Vlastnosti kovo-keramického návaru s vloženými zrny karbidů wolframu

Jindřich Kozák

Doctoral thesis

Properties of metal-ceramic surfacing with embedded grains of tungsten carbides

Abstract:

Strojní díly, používané v průmyslu, se během svého provozu opotřebovávají. Opotřebená plocha bývá často malá, v porovnání se zbytkem součásti, která ještě nevyčerpala svou životnost v celém profilu. Úpravy povrchu těchto dílů nebo jejich renovace nám umožňuje navařování. Tímto způsobem lze prodloužit životnost extrémně namáhaných součástí. Lze tak až několikanásobně zvýšit životnost použitím vhodného přídavného materiálu s vyšší mezí pevnosti Rm, či aplikací takzvaných kompozitních materiálů, jako jsou částice karbidu wolframu uložené v matrici návaru. V současné době existuje řada technologií, které lze využít pro aplikaci speciálních ochranných povrchových vrstev. Do skupiny technologií patří především žárové nástřiky, různé povlaky a v neposlední řadě návary. Tyto ochranné vrstvy se následně využívají v těžebním či hutním průmyslu, stavebnictví, pro součásti vystavené opotřebení, které se zde vyskytuje ve formě například adheze, koroze, eroze a zejména abraze, která významně přispívá ke znehodnocení součástí, používaných v těchto odvětvích. Mezi takovéto ochranné vrstvy lze zařadit i speciální návary, využívající např. železné, hliníkové, niklové či kobaltové matrice v kombinaci s částicemi karbidů wolframu, které svými vlastnostmi patří mezi tzv. kompozitní materiály, a které pomalu nahrazují konvenční součásti z nástrojových ocelí. Vysoká tvrdost karbidů wolframu společně s použitím houževnaté matrice dovoluje dosahovat vysoké odolnosti proti různým typům opotřebení. Tato odolnost následně výrazně zvyšuje životnost strojních součástí a významně tak přispívá ke snižování nákladů průmyslových společností na opravu či výměnu jednotlivých dílů. V oblasti navařování součástí lze využívat technologií navařování obalenou elektrodou, plazmou a laserem, přičemž pomalu ustupuje plamenové navařování. K jednomu z nejprogresivnějších způsobů navařování patří navařování v ochranných atmosférách s použitím plněných elektrod. Disertační práce se zabývá navařováním povrchů dílů s použitím vložených částic karbidu wolframu v martenzitických matricích na bázi železa v kombinaci se základním materiálem S235JR+N nebo S690QL. Mezi hlavní cíle této práce patří studium vlivu svařovacích parametrů na vložené částice karbidu s cílem dosažení vyhovujících návarů s požadovaným vlastnostmi, zejména odolnosti proti abrazi. Provedené návary byly následně podrobeny studiu mikro a makrostruktury, posouzení chemického složení a měření tvrdosti a mikrotvrdosti. Součástí práce bylo porovnání množství částic karbidu wolframu na povrchu návaru a studium jejich vlivu na výslednou životnost návaru. Následně byl proveden experiment s cílem stanovení odolnosti navařených vrstev proti abrazi a porovnání vlivu použitých ochranných plynů na abrazi-vzdornost.

Abstract:

Each machine part used in the industry during its service life wears out. Worn area is often small in comparison with the rest of the components which didn’t spend its lifetime in the whole profile. Hard-facing allows us to surface treatment of these components or their renovation. This adjustment method allows us to prolong the service life of extremely stressed parts. It is possible to increase the service life by using a suitable filler material with a higher strength Rm or using so-called composite materials such as tungsten carbide particles in a matrix of the weld deposit. Currently there are a number of technologies that can be used for applying the special protective surface layers. This group of technologies includes thermal spraying, various coatings and also hard-facing. These protective layers are used in mining and metallurgical industry, construction, and for the parts subjected to wear, which is present in a form such as adhesion, corrosion, erosion and abrasion in particular, which significantly contributes to degradation of components used in these industries. Such a protective layer can also include special weld deposits, using eg. the iron, aluminum, nickel or cobalt based matrix in combination with tungsten carbide particles with properties that belong to the group of the composite materials, which are slowly replacing the conventional components using tool steels. High hardness of the tungsten carbides along with the use of relatively tough matrix allows us to achieve high resistance to the different types of wear. This resistance significantly increases the service life of the machine components and significantly contributes to reduce the costs of industrial companies for repairs or replacement of these parts. In the area of hard-facing, the manual metal arc welding can be used, plasma and laser, or receding flame surfacing. To one of the most progressive methods is hard-facing in protective gas atmosphere using the cored wires. Dissertation thesis deals with hard-facing surfaces using the embedded particles of tungsten carbide in a martensitic matrix based on iron, in combination with the base material S235JR+N or S690QL. The main objectives of this work include studying the influence of welding parameters on embedded tungsten carbide particles in order to achieve a satisfactory weld deposits with the desired properties, particularly abrasion resistance. Weld deposits were subjected to the study of micro and macrostructure, chemical composition and assessment of the hardness measurements and the micro-hardness measurements. Part of this work was comparison of the amount of the tungsten carbide particles on the surface of the weld deposit and study of their impact on the service life of the final weld deposit. It was subsequently conducted an experiment to determine the resistance of welded deposits against abrasion and comparison of the used shielding gases and its influence to abrasion-resistance.

Keywords

navařování, karbid wolframu, železitá matrice, plněná elektroda, vibrační podavač

Keywords

surfacing, tungsten carbide, iron matrix, cored wire, vibratory feeder

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 1. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 21. 2. 2017
• Supervisor: Ivo Hlavatý
• Reader: Libor Beneš, Eva Schmidová, Jaroslav Koukal

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Strojírenská technologie