27.11.2017, Brno Ing. Jiří Votava, Ph.D. Ústav techniky a automobilové dopravy Možnosti tepelného zpracování nástrojů vystavených abrazivnímu opotřebení v půdních podmínkách Habilitační přednáška v oboru Zemědělská a potravinářská technika

Obsah přednášky I. Odborná část Program přednášky Obsah přednášky I. Odborná část Úvod do problematiky strojů pro zpracování půdy Opotřebení Tepelné zpracování a jeho charakteristika Možnosti renovace a nové trendy v oblasti výroby nástrojů II. Koncepce rozvoje vědy a výzkumu a pedagogiky v oboru Provoz techniky automobilová doprava

Historie zpracování půdy http://www.vobosystem.cz/kvg-pluhy-polonesene-otocne http://golempress.cz/home/ http://golempress.cz/home/

Abrazivní opotřebení dvou nebo tří těles https://cz.kverneland.com/Zpracovani-pudy Votava, 2007 Liška, 2012 Liška, 2012

Vliv tvrdosti abraziva na opotřebení Materiál Tvrdost [HV] Kovový materiál Vápenec 110 Feritická ocel (bez TZ) 90 Živec 600–750 Perlitická ocel (bez TZ) 230–350 Křemen 900–1280 Nástrojová ocel (kaleno) 1100 Korund 2000 Cementová ocel 900–1200 SiC 2500 Slinutý karbid 1900 Blaškovič, 1990 Votava, 2007 Votava, 2007

Požadavky na nástroje pro zpracování půdy Houževnatost Otěruvzdornost Tvrdost https://www.poettinger.at/cs_cz/Newsroom/Artikel/5544/servo-nova-nonstop-jisteni-teles-pluhu http://www.strompraha.cz/vychod/o-nas/novinky/demo-fleet-2014

Rozdělení oceli a litiny Surové železo Ocel Podeutektoidní do 0,765 %C Eutektoidní 0,765 % C Nadeutektoidní 0,765-2,11% C Litina Podeutektické 2,11-4,3% C Eutektická 4,3% C Nadeutektická 4,3-6,687% C Filípek, 1988 Legující prvky, které netvoří s uhlíkem karbidy (Ni, Al, Co, Si) Legující prvky karbidotvorné (Fe, Cr, Mn, Mo, W, V, Ti)

Tepelné zpracování ocelí Cílem je změna struktury, se kterou souvisí změna mechanických vlastností. Zpracovaný materiál je stále v tuhém stavu. Tepelné zpracování oceli je založeno na řízené difuzi atomů materiálu při ohřevu a potlačení difuze při ochlazení. Hluchý, 2002

Tepelné zpracování s překrystalizací Tepelné zpracování – rozdělení Tepelné zpracování s překrystalizací Tepelné zpracování bez překrystalizace Filípek, 2014 Filípek, 2014; Votava, 2014

Tepelné zpracování pro součásti zpracující půdu Tepelné zpracování (TZ) Žíhání Kalení Zušlechťování (kalení + popouštění za daných teplot) Chemicko-tepelné zpracování (ChTZ) Povrchové kalení Cementování Nitridování

Tepelné zpracování pro zjemnění struktury Žíhání je tepelné zpracování, při kterém se součásti ohřejí na danou teplotu a pomalu se ochlazují na vzduchu nebo v peci. Struktura materiálu se tedy blíží rovnovážnému stavu. Žíhání s překrystalizací Žíhání normalizační (a) Žíhání homogenizační (b) Žíhání bez překrystalizace Na měkko (c) Ke snížení vnitřního pnutí (d) Žíhání rekrystalizační (e) Věchet, 2014

Vliv normalizačního žíhání na vnitřní strukturu materiálu Výchozí stav Widmannstättenova struktura Struktura po normalizačním žíhání Žíhání normalizační spočívá v ohřevu oceli na teplotu 30–50 °C nad Ac3 a ochlazování takovou rychlostí, aby se vytvořila struktura ferit a perlit.

Úprava vnitřní mikrostruktury před hlavním tepelným zpracováním Globulární (zrnitý) perlit po žíhání naměkko Výchozí stav lamelární perlit Žíháním na měkko lze provést transformaci lamelárního perlitu na globulární. Přípravná operace před kalením.

Základní tepelné zpracování pro zvýšení tvrdosti strojní součásti Ohřev na kalicí teplotu Výdrž na dané teplotě Ochlazení nadkritickou rychlostí Kalením vznikají nerovnovážné struktury (martenzit, bainit). Z hlediska průřezu Objemové Povrchové Z hlediska struktury Martenzitické Bainitické

Způsoby kalení Způsoby kalení Kalení Martenzitické Přetržité Lomené Termální Se zmrazováním Nepřetržité Bainitické Izotermické Zušlechťování Patentování Palát, 2012

Martenzitické kalení I. Kalící teploty podeutektoidních ocelí leží 30–50 °C nad Ac3, u nadeutektoidních ocelí nad Ac1. Jako ochlazovací prostředí se využívá vzduch, olej, voda. Anizotropický rozpad austenitu. Hluchý, 2002

Martenzitické kalení II. Věchet, 2014 Věchet, 2014

Podeutektoidní ocel Nadeutektoidní ocel Martenzitické kalení III. Správně tepelně zpracovaná Správně tepelně zpracovaná Podeutektoidní ocel Nadeutektoidní ocel Špatně tepelně zpracovaná Špatně tepelně zpracovaná

Zušlechtění po martenzitickém kalení Čtyři stádia popouštění (teplotní možnost překryvu) Ptáček, 1999 M martenzit tetragonální Mk martenzit kubický (~ 0,25 % C) Az zbytkový austenit Ε Fe2,4C (přechodový karbid) Cem Fe3C S sorbit Ocel 15241 (42CrV6) Ptáček, 1999

Stádia popouštění martenzitické struktury 1 I. Stádium – do cca 200 °C rozpad tetragonálního martenzitu na směsici kubického martenzitu a přechodového ε karbidu. II. Stádium – 200–300 °C rozpad zbytkového austenitu a výchozího martenzitu. III. Stádium – 300–500 °C přeměna kubického martenzitu + ε karbidu = jemná sorbitická struktura.

Stádia popouštění martenzitické struktury 2 IV. Stádium – 500–600 °C rekrystalizace → hrubnutí zrn výsledné struktury (hrubý sorbit) Nevhodná struktura pro nástroje se značným abrazivním zatížením

Bainitické kalení Bainitické kalení Bainit je nelamelární směs feritu a cementitu, která se tvoří při kalení v rozmezí teplot přibližně 250–550 °C. Izotermický rozpad austenitu. Hluchý, 2002

Bainitické kalení – vzniklé struktury Horní bainit teplota vzniku nad 350 °C Dolní bainit teplota vzniku mezi 350 °C a Ms Votava, 2012 Votava, 2012 Skočovský, 2005

Navařování odtavující se elektrodou Možnosti prodloužení životnosti nástrojů zpracujících půdu Navařování odtavující se elektrodou Elektroda z vysoce legovaného materiálu Navařování neodtavující se elektrodou Wolframová elektroda v ochranném inertním plynu + přídavný materiál Navařování plazmou Navařování laserem Bajda, 2005 Bajda, 2005

Cekv ≥ 0,41 % nutný předehřev Navařování tvrdokovů u abrazivně namáhaných součástí Zjednodušená orientace pro volbu teploty předehřevu základního materiálu: Uhlíkový ekvivalent Cekv ≥ 0,41 % nutný předehřev Cekv ≤ 0,41 % není nutný předehřev materiálu

Obsah uhlíku pod 0,7 % karbid K1 ((Fe, Cr)23C6) Nebezpečí vytrhávání karbidických zrn z kovové matrice Obsah uhlíku pod 0,7 % karbid K1 ((Fe, Cr)23C6) Obsah uhlíku nad 0,7 % karbid K2 ((Fe, Cr)7 C3) výrazně vyšší tvrdost

Ledeburitický návar (elektroda OK 8478) Tavné navařování – Výsledné struktury Ledeburitický návar (elektroda OK 8478) Martenzitický návar (elektroda E-B 5111) Martenzitická struktura uložená v kovové matrici zbytkového austenitu. Karbidy chromu rovnoměrně rozptýlené v austenitické matrici. Votava, 2012 Votava, 2012

Šnekový dopravník řepných bulev do zásobníku Využití tvrdokovových návarů u zemědělských strojů Votava, 2014 Šnekový dopravník řepných bulev do zásobníku Votava, 2014 Vyorávací a řezací segment při sklizni cukrové řepy

Závěr Závěr Technologie tepelného zpracování je závislá na chemickém složení daného materiálu, stěžejní je množství uhlíku v materiálu. Tvrdost je podporována anizotropním rozpadem austenitu – přímé martenzitické kalení. Správná technologie zušlechtění je základním předpokladem pro dosažení rovnoměrné struktury v celém průřezu pracovního nástroje. Přes zásadní rozdíly půdních podmínek je nutná houževnatost všech nástrojů s maximálním využitím karbidů v základní kovové matrici.

Děkuji za pozornost.

Koncepce rozvoje oboru – Pedagogika I Kvalita vs. kvantita Propagace na SŠ Osobní propagace na SŠ Dny otevřených dveří na Ústavu techniky a automobilové dopravy Prezentace na veletrzích vzdělávání, např. Gaudeaumus Bakalářské studium Schopnost naučit se učit Základní orientace ve studovaném oboru Skloubit teorii s praxí Magisterské studium Schopnost samostatného řešení technických problémů Dle získaných dat zpracovat závěr a interpretovat výsledky Zapojení a komunikace s praxí Doktorské studium Specifická kriteria Publikační aktivita, projektová činnost, výuka

Modernizace výukového zařízení přináší širší možnosti poznání. Koncepce rozvoje oboru – Pedagogika II Aktualizace výuky. Modernizace výukového zařízení přináší širší možnosti poznání. Vyšší míra praktických ukázek s kladením důrazu na řešení technických problémů (např. proč je určitý materiál (ne)vhodný pro danou věc). Kvalitní studijní opory včetně aktuální literatury dostupné pro studenty. Transfer výsledků VaV do výuky: poznatky o nových technologiích a technických materiálech. Praktické exkurze se studenty do strojírenských podniků. Přednášky externistů z praxe a jejich požadavky na absolventy.

Koncepce rozvoje oboru – Pedagogika III Připravený absolvent do praxe Technický problém Smluvní výzkum Obnova a vybavení laboratoří Příležitost pro další studenty Pozitivní reklama univerzity (reference od firem)

Koncepce rozvoje oboru IV – doktorské studium Koncepce rozvoje oboru – Pedagogika IV Koncepce rozvoje oboru IV – doktorské studium Vyšší motivace a finanční ohodnocení za odvedenou práci. Vhodné technické zázemí pro studenty. Nutnost seznámit studenta s jinými pracovišti jiných univerzit a podniků. Získání a rozvoj nových dovedností a kompetencí: publikační aktivita a prezentace své práce, podání a realizace projektů, řešení problémů komerčních firem v rámci smluvního výzkumu. Doktorand je rovnocenný partner a možný budoucí kolega, personální zabezpečení pracoviště.

Výzkum je nutno koncipovat do dvou rovin Koncepce rozvoje oboru – Věda a výzkum I Koncepce rozvoje oboru – Věda a výzkum I Výzkum je nutno koncipovat do dvou rovin Smluvní výzkum Aplikovaný výzkum Přístrojové vybavení technických laboratoří Jednotná laboratoř technických ústavů univerzity

Koncepce rozvoje oboru – Věda a výzkum II Výzkum je možné koncipovat pro řešení reálných problémů strojírenských firem. Dle daných problémů je nutné pracovat na vývoji nových materiálů a technologií, ne hodnotit staré. Spolupráce s firmou = dobrá reklama možnost prezentace univerzity na firemních stránkách a naopak. Finanční prostředky ze smluvního výzkumu je nutné investovat zpět do posílení přístrojového vybavení daného pracoviště.

Koncepce rozvoje oboru – Věda a výzkum III Zajištění financování vědy a výzkumu Příprava individuálních projektů Příprava týmových projektů – spolupráce ústavů univerzit Propojení s komerční sférou Inovační vouchery, projekty IGA, NAZV, programy TA ČR, GA ČR atd. Uplatnění výsledků v podobě nových technologií patentů užitných vzorů

Publikační aktivita Koncepce rozvoje oboru – Věda a výzkum IV Výsledky průběžných i dlouhodobých testů je nutné uplatnit v patřičném periodiku. IF časopisy Metallic Material, Corrosion Science, Surface and Coatings Technoogy Časopisy citované databází Scopus Manufacturing Technology, Journal of Central European Agriculture Vědecké konference Komunikace a spolupráce vědeckých pracovníků Researchgate.net

Děkuji za pozornost.