Zde

PRASKLINY CEMENTOVANÝCH KOL
Antonín Kříž, Bohumil Dostál
ZČU v Plzni - KMM, Univerzitní 22
e-mail: [email protected]
Wikov Gear s.r.o.
e-mail: [email protected]
Technologie cementování
Ve správně nauhličeném povrchu má být obsah uhlíku 0.85 %. Hloubka
cementované vrstvy je nejčastěji do 1mm (0,8 mm), jen zcela ve výjimečných
případech více než 2mm.
Cementační teplota
se pohybuje v rozmezí 850 až 1050 °C, výjimečně až 1 150°C, závisí především na
druhu oceli, ale i na složení nauhličujícího prostředí a velikostí výrobku.
Nižších teplot se používá u CrNi ocelí a drobných výrobků.
Pro cementování uhlíkových ocelí se nejčastěji používá teplota 900 až 950°C.
Pouze jemnozrnné cementační oceli (CrMnTi), odolné proti hrubnutí austenitického
zrna, je možno dlouhodobě cementovat při vyšších teplotách (1000 až 1050°C).
Zvyšováním teploty se cementování urychluje zejména v důsledku zvětšení
difúzivity uhlíku v austenitu (nebezpečí hrubnutí austenitického zrna a zvětšení
opotřebení pecních agregátů).
Koncentrační profily uhlíku při
různých teplotách cementování
Tepelné zpracování po nauhličení
Schéma způsobů kalení po nauhličení /A-přímé z cementační teploty,
B-přímé s přichlazením, C-s podchlazením, D-na jádro, E-na vrstvu,
F-dvojité kalení/
PRAKTICKÁ ČÁST
Velká ozubená kola byla vyrobena z materiálu 18CrNiMo76 QT. Polotovar byl
tvářen. Po vyhrubování byly polotovary kol cementovány a zušlechtěny. Poslední
operací bylo broušení, během něhož se na některých ozubených kolech
s nepravidelností objevovaly praskliny.
Cílem expertíz bylo stanovit příčinu praskání
a najít řešení s minimalizací jejich tvorby.
Společnost Wikov Gear si tyto expertízy zadala, neboť vysoké ztráty
se zmetkovitostí zůstávaly na nich, jakožto na koncových
producentech.
Strukturní stav ozubených kol
Hluboká trhlina na boku zubu
Četné trhliny v hlavové části zubu
Makrodokumentace vzorků. Na snímku jsou uvedeny tvrdosti HV.
Vzorek ZUB1-TZ byl krátkodobě ohřát na teplotu 880°C a poté ochlazen v peci.
Chemická analýza
Vzorek zub
1
0,9
0,9
0,8
0,93
0,87
0,75
0,7
Obsah C [%]
0,67
0,6
0,59
0,52
0,5
0,41
0,4
0,33
0,3
0,23
0,2
0,18
0,1
0
0
0,5
1
1,5
2
Vzdálenost od povrchu [mm]
2,5
3
Ze záznamu průběhu uhlíkového potenciálu vyplývá, že jedním z problémů může být
jeho nerovnoměrnost. Maximální koncentrace může být ve fázi sytící 1,2%C, ve fázi
difúzní 0,8-0,85%C. Ze záznamu vyplývá, že tyto hodnoty byly překročeny.
Vedle uhlíkového potenciálu je také rozhodující poměr dob sycení a difúzní.
Literatura [Kraus V.: Tepelné zpracování a slinování. ZČU v Plzni, 1999] uvádí,
že by difúzní doba měla být alespoň ¼ doby sytící. Dobu lze také přesně stanovit
pomocí často používané Wagnerovy metody.
Jak vyplývá grafu, měla by být minimální difúzní doba
12% z doby sytící.
Z tohoto předpokladu vyplývá, že při celkové době
15 hod cementace by postačovalo, kdyby 13,4 hod
byl proces sycení a zbylých 1,6 hod difúzní. Tento
předpoklad vychází však z toho, že uhlíkový potenciál
při sycení je 1,2 a při difúzi 0,8. Ani jeden tento
předpoklad nebyl dodržen a proto ani nelze potvrdit
správnost doby, která je v případě difúzní 38% doby
Časový úsek difúzní etapy sytící.
v % etapy sycení
Hloubka cementace 3mm je v praxi zřídka
realizována. Po konzultacích s dalšími kolegy
vyplynulo, že by v případě cementace do hloubky
3mm volili minimálně dobu difúze 40%.
Metalografická analýza
Karbidické fáze u hlavové části zubu
dokazují nepřípustně vyšší obsah uhlíku
Levá část zubu – okraj. V této části
jsou zachyceny karbidy a to až
u samého okraje. Jejich přítomnost
dokládá, že jednak je zde vyšší
obsah uhlíku (nad 0,8%C).
Nerovnoměrná struktura je prokázána
také tímto snímkem, který byl pořízen
cca 1 mm od povrchu. Zde je struktura
tvořena
martenzitickými
a
místy
i bainitickými jehlicemi.
Cementací nepoznamenaný strukturní
stav. Snímek byl pořízen ve vzdálenosti
cca 5mm od okraje. Velikost zrn dle
normy DIN 50601 je G=6-7. Struktura je
tvořena
nízkouhlíkovým
feritem
s odpovídajícím obsahem cementitu.
Rozbor trhliny
Na boku zubu byly pozorovány
samostatné praskliny. Není rozhodující
jejich délka, ale iniciační centrum a také
způsob šíření. Na celkovém snímku je
vidět,
že
u
povrchu
se
šíří
transkrystalicky, zatímco dále od okraje
přechází v interkrystalické štěpení.
Ve větší vzdálenosti od povrchu se
prasklina šíří interkrystalicky ze dvou
důvodů. Za prvé je to díky nižší energii
šíření a dále také proto, že v této oblasti
jsou karbidy po hranicích zrn a tím
významně oslabují strukturu.
Ve vzdálenosti cca 0,725mm od povrchu se prasklina šířila po hranicích
původních austenitických zrn.
Další možnosti eliminace vzniku prasklin
V celé technologické praxi se lze setkat s řadou případů, kdy ve výrobku vznikají
vnitřní napětí-pnutí. Někdy jsou tak značná, že může dojít ke vzniku mikrotrhlin,
jindy, je-li úroveň pnutí srovnatelná s pevností i k porušení celého výrobku. Vedle
tepelného a chemicko-tepelného zpracování jde i o důsledky intenzivního tváření
za studena, hrubovacích, ale i dokončovacích metod obrábění - broušení,
svařování, pájení, odlévání, povlakování kovy, plasty a především keramikou.
Větší pozornost zbytkovým napětím v souvislosti s broušením byla věnována v
první přednášce „INTEGRITA POVRCHU V OBLASTI TEPELNÉHO
ZPRACOVÁNÍ“.
Jednou z možností je snížení napětí, které je vneseno při broušení. Broušení by mělo
probíhat za definovaných podmínek (posuv, otáčky, hloubka broušení, zrnitost
kotouče, stav chladící kapaliny....).
Další možností je snížení zbytkových napětí cementovaných kol vhodně voleným
popuštěním.
Popouštění ozubených kol
Záznam popouštění ozubených kol
Dle producenta popouštění byla teplota 180°C volena tak, aby nenastal pokles
tvrdosti a byl splněn požadavek, aby v hloubce 2,7mm byla alespoň HV0,1=550.
Jakékoliv snížení zbytkových napětí vede ke snížení nebezpečí vzniku prasklin.
Z tohoto důvodu byly odzkoušeny vyšší teploty popouštění.
Režim byl shodný s původním popouštěním
tj. pomalý ohřev i ochlazování vyjetí z pece.
Prodleva byla 6 hod.
OL31534- ZUB1
OL31534- ZUB1 – 300°C
Poloha vtisku od povrchu
HV
Poloha vtisku od povrchu
HV
250 µm
680
62µm
598
1,05 mm
602
570 µm
594
1,55 mm
561
874 µm
543
1,8 mm
460
1,5 mm
487
2,15 mm
451
OL31534- ZUB1 – 230°C
OL31534- ZUB1 – 400°C
Poloha vtisku od povrchu
HV
Poloha vtisku od povrchu
HV
285 µm
639
93µm
580
771 µm
626
534 µm
517
1,24 mm
579
900 µm
505
2,0 mm
454
1,5 mm
459
3,3 mm
402
2,6mm
393
OL31534- ZUB1
OL31534- ZUB1 230°C
750
650
665 665
679
700
659
600
HV1
650
640
599
582
550
721
686 686
659
646
628
600
HV 1
700
750
707
546
550
556
542
500
500
484
450
450
432
400
418 418
399
472 472
461
435 432 428
400
406
350
350
0,02 0,025 0,1
0,3
0,6
0,7
1,2
1,4
1,7
Vzdálenost [mm]
1,9
2,2
2,6
3
3,3
0,05 0,1 0,14 0,33 0,35 0,67 1,3 1,45 1,6 1,85 2,1
2,4
2,7
3
3,3
Vzdálenost [mm]
Hodnoty mikrotvrdosti HV1 v závislosti na vzdálenosti od cementovaného povrchu.
U vzorku OL31534- ZUB1 byla ve vzdálenosti 1,7mm zjištěna HV1=546; u vzorku
OL31534- ZUB1 – 230°C byla ve vzdálenosti 1,45mm zjištěna HV1=542.
Závěr
S ohledem na vysokou zmetkovitost a prodražení výroby byla zadavatelem
položena zcela zásadní otázka: „Kdo nese zodpovědnost za rozvoj prasklin
a jak lze eliminovat jejich nebezpečí vzniku?“
Pro jednoznačné zodpovězení této části otázky by bylo nutné po každé
operaci zjistit, jaký je přírůstek vnitřního napětí. Pak by bylo nutné
rozhodnout podle dohodnutých pravidel, jestli nese vinu ten, kdo
zajišťuje operaci, v níž byl přírůstek největší, nebo až ten, kdy se
absolutní hodnota projevila
rozvojem prasklin, tak jako je tomu
v současnosti.
Analýzami bylo zjištěno, že při cementaci nebyla přesně nedodržena
technologie. Rovněž požadavek cementovat 3 mm je značný a je také
příčinou vzniku prasklin.
Na základě experimentu byla doporučena vyšší popouštěcí teplota –
230°C, místo doposud používaných 180°C.
Děkuji za pozornost
Přednáška je k dispozici na
www.ateam.zcu.cz