Stanovení úrovně zbytkových napětí na jednoltivých fázích duplexní oceli za účelem zvýšení životnosti rotačních dynamicky namáhaných součástí

Jiří Čapek1, Kamil Kolařík1, Libor Beránek2, Alexey Molotovnik2, Nikolaj Ganev1

1Katedra inženýrství pevných látek, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská,
České vysoké učení technické v Praze

2Ústav technologie obrábění, projektování a metrologie, Fakulta strojní,
České vysoké učení technické v Praze

capekjir@fjfi.cvut.cz

Trikantér je mechanické zařízení, jež je založeno na odstředivém oddělování tří smíchaných složek, z nichž dvě jsou kapalné, a jedna je pevná. Trikantér v mobilním provedení musí splňovat specifické požadavky a umožňovat také použití zařízení v terénu bez elektrické energie, při rychlých likvidacích ekologických zátěží (oddělování vody, ropných látek a pevných částic). Jádro zařízení je samozřejmě možné používat i ve stabilním provedení pro čističky vod a v průmyslu. V současnosti je finální oddělování řešeno výhradně na stabilních zařízeních, což v kritických situacích zásadně omezuje použití technologie třídění. Vývoj mobilního trikantéru výrazně zlepší možnosti ekologického nakládání se surovinami a současně rozšíří možnost likvidace lokálních ekologických zátěží např. ve formě „lagun“.

Snahou při vývoji trikantéru je dosáhnout co nejdelší životnosti jednotlivých komponent jak vhodnou volbou polotovaru materiálu a jeho finální povrchové úpravy, tak i snížením hmotnosti rotačních napěťově namáhaných komponent. Díky těmto opatřením by mělo dojít ke zvýšení účinnosti čištění za současného snížení energetické náročnosti procesu. Jedním z hlavních parametrů, který je vyžadován po zavedení nové konstrukce je mimo její geometrické přesnosti, drsnosti povrchu nově vzniklé funkční plochy, také stav zbytkové napjatosti. Ten má přímý vliv na procesy vzniku a šíření trhlin či na korozní odolnost povrchu nejvíce namáhaného jak odstředivými silami, tak i abrazivními a chemickými účinky čištěného media. V tomto případě mechanicky ovlivněných vrstev nově vzniklého funkčního povrchu je rentgenografická tenzometrická analýza polykrystalických materiálů spolu s dalšími difrakčními metodami, např. stanovením fázového složení, vhodným nástrojem k popisu takto modifikovaného polykrystalického materiálu.

Z hlediska vynikajících vlastností souvisejících s reálnou strukturou je v tomto příspěvku analyzována duplexní nerezavějící ocel (duplex stainless steel - DSS), což je dvoufázová slitina feritu (α-Fe; kubická prostorově centrovaná mřížka) a austenitu (γ-Fe; kubická plošně centrovaná mřížka) s hmotnostním zastoupením ca 50:50. DSS má odolnost vůči korozi v mnoha prostředích vyšší než standardně používané austenitické oceli. Vysoký obsah chromu chrání ocel v oxidačních kyselinách, zatímco molybden a nikl ve slabě redukčních kyselinách. Vysoký obsah chromu, molybdenu a dusíku vede ke zvýšení odolnosti vůči tzv. důlkové a štěrbinové korozi. DSS obsahující více jak 40 % feritické fáze je v prostředí bohatém na chlor odolnější vůči koroznímu praskání než austenitická ocel. Ferit je ovšem náchylný k tvoření hydridů ve tvaru vloček, proto DSS nemají vysokou rezistenci vůči vodíku, který může způsobit tzv. vodíkovou křehkost [1].

Mechanické vlastnosti jsou u DSS také mimořádné. V první řadě otěruvzdornost je u DSS vyšší a mez kluzu je minimálně dvojnásobná v porovnání se standardní austenitickou ocelí, např. 316L (1.4404) [2]. Díky tomu lze použít při konstrukci méně materiálu. Nebezpečí ovšem nastává při použití nad 300 °C, kde se začíná projevovat křehkost feritu. Další nevýhoda DSS tkví v obrobitelnosti – DSS jsou náchylné k mechanickému zpevnění, tzn. lokálním změnám mechanických vlastností povrchových vrstev. Takové změny, např. tvrdosti, mohou vést až k vibracím nástroje při obrábění konečné součásti, jež způsobují další nehomogenity v materiálu a otupění nástroje [2].

Kvalitativně i kvantitativně vedou různé skluzové systémy obou fází v DSS k rozdílnému chování jednotlivých fází během deformace [3, 4]. Navíc austenit má vyšší hodnotu tepelné roztažnosti oproti feritu. Popis chování obou fází během deformace, kde austenit je obecně plastičtější, je velmi složitý. Tento příspěvek je ovšem zaměřen pouze na deformace v povrchových vrstvách materiálu.

Zkušební vzorek byl vyroben z Cr-Ni-Mo-N austeniticko-feritické nerezavějící oceli (1.4470; GX2CrNiMoN22). Povrch vzorku byl obroben různými rychlostmi posuvu nástroje, tj. 0,1; 0,15; 0,2 a 0,31 mm/ot., při konstantní hloubce řezu 0,5 mm a řezné rychlosti 155 m/min. Zbytková napětí bývají stanovena v technické praxi mechanickými metodami na základě celkové deformace tělesa po porušení napěťové rovnováhy. Tento přístup popisuje těleso jako celek, ale již nezohledňuje degradační procesy, které vznikají samostatně v jednotlivých krystalografických složkách. Rtg difrakcí byla zbytková napětí stanovena v obou fázích. Měřeny byly roviny {211} feritické fáze pomocí CrKα záření a roviny {311} austenitické fáze při použití MnKα záření.

Výsledná makroskopická zbytková napětí (residual stresses – RS) obou fází jsou na obr. 1. Je zjevné, že závislost RS na rychlosti posuvu nástroje je pro obě fáze rostoucí. RS feritické fáze vykazují nižší hodnoty v porovnání s austenitickou fází. Z těchto výsledků a s ohledem na nutnost co nejnižších zbytkových napětí na povrchu materiálu lze konstatovat, že vhodnou finální povrchovou úpravou je obrábění s malou rychlostí posuvu nástroje.

Obr. 1. Makroskopická zbytková napětí v axiálním (σA) a tangenciálním (σT) směru feritické (α-Fe) i austenitické (γ-Fe) fáze v závislosti na rychlosti posuvu řezného nástroje f.

 

1.         P. W. Robinson, D. H. Jack, Journal of Heat Treating, 4(1), (1985), 69-74.

2.         L. Beránek, K. Kolařík, Procedia Engineering, 69, (2014), 630-637.

3.         H. Sieurin, R. Sandström, Materials Science and Engineering, A 444.1, (2007), 271-276.

4.         E. C. Bordinassi, et al., 4 Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, (2007), 1-10.

Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS13/219/OHK4/3T/14.