Nanostrukturní návary a žárové nástřiky

Od roku 2007 představila v programu Super Hard Steel (SHS) již 20 materiálů, zpočátku vyvíjených v laboratořích Idaho National Engineering and Environmental Laboratory (INEEL), která je dnes součástí vývoje a výroby NanoSteel v Lindsay (Idaho).

Vlastnosti materiálů, neobsahujících ani nikl jako slitiny typu Colmonoy (Ni-Cr-Si-B) ani kobalt jako Stellite (Co-Cr-W), jsou založeny na vysokém obsahu karbidotvorných a boridotvorných kovů Cr, Mo, W a Nb spolu s vysokým obsahem uhlíku až 5 % a boru 5 až 10 % s charakterem amorfních kovových skel. Při jejich devitrifikaci vznikají vysoce tvrdé a velmi jemné nanostruktury velikosti zrna 2-75 nm. Vzniklé návary a nástřiky mají tvrdost 900 až 1 230 HV nebo 54 až 74 HRC, resp. 10-12 GPa (pro srovnání WC75-Co25 má 9 GPa a WC90-Co10 má 9,8 GPa), na přechodu mezi ocelemi a karbidy či nitridy. Základem všech slitin je železo, přestože při horních obsazích legur nedosahuje 50 %.  

Pro korozní odolnost, např. v podmínkách kyselých spalin u kotlů a odsíření, je důležitý min. obsah chromu 18 %, především u HVOF nástřiků, kde připomínají (až na obsah uhlíku a niklu) úspěšné slitiny Hastelloy typu Ni-Cr-Mo-W. 

NanoSteel uvádí, že vhodnou volbou typu SHS lze zvýšit odolnost vůči erozi až o 100 %, vůči abrazi až o 250 %, zlepšit adhezi vůči základnímu materiálu o 12 % a snížit tření až o 25 %. Vhodné materiály odolnější vůči praskání mají až o 15 % vyšší součinitel tepelné roztažnosti. Aplikace jsou však popsány velmi obecně.

Vysokorychlostní nástřik plamenem HVOF (High Velocity Oxy Fuel)

Přídavným materiálem jsou atomizované prášky kulového zrna průměru d₅₀ 15-53 μm typů SHS 7170, 7574 a 9172 pro podmínky vysokého korozního namáhání v kyselých spalinách uhelných elektráren za současného působení abraze a eroze popílkem, v prostředích s chlorem, solnou mlhou a mořskou vodou (korozní rychlost u 7574 je 83 μm/rok při 30 °C). Vytvářejí vrstvy s nízkou porezitou a oxidy do 5 %.

Slitina SHS 9172, obsahující až 12 % niobu, je výhodnou alternativou tvrdého chromování pro hydraulické válce a písty, obrobitelnou na R_a max. 14 μm. Přestože je dražší, má nejméně o řád vyšší životnost při abrazi částicemi v prašných prostředích, např. u těžkých těžebních a stavebních mechanismů dumperů, bagrů a buldozerů. Nanostrukturovaná slitina má vynikající hodnoty při zkoušce abrazivního opotřebení dle ASTM G65B - po 2 000 cyklech úbytek pouze 0,07 g.

Slitiny pro navařování dvěma dráty/tandemové navařování

Jedná se o materiály, jejichž základem jsou trubičkové dráty obvykle průměrů 1,2 mm, 1,6 mm, 2,8 mm a 3,2 mm pro navařování dvěma dráty, určené pro podmínky kombinovaného namáhání s požadavkem dostatečné houževnatosti. Nástřiky jsou nanostrukturované materiály s jemně rozptýlenými precipitáty.

Slitina 7700 představuje úsporný typ materiálu pro renovace opotřebených dílů nástřikem s vynikající adhezí k základnímu materiálu. Vykazuje nízká zbytková pnutí i za vyšších teplot. Používá se v offshore těžbě ropy a v energetických zařízeních.

Slitina 9570 je nejvýše legovaným a nejdražším typem s až 20 % niobu, s vysokou odolností vůči korozi za vysokých teplot a vůči abrazi, s vysokou rázovou houževnatostí. Při této kombinaci namáhání představuje alternativní materiál k niklovým superslitinám a vysokolegovaným žáropevným ocelím a užívá se jako bariérový nástřik.

Podobně jako v úpravě pro HVOF nástřiky i zde je slitina 9172 materiálem s mimořádnou odolností vůči korozi a vysokoteplotní oxidaci za současné abraze bez nutnosti plnění drátu částicemi keramiky nebo tvrdokovů. Obsahuje v amorfní matrici jemně rozptýlené kovové borokarbidy typu M₂₃(B,C)₆ v nanorozměrech. Nástřiky snášejí dopadovou rázovou zkouškou dle Gardnera až 54 Nm bez porušení. Pro náhradu tvrdého chromování se brousí a leští na vysoký lesk. Slitina se prodává v licenci Praxair a TAFA s označením 140 MXC jako trubičkový drát Ø 1,6 mm.

Navařování MIG

Slitina 7272 pro ruční obloukové navařování (i v atmosféře 100% CO₂) a navařování MIG je úspornou bezkobaltovou alternativou za kobaltové slitiny typu Stellite i pro adhezivní opotřebení za vysokých zatížení svým nízkým součinitelem tření a vynikající odolností vůči zadírání, např. na dosedací plochy uzavíracích armatur ve více vrstvách. S vyšší tepelnou roztažností má nižší náchylnost k tvorbě trhlin i v podnávarových vrstvách, nicméně někdy se u nízkolegovaných Cr a Cr-Mo ocelí uvažuje předehřev na 150 °C. Používá se též k renovaci opotřebených nástrojů pro práci za tepla jako buchary, kovací zápustky a formy. Slitinu 7272 prodává NanoSteel jako Guardian HB na návary olejářských trubek, dříve ji prodávala také firma Grant Prideco jako Platinum HB.

S vysokou tvrdostí HRC 69 až 72 a odolností vůči abrazi je slitina 9192 při obsahu 60-70 % obj. borokarbidů náhradou materiálů s částicemi karbidů chromu a wolframu. Vysokou odolnost vůči abrazi prokazují i nízké úbytky max. 0,11 g při zkoušce dle ASTM G65A. Vyznačuje se rovnoměrnou tvrdostí v celé tloušťce návarové vrstvy s min. 66 HRC i za tepla do 1 150 °C. Dodává se jako trubičkové   dráty Ø 1,2 až 3,2 mm pro nanášení až 12,7mm vrstev exponovaných dílů energetických zařízení a dílů těžebních a stavebních mechanismů.

Slitina 8000 typu 200Cr22Mo5B5Fe, svým složením blízká vysokolegovaným materiálům pro oxidační prostředí kyselých spalin, se osvědčila na antierozivní nástřiky stěn LPA (Large Particle Ash) z děrovaných plechů chránící SCR katalyzátor denitrifikačního zařízení DeNOx před poškozením velkými částicemi. Slouží i pro kombinované namáhání erozí a korozí za vyšších teplot do 750 °C, mj. při erozi částicemi popílku trubkových stěn pod úhly 30 až 90° při teplotách kolem 650 °C. Při zkoušce dle ASTM C833 má dobrou adhezi k základnímu materiálu, u 0,5mm vrstev na oceli 1018 se 79 MPa a na korozivzdorné oceli 316L se 63 MPa.  

Plazmové práškové navařování

U velmi tvrdé slitiny 9290 s obsahem Mo, W a V obsahuje matrice až 70 % jemných nanostrukturovaných borokarbidových precipitátů s tvrdostí až 74 HRC, na rozdíl od struktury dosažené přítomností částic WC.

Slitina 7172 uváděná jako alternativa prášků na bázi niklu s obsahem karbidu WC dosahuje lomové houževnatosti K_IC 40-75 MPa.m^1/2. S jemnými borokarbidovými částicemi v mezidendritickém prostoru struktury má vysokou odolnost vůči abrazi, která však klesá o 50 % při vícevrstvém nástřiku. Používá se k nástřikům pracovních ploch těžebních a stavebních mechanismů. Obě slitiny se dodávají s velikostí zrna d₅₀ 53-180 μm.

Navařené desky

Zvláštním sortimentem jsou formátované desky navařené jednou či dvěma vrstvami slitiny 9700  tvrdosti HRC 66-69 pro vyšší životnost místo otěruvzdorných ocelí AR 400 Steel od Chapel Steel nebo Hardox od SSAB. Používají se na antiabrazivní vyložení násypek, výsypek, skluzů v těžbě uhlí, rud a nerostných surovin, stavebních strojů, drtičů a mlýnů v uhelném hospodářství. Připevňují se šrouby nebo přivařením, lze je řezat plazmovým hořákem a jsou obrobitelné pouze broušením. Svařené spoje se překrývají návarem. Slitina se dodává i jako trubičkové dráty Ø 1,2 až 3,2 mm.

Případová studie dumperu  se dnem korby vyloženým deskami z oceli tvrdosti 500 HB a deskami s návarem slitinou 9700 po odvezení 3,8 mil. tun rudy z rudného dolu v Arizoně ukázala, že ocelové desky jsou zničeny abrazí, zatímco desky se slitinou 9700 byly bez výrazného poškození.

Navařovací tyčinky

Novějším materiálem jsou navařovací tyčinky ze slitiny 9700E, která se svým úspornějším legováním bez W a Mo významně liší od typu 9700 při shodné tvrdosti max. 70 HRC a s přiměřenou houževnatostí. Jsou vhodné pro ruční vícevrstvé, zpravidla dvouvrstvé návary. Při zkoušce abraze metodou A dle ASTM G65 návary dosahují úbytků max. 0,14 g. Dodává se jako tyčinky o Ø 4 mm.  

Návarové a nástřikové materiály NanoSteel jsou velmi zajímavé, nicméně se vkrádá otázka, nakolik se na vysokých hodnotách podílí nanotechnologický přístup a nakolik vysoký obsah drahých legur, přestože neobsahují ani kobalt ani nikl. Z nedávné minulosti je známo, že řada vysokolegovaných materiálů beznadějně zastarala a vypadla z katalogů po zavedení moderních metalurgických technologií, schopných lépe využít přísad na vysokovýkonné materiály.

Alexandr Abušinov

abusinov@seznam.cz.

Tabulky a grafy naleznete v tištěné verzi časopisu MM Průmyslové spektrum.