ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJOS FAKULTETAS Jėgos ir transporto mašinų inžinerijos institutas ARTŪRAS KATINAS HADFILDO PLIE

Transkriptas

1 ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJOS FAKULTETAS Jėgos ir transporto mašinų inžinerijos institutas ARTŪRAS KATINAS HADFILDO PLIENU APVIRINTŲ PAVIRŠIŲ TRIBOLOGINIAI TYRIMAI Magistrantūros studijų baigiamasis darbas Studijų sritis: technologijos mokslai Studijų kryptis: mechanikos inžinerija Studijų programa: ž. ū. mechanikos inžinerija Akademija,

2 Baigiamųjų darbų vertinimo komisija: (Patvirtinta Rektoriaus 2015-balandžio-25 įsakymu Nr. 124-PA) Kavolėlis Pirmininkas Europos žemės ūkio inžinierių draugijos narys, prof. habil.. dr. Bronius Nariai: 1. Žemės ūkio inžinerijos fakulteto dekanas, Žemės ūkio inžinerijos ir saugos instituto doc. dr. Rolandas Domeika; 2. Jėgos ir transporto mašinų inžinerijos instituto prof. Gvidonas Labeckas; 3. Žemės ūkio inžinerijos ir saugos instituto prof. Eglė Jotautienė; 4. UAB Dojus agro gen. dir. Audrius Kavaliauskas. Mokslinis vadovas prof. dr. Vytenis Jankauskas, Aleksandro Stulginskio universitetas Recenzentas doc. dr. Audrius Žunda, Aleksandro Stulginskio universitetas Instituto direktorius prof. dr. Stasys Slavinskas, Aleksandro Stulginskio universitetas Oponentas doc. dr. Antanas Pocius, Aleksandro Stulginskio universitetas 2

3 ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJOS FAKULTETAS JĖGOS IR TRANSPORTO MAŠINŲ INŽINERIJOS INSTITUTAS Magistrantūros studijų baigiamasis darbas Elektrolankiniu būdu apvirintų Hadfildo plieno sluoksnių tribologiniai tyrimai Autorius: Artūras Katinas Vadovas: prof. dr. Vytenis Jankauskas Kalba lietuvių Darbo apimtis 44 Lentelių skaičius 5 Paveikslų skaičius 32 Naudota informacijos šaltinių 26 Priedų skaičius 1 Santrauka Darbe analizuojamos konstrukcinės medžiagos ir jų vystymo kryptys, apžvelgiamos dilimo rūšys, pateikiamos abrazyvinio dilimo schemos. Taip pat ir išanalizuota apžvelgta Hadfildo plieno fizikinės-mechaninės charakteristikos ir naudojimas, šio plieno gavimas apvirinant (legiravimas ir kiti būdai savybėms gerinti). Laboratorinių tyrimų metu nustatytas stiprinančiosios fazės įtaka apvirintų dangų savybėms. Taip pat vertinta legiruojančiųjų elementų įtaka. Gamybinių tyrimų metu nustatyta Hadfildo plieno legiravmo įtaka abrazyviniam dilimui. Duomenys apdoroti statistiškai, suformuluotos išvados. Reikšminiai žodžiai: Hadfildo plienas, dilimas, legiravimas, volframo karbidas. 3

4 ALEKSANDRAS STULGINSKIS UNIVERSITY FACULTY OF AGRICULTURAL ENGINEERING INSTITUTE OF POWER AND TRANSPORT MACHINERY ENGINEERING Master theses Investigation of tribological properties of Hadfield steel obtained by manual arc welding Author: Artūras Katinas Supervisor: prof. dr. Vytenis Jankauskas Language Lithuanian Pages 44 Tables 5 Pictures 32 Sources of literature 26 Annexes 1 Summary The paper analyzes the konstrucinės materials and their development trends, an overview of the types of wear, abrasion presented scheme. It also reviewed and analyzed Hadfildo steel physical - mechanical characteristics and the use of steel obtaining apvirinant ( alloying and other techniques to improve the properties ). In laboratory studies, a Phase stirpinančiosios influence arc welded coatings properties. It also assessed the influence of alloying elements. Field studies have shown Hadfildo steel legiravmo impact abrasion. The data were processed statistically formulated conclusions.. Keywords: Hadfield steel, wear, tungsten carbide, alloying 4

5 Turinys 1. INFORMACIJOS ŠALTINIŲ ANALIZĖ Konstrukcinės medžiagos ir jų vystymo kryptys Dilimo rūšys ir medžiagų tribologinių bandymų schemos Abrazyvinio dilimo schemos Hadfildo plieno charkteristikos ir naudojimas Apvirinimo būdu gaunamas Hadfildo plienas Darbo terpės ir režimų įtaka dilimui Informacijos šaltinių analizės apibendrinimas TYRIMŲ TIKSLAS IR UŽDAVINIAI TYRIMŲ METODIKA Tyrimų objektas Laboratoriniai įrenginiai ir prietaisai Gamybiniai tyrimai TYRIMŲ REZULTATAI IR JŲ APTARIMAS Metalografiniai tyrimai Laboratoriniai bandymai Gamybiniai tyrimai IŠVADOS INFORMACIJOS ŠALTINIŲ SĄRAŠAS MOKSLINIO DARBO APBROBACIJA PRIEDAI

6 ĮVADAS Žemės dirbimo mašinų darbo dalių dilimas yra intensyvus, nes jas veikia abrazyvinis dilimas, intensyviausia dilimo rūšis. Priklausomai nuo darbo pobūdžio bei naudojamų medžiagų grunte dalys per valandą gali nudilti daugiau nei 12 milimetrų. Žemės ūkio mašinų, žemės dirbimo mašinų darbo dalių dilimas nepageidaujamas procesas, kurį reikia mažinti, norint išvengti agregatų prastovų remontuojant techniką ir mažinti jos eksploatacines išlaidas. Pagal Lietuvos agrarinės ekonomikos instituto pateikiamas žemės dirbimo technologijų kainas už arimą tenka mokėti eurų/1 ha proc. Šių išlaidų sudaro išlaidos remontui (atsarginėms dylančioms dalims) ir techninei priežiūrai. Abrazyvinis dilimas veikia ten kur yra padidinto agresyvumo aplinka: žymės ūkyje (žemės dirbimo operacijose), žemės kasimo mašinose, vikšrinėje važiuoklėje. Šis dilimas yra nesunkiai nuspėjamas ir prognozuojamas. Mokslininkais suko galvas kaip pažaboti šį dilimą prailginti technikos tarnavimo laiką ir sutaupyti pinigus. XIX amžiaus pabaigoje Robertas Hadfieldas sukūrė plieną atsparų dilimui, kurį sudaro 1,2% C ir 12% Mn (likęs kiekis Fe ir kiti legiruojantys elementai). Tai buvo didelė revoliucija metalo pramonėje. Tyrėjai vis dar bando atrasti geresniais rodikliais pasižymintį plieną Hadfildo plieną. Papildomai legiruojant, gaunami vis kitokie šio plieno parametrai. 6

7 1. INFORMACIJOS ŠALTINIŲ ANALIZĖ 1.1. Konstrukcinės medžiagos ir jų vystymo kryptys Konstrukcinės medžiagos - tai tokios medžiagos, iš kurių gaminamos mašinų, mechanizmų, prietaisų ir kt. įrenginių dalys, statybinės konstrukcijos, detalės. Konstrukcinės medžiagos turi pasižymėti stiprumu, standumu, plastiškumu; be to, turi nesuirti žemoje ir aukštoje temperatūroje, taip pat turi būti atsparios korozijai, dilimui Konstrukcinės medžiagos skirstomos į metalines, nemetalines ir kompozicines medžiagas. (Kulikauskas L. 1997). Metalinės konstrukcinės medžiagos (metalų lydiniai: geležies ir anglies plienas ir ketus, magnio, aliuminio, titano, nikelio, vario, berilio, molibdeno) pagal apdirbimo būdą būna deformuojamosios (štampuojamosios, valcuojamosios), liejamosios, suvirinamosios, klijuojamosios, lituojamosios, pagal stiprumą (1.1 pav.) nestipriosios, vidutinio stiprumo ir stipriosios, pagal stiprinimo būdą grūdinamosios, sendinamosios, cementuojamosios, cianuojamosios, azotinamosios. Svarbiausia (stipris gniuždant MPa) metalinių konstrukcinių medžiagų yra konstrukcinis plienas (anglinis ir legiruotasis). Anglinis plienas yra pigi ir daugiausiai naudojama konstrukcinė medžiaga, tačiau negiliai įgrūdinama ir tinka tik smulkioms, termiškai gerinamoms detalėms arba stambesniems nelabai apkraunamiems elementams gaminti. Labiau apkraunamos konstrukcijos ar detalės gaminamos iš legiruoto (dažniausiai chromu, magniu, siliciu ir nikeliu) konstrukcinio plieno. Lengvai suvirinamas legiruotasis statybinis plienas tinka vamzdžiams, statybinėms konstrukcijoms, rezervuarams, gaubtams gaminti. Iš spyruoklinio plieno (tąsaus, plastiško, atsparaus relaksacijai) daromos spyruoklės ir lingės. Labai svarbioms mašinų dalims ar elementams (rutuliniams guoliams, vožtuvams, purkštukų dalims) skirtas konstrukcinis rutulinių guolių plienas (beveik be priemaišų, vakuuminiu ar elektrošlakiniu perlydymu pagamintas įrankinis plienas). Ketus (stipris gniuždant MPa) dėl to iš jo liejamos atraminės mašinų detalės, korpusai (staklių stovai, vidaus degimo variklių blokai), sudėtingos formos detalės (alkūniniai velenai, gembės, krumpliaračiai). Kalusis ketus (gaunamas spec. režimu atkaitinant lietą baltąjį ketų) tinka gaminti žemės ūkio ir transporto mašinų dalims, reduktorių karteriams, gembėms, stebulėms ir kt. detalėms, kurios dirba vibracijų, dinaminių ar ciklinių apkrovų sąlygomis. 7

8 1.1 pav. Medžiagos kietumo įtaka santykiniam atsparumo dilimui, esant abrazyviniam dilimui: a) techniškai gryni metalai ir atkaitinti plienai; b) termiškai apdirbti plienai (grūdinimas ir atleidimas skirtingose temperatūrose); c) mechaniškai sustiprinti techniškai gryni metalai, lydiniai ir plienai: 1 žalvaris Л 80; 2 aliumininė bronza БрА5; 3 berilinė bronza БрБ2; 4 plienas 40 mechaniškai (plakant) stiprintas plienas prieš grūdinimą ir atleistas skirtingose temperatūrose,; 6, 7, 8, 9, 10 po grūdinimo ir atleidimo mechaniškai apdirbtas plienas 40. (Крагельский И. В, 1977). Vidaus degimo variklių cilindrų blokams ar jų galvutėms ir kt. gaminiams, kurie veikiami aukštos temperatūros, agresyvios aplinkos ar intensyvios trinties, naudojamas specialus ketus (chromu legiruotas baltasis, siliciu arba aliuminiu legiruotas grafitinis, pilkasis ar stiprusis ketus). Nikelio lydiniai ir kobalto lydiniai yra ypač atsparūs agresyviai aplinkai ir aukštai temperatūrai (iki o C) ir tinka aviacinių ir raketinių variklių, garo turbinų detalėms gaminti. Sudėtingos konfigūracijos raketinės (ir kosminės) technikos, orlaivių konstrukcijų elementai, stabdžių diskai, kompresorių mentės, kai kurios giroskopų dalys daromos iš berilio lydinių, nes jie laidūs šilumai ir elektrai, turi didelį tampros modulį, mažą ilgėjimo koeficientą. Iš dažniausiai naudojamų nemetalinių konstrukcinių medžiagų yra plastikai, keramika, stiklas, guma, kaitrai atsparios medžiagos. Iš plastikų (polimerų ir įvairių priedų vienalyčiai mišiniai) daugiausia naudojami termoplastikai ir reaktoplastikai. Termoplastikai turi didelį tampros modulį, atsparūs smūginėms apkrovoms, agresyvioms cheminėms medžiagoms, jų eksploatacinės savybės nepakinta šiek tiek žemesnėje kaip 0 o C, kai kurių aukštesnėje kaip 100 o C 8

9 temperatūroje. Iš termoplastikų (polietilenas, polivinilchloridas, polistirenas, polipropilenas, poliamidai, polikarbonatai) gaminamos radiotechnikos aparatūros detalės, vamzdžiai. Reaktoplastikai naudojami energetikos, transporto, aviacijos pramonėje. Daug kur naudojami ir armuotieji plastikai (angliaplastikai, boro plastikai, stiklaplasčiai, sluoksniuotieji medienos plastikai) (Kulikauskas L. 1997). Keramika vadinama medžiaga, gaunama aukštoje temperatūroje sukepinus iš mineralinių miltelių suformuotą masę. Yra kieta, stipri gniuždant, atspari kaitrai ir dilimui, bet trapi Iš keraminių medžiagų gaminami aukštos įtampos elektros srovės izoliatoriai, atsparūs chemiškai ir karščiui indai, medicininiai protezai (Abramavičienė D. 2012) Polimerų naudojimas žemės ūkyje Detalėms dylant, didėja tarpai sujungimuose, mašinos darbas tampa nepastovus, atsiranda vibracijos, didėja įvairių gedimų - strigimų, lūžimų tikimybė, taip mažėja visos mašinos patikimumas. Intensyviausiai dyla mašinų elementai, darbo metu esantys dirvoje. Kadangi polimerinės medžiagos vis labiau plinta ir žemės ūkyje, tai atsiranda problema, kokios rūšies ir sudėties polimerai atspariausi abrazyviniam dilimui. Tipinis abrazyvinis dilimas būdingas polimeriniams plūgų verstuvams (3.6, 3.18 pav.), įvairioms sėjamųjų darbinėms dalims (3.7 pav.), sėjamųjų diskams (3.8 pav.) ir kitoms dalims. Kai kuriuos šiuos elementus kartais net kelis kartus metuose tenka pakeisti naujais (Stakvilevičius D., 2006). 1.2 pav. Iš polimerų pagamintos žemės ūkio mašinų darbinės dalys. a) polimerinė plūgo verstuvė; b) sėjamosios darbinė dalis; c) sėjamosios plastikiniai diskai (Stakvilevičius D., 2006). Dylant mašinos elementams pakinta konstrukciniai ir technologiniai parametrai, keičiasi detalių forma. Pavyzdžiui, plūgo skutiko darbas pasidaro nepastovus, padidėja plūgo pasipriešinimas traukai, sunkiau apverčiamas plonesnis dirvos sluoksnis. Dažnas detalių keitimas naujomis didina mašinos naudojimo kainą, labai trikdo darbą, ypač jei tai tenka daryti darbų sezono metu (Stakvilevičius D., 2006). 9

10 Panaudojus plastmases žemės ūkio mašinose galima pailginti jų tarnavimo laiką, konstrukcija tampa lengvesnė bei daugeliu atveju atsparesnė cheminiam aplinkos poveikiui. Plastmasė naudojama kaip dekoratyvinis elementas. Tačiau ji gali atlikti dar keletą funkcijų. Plastmasė gerai sugeria smūgius, vibraciją, palengvina konstrukciją. Naudojama plastmasė apsaugo nuo korozijos. Panaudojus plastmasę įvairių apsauginių gaubtų gamybai sumažinamas mašinos svoris Dilimo rūšys ir medžiagų tribologinių bandymų schemos Dilimas sudėtingas kietojo kūno paviršinių sluoksnių irimo procesas, mechaniškai veikiant jį kitam kūnui terpei. Dilimo procesas vyksta mažame medžiagos paviršiuje. Medžiaga iš trinties zonos pašalinama dilimo dalelių pavidalu. (Serapinas V. 1999;) Dilimas skirstomas į tris rūšis: mechaninis, mechaninis korozinis ir veikiant elektros srovei (1.3 pav.). Dilimo rūšys Mechaninis dilimas Mechaninis korozinis dilimas Dilimas veikiant elektros srovei Abrazyvinis Hidroabrazyvinis (dujų abrazyvinis) Oksidacinis Elektroerozinis Hidroerozinis (dujų erozinis) Sankibinis Fretinginis korozinis Kavitacinis Fretinginis Vandelinis Nuovarginis Kohezinis 1.3 pav. Dilimo rūšių klasifikacija (Rukuiža R. 2010) Pagrindinė mašinų elementų dilimo priežastis yra išorinė trintis, pasireiškianti dviejų kūnų kontakto paviršiuje. Dilimas tai procesas, kai ardoma nuo kieto kūno paviršiaus ir atskiriama medžiaga ir (arba), veikiant trinčiai, susidaro liekamoji deformacija (Jonaitis L. 1988). Dėl dilimo kinta mašinų elementų matmenys ir forma. Kartu kinta detalių medžiagos savybės. Dilimas gali būti matuojamas linijiniais, tūrio arba masės vienetais (Jonaitis L. 1988). Šiuo metu 10

11 yra daug hipotezių apie dilimo esmę, nes dilimas yra daugybės sunkiai nustatomų kintamųjų funkcija. Dažniausiai tuo pačiu metu vyksta keli paviršiaus ardymo procesai. Veikiami tampriųjų ir plastinių deformacijų, dyla paviršių nelygumai. Nors trinties paviršių irimas yra sudėtingas procesas, bet galima išskirti vyraujančią dilimo rūšį (1.3 pav.). Mašinose dažniausiai sutinkamas mechaninis dilimas, kuris vyksta tik dėl to, kad detalių medžiagos tarpusavyje mechaniškai sąveikauja. Mechaninis dilimas skirstomas į abrazyvinį, hidroerozinį arba dujų erozinį, hidroabrazyvinį arba dujų abrazyvinį, kavitacinį, nuovarginį, sankibinį, fretinginį ir kohezinį (Jonaitis L. 1988) Abrazyvinio dilimo schemos Abrazyvinis dilimas yra detalės paviršiaus irimas dėl jo sąveikos su kietomis dalelėmis, esant santykiniam greičiui. Abrazyvinė medžiaga kurios grūdeliai, būdami pakankamo kietumo, turi galimybę pjauti-rėžti. Abrazyvo kietos detalės yra (Serapinas V. 1999): Nejudančios kietos dalelės, sueinančios į sąlytį pagal liestinę nedideliu atakos kampu su dalelės paviršiumi; Neįtvirtintos dalelės, įeinančios į sąlytį su tribopaviršiumi; Laisvos abrazyvo dalelės kinematinės poros suleidimo tarpelyje; Laisvos abrazyvo dalelės, patenkančios ant tribopaviršiaus su skysčių ar dujų srautu. Abrazyviniam dilimu įtakos turi abrazyvinės dalelės dydis, tribopaviršių šiurkštumas, terpių agresyvumas, smūginė sąveika, įkaitinimas. Abrazyvinis dilimas turi įvairių ypatumų, bet bendras abrazyvinio dilimo bruožas yra mechaninis tribo paviršių irimas. Abrazyvinės dalelės yra įvairių formų. Abrazyvinių grūdelių geba įsispausti į paviršių priklauso ne tik nuo jų kietumo, bet ir nuo geometrinės grūdelio formos (pav. 1.4). 11

12 1.4 pav. Abrazyvinio mechaninio dilimo schema (Dornfeld D., 2012). Grūdeliai su aštriomis briaunomis, dar be pažeidimo gali būti įspausti į deformuojamo metalo paviršių. Be to, metalo abrazyvinis dilimas vyksta tada, kai dalelių kietumas mažesnis už metalo kietumą (Serapinas V. 1999). Abrazyvinis dilimas sudėtingiausių ir sunkiai prognozuojamų dilimo rūšių. Šis procesas labai kintantis, priklauso nuo daugelio veiksnių. Stengiamasi išskirti pagrindines šio proceso ypatybes, nustatyti veiksnius, turinčius didžiausia įtaką, ir tokiu būdu prognozuoti abrazyvinio dilimo eigą. Abrazyvinis dilimas skirstomas į dvi pagrindine grupes (Gorana V. K., 2011): Sąveikaujant dviems paviršiams; Dilimas, kai tarp sąveikaujančių paviršių įsiterpia kietos abrazyvinės dalelės Pats paprasčiausias dilimo pavyzdys kai dvi plokštumos trinasi viena į kitą. Paviršiai nušlifuoti glotniai, bet nėra visiškai lygūs (pav. 1.5); 1.5 pav. Dilimas sąveikaujant dviems paviršiams (Kreivaitis R., 2007). 12

13 Kitas sudėtingesnis dilimo pavyzdys yra, kai tarp sąveikaujančių paviršių įsiterpia kieta abrazyvinė dalelė (pav. 1.6), labai priklauso nuo veikiančių sąlygų. Didžiausią įtaką čia turi paviršių kietumas ir apkrova, o taip pat sąveikos greitis. Abrazyvinės dalelės gali slysti, riedėti trinties paviršiais. 1.6 pav. Tarp sąveikaujančių paviršių įsiterpia kietas abrazyvas (Kreivaitis R., 2007). Estijos mokslininkai buvo atlikę erozinio dilimo tyrimus su kompozitinėmis medžiagomis, kuriose buvo volframo karbido (nuo 0,05μm iki 5 μm) grūdelių. Bandymo metu naudotas abrazyvas, kurio kietumas siekia 1100 HV. Dalelės įgreitinamos iki 80 m s pav. matyti, kad mažiausias nudilimas yra WC2 bandinio, kurio sudėtyje volframo karbido grūdelių dydis yra 0,05 2 μm, mikro kietumas apie 1480 HV, tačiau tai yra tik vidutinio kietumo bandinys lyginant su kitais. 1.7 pav. Erozinio dilimo bandymo rezultatai (Hussainova I., 2012 ). Bandymo metu atakos kampui esant 90 nudilimas ženkliai didesnis nei esant 30 kampui. Stačiu kampu krentančios abrazyvinės dalelės labiau ardo bandinio paviršių. Mažesniu kampu krisdamos dalelės į paviršių atsitrenkdamos nuslysta, taip mažiau ardydamos bandinį. 13

14 Indijoje atliktas erozinio dilimo bandymas su epoksidine derva į ją įmaišius volframo karbido miltelių. Atliekant bandymą, abrazyvinės dalelės ( μm skersmens) įgreitintos 40 m s -1 ir 80 m s -1 greičiais. Bandymo trukmė 3 min. Atakos kampas 90. Rezultatai pateikti pav. rodo, kad volframo karbidas, kurio grūdelių dydis μm, nežymiai padėjo padidinti atsparumą dilimui. 1.8 pav. Erozinio dilimo bandymo rezultatai (Mohan N., ) Taip pat Indijos mokslininkai atliko erozinio dilimo bandymus, kuriuose tyrė ne bandinio paviršiaus atsparumą eroziniam dilimui, bet abrazyvo agresyvumą. Buvo bandomi smulkus akmenų abrazyvas (cement clinker) CK ( μm), metalo šlakas (blast furnace sinter) BFS ( μm), kvarcinis smėlis (SiO2) SAND ( μm), ir aliuminio oksidas (Al2O3) ALN ( μm) (Mohan N., ). 1.9 pav. Nudilimo priklausomybė nuo abrazyvo (Sapate S.G., 2006.) 14

15 1.9 pav. matome, kad didžiausias nudilimas, atliekant šį bandymą buvo kai mėginių pastatymo kampas buvo 30 kampui. Taip pat matome, kad bandinio paviršiui pavojingiausios abrazyvinės dalelės yra aliuminio oksido, nes iš tirtų abrazyvinių dalelių jų kietumas didžiausias (1875 HV). Mažiausiai agresyvus abrazyvas yra smulkiųjų akmenukų (cement clinker) (Sapate S.G., 2006.). 1.3 Hadfildo plieno charkteristikos ir naudojimas Originalų austenitinį manganinį plieną, kuriame yra apie 1,2% C ir 12% Mn, sukūrė seras Robert Hadfield (Hadfield`s) 1882 m. Plieną, kuris yra unikalus tuo, kad turi aukštą atsparumą trinčiai ir yra plastiškas esant didelėms apkrovoms. Jo pirmieji bandymai buvo atliekami su mažaangliu plienu. Legiruoti 3 4 % mangano, bet gautas rezultatas buvo kietas ir trapus plienas. Antras bandymas buvo legiruoti procentų mangano. Po tinkamo terminio apdirbimo, plienas įgavo pageidaujamas kietumo ypatybes ir didelį atsparumą dilimui (Fedorko G., 2011). Austenitinis manganinis plienas, yra stiprus, tąsus, mechaniškai veikiant greitai kietėjantis, atsparus dilimui plienas. Plienas yra nemagnetinis, todėl naudojamas tose srityse, kur reikia stipraus ir nemagnetiško metalo. Palyginti su mažaangliu plienu, austenitinio manganinio plieno linijinis plėtimosi koeficientas yra 1,5 karto didesnis, o šiluminis laidumas 25 % mažesnis. Plienas turi gerų eksploatacinių savybių ne didesnėje kaip 200 C temperatūroje. Aukštesnėje nei 200 C temperatūroje plienas netenka stiprumo ir plastiškumo, o jo atsparumas suvirinimo įtempiams mažėja. Korozijai šis plienas neatsparus. Didžiausias plieno kietumas yra apie 550 HB. Iki C temperatūros įkaitintą plieną greitai aušinant, gaunama visiškai austenitinė struktūra. Todėl greitai įgijo pripažinimą kaip labai naudinga konstrukcinė medžiaga. (Valiulis A. V., 2007). Hadfildo plienas manganinis (austenitinis) mišinys plačiai naudojamas plienas. su nedideliais sudėties pakeitimais be terminio apdorojimo, naudojamas žemės ūkyje, kalnakasyboje, naftos pramonėje. Manganinis-austenito plienas kalnakasybos pramonėje naudojamas gaminant ekskavatorių kaušų nagus, stumdymo peilius. Buvo pasiūlyta daug variantų originaliai manganinio-austenitinio plieno sudėčiai (1 lentelė). Bet buvo įrodyta, kad tikslingiausiai šį plieną sudarys anglis: (C) 1-1,4% ir manganas (Mn) 10-14%, likęs kiekis geležis. Tai pat šį plieną galima legiruoti ir kitais elementais: nikeliu, molibdenu, vanadžiu, titanu, bismutu, volframu ir kitais elementais (1.1 lentelė) Vis dėlto, atsparumas dilimui yra linkęs didėti didinant anglies kiekį. Jei jos kiekis didesnis už 1,2% plastiškumas sumažėja. Hadfildo plienas su 1,4% anglies kiekiu yra retai naudojamas, 15

16 nes gauti austenitinę struktūrą pakankamai sunku be karbido grūdų, kurie kenkia stiprumui ir tąsumui. 1.1 lentelė. Hadfildo plieno sudėtis pagal skirtingus standartus (Fedorko G., 2011). Valstybė JAV Vokietija (DIN) Čekijos Respublika Standartas Cheminė sudėtis pagal masę (%) C Mn Si Cr Pmax. Smax A 128, GradeC 1,05-1,35 11,5-14,0 max. 1,0 1,5-2,5 0,070 G-X 120 Mn 12 1,1-1,3 12,0-13,0 0,3-0,5 Max 1,0 0,100 0,040 STN ,1-1,3 11,0-13,0 max. 1,0 0,100 0,040 STN ,1-1,3 12,0-14,0 0,7 0,100 0,050 STN ,1-1,5 12,0-14,0 0,7 0,7-1,2 0,100 0,050 Mažas anglies kiekis (ne mažiau kaip 0,7% C), gali būti naudojami sunkiųjų liejinių arba suvirinimui. Iš šios koncentracijos plieno liejamos detalės arba gaminami elektrodai. Karbidai susidaro liejiniuose, kurie liejami į formas ir lėtai atvėsinami. Karbidai gali susidaryti ir atliekant suvirinimo darbus, kai temperatūra būna virš 275 C. Jei anglies ir mangano kiekis procentaliai yra mažas, pavyzdžiui, 0,53% C su 8,3% Mn arba 0,62% C su 8,1% Mn, atsparumas dilimui sumažėja, ir gautą liejinį papildomai grūdinsime, atsparumas dilimui išliks panašus, o ne kaip tikėtasi, padidės. Titanas gali sumažinti anglies kiekį austenite, formuojant labai stabilius karbidus. Legiruojant titanu, neutralizuojamas fosforo poveikis. Papildomas mikrolegiravimas ne daugiau nei <0,1% titanu, vanadžiu, boru, cirkoniu ir azotu skatina geresnį grūdų susidarymą manganiniame pliene. Tačiau šių elementų didinimas gali sumažinti atsparumą tąsumui. Jei azoto yra daugiau negu 0,2%, tai galimas liejinių poringumas. Didelis mangano kiekis pliene Austenitinis plienas su dideliu mangano kiekiu (> 15%) buvo sukurtas, dėl mažos magnetinės skvarbos, išliekančių stiprumo ir kietumo savybių žemoje temperatūroje (kriogeniniai plienai). Šis plienas buvo sukurtas superlaidininko technologijų naudojimui, transportavimo sistemoms, branduolinės sintezės moksliniams tyrimams ir suskystintų dujų transportavimo poreikio plėtrai. Dėl mažos magnetinės skvarbos, šie lydiniai turi mažesnį anglies kiekį, nei kiti Hadfildo plienai. Takumas įgyjamas legiruojant vanadžiu, azotu, chromu, molibdenu, titanu. Chromas taip pat suteikia atsparumą korozijai, kaip to reikalauja kriogeninės darbo sąlygos programų. Šiam lydiniui yra būdingas geras tąsumas ir kietumas. Papildomai legiruojant siera, kalciu, ir aliuminiu, pagerinama lydinių kokybė ir pagerinamos mechaninės savybės. Dėl esančio 16

17 mažesnio anglies kiekio dauguma šių lydinių yra lengvai suvirinami lankinio suvirinimo (SMAW), dujinio lankininio suvirinimo (GMAW) ir suvirinimo elektronų srautu (EBW) būdus. Terminis apdorojimas Terminis apdorojimas stiprina austenitinį-manganinį plieną taip, kad jis gali būti naudojamas saugiai ir patikimai įvairiose srityse. Atkaitinimas ir aušinimas, daromas tam kad sustiprinti pageidaujamas savybes, kaip antai takumo ir atsparumo dilimui. Kadangi žinoma, kad Hadfildo plienas pasižymi savo mažu kietumu ir tąsumu. Todėl iš šio plieno gaminami ekskavatorių kaušai, smulkintuvų sietai ir vikšrinių važiuoklių detalės (vikšrai). Kadangi šie įrenginiai dirba padidinto poveikio abrazyve. Ekskavatoriaus kaušai kasdami birias medžiagas veikiami didelių kontaktinių apkrovų, turi būti atsparūs abazyviniam poveikiui. Šiomis apkrovomis esant paprasti plienai dyla intensyviau, nes jų atsparumas dilimui yra nepakankamai didelis. Wen Y.H. su kitais mokslininkais atliko bandymus su Hadfildo plienu ir jų pasigamintu Fe18Mn5Si0,35C plienu, kurio sudėtis: 18% mangano, 5% silicio, 0,35% anglies. Iš pateikto grafiko matyti, kad legiruojant papildomomis medžiagomis šis plienas įgauna vis kitokių savybių. Laboratoriniai bandymai buvo tempimo-gniuždymo. Gauti rezultatai pateikti 1.10 pav pav. Paviršiaus kietumo priklausomybė nuo deformacijos dydžio Šis plienas pasižymi atsparumu dilimui ir pasižymi savo geromis tąsumo savybėmis. Tokių savybių reikia ir geležinkelių pramonėje, ypač bėgių sankirtose (pav. 1.11). 17

18 1.11pav. Geležinkelio bėgių sankirta (Havliček P., 2013). Kadangi, šioje vietoje tenka didžiausia bėgiams apkrova (spaudžia bėgio bortą), kontaktinis slėgis gali siekti nuo 6 iki 25 GPa. Todėl ši vieta turi atlaikyti labai didelę apkrovą (Havliček P., 2013) Apvirinimo būdu gaunamas Hadfildo plienas Įkaitintą iki C temperatūros plieną greitai aušinant, gaunama visiškai austenitinė struktūra. Pakartotinai įkaitintame suvirinimo metu pliene apie austenito grūdelius skiriasi karbidai, labai mažinantys plieno plastiškumą. Dėl šios priežasties plienui suvirinti užtenka minimalios energijos. Taikomas rankinis suvirinimas glaistytaisiais elektrodais, suvirinimas savisauge milteline viela, taip pat apsauginėse dujose lydžiuoju elektrodu. Kai kurių elektrodų metale būna daugiau kaip 0,03 % fosforo. Šie elektrodai skirti ne suvirinti, bet metalui apvirinti. Kartais austenitiniu manganiniu metalu virinama be išorinės apsaugos (atviruoju lanku), tuomet siūlės metalą dezoksiduoja manganas. Kad išlydytą metalą trumpiau veiktų oras, suvirinama labai trumpu lanku. Svarbioms konstrukcijoms suvirinti šis būdas netinka, nes siūlės būna akytos, užterštos šlakų intarpais. Milteline viela ar glaistytuoju elektrodu suvirintame metale fosforo turi būti mažiau kaip 0,03 %. Austenitinis manganinis plienas dažnai suvirinamas su angliniu ar mažai legiruotu plienu. Suvirinti pasitelkiami mažai fosforo turintys austenitiniai manganiniai elektrodai. Austenitiniam manganiniam plienui suvirinti dar naudojami korozijai atsparūs mangano-chromo ir chromo-nikelio-mangano elektrodai. Šiais elektrodais gautas siūlės metalas yra atsparesnis dilimui, greitai sukietėja veikiamas smūgių, mažiau jautrus vonelės cheminės sudėties pasikeitimui suvirinant su angliniu ir mažai legiruotu plienu. Prieš suvirinant anglinį plieną su austenitiniu manganiniu plienu, kartais šiais elektrodais apvirinamos anglinio plieno briaunos. Austenitiniu manganiniu plienu dažnai apvirinami susidėvėję detalių paviršiai (geležinkelio ar tramvajaus iešmai, rūdos trupintuvų pirštai ir kt.). Dėl susidėvėjimo 18

19 sukietėjusiame detalių paviršiuje gali būti mikroįtrūkimų. Prieš apvirinant sutrūkinėjęs paviršinis sluoksnis pašalinamas taikant šlifavimą. Apdorojamojo paviršiaus negalima perkaitinti, taip pat negalima šildyti metalo prieš suvirinant. Metalo temperatūra šalia siūlės po minutės aušinimo turi būti ne aukštesnė kaip 300 C. Perkaitinto metalo zonoje skiriasi karbidai ir jis tampa trapus. Daugiasluoksnės siūlės būna kokybiškesnės, nes tada reikia mažesnės išilginės energijos, o suvirinant naują sluoksnį šiek tiek atsileidžia apatiniame sluoksnyje neišvengiamai susidarantis martensitas. Suvirinant rankiniu mechanizuotu ir automatiniu būdais, išilginė energija būna mažesnė negu suvirinant glaistytaisiais elektrodais, nes naudojama mažesnio skersmens elektrodinė viela ir yra didesnis suvirinimo greitis. Kai norima sumažinti rumbės aukštį ir suvirinimo įtempius siūlėje, dar karštas siūles galima kalti. Suvirinant austenitinį manganinį plieną su angliniu ar mažai legiruotu plienu, prilydomame metale turi būti daugiau kaip 14 % Mn, mažiau kaip 0,03 % P, o mažai legiruoto ar anglinio plieno dalis siūlės metale ne didesnė kaip 2,5 %. Nesilaikant šių sąlygų, atsiras įtrūkių. Anglinio ar mažai legiruoto plieno elektrodais virinti negalima. Austenitiniai Mn-Cr elektrodai naudojami, kai reikia gauti aukštos takumo ribos ir labai atsparų dilimui siūlės metalą. Austenitiniai chromo-silicio elektrodai tinka tada, kai siūles veikia vidutinio dydžio įtempiai, o metalas naudojimo metu mažai dyla. Šiuo atveju chromonikelio metalo siūlės ir austenitinio manganinio plieno (pagrindinio metalo) sulydymo zonoje metalas bus kietas ir trapus. Taip atsitinka dėl anglies, perėjusios į siūlę iš pagrindinio metalo, kiekio padidėjimo (Valiulis A. V., 2007). 19

20 1.2 lentelė Austenitinio manganinio plieno ir siūlės metalo cheminė sudėtis bei mechaninės savybės (Valiulis A. V., 2007). Kanadiečių tyrėjų J. Mendez ir jo kolegos pasigamino elektrodų su mažu anglies kiekiu iki 1 procento. Bet buvo padidintas maksimalus mangano nikelio-chromo molibdeno kiekis, kurie pateikti (1.3 lentelė). 1.3 lentelė Hadfildo elektrodų sudėtis pagal masę %. (J. Mendez, 2004). Legiruojantys elementai C Mn Cr Ni Mo Si Fe Chromas 0,23 16,54 16,61 0,91 0,05 0,56 65,1 Nikelis chromas 1,0 13,7 4,7 3,7 0,4 76,5 Molibdenas 0, ,2 Atliekant deformacijos testą ir grūdinant, buvo pastebėta, kad nėra reikšminio skirtumo tarp nikeliu-chromu ar tik chromu legiruotų apvirintų bandinių. 20

21 1.12 pav. Bandinių paruošimas grūdinimui ir plastinės deformacijos bandymams (Mendez J., 2004) pav. Pavaizduota, kaip buvo pasiruošti bandiniai tyrimams. Tyrimo tikslas buvo ištirti papildomai legiruoto Hadfildo plieną veikiančias deformacijos apvrintoje siūlėje. Grūdintos siūlės geriausiai atlaiko masinės deformacijos bandymus, nei negrūdintos. Papildomai grūdinant apvirintą Hadfildo plieną galima gauti geresnes plastines savybes. Tyrimai parodė, kad plastinėms deformacijos ir grūdimo metu geriausius rezultatus parodė tik molibdenu legiruoti bandiniai, nei komerciniai nikelio-chromo ar chromo elektrodai. Mažesnis nei 1 % siekiantis anglies kiekis Hadfildo pliene rodo puikias atsparumo deformacijai charakteristikas, bet ne grūdinant Darbo terpės ir režimų įtaka dilimui Pagrindinės dirvožemio fizikinės savybės yra dirvožemio tankis, kietosios dalies tankis, poringumas ir struktūra. Jos priklauso nuo granuliometrinės sudėties, humuso kiekio, žemės dirbimo ir kt. 4 lentelėje pateikta dirvos mechaninių elementų klasifikacija ir dirvos dalelių sudėties dydžiai. Dirvožemio tankiu vadiname sauso natūraliai susiklojusio (su poromis ir oro tarpais) dirvožemio 1 cm 3 masę gramais. Augalams augti optimaliausias dirvožemio tankis (0,8-1,2 g cm -3 ) būdingas puriems humusingiems viršutiniams dirvožemio horizontams. Tankiui padidėjus, augalų mitybos sąlygos pablogėja. Miežiai gerai auga, kai dirvožemio tankis yra 1-1,2 g cm -3, cukriniai runkeliai kai 1,2-1,3 g cm -3, o žiemkenčiai kai 1,3-1,4 g cm

22 1.4 lentelė. Dirvos mechaninių elementų klasifikacija (Motuzas A. J. ir kiti, 2009 ). Mechaninių elementų frakcija Jų dydis, mm Grupė Akmenys >3 Žvyras 3-1 Skeletas Rupus smėlis 1-0,5 Vidutinio rupumo 0,5-0,25 smėlis Fizinis smėlis Smulkus smėlis 0,25-0,05 Rupios dulkės 0,05-0,01 Vidutinio rupumo dulkės 0,01-0,005 Smulkios dulkės 0,005-0,001 Šiurkštus dumblas 0,001-0,005 Fizinis molis Švelnus dumblas 0,0005-0,0001 Koloidai <0,0001 Dirvožemio tankiu vadiname sauso natūraliai susiklojusio (su poromis ir oro tarpais) dirvožemio 1 cm 3 masę gramais. Augalams augti optimaliausias dirvožemio tankis (0,8-1,2 g cm -3 ) būdingas puriems humusingiems viršutiniams dirvožemio horizontams. Tankiui padidėjus, augalų mitybos sąlygos pablogėja. Miežiai gerai auga, kai dirvožemio tankis yra 1-1,2 g cm -3, cukriniai runkeliai kai 1,2-1,3 g cm -3, o žiemkenčiai kai 1,3-1,4 g cm -3. Dirvožemio plastiškumas yra jo gebėjimas keisti formą (deformuotis), veikiant išorinėms jėgoms, bet išlaikyti vientisumą. Jis priklauso nuo dirvožemio dalelių dydžio bei cheminės sudėties ir drėgnumo. Plastiškiausi yra moliai, priemoliai, ne tokie plastiški priesmėliai, smėliai visiškai neplastiški. Sausi dirvožemiai taip pat neplastiški. Drėgmės perteklius taip pat sumažina arba visiškai panaikina dirvožemio plastiškumą. Plastiškumu pasižymi tik tos dalelės, kurių skersmuo mažesnis kaip 0,002 mm. Molių plastiškumo skaičius lygus 17 ir daugiau, priemolių 7-0, smėlių 0. Dirvožemiai yra suskirstomi pagal kietumą į grupes: (Jasisnskas A., ir kiti 2010). Labai kietos vienalytės > 10 MPa, labai kietos 5 10 MPa, kietos 3 5 MPa, kietokos 2 3 MPa, purokos 1 2 MPa, purios <1 MPa. ASU mokslininkų grupė tyrė žemės dirbimo įtaką dirvožemio kietumui ir nustatė, kad kietumą įtakoja dirvos struktūra, drėgmė, tankis, todėl jis labai priklauso nuo pasirinkto žemės dirbimo metodo. Atlikus bandymus, nustatyta, kad taikant gilaus arimo, seklaus arimo ir tiesioginės sėjos dirbimo metodus, didžiausias dirvos kietumas gautas naudojant tiesioginę sėją. Viršutiniame dirvos sluoksnyje (0 10 cm) iš karto po sėjos seklaus arimo ir gilaus arimo dirvose kietis buvo panašus, bet tiesioginės sėjos dirvoje jis buvo 49 54% didesnis. Po derliaus nuėmimo kietis buvo mažiausias gilaus arimo dirvoje, seklaus arimo dirvoje 12 30% didesnis, o tiesioginės sėjos dirvoje net 52 71% didesnis, nei gilaus arimo dirvoje (Bajoraitė G.,2012). 22

23 Dirvos lyginamasis pasipriešinimas dirbimui matuojamas jėga, kuri ariant veikia plūgo skerspjūvio ploto vienetą. Išreiškiamas N m -2. Lengvos granuliometrinės sudėties dirvų lyginamasis pasipriešinimas dirbimui mažesnis negu sunkios. Drėgmė iki tam tikros ribos šį pasipriešinimą didina, o po to mažina. Nestruktūrinių dirvų pasipriešinimas dirbimui yra didesnis negu struktūrinių. Humusas sunkių dirvų pasipriešinimą dirbimui mažina, o lengvų didina. (Šlapakauskas V., 2003). Dirvos trintis tai savybė priešintis judėjimui. Dirvos trintis gali būti vidinė ir išorinė. Vidinė trintis atsiranda, kai dirvos dalelės trinasi tarpusavyje, t. y. kai vienos dirvos dalelės juda kitų atžvilgiu. Išorinė trintis būna tarp dirvos ir kokios nors kitos medžiagos, pvz., plieno. Vidinė trintis dažniausiai būna didesnė už išorinę. Trinties jėgos dydis labai priklauso nuo dirvos drėgnio. Trintį įvertina trinties koeficientas, kuris smėlio dirvose didesnis, priemolio mažesnis. Didėjant drėgmei, trinties koeficientas iš pradžių didėja, vėliau mažėja (1.8 pav.) pav. Trinties koeficiento f priklausomybė nuo dirvos drėgnio wa (Jasinskas A., ir kiti 2010). 23

24 1.6. Informacijos šaltinių analizės apibendrinimas Literatūros šaltiniuose apžvelgiau konstrukcines medžiagas. Konstrukciniai plienai papildomai legiruojami nikeliu, boru, molibdenu, volframo karbidu. Įgauna papildomą medžiagos stiprumą arba pakeičia plieno savybes. Pastebėjau, kad abrazyvinis dilimas labiausiai yra paplitęs žemės ūkyje, ypač žemės dirbimo mašinose plūgo noragų, diskinių skutikų diskų, giluminiai purentuvų kontakte su dirva. Vis labiau žemės dirbimo metalines dalis pakeičia polimerinės medžiagos. Iš polimerų pagamintos dalys gali būti stiprios, atsparios abrazyviniam dilimui, taip pat gali atlaikyti dideles apkrovas. Vertinau Hadfildo plieno savybes, panaudojimo sritį, šio plieno suvirinamumą. Legiruojant papildomai šį plieną nikeliu, chromu, molibdenu ir kitomis medžiagomis, plienas įgauna vis kitokių savybių. Šis plienas plačiai naudojamas žemės ūkyje, bet taip pat kalnakasyboje, geležinkelio bėgių gamyboje, kadangi šis plienas pasižymi dideliu atsparumu dilimui ir smūgiams. 24

25 2. TYRIMŲ TIKSLAS IR UŽDAVINIAI TYRIMŲ TIKSLAS: Laboratoriniai tyrimais ir gamybiniais bandymais ištirti UAB Anykščių varis rankinio apvirinimo elektrodais apvirintų Hadfildo plieno legiruotu Ni, Cr, Mo, B, Cu, Si bei stiprinančiąja volframo karbido (WC) faze sluoksnių tribologines savybes. UŽDAVINIAI: Atliekant mokslinės literatūros analizę išanalizuoti Hadfildo plieno sudėtį, savybes, panaudojimą; Atlikti apvirintų sluoksnių mikrostruktūros tyrimus; Atlikti laboratorinius abrazyvinio ir erozinio dilimo bandymus; Išanalizuoti Hatfildo plieno legiravimo įtaką tribologinėms savybėms; Atlikti gamybinius bandymus. 25

26 3. TYRIMŲ METODIKA 3.1. Tyrimų objektas Tyrimų objektas: elektrolankiniu būdu apvirintų Hadfildo plieno sluoksnių abrazyvinis dilimas sluoksniais. Tirtų apvirintų Hadfildo plieno sluoksnių cheminė sudėtis pateikta 3.1 lentelėje. 3.1 lentelė Apvirintų Hadfildo plieno sluoksnių sudėtis (legiruoti Ni, Cr, Si, Mo, Cu, B) Legiruojantys elementai % (pagal masę) C Mn Si Cr Ni Mo B Cu W 4 0,98 13,45 0,12 0,15 0,06 0,40 0,005 0,08 0,19 5 0,87 13,05 0,13 0,15 3,03 0,40 0,005 0,13 0,23 6 0,91 12,56 0,12 2,75 0,09 0,38 0,005 0,08 0,22 7 0,85 11,13 0,13 0,17 0,07 3,99 0,008 0,10 0,19 8 1,21 13,94 0,13 0,15 0,07 0,32 0,244 0,10 0,09 9 1,18 10,77 0,23 0,15 0,06 0,37 0,007 2,53 0, ,26 10,26 1,39 0,14 0,05 0,30 0,006 0,09 0, ,00 14,68 0,89 0,17 0,08 0,31 0,013 0,18 19, ,92 12,43 0,98 0,19 4,58 0,33 0,015 0,23 18, ,88 10,70 0,84 3,94 0,08 0,33 0,010 0,16 22, ,01 12,65 0,96 0,18 0,11 3,87 0,014 0,19 17, ,06 12,58 1,07 0,18 0,08 0,39 0,486 0,19 18, ,82 11,41 0,99 0,17 0,07 0,40 0,014 3,64 24, ,25 13,29 3,06 0,17 0,08 0,27 0,014 0,23 18,81 Kiti elementai: V 0,08 0,11%, Ti 0,043 0,086%, Ti 0,163 0,228% (Nr.14-20), Nb Bandinys Nr. 0,021 0,031%, Co 0,12 0,15%, Co 0,21 0,25%, As 0,018 0,059%, Al 0,019 0,035%, S 0,021-0,031%, P 0,03-0,074%. Likęs kiekis Fe. 26

27 3.2 Laboratoriniai įrenginiai ir prietaisai Laboratoriniai tyrimai atliekami moksline laboratorine įranga. Atkuriant atitinkamos darbo sąlygomis, kuriomis dirba žemės dirbimo įranga. Apvirinti sluoksniai tirti šiais tyrimais: - Mikrostruktūrų tyrimai atlikti ryškintų Hadfildo plieno bandinių optiniu metalografiniu mikroskopu Nikon Eclipse MA100 - Abrazyvinio dilimo, kai abrazyvinės dalelės yra dviejų kūnų tarpe (ASTM G65-94); - Erozinio dilimo tyrimas kai abrazyvinės įgreitinamos tam tikru greičiu ir atsitrenkdamos ardo paviršių. [CAK GOST ]. - Dilimo pažeistų paviršių tyrimai atlikti skenuojančiu elektroniniu mikroskopu Hitachi TM 1000; Bandiniai buvo analizuojami su optiniu metalografiniu mikroskopu Nikon Eclipse MA 100 (3.1 pav.), tikslu nustatyti ir įvertinti mikrostruktūras bei dilimo pobūdį. 3.1 pav. Optinis metalografinis mikroskopas Nikon Eclipse MA 100 (Nikon, 2014). 27

28 Atsparumo abrazyviniam dilimui laboratoriniai tyrimai buvo atliekami pagal ASTM G65-94, naudojant plieninį diską Bandiniai buvo nuvalomi ir pasveriami su svarstyklėmis. Gauti duomenys buvo užrašomi į lenteles. Bandinys dedamas į laikiklį. Apkrova, veikianti bandinį buvo 10 N. Bandymo trukmė 5 minutės. Po bandymo mėginys sveriamas ir fiksuojamas jo svoris. Viską pakartojame sekančiai su kitais bandiniais. Gautus duomenis apdorojame statistiškai. Besisukdamas diskas abrazyvo daleles įtraukia į tarpą tarp disko ir bandinio, taip sukeldamas dilimą (3.2 pav.). 3.2 pav. Abrazyvinio dilimo vertinimo (pagal ASTM G65-94) įrenginio principinė schema (kairėje); dilimo modeliavimo įrenginio bendras vaizdas (dešinėje): 1 darbo ratas; 2 abrazyvo tiekimo kanalas; 3 mėginys; 4 apkrova; 5 kvarcinis smėlis. (Kreivaitis R., 2007). ASTM G65-94 standarto sąlygos: diskas plieninis, skersmuo 229 mm, apsisukimų skaičius 200 min -1 (2,4 m s -1 ), apkrova 10 N, abrazyvas kvarcinis smėlis SiO2 (grūdo dydis μm, grūdo kietumas HV, debitas 300 g m -1, bandymo trukmė 5 min arba 720 m kelio). Erozinio dilimo tyrimas atliktas Talino Technikos Universitete Erozinio dilimo laboratorinis tyrimas su CAK įrenginiu pagal GOST standartą atliktas tokiu nuoseklumu. Po vieną pasveriami keturiolika bandinukų. Jų masė surašoma į lenteles. Po svėrimo, bandinukai sudedami į erozinio dilimo įrenginį. Bandinių pastatymo kampas 30º. Pasisveriame 30 kg smėlio ir supilame į piltuvą (pav. 3.3). Įjungiame erozinio dilimo įrenginį, dažnių keitikliu nusistatome greitį sukimosi atitinkantį dalelių greitį 10 m s -1. Tyrimas trunka tiek laiko, kiek piltuve yra abrazyvinės medžiagos. Pasibaigus tyrimui išimami bandiniai nuvalomi acetonu ultragarsinėje vonelėje. Pasveriami, duomenys surašomi į lentelę. Pasvertus bandinukus sudedame į erozinio dilimo įrenginį. Pasisveriame 30 kg abrazyvinės 28

29 medžiagos (smėlio) supilame į piltuvą įjungiame įrenginį, bet pakeičiame disko sukimosi greitį į 30 m s -1. Bandymas trunka tiek kiek piltuve yra abrazyvinės medžiagos (smėlio). Viską pakartojame sekančiai. Tik pakeičiame darbines sąlygas. Tyrimai buvo atlikti su 6 kg abrazyvinės medžiagos, kai darbiniai greičiai buvo pasirinkti 50 ir 80 m s -1. Erozinio tyrimo metu abrazyvo dalelės yra įgreitinamos iki 80 m s -1. Bandymo metu pasirenkamas bandinių pastatymo kampas α nuo, kurio priklauso mėginuko dilimo intensyvumas. Erozinio dilimo tyrimo režimai: mėginio pastatymo kampas 30º, SiO2 dalelių greitis 10 ir 30 m/s, kvarcinis smėlis (Estonian Sand IV), kambario temperatūra (20ºC), smėlio sąnaudos tyrimui 30 kg. Tyrimas buvo atliktas pakeitus darbo greitį 50 ir 80 m s -1, smėlio sąnaudos tyrimui buvo 6 kg. 3.3 pav. Erozinio dilimo tyrimo įrenginio Centrifugal Acseleration of Kleisa (CAK) schema: 1 piltuvas su abrazyvu; 2 bandiniai; 3 daleles įgreitinantis diskas su keturiomis radialinėmis kreipiančiosiomis; 4 kiaurymė abrazyvo tekėjimui; 5 bandinio laikiklis su bandinio posvyrio kampu α; 6 elektros variklis. [GOST ]. (Katushin D.). Po laboratorinių tyrimų pagal ASTM G65-94 ir erozinių tyrimų pagal CAK GOST bandiniai buvo nuvalomi pasveriami ir peržiūrimi su skanuojančiu elektroniniu mikroskopu Hitachi TM 1000 (3.4 pav.). 29

30 3.4 pav. Skanuojantis elektroninis mikroskopas Hitachi TM Gamybiniai tyrimai Tyrimo atlikimo eiliškumas. Po vieną pasveriami vienuolika purentuvų (3.5 pav.) ir jų masė surašoma į lenteles. Po svėrimo, purentuvų priekiniai paviršiai apvirinami skirtingais elektrodais. Paviršių apvirinimui buvo naudojamas suvirinimo aparatas ВД 306. Suvirinimo srovė buvo pasirinkta pagal elektrodų gamintojų rekomendacijas. Purentuvo kojos buvo pagamintos iš spyruoklinio plieno 65Г ГОСТ (25 mm storio lakšto), termiškai apdirbti ºC ir atleisti aušinant ore, tikslu gauti spyruokliuojančias plieno savybes. Jų kietumas 285 HB. 3.5 pav. Purentuvas Purentuvams atvėsus jie vėl pasveriami, duomenys surašomi į lentelę, taip sužinoma apvirinto metalo masė. Taip pat, slankmačiu, išmatuojamas kiekvieno purentuvo skerspjūvis 30

31 skirtingame darbo gylyje. Atlikus matavimus purentuvai montuojami žemės dirbimo agregate ir įdirbamas 30 ha plotas arba purentuvas įdirba 62,5 km. Po įdirbimo purentuvai nuimami ir kiekvienas purentuvas pasveriamas ir išmatuojami priekiniai darbiniai paviršiai. Palyginus duomenis prieš įdirbimą su duomenimis po įdirbimo gaunamas nudilimas. Išmatavus ir pasvėrus purentuvus jų darbiniai paviršiai atnaujinami juos apvirinant tais pačiais elektrodais, kuriais purentuvas buvo apvirintas prieš įdirbimą. Atvėsus purentuvams, jie vėl pasveriami ir išmatuojamas apvirinto priekinio darbinio paviršiaus storis. Atlikus matavimus purentuvai montuojami į agregatą ir įdirbamas 50 ha plotas arba purentuvas įveikia 104 km. Po įdirbto ploto purentuvai nuimami, nuvalomi ir pasveriami bei slankmačiu išmatuojamas apvirinto sluoksnio storis. Atlikus matavimus purentuvai apvirinami trečią kartą atnaujinant jų priekinį darbinį paviršių. Atvėsus purentuvams jie vėl sveriami ir matuojamas priekinio darbinio paviršiaus storis. Išmatavus, purentuvai montuojami į agregatą ir dirbamas 50 ha plotas. Po įdirbimo purentuvai sveriami ir matuojami kaip ir po praėjusių dvejų įdirbimų. Gauti rezultatai palyginami, ir įvertinami statistiškai. 31

32 4. TYRIMŲ REZULTATAI IR JŲ APTARIMAS 4.1. Metalografiniai tyrimai Optiniu metalografiniu mikroskopu Nikon Eclipse MA 100 (4.1 pav.). susidariusi mikrostruktūra, prieš atliekant laboratorinius tyrimus. 4.1 pav. Hadfildo plieno Nr.20 (legiruoto stiprinančiąja WC faze bandinio struktūra) (500 ). 4.2 pav. Hadfildo plieno Nr.15 (legiruoto nikeliu ir stiprinančiąja WC faze bandinio struktūra) ( 500 ). 32

33 Nudilimas I, g 4.2. Laboratoriniai bandymai Iš grafiko (4.3 pav.) matyti, kad mažiausią esant 10 m s -1 greičiui nudilimą parodė bandinys Nr. 8, kuris buvo legiruotas boru. Mažus nudilimo rodiklius parodė 14 bandinukas, kuris buvo legiruotas WC. Mažiausi nudilimai 30 m s -1 greičiu atliekant tyrimą gauti bandinio Nr. 18 (WC+B), taip pat gerus rezultatus parodė ir bandinys Nr. 8, kuris yra buvo legiruotas boru Bandinio numeris Nudilimas, 30, 30 m/s 30kg Nudilimas, 30, 10 m/s 30kg 4.3 pav. Legiruoto Hadfildo plieno nudilimas erozinio bandymo metu, kai tyrimas atliktas 10 ir 30 m s -1 greičiais, panaudojant 30 kg abrazyvo. Iš grafiko (4.4 pav.) matyti, kad mažiausią esant, 50 m s -1 greičiui nudilimą parodė bandinys Nr. 6, kuris buvo legiruotas Cr. Mažus nudilimo rodiklius parodė ir 14 bandinukas, kuris buvo legiruotas WC. Mažiausi nudilimai 50 m s -1 greičiu atliekant tyrimą gauti bandinio Nr. 18 (WC+B), taip pat gerus rezultatus parodė ir bandinys Nr. 4, kuris yra standartinės sudėties Hadfildo plienas (1,2 % C ir 14 % Mn). 33

34 Nudilimas I, mg Bandinio numeris Nudilimas, 30, 80m/s 6kg Nudilimas, 30, 50 m/s 6kg 4.4 pav. Legiruoto Hadfildo plieno nudilimas erozinio bandymo metu, kai tyrimas atliktas kai abrazyvo dalelių greičiai 50 ir 80 m s -1, panaudojant 6 kg abrazyvo. Atliekant laboratorinius tyrimus pagal ASTM G65-94 (pav. 4.5) standartą buvo papildomai paimtos 3 standartinės medžiagos. Jos buvo kaip etaloninės medžiagos. OK (ESAB, Švedija) ir CE (Castolin Eutectic, Kanada), AC (AgriCarb, Prancūzija) kietmetalio plokštelė. Po šio bandymo matyti, kad mažiausią nudilimo rezultatą parodė Nr. 16 pažymėtas bandinukas, kuris yra legiruotas Cr + WC stiprinančiąja faze. Taip pat gerą rezultatą parodė bandinys Nr. 19, kuris legiruotas Cu+WC stiprinančiąja faze. Nudilimas, mm Bandinio numeris 4.5 pav. ASTM G65-94 tyrimo rezultatai su 10 N apkrova. 34

35 Nudilimas I, mg Atliekant laboratorinį tyrimą su ASTM G65-94, keletui bandinių buvo padidinta apkrova iki 45 N. Tyrimo rezultatai pateikti pav (Si) 4 8 (B) 20 (WC+Si) 14 (WC) 18 (WC+B) H 400 Bandinio numeris 4.6 pav. ASTM G65-94 tyrimo rezultatai su 45 N apkrova Po laboratorinių erozinių ir abrazyvinio dilimo tyrimų bandinukai buvo peržiūrimi su skanuojančiu elektroniniu mikroskopu (SEM) Hitachi TM 1000 (3.7 pav.) buvo vertinama dilimo pėdsakai mėginyje. 3.7 pav. Volframo karbido grūdo sąlyčio su matrica zona(difuzijos zona) bandinio Nr. 16 (legiruoto Cr+WC) paviršiuje po ASTM G65-64 tyrimo SEM (1000 ) 35

36 Užvirinto metalo masė, g 3.7 pav. Paviršius po erozinio dilimo tyrimo su SEM Nr. 4 (Hadfildo plienas) bandinio (500 ) 4.3. Gamybiniai tyrimai Atliekant gamybinius tyrimus buvo sveriama užvirinto metalo masė 4.8 pav Medžiagos kodas 4.8 pav. Užvirinto metalo masė prieš įdirbimą. 36

37 Užvirinto metalo masė, g Nudilimas, g Atlikus purentuvų įdirbimą, kurio metu purentuvai įdirbo 30 ha plotą, purentuvų darbinis paviršius buvo atnaujinamas. Atliekant pirmą bandymą purentuvai įdirbo 50 ha plotą. 3.4 pav. pateikiama apvirinto metalo vidutinė masė Medžiagos kodas 4.9 pav. Vidutinis purentuvų nudilimas įdirbant pirmuosius 30 ha arba įdirbo 62,5 km. Atlikus purentuvų įdirbimą, kurio metu purentuvai įdirbo 30 ha plotą arba įdirbo 62,5 km, purentuvų darbinis paviršius buvo papildomai atnaujinamas. Atliekant pirmą bandymą purentuvai įdirbo 50 ha plotą arba įveikė 104,1 km atstumą pav. pateikiama apvirinto metalo vidutinė masė ir vidutinis nudilimas gramais 4.11 pav Medžiagos kodas 4.10 pav. Vidutinė užvirinto metalo masė ant purentuvų prieš įdirbant 50 ha arba įdirbo m. 37

38 Užvirinto metalo masė, g Nudilimas, g Medžiagos kodas 4.11 pav. Vidutinis purentuvų nudilimas įdirbant 50 ha arba įdirbo 104,1 km. Šį kartą matome (4.12 pav.), kad purentuvo nudilimas buvo ženkliai mažesnis už apvirinto metalo kiekį. Vidutinis nudilimas (4.13 pav.) taip pat ženkliai (apie 3 kartus) sumažintas, lyginant su santykiniu nudilimu įdirbimo periodu Medžiagos kodas 4.12 pav. Vidutinė apvirinto metalo masė ant purentuvų įdirbant sekančius 50 ha. 38

39 Nudilimas, g Medžiagos kodas 4.13 pav. Vidutinis purentuvų nudilimas įdirbus sekančius 50 ha arba įdirbo 104,1 km. Atliekant gamybinius tyrimus buvo panaudojami ir komercinės medžiagos. OK ESAB ir CE (Castolin Eutectic), AC (AgriCarb) kietmetalio plokštelė privirinta prie purentuvo. Šios medžiagos buvo pasirinktos kaip etaloninės medžiagos palyginamajai vertei gauti. Norint palyginti su pagamintais Anykščių Varis elektrodais. Kaip matome iš gautų rezultatų Anykščių Varis pagaminti Hadfildo plieno elektrodai legiruoti su stipinančiąja faze pagal vidutinio nudilimo duomenis (4.13 pav.) matome, kad mažiausias nudilimas gramais turi 16 (Cr+WC) ir 19 (Cu+WC) pagaminti elektrodai. Geriausiai iš etaloninių medžiagų pasirodė purentuvo kojas apvirinant CE. Naudojant šią medžiagą reikia rečiau atnaujinti purentuvo paviršių, geriau dirba abrazyvinėje aplinkoje. 39

40 IŠVADOS 1. Hadfildo plienas sudarytas iš 1,2% C bei 12% Mn yra austenitinis plienas, turintis unikalias plastiškumo ir kietėjimo, jį deformuojant savybes, naudojamas abrazyvinio-smūginio dilimo sąlygose dirbačių mašinų elementų gamybai. 2. Mikrostruktūros tyrimai parodė, kad nepriklausomai nuo legiruojančio elemento (Ni, Cr, Mo, Cu, B, ar Si) dominuojanti šio plieno struktūra yra austenitas. Tik įvedus į apvirinimų sluoksnių sudėtį volframo karbidą, struktūra kinta į austenitinę struktūrą su karbidais Fe3W3C. 3. Abrazyvinio dilimo tyrimas (ASTM G65-94) parodė, kad Hadfildo plienai legiruoti (Ni, Si, Mo, Cu, B) nudilo nuo 52 iki 58 mg, tirtas esminio nudilimo skirtumo legiruojant naudotais elementais nesuteikia, o Hadfildo plienas su stiprinančiąja faze nudilo daugiau nuo 58 iki 78 mg. Šio dilimo atveju stiprinti stiprinančiąja faze (WC) netikslinga. Erozinio dilimo tyrimas 30, 50, 80 m s -1 rodo, kad Hadfildo plienas legiruotas (Ni, Cr, Mo, Cu, B, ar Si) nudilo atitinkamai 29,6%, 21,1%, 12,2% mažiau už plieną Hardox Stiprinančioji WC fazė, pasirinktomis vertinimo sąlygomis nudilimas didėja, tikėtina dėl padinto apvirintų sluoksnių kietumo ir trapumo. 5. Dėl specifinių dilimo sąlygų priemolio dirvose, dirvos purentuvai apvirinti Hadfildo plienu bei Hadfildo plienu legiruotais Ni, Si ir Cr nudilo nuo 144 iki 77 g, o purentuvai apvirinti Hadfildo plienu su WC bei Hadfildo plienas legiruotas Ni, Cr, Si su stiprinančiąja faze, nudilo g. Šiuo dilimo atveju, stiprinančioji fazė nudilimą sumažino nuo 2,5 iki 1,71 karto. 40