Témata
Reklama

Nanostrukturní návary a žárové nástřiky

Americká společnost NanoSteel z Providence (RI), působící od roku 2002, nabízí zajímavé přídavné materiály pro návary a žárové nástřiky slitin pro podmínky abrazivního, erozního, korozního a kombinovaného namáhání v těžebním a ropném průmyslu, energetice a stavebnictví.

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 %.  

Reklama
Reklama
Graf 1. Odolnost návarů vůči abrazi dle zkoušky ASTM G65 metoda A - úbytky v g po 6000 cyklech (nižší úbytky znamenají vyšší odolnost) Pramen: NanoSteel

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.

Obr.1. Oblast ocelí a slitin Super Hard Steels ve vztahu tvrdosti a lomové houževnatosti. Pramen: NanoSteel

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 %.

Obr.2. Aplikace a mechanismy porušování návarů a nástřiků NanoSteel v zařízeních tepelné elektrárny. Pramen: NanoSteel

Slitina SHS 9172, obsahující až 12 % niobu, je výhodnou alternativou tvrdého chromování pro hydraulické válce a písty, obrobitelnou na Ra 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.

Obr. 3. Prášky s kulovým zrnem pro HVOF a plazmové nástřiky vyrábí NanoSteel odstředivou atomizací ve velikosti zrna d50 15 - 53 μm. Foto: NanoSteel

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.

Obr. 4. V mezidendritickém prostoru HVOF nástřiku slitinou SHS 7574 jsou uloženy jemné borokarbidy jako nositel tvrdosti (označeny šipkou). Foto: NanoSteel

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.

Obr. 5. Pro děrované LPA (Large Particle Ash) stěny, chránící SCR katalyzátor DeNOx zařízení před erozí velkými částicemi popílku, se osvědčily nástřiky slitinou SHS 8000. Foto: NanoSteel

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.  

Obr. 6. NanoSteel dodává abrazivzdorné desky navařené slitinou SHS 9700 pro vyložení těžebních a stavebních mechanismů, a zařízení v energetice. Foto: NanoSteel

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 KIC 40-75 MPa.m1/2. 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.

Obr. 7. Dumpery s korbou vyloženou deskami navařenými slitinou SHS 9700 přepravily 3,8 mil. tun rudy bez výraznějšího poškození desek abrazí. Foto: NanoSteel

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.

Reklama
Vydání #4
Kód článku: 110414
Datum: 13. 04. 2011
Rubrika: Trendy / Spojování a dělení
Autor:
Firmy
Související články
Povlakování a repase forem pro tlakové lití hliníku

Formy, jádra, komory, vložky a další díly, jsou ve styku s tekutým hliníkem namáhány cyklickým tepelným zatížením. Tento způsob namáhání vede k tepelné únavě materiálu, vzniku trhlin, "vydrolování" základního materiálu forem v kritických nejnamáhanějších místech. Současně dochází k nalepování hliníku na povrch jader, forem apod.

Renovácia valcov linky kontinuálneho odlievania ocele

V súčasnosti je 92,8 % z celkovej produkcie ocele na svete vyrábaných pomocou liniek kontinuálneho odlievania [1]. Technológia kontinuálneho liatia ocelí do brám sa zaviedla pre celý sortiment upokojených, hlbokoťažných tzv. pseudoupokojených a neupokojených ocelí, kde nahradila klasický spôsob výroby brám valcovaním ingotov.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Související články
Spjato s regiónem, otevřeno pro celý svět

Aktuálním tématem současné doby jsou diskuze o lokálních ekonomikách, jejich vlivu na inovační potenciál, vytváření firemní kultury a rozvoj podnikatelského prostředí. Jejím velkým zastáncem a propagátorem je profesor Milan Zelený. Učíme se od Baťů a jejich metody bychom měli s potřebnou modifikací upravovat pro naši dobu. Nedávno jsem měl možnost navštívit německého výrobce obráběcích strojů, společnost Hermle, která mojí optikou pohledu splňuje znaky lokální výroby s globální působností. Na každém kroku to bylo znát.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Jak se stát leaderem ve výrobě důlního zařízení

Moravská společnost Ferrit, s. r. o., se za 25 let působení v těžařském průmyslu stala světovou firmou v projektování a výrobě důlní závěsné dopravy. Zároveň je průkopníkem v oblasti vývoje a výroby důlních akumulátorových lokomotiv a jako jediná na světě vyrábí speciální lokomotivu, tzv. lokobagr, pro údržbu a čištění kolejové tratě a prostoru kolem kolejiště v hlubinných šachtách. Jejich stroje pracují v uhelných a rudných dolech napříč všemi kontinenty.

Přenosný laser snižuje náklady na opravu forem

Při opravě forem na zpracování plastů bylo nutné formu vyjmout ze stroje, což představovalo zvláštní náklady a prostoje stroje, tedy nežádoucí výpadek ve výrobě. Toto nyní patří minulosti. Firma O.R.Lasertechnologie vyvinula kompaktní Nd:YAG laserové navařovací zařízení, které umožňuje opravit poškozenou nebo opotřebovanou formu přímo na stroji.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Moderní způsoby spojování dílů karoserií

Dnešní moderní koncepce stavby automobilů je nemyslitelná bez stále narůstajícího významu šetření s používanými surovinami, kratšími časy pro vývoj a cenově přijatelnou výrobu.

Spojování a dělení trubek laserem

Nejenom elektronika a komunikační zařízení se svými novými iPady, iPhony a tablety jde cestou technologických inovací. Stejným směrem se ubírá i vývoj strojírenských technologií. V  MM Průmyslovém spektru chceme ukázat na vybraných technologiích, případně na jejich navazujících operacích, inovační pokrok, jaký byl za poslední dobu vykonán. Toto vydání časopisu je zaměřené na spojování a tvarové dělení, proto jsme o názor na jednu z technologií z tohoto oboru, technologii spojování a řezání trubek dutých i otevřených profilů, požádali pana Romana Haltufa, ředitele firmy Trumpf Praha.

Certifikace výrobců kolejových vozidel

Technologie svařování, počítána jako vysoce produktivní metoda spojování a navařování materiálu, zaujala svou pozici v mnoha průmyslových odvětvích. S progresivním vývojem jednotlivých zařízení, zvyšování jejich výkonů, životnosti a použitelnosti se zároveň zvyšují i nároky nejen na kvalitu, ale i na bezpečnost provedení svařovacích prací.

Nanotechnologie v pájení

S cílem snížení toxicity odpadů z elektroniky zakazuje legislativa Restriction of Hazardous Substances Directive (RoHS) a směrnice EU 2002/95/EC po 1. 1. 2007 použití šestimocného chromu CrVI, olova, kadmia, rtuti, požárních retardantů polybrombifenyletheru (PBB) a polybromdifenyletheru (PBDE) v elektrických a elektronických zařízeních. Zvláště tvrdý dopad mají účinky směrnice na vyřazení cín-olověných pájek z elektroniky s náhradou pájkami bez olova.

Ochrana před teplem, zářením a jiskrami

Společnost Mewa vyvinula třetí variantu ochranného oblečení pro svařování. Nová bezpečná řada z kolekce Mewa Dynamic nabízí volnost pohybu, pohodlí a slušivý vzhled i při náročné práci.

Komplexní způsob kontroly procesu odmaštění

Článek pojednává o možnostech komplexní kontroly procesu odmaštění v průmyslových aplikacích, tj. především o možnostech kontroly stavu povrchu výrobků před procesem odmaštění a po něm a o kontrole stavu odmašťovacích kapalin pomocí UV-VIS spektroskopie.

Ani vývoj briketovacích lisů nespí…

Fakt, že vývoj vlastních výrobků je důležitou činností každého výrobce, a to v jakémkoli oboru, je neoddiskutovatelný. Bez této drahé a náročné činnosti každý výrobce riskuje propad a nečinností dává náskok konkurenci. To jsou obecná pravidla, která každý zná, ale ne každý z řad středních podniků toto dokáže realizovat samostatně a ve vysokém tempu. Společnost Briklis taková je. Na svém stánku na MSV 2017 v Brně svůj vlastní vývoj představí.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit