Jakie materiały odporne na zużycie stosuje się w przemyśle ciężkim?

Przemysł ciężki, obejmujący m.in. górnictwo, hutnictwo, energetykę, przemysł cementowy czy wydobywczy, charakteryzuje się intensywnym zużyciem materiałów i komponentów. W tych warunkach kluczowe znaczenie ma zastosowanie materiałów odpornych na zużycie, które zapewniają długą żywotność elementów, zmniejszają częstotliwość przestojów serwisowych i obniżają koszty eksploatacyjne. Wybór odpowiednich materiałów pozwala skutecznie przeciwdziałać uszkodzeniom mechanicznym, erozji, korozji czy abrazyjnemu ścieraniu.

Na czym polega zużycie materiałów w przemyśle ciężkim?

Zużycie to proces stopniowego niszczenia powierzchni elementu na skutek działania sił mechanicznych, chemicznych lub termicznych. W warunkach przemysłu ciężkiego najczęściej mamy do czynienia z następującymi typami zużycia:

• ścieranie (abrazyjne, adhezyjne) – wynikające z kontaktu z twardymi cząstkami, piaskiem, rudą, żwirem itp.,
• erozja – spowodowana oddziaływaniem strumienia cieczy lub gazów z cząstkami stałymi,
• korozja – chemiczne lub elektrochemiczne oddziaływanie środowiska na materiał,
• zmęczenie materiału – powstałe w wyniku cyklicznego obciążania mechanicznego,
• wysoka temperatura – prowadząca do utleniania i osłabienia struktury materiału.

Właściwy dobór materiały odporne na zużycie pozwala znacząco ograniczyć wpływ tych zjawisk.

Najczęściej stosowane materiały odporne na zużycie

1. Stale trudnościeralne

Jednym z najczęściej wykorzystywanych materiałów są stale trudnościeralne, które zawierają specjalne dodatki stopowe (np. mangan, chrom, bor), zwiększające ich twardość i odporność na ścieranie. Najbardziej znane marki to np. Hardox, Raex, XAR czy Dillidur.

Cechy:

• twardość od 400 do 600 HB (Brinella),
• wysoka odporność na uderzenia i ścieranie,
• możliwość spawania i obróbki mechanicznej.

Zastosowanie:

• elementy koparek, ładowarek, lemiesze, przenośniki taśmowe,
• wykładziny lejów zsypowych i kruszarek,
• pancerze młynów kulowych i mieszalników.

2. Żeliwo odporne na ścieranie

Żeliwo, szczególnie żeliwo białe i stopowe, jest powszechnie stosowane tam, gdzie występuje silne ścieranie w połączeniu z brakiem udarów. Jego zaletą jest bardzo wysoka twardość, ale materiał ten jest kruchy, dlatego nie sprawdza się w środowiskach dynamicznych.

Cechy:

• wysoka odporność na zużycie ścierne,
• twardość powyżej 600 HB,
• dobra odlewność.

Zastosowanie:

• wykładziny w młynach cementowych,
• elementy pomp szlamowych,
• koła zębate, korpusy zaworów w przemyśle chemicznym.

3. Ceramika techniczna

W przypadku ekstremalnego ścierania oraz działania wysokiej temperatury stosuje się ceramiki inżynierskie, takie jak tlenek glinu (Al₂O₃), węglik krzemu (SiC) czy węglik boru (B₄C).

Cechy:

• bardzo wysoka twardość (nawet > 1000 HV),
• odporność na działanie chemikaliów i wysokich temperatur,
• niska masa.

Zastosowanie:

• wykładziny rur transportujących materiały sypkie,
• płyty ochronne w cyklonach, separatorach i przesypach,
• dysze wodne i powietrzne w instalacjach odpylających.

4. Węgliki spiekane (hardmetale)

Węgliki spiekane to kompozyty, składające się z twardych ziaren (najczęściej węglika wolframu) zatopionych w metalicznej osnowie (np. kobaltowej). Stosowane są wszędzie tam, gdzie wymagana jest ekstremalna odporność na ścieranie i wysokie temperatury.

Cechy:

• twardość przekraczająca 1500 HV,
• bardzo wysoka odporność na zużycie i temperaturę,
• trudność w obróbce – konieczność szlifowania lub elektrodrążenia.

Zastosowanie:

• narzędzia skrawające, głowice wiertnicze, noże przemysłowe,
• komponenty pomp i zaworów,
• okładziny w górnictwie odkrywkowym.

5. Stopy niklu i kobaltu

Materiały te (np. Inconel, Stellite) znajdują zastosowanie tam, gdzie oprócz zużycia występują również ekstremalne temperatury i działanie korozyjnych mediów.

Cechy:

• odporność na utlenianie i korozję w wysokiej temperaturze,
• dobra odporność mechaniczna,
• trudność w spawaniu i obróbce.

Zastosowanie:

• turbiny gazowe, kotły energetyczne,
• zawory i pompy w przemyśle chemicznym i petrochemicznym,
• elementy pieców przemysłowych.

6. Polimery i kompozyty techniczne

W mniej wymagających aplikacjach coraz częściej stosuje się tworzywa sztuczne odporne na ścieranie, takie jak PE-UHMW (polietylen o bardzo wysokiej masie cząsteczkowej) czy PTFE (teflon).

Cechy:

• niska masa i łatwość obróbki,
• odporność na działanie chemikaliów,
• dobre właściwości ślizgowe.

Zastosowanie:

• prowadnice, ślizgi, tuleje łożyskowe,
• elementy podajników i przenośników,
• wykładziny wewnętrzne w silosach i zbiornikach.

Wybór materiału, a środowisko pracy

Dobór materiału odpornego na zużycie powinien być zawsze poprzedzony analizą środowiska pracy, ponieważ różne czynniki mają różny wpływ na trwałość materiałów. Poniższa tabela przedstawia zależność między środowiskiem a optymalnym materiałem:

Warunki pracy	Zalecane materiały odporne na zużycie
Ścieranie suche (piasek, żwir)	Stale trudnościeralne, żeliwo odporne na ścieranie
Erozja cieczy z cząstkami stałymi	Ceramika techniczna, węgliki spiekane
Wysoka temperatura + ścieranie	Stopy kobaltu, Inconel, ceramika techniczna
Korozja chemiczna + ścieranie	Polimery techniczne, stopy niklu, PTFE
Uderzenia dynamiczne (kopalnie)	Stale manganowe, stale trudnościeralne

Powłoki i napawanie jako alternatywa

W wielu przypadkach zamiast stosowania gotowych materiałów odpornych na zużycie, stosuje się powłoki ochronne lub napawanie warstw ochronnych na tańszy materiał bazowy. Przykłady to:

• napawanie stali twardą warstwą z węglików chromu,
• natryskiwanie plazmowe ceramik lub węglików spiekanych,
• pokrycia PVD lub CVD dla drobnych elementów narzędziowych.

Takie rozwiązania są często bardziej ekonomiczne przy zachowaniu wysokiej odporności na zużycie.

Podsumowanie

Materiały odporne na zużycie stanowią fundament niezawodności i długowieczności komponentów w przemyśle ciężkim. W zależności od rodzaju oddziaływań – mechanicznych, chemicznych czy termicznych – stosuje się różnorodne rozwiązania: od stali trudnościeralnych, przez ceramikę techniczną, aż po kompozyty i węgliki spiekane. Odpowiedni dobór materiału wymaga znajomości warunków pracy oraz analizy kosztów eksploatacyjnych. Inwestycja w materiały odporne na zużycie pozwala znacząco ograniczyć awarie, wydłużyć czas pracy urządzeń i zwiększyć efektywność procesów przemysłowych.

Przeczytaj także ➡ https://kawax.pl/jak-dobrac-material-odporny-na-zuzycie-do-procesu-produkcyjnego/