základového oleje zahuštěného mýdlem nebo jiným zahušťovadlem. Často se používají v aplikacích, kde je časté domazávání nepraktické nebo kde je třeba, aby mazivo zůstalo na svém místě.
Konstrukční úvahy:
Správná konstrukce může výrazně snížit pravděpodobnost a závažnost abrazivního opotřebení.
- Minimalizace kontaktního tlaku: Rozložení zatížení na větší kontaktní plochu snižuje kontaktní tlak a napětí na površích, čímž se snižuje abrazivní opotřebení.
- Vyhýbání se ostrým hranám a rohům: Ostré hrany a rohy mohou působit jako koncentrátory napětí, takže materiál je náchylnější k abrazivnímu opotřebení. Zaoblení nebo zkosení těchto prvků může zlepšit odolnost proti opotřebení.
- Řízení vstupu částic: V prostředích s abrazivními částicemi může návrh těsnění a filtrů, které zabraňují nebo minimalizují vstup částic do kritických oblastí, výrazně snížit opotřebení. Například použití vzduchových filtrů na motorech, aby se zabránilo vniknutí prachu.
- Opotřebitelné vložky a obětované součásti: Začlenění opotřebitelných vložek nebo obětovaných součástí do oblastí náchylných k vysokému opotřebení umožňuje snadnou výměnu opotřebených částí bez nutnosti výměny celé sestavy. Například vyměnitelné opotřebitelné desky v drtičích hornin.
Optimalizace povrchové úpravy: Povrchová úprava může ovlivnit typ a rychlost abrazivního opotřebení.
Drsný povrch může zachytávat abrazivní částice, zatímco hladký povrch může snižovat tření a opotřebení. Optimální povrchová úprava závisí na specifické aplikaci a typu abrazivního opotřebení.
Řízení prostředí:
Řízení prostředí kolem součástí může také hrát významnou roli v prevenci oděru.
- Filtrace: Odstranění abrazivních částic z kapalin (např. olej, voda) nebo plynů (např. vzduch) může výrazně snížit abrazivní opotřebení.
- Těsnění: Utěsnění součástí, aby se zabránilo vniknutí abrazivních částic, může být účinným způsobem, jak je chránit před opotřebením.
- Řízení prašnosti: V prašném prostředí může zavedení opatření pro řízení prašnosti, jako jsou ventilační systémy nebo techniky potlačení prachu, snížit koncentraci abrazivních částic ve vzduchu a minimalizovat opotřebení.
Příklad ilustrující více preventivních strategií:
Uvažujme odstředivé čerpadlo používané k čerpání suspenze obsahující abrazivní částice. Aby se zabránilo oděru v tomto scénáři, lze použít několik strategií:
- Výběr materiálu: Oběžné kolo a plášť čerpadla by mohly být vyrobeny z otěruvzdorného materiálu, jako je litina s vysokým obsahem chromu, nebo potaženy keramickým materiálem.
- Povrchová úprava: Lopatky oběžného kola by mohly být potaženy navařovací slitinou pomocí termického nástřiku.
- Konstrukční úvahy: Konstrukce čerpadla by mohla zahrnovat velkou mezeru oběžného kola, aby se minimalizoval dopad abrazivních částic na lopatky oběžného kola. V plášti by mohly být instalovány vyměnitelné opotřebitelné vložky, aby se chránil před opotřebením.
- Řízení prostředí: Cyklonový separátor by mohl být instalován před čerpadlem, aby se z suspenze odstranila významná část abrazivních částic.
- Mazání: Ačkoli čerpadlo manipuluje se suspenzí, ložiska a další pohyblivé části budou vyžadovat vhodné mazání.
Zavedením kombinace těchto strategií lze životnost čerpadla výrazně prodloužit, čímž se sníží náklady na údržbu a prostoje.
Povlaky
Povlaky jsou materiály nanášené na povrchy, aby poskytly ochrannou nebo funkční vrstvu. V kontextu odolnosti proti oděru jsou povlaky klíčové pro prodloužení životnosti a udržení výkonnosti součástí vystavených opotřebení. Účinnost povlaku závisí na několika faktorech, včetně materiálu povlaku, způsobu jeho nanášení, jeho tloušťky a specifického abrazivního prostředí.
Typy povlaků pro odolnost proti oděru:
Povlaky lze obecně rozdělit podle jejich složení a techniky nanášení. Některé běžné typy používané pro odolnost proti oděru zahrnují:
Navařovací slitiny: Jsou to typicky kovové povlaky nanášené technikami svařování nebo termického nástřiku za účelem vytvoření tvrdého, otěruvzdorného povrchu. Mezi běžné navařovací slitiny patří:
- Slitiny na bázi kobaltu (Stelity): Známé pro vynikající odolnost proti opotřebení při vysokých teplotách a v korozivním prostředí. Často se používají v sedlech ventilů, součástech čerpadel a řezných nástrojích.
- Slitiny na bázi niklu: Nabízejí dobrou odolnost proti korozi a opotřebení, zejména v aplikacích zahrnujících kluzné opotřebení.
- Slitiny na bázi železa: Lze je upravit tak, aby dosáhly širokého rozsahu tvrdosti a houževnatosti, takže jsou vhodné pro různé aplikace, jako jsou zemědělské stroje a zemní technika.
- Kompozity karbidu wolframu: Extrémně tvrdé a odolné proti opotřebení, často se používají v těžebních nástrojích, zařízeních pro vrtání hornin a opotřebitelných deskách. Obvykle se nanášejí pomocí procesů termického nástřiku.
Keramické povlaky: Tyto povlaky nabízejí vysokou tvrdost, vynikající odolnost proti opotřebení a dobrou chemickou inertnost. Mezi běžné příklady patří:
- Oxid hlinitý (Alumina, Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>): Poskytuje dobrou odolnost proti oděru a elektrickou izolaci. Aplikace zahrnují opotřebitelné podložky a těsnění.
- Oxid chromitý (Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>): Nabízí výjimečnou tvrdost a odolnost proti opotřebení a korozi. Používá se v hydraulických válcích a textilních strojích.
- Oxid zirkoničitý (Zirkonia, ZrO<sub>2</sub>): Má vysokou houževnatost a odolnost proti opotřebení, zejména když je stabilizován jinými oxidy. Používá se v řezných nástrojích a biomedicínských implantátech.
- Nitrid titanu (TiN): Tvrdý, otěruvzdorný povlak často nanášený pomocí technik fyzikálního napařování (PVD). Běžně se používá na řezných nástrojích a tvářecích zápustkách.
- Nitrid hliníku a titanu (TiAlN): Nabízí zlepšenou odolnost proti oxidaci za vysokých teplot a tvrdost ve srovnání s TiN. Používá se v rychlořezných nástrojích.
Polymerní povlaky: Ačkoli obecně nejsou tak odolné proti oděru jako navařovací slitiny nebo keramika, některé polymerní povlaky mohou poskytnout přijatelnou odolnost proti opotřebení v méně náročných aplikacích a mohou nabídnout další výhody, jako je ochrana proti korozi a snížení hluku. Příklady zahrnují:
- Polyuretany: Nabízejí dobrou odolnost proti oděru a flexibilitu. Používají se v dopravních pásech, vložkách a válcích.
- Epoxidy: Poskytují dobrou chemickou odolnost a adhezi. Používají se v podlahových nátěrech a ochranných vložkách.
- Fluoropolymery (např. PTFE, Teflon): Nabízejí nízké tření a dobrou chemickou odolnost. Používají se v kluzných součástech a nepřilnavých površích.
- Polyethylen (UHMWPE): Polyethylen s ultravysokou molekulovou hmotností, známý pro svůj velmi nízký koeficient tření a vynikající odolnost proti oděru v aplikacích s kluzným opotřebením. Používá se v ložiskách, ozubených kolech a vložkách.
Povlaky z uhlíku podobného diamantu (DLC): Tyto amorfní uhlíkové povlaky nabízejí jedinečnou kombinaci tvrdosti, nízkého tření a chemické inertnosti. Obvykle se nanášejí pomocí plazmatem asistované chemické depozice par (PACVD) nebo technik PVD. DLC povlaky se používají v automobilových součástech, řezných nástrojích a biomedicínských implantátech.
Metody nanášení povlaků:
Metoda použitá k nanesení povlaku významně ovlivňuje jeho vlastnosti a výkonnost. Mezi běžné metody nanášení patří:
Termické stříkání: Proces, při kterém jsou roztavené nebo polotavené materiály stříkány na podklad, aby vytvořily povlak. Mezi různé techniky termického stříkání patří:
- Plazmové stříkání: Využívá plazmový oblouk k roztavení a hnání materiálu povlaku.
- Plamenové stříkání: Využívá spalovací plamen k roztavení materiálu povlaku.
- Vysokorychlostní stříkání palivem a kyslíkem (HVOF): Využívá vysokorychlostní proud plynu k hnání materiálu povlaku, což vede k hustým a dobře spojeným povlakům.
- Obloukové stříkání: Využívá elektrický oblouk k roztavení dvou drátů z materiálu povlaku.
Fyzikální napařování (PVD): Vakuový proces nanášení povlaku, při kterém se materiál povlaku odpařuje a nanáší na podklad. Mezi běžné techniky PVD patří:
- Rozprašování: Ionty se používají k bombardování terčového materiálu, což způsobuje, že vyvrhuje atomy, které se ukládají na podklad.
- Odpařování: Materiál povlaku se zahřívá, dokud se neodpaří a nezkondenzuje na podkladu.
- Obloukové napařování: K odpaření materiálu povlaku se používá elektrický oblouk.
Chemické napařování (CVD): Chemický proces, při kterém plynné prekurzory reagují na povrchu podkladu za vzniku pevného povlaku.
Elektrolytické pokovování: Proces, při kterém se kovový povlak nanáší na vodivý podklad pomocí elektrického proudu.
Bezelektrolytické pokovování: Chemický proces nanášení kovového povlaku na podklad bez použití elektrického proudu.
Natírání a stříkání: Tekuté povlaky se nanášejí pomocí štětců, válečků nebo stříkacích pistolí.
Faktory ovlivňující odolnost povlaku proti oděru:
Odolnost povlaku proti oděru ovlivňuje několik faktorů:
- Tvrdost: Obecně platí, že tvrdší povlaky nabízejí lepší odolnost proti oděru. Samotná tvrdost však není jediným faktorem.
- Houževnatost: Houževnatý povlak odolává praskání a odštípnutí za abrazivních podmínek.
- Adheze: Dobrá adheze mezi povlakem a podkladem je klíčová, aby se zabránilo delaminaci a předčasnému selhání.
- Tloušťka povlaku: Silnější povlak obecně poskytuje delší ochranu proti oděru. Nadměrná tloušťka však může vést ke zvýšenému pnutí a praskání.
- Drsnost povrchu: Drsnost povrchu povlaku může ovlivnit jeho třecí a opotřebovací chování.
- Velikost a tvrdost abrazivních částic v prostředí ovlivní rychlost opotřebení.
Příklady aplikací povlaků pro odolnost proti oděru:
Testování odolnosti proti oděru:
K hodnocení odolnosti povlaků proti oděru se používají různé standardizované testy. Některé běžné testy zahrnují:
- Taberův test oděru (ASTM D4060): K opotřebení povlaku se používá rotující abrazivní kolo a měří se úbytek hmotnosti.
- Test kolíkem na disku (ASTM G99): Kolík je přitlačen proti rotujícímu disku potaženému testovaným materiálem a měří se rychlost opotřebení.
- Test pískováním (ASTM G76): Proud abrazivních částic je nasměrován na povrch povlaku a měří se úbytek hmotnosti nebo snížení tloušťky povlaku.
- Test poškrábáním (ASTM G171): Hrot se táhne po povrchu povlaku pod rostoucím zatížením, čímž se určí kritické zatížení, při kterém povlak selže.
- Řezné nástroje: Povlaky TiN, TiAlN a DLC se používají na řezných nástrojích ke zlepšení jejich odolnosti proti opotřebení a prodloužení jejich životnosti.
- Hydraulické válce: Povlaky z oxidu chromitého se používají na tyčích hydraulických válců, aby odolávaly opotřebení a korozi.
- Zemědělské stroje: Navařovací slitiny se používají na kultivačních nástrojích a jiných zemědělských zařízeních, aby odolávaly opotřebení od oděru půdou.
- Těžební zařízení: Povlaky z karbidu wolframu se používají na vrtácích a jiných těžebních nástrojích, aby odolaly drsnému abrazivnímu prostředí.
- Automobilové součásti: Povlaky DLC se používají na součástech motoru, jako jsou pístní kroužky a zdvihátka ventilů, aby se snížilo tření a opotřebení.
- Textilní stroje: Keramické povlaky se používají na vodítkách nití a jiných součástech textilních strojů, aby odolávaly opotřebení od abrazivních vláken.
- Lopatky plynových turbín: Tepelné bariérové povlaky (TBC), často včetně keramických svrchních vrstev, se používají k ochraně lopatek turbín před oxidací a erozí za vysokých teplot.
- Kontaktní tlak: Vyšší kontaktní tlaky urychlí opotřebení.
- Rychlost klouzání: Vyšší rychlosti klouzání mohou zvýšit teplotu na kontaktním rozhraní a potenciálně ovlivnit rychlost opotřebení.
- Teplota: Zvýšené teploty mohou snížit tvrdost a pevnost některých povlaků, což vede ke zvýšenému opotřebení.
- Korozivní prostředí: Přítomnost korozivních látek může urychlit opotřebení oslabením povlaku nebo podkladu.
čí kritické zatížení, při kterém povlak selže. Výběr vhodného povlaku pro specifickou aplikaci vyžaduje pečlivé zvážení abrazivního prostředí, požadovaných výkonnostních charakteristik a nákladové efektivnosti řešení povlaku.
-
Test mikroabrazivním opotřebením (ASTM G105): Malá kulička se otáčí proti potaženému povrchu za přítomnosti abrazivní suspenze. Měří se stopa opotřebení, aby se určil objem opotřebení.
Výběr vhodného povlaku pro specifickou aplikaci vyžaduje pečlivé zvážení abrazivního prostředí, požadovaných výkonnostních charakteristik a nákladové efektivnosti řešení povlaku.
Mazání
Mazání hraje klíčovou roli při minimalizaci oděru tím, že mezi kontaktní povrchy vkládá oddělovací film. Tento film snižuje přímý kontakt mezi nerovnostmi, čímž snižuje síly spojené s abrazivním a adhezivním opotřebením. Účinnost mazání závisí na faktorech, jako je viskozita maziva, rychlost povrchu, zatížení a povrchová úprava.
Existují různé režimy mazání, z nichž každý se vyznačuje stupněm oddělení mezi povrchy. Tyto režimy lze obecně rozdělit takto:
Hydrodynamické mazání: Tento režim zajišťuje úplné oddělení povrchů silným filmem maziva. Tlak uvnitř filmu maziva vzniká relativním pohybem povrchů a vtahuje mazivo do sbíhajícího se klínu. Vytvořený tlak je dostatečný k podepření aplikovaného zatížení. Hydrodynamické mazání vyžaduje relativně vysokou rychlost a sbíhající se geometrii. Příklady zahrnují ložiska v motorech a hydrodynamická ložiska ve velkých rotujících strojích. Sommerfeldovo číslo (S) je bezrozměrný parametr, který se často používá k charakterizaci hydrodynamického mazání:
S = (μ * N * P) / (r / c)²
kde:
- μ je dynamická viskozita maziva
- N je rychlost otáčení
- P je zatížení na jednotku plochy
- r je poloměr čepu
- c je radiální vůle
Jistě, zde je překlad do češtiny:
Elastohydrodynamické mazání (EHL): Tento režim nastává, když tlak ve filmu maziva stoupne tak vysoko, že způsobí elastickou deformaci kontaktních povrchů. Tato deformace zvětšuje kontaktní plochu a viskozitu maziva, což dále zvyšuje nosnost. EHL je běžné u vysoce zatížených kontaktů, jako jsou ozubená kola a valivá ložiska. Tloušťka filmu v EHL se typicky pohybuje v řádu mikrometrů nebo dokonce nanometrů. Dowson a Higginson vyvinuli rovnici pro odhad minimální tloušťky filmu (hmin) v EHL kontaktech:
hmin = 2,65 * R' * (α * E')^0,54 * (μ0 * u)^0,7 * (E' * R')^-0,13
kde:
- R' je efektivní poloměr zakřivení
- α je koeficient viskozity maziva v závislosti na tlaku
- E' je efektivní modul pružnosti
- μ0 je dynamická viskozita maziva při atmosférickém tlaku
- u je průměrná rychlost povrchu
Mezní mazání: V tomto režimu je film maziva velmi tenký a dochází k přímému kontaktu mezi nerovnostmi povrchů. Zatížení je primárně neseno chemickou nebo fyzikální adsorpcí molekul maziva na povrchy. Účinnost mezního mazání závisí na chemických vlastnostech maziva a materiálů povrchu. Aditiva, jako jsou mastné kyseliny, detergenty a látky proti opotřebení, se běžně používají ke zlepšení výkonnosti mezního mazání. Například dialkylditiofosforečnan zinku (ZDDP) je běžné aditivum proti opotřebení, které na površích vytváří ochranný tribochemický film.
Volba maziva je klíčová pro účinnou kontrolu oděru. Mezi důležité vlastnosti maziva patří:
- Viskozita: Mazivo s vyšší viskozitou poskytuje silnější film, ale také zvyšuje tření tekutiny. Optimální viskozita závisí na provozních podmínkách.
- Viskozitní index (VI): VI udává, jak moc se viskozita mění s teplotou. Mazivo s vysokým VI udržuje stabilnější viskozitu v širším rozsahu teplot.
- Aditiva: Aditiva maziv mohou zlepšit různé vlastnosti, jako je ochrana proti opotřebení, extrémní tlak (EP), inhibice koroze a oxidační stabilita. Aditiva EP jsou zvláště důležitá pro prevenci oděru při vysokém zatížení a nízkých otáčkách.
- Čistota: Nečistoty v mazivu, jako jsou nečistoty, kovové částice a voda, mohou působit jako abraziva a urychlit opotřebení. Filtrace je nezbytná pro udržení čistoty maziva.
Metody aplikace maziva také ovlivňují oděr. Běžné metody zahrnují:
Povrchová úprava zahrnuje řadu procesů navržených tak, aby změnily povrchové vlastnosti materiálu. Ačkoli ne všechny povrchové úpravy jsou přímo určeny k boji proti oděru, mnohé výrazně zlepšují odolnost materiálu proti opotřebení, erozi a jiným formám abrazivního poškození. Tyto úpravy mohou změnit povrchovou tvrdost, zavést tlakové napětí nebo vytvořit ochrannou vrstvu, která nese hlavní nápor abrazivních sil.
Jednou z hlavních kategorií povrchových úprav je povlakování. Povlakování zahrnuje nanesení vrstvy materiálu na podklad. Volba materiálu povlaku silně závisí na aplikaci a typu očekávaného oděru.
Tvrdé povlaky: Tyto povlaky jsou speciálně navrženy tak, aby odolávaly abrazivnímu opotřebení. Příklady zahrnují:
- Tvrdé chromování: Tradiční povlak používaný ke zvýšení tvrdosti a odolnosti proti opotřebení součástí, jako jsou hydraulické válce a pístní kroužky. Proces zahrnuje elektrolytické nanášení chromu na podklad.
- Termické nástřikové povlaky: Tyto povlaky, jako je karbid wolframu-kobalt (WC-Co) nebo karbid chromu-nikl-chrom (CrC-NiCr), se nanášejí roztavením a nástřikem materiálu povlaku na podklad. Nabízejí vynikající odolnost proti opotřebení v prostředí s vysokou teplotou a korozí. Vysokorychlostní nástřik palivem a kyslíkem (HVOF) je běžnou metodou nanášení těchto povlaků.
- Uhlík podobný diamantu (DLC): DLC povlaky jsou amorfní uhlíkové filmy s vysokým procentem atomů uhlíku vázaných vazbou sp3, což jim dává výjimečnou tvrdost a nízké koeficienty tření. Používají se v aplikacích, jako jsou automobilové součásti a řezné nástroje. Mezi metody nanášení patří plazmou zesílené chemické napařování (PECVD) a rozprašování.
Měkké povlaky: Ačkoli se to může zdát protiintuitivní, některé měkké povlaky mohou zlepšit odolnost proti oděru ve specifických scénářích. Například měkký polymerní povlak může absorbovat abrazivní částice a zabránit jim v přímém kontaktu s tvrdším podkladem. Účinnost závisí na velikosti abrazivních částic a aplikovaném zatížení.
Konverzní povlaky: Tyto povlaky vznikají chemickou nebo elektrochemickou reakcí s materiálem podkladu, což má za následek povrchovou vrstvu jiného složení.
- Eloxování: Tento proces se běžně používá na slitiny hliníku k vytvoření tvrdé, otěruvzdorné vrstvy oxidu hlinitého. Tloušťku a pórovitost oxidové vrstvy lze řídit tak, aby se vlastnosti povlaku přizpůsobily. Eloxování je účinné proti mírnému oděru.
- Fosfátování: Tato úprava přeměňuje povrch oceli nebo hliníku na vrstvu nerozpustných fosforečnanů kovů. Fosfátování poskytuje odolnost proti korozi a zlepšuje přilnavost barvy, nepřímo zvyšuje odolnost proti abrazivnímu opotřebení tím, že zabraňuje korozi vyvolanému oslabení povrchu.
Úpravy povrchového kalení mění mikrostrukturu povrchu materiálu, aby se zvýšila jeho tvrdost a odolnost proti opotřebení.
- Cementování: Zahrnuje difúzi prvků do povrchu ocelové součásti, aby se zvýšila její tvrdost. Mezi běžné metody patří:
- Karbonizování: Zavádění uhlíku do povrchu nízkouhlíkové oceli při zvýšených teplotách a následné kalení za vzniku tvrdé martenzitické vrstvy.
- Nitridování: Zavádění dusíku do povrchu oceli při zvýšených teplotách. Nitridování vytváří tvrdé nitridy v povrchové vrstvě, čímž se zvyšuje odolnost proti opotřebení a únavová pevnost. Na rozdíl od nauhličování nitridování obvykle nevyžaduje kalení.
Povrchové kalení tepelným zpracováním:
- Indukční kalení: Využívá elektromagnetickou indukci k rychlému zahřátí povrchu ocelové součásti a následnému kalení. Tím se vytvoří tvrzená povrchová vrstva, zatímco jádro zůstává relativně měkké a tažné.
- Laserové kalení: Využívá fokusovaný laserový paprsek k rychlému zahřátí povrchu materiálu a následnému samokalení. Tento proces může vytvořit velmi lokalizované tvrzené zóny s minimálním zkreslením.
Texturování povrchu může také ovlivnit odolnost proti oděru.
- Laserové texturování povrchu (LST): Tato technika využívá lasery k vytvoření mikrostruktur na povrchu materiálu. Tyto struktury mohou zachytávat částice opotřebení, snižovat tření a zlepšovat mazání, čímž se snižuje abrazivní opotřebení. Geometrie textury (např. jamky, drážky) je klíčová pro optimalizaci výkonu.
- Tryskání broky: Tento proces zahrnuje bombardování povrchu materiálu malými sférickými médii (broky). To vytváří tlakové zbytkové napětí v povrchové vrstvě, což může výrazně zlepšit odolnost proti únavě a odolnost proti abrazivnímu opotřebení. Tlakové napětí působí proti tahovému napětí vyvolanému abrazivními silami a snižuje iniciaci a šíření trhlin.
Účinnost jakékoli povrchové úpravy závisí na několika faktorech, včetně:
- Typ a závažnost oděru: Různá abrazivní prostředí vyžadují různé povrchové úpravy.
- Materiál podkladu: Vlastnosti materiálu podkladu ovlivňují přilnavost a výkonnost povrchové úpravy.
- Provozní teplota: Vysoké teploty mohou degradovat některé povrchové úpravy.
- Přítomnost korozivního prostředí: Koroze může urychlit abrazivní opotřebení.
Správný výběr a aplikace povrchových úprav jsou kritické pro prodloužení životnosti součástí vystavených abrazivnímu opotřebení.
Aplikace
Oděr, proces opotřebení povrchu třením, má širokou škálu aplikací v různých oblastech. Tyto aplikace lze obecně rozdělit do těch, kde je oděr záměrně využíván pro odstraňování materiálu, tvarování nebo úpravu povrchu, a těch, kde je pochopení a zmírnění oděru klíčové pro prevenci opotřebení a prodloužení životnosti součástí a konstrukcí.
Abrazivní obrábění a dokončování:
Jedna z nejvýznamnějších aplikací oděru spočívá v abrazivních obráběcích procesech. Tyto procesy využívají abrazivní částice k odstraňování materiálu z obrobku a dosahují požadovaných tvarů, rozměrů a povrchových úprav.
- Broušení: Broušení je široce používaný abrazivní obráběcí proces, který využívá rotující brusný kotouč složený z abrazivních zrn spojených dohromady. Používá se pro přesné tvarování a dokončování kovů, keramiky a jiných materiálů. Příklady zahrnují:
- Ploché broušení: Vytváření rovných povrchů s vysokou přesností.
- Válcové broušení: Broušení válcových částí na přesné průměry.
- Vnitřní broušení: Broušení vnitřku otvorů.
- Hloubkové broušení: Vysoce účinný proces broušení, při kterém se hluboký řez provádí v jednom průchodu.
- Honování: Honování je abrazivní obráběcí proces používaný ke zlepšení povrchové úpravy a rozměrové přesnosti otvorů a válců. Využívá abraziv