POKROKOVÉ TRENDY VE ZPRACOVÁNÍ OZUBENÝCH SOUČÁSTI S OHLEDEM NA MINIMALIZACI DEFORMACÍ

Transkript

1 METAL , Hradec nad Moravicí POKROKOVÉ TRENDY VE ZPRACOVÁNÍ OZUBENÝCH SOUČÁSTI S OHLEDEM NA MINIMALIZACI DEFORMACÍ ADVANCED TRENDS IN PROCESSING OF GEAR PARTS WITH REGARD TO THE MINIMISATION OF DISTORTION Peter Jurči a Pavel Stolař a Luboš Pavlů b Herwig Altena c a ECOSOND s.r.o., Křížová 118, Praha, ČR b ŠKODA, a.a.s., Mladá Boleslav, ČR c AICHELIN, Gmbh, Fabriksgasse 3, A-234 Moedling, Rakousko ABSTRAKT Konferenční příspěvek se zabývá možnostmi, jakým způsobem snížit deformace ozubených součástí, vyrobených z nízkolegovaných cementačních ocelí, způsobených samotným tepelným zpracováním. Snížení deformací je demonstrováno na příkladech dvou typů ozubených kol, vyrobených ze dvou různých nízkouhlíkových, nízkolegovaných konstrukčních ocelí, která byla různými způsoby cementována, a kalena. ABSTRACT The paper deals with the possibilities how to lower the distortion of gear parts, made from low alloyed case hardening steels, caused by heat treatment itself. The lowering of distortion is demonstrated upon two types of gear wheels, made from two different steels, and processed by various combinations of the carburizing and quenching. 1. ÚVOD Ozubená kola, pastorky a jiné součásti, přenášející vysoké točivé momenty, patří k nejnamáhavějším strojním součástem. Volbě materiálu pro jejich výrobu, ale rovněž jejich mechanickému opracování a tepelnému zpracování je tedy zapotřebí věnovat náležitou pozornost. Nejdůležitějšími požadavky, kladenými na ozubené součásti, jsou dostatečná povrchová tvrdost a otěruvzdornost, avšak rovněž houževnaté jádro o dostatečné tahové a ohybové pevnosti. Dále se mezi rozhodující mechanické vlastnosti řadí únavová pevnost a kontaktní únavová pevnost. S ohledem na funkčnost převodovek je účelné minimalizovat deformace součástí, a to buď ovlivněním mechanického a tepelného zpracování (levnější a většinou efektivnější), anebo dodatečnými opatřeními např. dokončovacím broušením. Z hlediska tepelného zpracování se tedy volba technologie cementace (nitrocementace) s následným kalením a nízkoteplotním popouštěním jeví jako logické. Jiné technologie chemicko tepelného zpracování nejsou tak výhodné např. nitridací sice lze dosáhnout podobné kombinace mechanických vlastností, avšak ekonomicky vychází tento proces značně nevýhodněji. V současné době nejpoužívanější technologií chemicko tepelného zpracování ozubených součástí je kombinace cementace v plynu s následným kalením do oleje. Následuje 1

2 METAL , Hradec nad Moravicí praní součástí a nízkoteplotní popouštění při teplotách 15 2 o C. Výsledkem tohoto procesu je tvrdost povrchu cca 7 HV a jádra v závislosti na použitém materiálu v rozmezí 3 45 HV. V průmyslové praxi se však stále častěji využívá jiného technologického směru, a to vakuové (nízkotlaké) cementace s následným kalením inertním plynem (dusík, hélium), ale rovněž vzduchem, o vysokém tlaku. Principiálně lze touto technologií proces zpracování značně urychlit, protože pro sycení lze použít značně vyšších teplot (až kolem 1 o C), než pro cementaci v plynu. Kalení přetlakem plynu zase umožňuje dosáhnout vyšší stejnoměrnosti ochlazování vsázky, což se může příznivě projevit v deformačním chování souboru součástí. Uvedené dva základní směry zpracování lze rovněž kombinovat. Nejlépe tím způsobem, že na konec linky tepelného zpracování (zpravidla průběžná pec) se zařadí ochlazovací jednotka s tlakovým plynem. Rozměrové a tvarové změny konstrukčních součástí jsou obecně nežádoucím průvodním jevem procesů tepelného zpracování (TZ). Je známo, že podíl TZ na celkové deformaci dílu se může pohybovat v širokém rozmezí. V literatuře jsou uváděny hodnoty v rozmezí 2 3 % [1], ale někdy také značně vyšší hodnoty. Pokud je věnována velká pozornost materiálu, jeho homogenitě, správné konstrukci dílu a minimalizaci pnutí při obrábění, mohou být tyto veličiny nepatrné a relativní podíl TZ na deformace může vzrůst na víc než 5 %, avšak celková deformace dílů bude proporcionálně nižší. Tyto deformace lze ze systematického hlediska rozdělit na změny tvarové a změny rozměrové. Rozměrové změny představují z praktického hlediska menší problém a pohybuje li se jejich velikost v dostatečně úzkém intervalu (malý rozptyl hodnot), lze jim předcházet např. nastavením korekcí při mechanickém opracování. Naproti tomu tvarové změny představují mnohem vážnější problém, protože jim žádnými korekcemi nelze efektivně předcházet a jedinou možností je pak optimalizace volby materiálu, konstrukce součásti a jejího tepelného zpracování. Rozměrové a tvarové změny jsou závislé na mnoha faktorech. Pro zjednodušení lze tyto veličiny rozdělit do následujících čtyř oblastí. Materiál a jeho výroba: Do této skupiny patří stav po odlití a homogenita materiálu (segregace, textura a změny fázového složení), stav po žíhání a rozložení velikosti zrn, a taky prokalitelnost. Konstrukce dílu a způsob jeho výroby: Skutečnost, že deformační chování je ovlivněno konstrukcí dílu, je všeobecně známa. Protože však při konstrukci dílu jsou kladeny různé požadavky, nelze vždy zohlednit při navrhování dílu všechny požadavky z hlediska optimálního vlivu na TZ. Podobně je sice žíhání na odstranění pnutí před poslední třískovou operací známo jako faktor, minimalizující deformace, avšak často není realizováno z úsporných důvodů. Šaržování: Význam správného šaržování stoupá s rostoucí teplotou TZ a zmenšováním tloušťky stěny dílů. Obecný předpis ohledně šaržování nelze však udělat, protože deformační chování je ovlivněno jak výši teploty zpracování, tak kalícím médiem. Tepelné zpracování: Tvarové změny vlivem tepelného zpracování jsou ovlivněny teplotními gradienty uvnitř součástí, které vznikají při rychlém ohřevu nebo nerovnoměrném a rychlém ochlazování. Pokud se tyto rozdíly superponují s časově proměnlivou fázovou transformací, dochází také k pnutím a deformacím v důsledku této transformace. Mezi vhodné způsoby k minimalizaci těchto efektů patří zejména stupňovitý ohřev a pozvolnější ochlazování. Podobně i nestejnorodosti v nauhličování (rozdíly v Eht ) vedou k rozdílům v časovém začátku transformace a velikosti pnutí, vzniklých fázovou transformací. 2

3 METAL , Hradec nad Moravicí 2. METODIKA EXPERIMENTU Experimenty s cementací v plynu a kalení do oleje byly realizovány v průběžné peci při již dříve optimalizovaných parametrech. Čas taktu byl 16.3 min. a Eht se pohybovala v rozmezí.6 až.7 mm. Nízkotlaká cementace s kalením přetlakem plynu byla realizována ve dvoukomorové peci s konvektivním ohřevem. Teplota procesu byla 93 o C, doba nauhličování (nauhličovací + difuzní periody) 75 min. Následně byla vsázka pomalu ochlazena na kalící teplotu 86 o C a kalena 15 bar dusíkem nebo héliem. Z důvodu zvýšené ochlazovací účinnosti He o cca 6% bylo upuštěno od střídavého kalení s prouděním plynu seshora a zdola a bylo použito pouze kalení s prouděním plynu seshora dolů. Dále bylo zkoumáno deformační chování ozubených kol při cementaci v plynu, pomalém ochlazení a opětovném ohřátí na kalící teplotu a kalení tlakovým plynem. Cementace v plynu byla realizována v průběžné peci a kalení ve dvoukomorovém zařízení. V poslední fázi byl u omezeného množství ozubených kol zkoumán vliv kombinovaného procesu cementace v plynu a kalení tlakovým dusíkem, přičemž proces probíhal v jednom zařízení (průběžná cementační pec, kombinovaná s ochlazovací jednotkou s tlakovým dusíkem. Tepelně zpracována byla ozubená kola o vnějším průměru mm a šířce ozubení 23 mm. V předešlých experimentech byla použita kola tzv. standardní geometrie a tzv. zesílené geometrie (převodovka 14H). V nejnovějších pracích byla zpracovávána kola 14H a součásti o zcela novém konstrukčním řešení MQ. V rámci experimentů byl použit materiál 16/2MnCr5 s prokalitelností J1 = HRC. Dále bylo použito cementační oceli, vyrobené kontilitím v Třineckých železárnách, ČSN Současné experimenty probíhají při použití materiálů TL 4221 (odpovídá 16MnCr5) a TL4521 (2NiMoCr65). Prokalitelnost J11 oceli TL 4221 byla 34 HRC, prokalitelnost oceli TL 4521 byla 43 HRC. Ocel TL 4521 měla homogenní žíhací strukturu. U oceli TL 4221 byla naproti tomu nalezena výrazná řádkovitost, která by mohla mít vliv na deformace. V průběžné peci byly zpracovány vsázky o 25 dílech v 5 patrech a 5 sloupcích. Ozubená kola byla uložena tříbodově na přípravcích o rozměrech 5 x 5 mm. Při nízkotlaké cementaci byly použity stejné přípravky, avšak vsázka obsahovala 4 kusů v 8 patrech a 5 sloupcích. 3. VÝSLEDKY 3.1. Cementace v plynu, kalení do oleje (ozubená kola starší konstrukce) Kvalita kalícího oleje ovlivňuje rychlost ochlazování a tím dosažitelnou tvrdost jádra, čímž je rovněž ovlivněno i deformační chování součásti. Typ kalícího oleje ovlivňuje rovněž stabilitu parního polštáře při ochlazování vsázky a tím i její deformační chování. V neposlední řadě, speciální kalící olej umožňuje širší variaci výše jeho teploty. Zkoušky kalení prokázaly, že samotné použití oleje Durixol W25 místo ložiskového oleje vedlo ke snížení tvarových změn o 3 %. Další optimalizací s ohledem na deformace a životnost oleje byla stanovena optimální výše jeho teploty 12 o C [2]. Následující výzkumy [3] ukázaly rovněž na možnosti zlepšení deformačního chování cestou optimalizace parametrů olejové lázně. Bylo stanoveno, že optimálního komplexu deformačních charakteristik standardních kol se dosahuje při rychlosti proudění oleje, danými otáčkami míchadla 32 ot/min. U kol s konstrukčním zesílením však zlepšení nebylo tak výrazné ukázalo se, že konstrukce součásti a její tuhost je pro deformace rozhodující a ostatní parametry, včetně TZ, se stávají méně důležitými. V prvním stadiu pokusů s nízkotlakou cementací a kalením tlakovým plynem se zjistilo, že ohřev, podporovaný konvekcí, nikoli pouze radiace, vede k výrazně nižší ovalitě a 3

4 METAL , Hradec nad Moravicí rovinnosti ozubeného kola. Celkově experimenty potvrdily, že konvektivní ohřev je lepší z hlediska rovnoměrnosti přestupu tepla, což vede k menším tvarovým změnám [4]. Další pokusy pak byly realizovány pouze konvektivním ohřevem Nízkotlaká cementace v plynu s kalením plynem (ozubená kola starší konstrukce) Zařízení pro nízkotlakou cementaci a kalení plynem umožňuje volbu směru proudění plynu v kalící komoře seshora dolů a obráceně a rovněž střídavé změny směru proudění v pravidelných intervalech cca 15 s. Při tomto způsobu bylo dosaženo nejmenších deformací. Při jednosměrném proudění bylo lepších deformací dosaženo při proudění seshora. Podobně i při střídavém proudění bylo nižších tvarových změn dosaženo, začínalo li proudění tlakového plynu seshora. Směr proudění ovlivňoval rovněž stažení vnitřního průměru, přičemž se ukázala jednoznačná korelace s rychlostí ochlazování vsázky. Při změně směru proudění plynu se musí počítat se snížením průměrné ochlazovací rychlosti, což vedlo ke většímu stažení vnitřního otvoru. Při proudění seshora byla dosažena o něco vyšší ochlazovací rychlost, což rovněž snížilo stažení vnitřního otvoru, obr. 1. Snížení tlaku z 15 na 1 barů vedlo k nepatrnému zvýšení ovality a nerovinnosti, obr. 2. Tyto výsledky vypadají na první pohled překvapivě - obecně se předpokládá, že zvýšení ochlazovací rychlosti vede k větším deformacím. Zvýšením tlaku plynu se zřejmě dosahuje zestejnoměrnění přestupu tepla uvnitř vsázky, čímž mohou být tvarové změny minimalizovány. Dalšího zlepšení deformací s ohledem na rozptyl hodnot (u ovality) a střední hodnoty (u rovinnosti a kuželovitosti) se dosáhlo při vertikálním uložení kusů ve vsázce, obr. 2. Tento typ šaržování vedl rovněž k vyšší ochlazovací rychlosti a zrovnoměrnění proudění plynu vsázkou. Obr. 3 znázorňuje srovnání deformací při obou typech procesů cementace a kalení, dosažených za optimalizovaných podmínek. U součástí standardní geometrie bylo kalením tlakovým plynem dosaženo výrazné snížení nerovinnosti a kuželovitosti a rovněž standardní odchylky byly výrazně sníženy. Ovalita byla snížena méně výrazně, avšak její standardní odchylka o něco zvýšena. Vertikální šaržování vedlo ke snížení ovality o dalších 5% a nerovinnosti o 2%. U kol se zesílenou geometrií bylo dosaženo méně signifikantního zlepšení deformací. Tento výsledek, na první pohled překvapivý, však potvrzuje již výše zmíněné tvrzení o tom, že konstrukční zesílení je z hlediska deformací rozhodující a vliv parametrů TZ se pak zmenšuje Cementace v plynu, kalení do oleje (ozubená kola nové konstrukce) V dalším postupu již byla analyzována pouze zesílená kola, označena 14H, a kola zcela nové konstrukce MQ. Cementace v plynu s kalením do oleje proběhla za podmínek, optimalizovaných již v předešlých pracích [1,2]. Na obr. 4 je shrnutí výsledků. Rozměrové změny vnitřního otvoru byly ve všech případech znázorněny v absolutní hodnotě bez stavu před tepelným zpracováním. Z grafu vyplývá, že použití materiálu TL 4521 s obsahem Ni vede k vyšším deformacím - souvisí to s vyšší prokalitelností. Materiál TL 4221 vykazoval následkem TZ již známý [4], nepatrný růst otvoru. Naproti tomu materiál TL 4521 vykazoval výrazné zmenšení otvoru. Nová konstrukce kola (MQ) vedla k o něco vyšší ovalitě ve srovnání s kolem 14H. Rovinnost nebyla změnou konstrukce dílu výrazně ovlivněna. Rozměrové změny u geometrie MQ leží obecně níže než tytéž změny u kol 14H. Střední hodnoty deformací byly v jednotlivých patrech šarží v podstatě konstantní, obr. 5. 4

5 METAL , Hradec nad Moravicí 3.4. Nízkotlaká cementace v plynu s kalením plynem (ozubená kola nové konstrukce) Procesy nízkotlaké cementace nových kol byla realizována ve stejném zařízení, jako předešlé experimenty [4], pouze jako kalící medium sloužilo He o tlaku 15 bar a kalení probíhalo pouze seshora. Výsledky, dosažené v rámci těchto postupů jsou znázorněny na obr. 6 a vyplývá z nich, že velmi nízké deformace, které byly dosaženy při kalení dusíkem, nemohou být dosaženy při kalení héliem. Zvýšení ochlazovací rychlosti má sice na ovalitu pouze nepatrný vliv, ale nerovinnost a kuželovitost jsou výrazně zhoršené. Materiál TL 4521 s obsahem niklu vykazuje větší tvarové změny, podobně, jako u kalení do oleje. Použití nové geometrie ozubeného kola (MQ) vedlo při kalení plynem k nepatrnému zmenšení ovality. Jak již bylo zjištěno v předešlých experimentech [4,5], dochází při nízkotlaké cementaci a kalení tlakovým plynem k výraznému stažení vnitřního otvoru. Toto stažení je méně výrazné u kol konstrukce MQ, než u kol, konstrukce 14H, a to v důsledku jejich vyšší tuhosti. Z materiálového hlediska vykazuje ocel TL 4521 větší stažení, než ocel TL Cementace v plynu s kalením tlakovým plynem Výzkum deformačního chování při cementaci v plynu, pomalém ochlazování a následném opětovném ohřevu s kalením tlakovým plynem byl realizován výlučně na součástech geometrie MQ. Cílem bylo zjistit, jaký podíl mají jednotlivé etapy (cementace, ochlazování, kalení) na výslednou deformaci a jaká bude konečná výše deformace. K tomu je však zapotřebí dodat, že i přes relativně pomalé ochlazování došlo u oceli TL 4521 k částečnému zakalení součástí i při pomalém ochlazování. Podobně, jako v předešlých experimentech, se prokázalo, že již samotné nauhličení bez kalení způsobuje cca 5 % konečné deformace ozubených kol. Na obr. 7 jsou deformace při cementaci v plynu a kalení He srovnány s ostatními postupy. Je vidět, že tvarové změny byly ve srovnání s dalšími procesy TZ spíše o něco vyšší, což lze přičíst opakovanému ohřevu na kalící teplotu, resp. dvojnásobnému kalení v některých částech (zejména cementovaná vrstva) u oceli TL Za účelem objektivního srovnání s jinými procesy byla v poslední fázi limitovaná série ozubených kol cementovaná v plynu v průběžné peci a kalena tlakovým dusíkem v jednotce, umístěné na konci pece. Celý proces tedy probíhal v jednom kroku. Z grafu na obr. 8 vyplývá, že pro oba použité materiály byly tvarové změny po procesu, realizovaném v jednom zařízení, výrazně menší rozdíl je 2 3 %. Stažení otvoru bylo sice větší, avšak jedná se o změnu rozměrovou a lze jí čelit nastavením korekce nástroje. Na obr. 9 je pak srovnání procesů cementace v plynu s kalením do oleje a tlakovým dusíkem. Tvarové změny jsou při kalení dusíkem vesměs menší, což je patrné zejména u ovality. Kola, kalená dusíkem, vykazovala sice větší rozměrovou změnu, té však lze jít vstříc nastavením korekcí třískového obrábění. 4. ZÁVĚR. Optimalizací parametrů kalící lázně, zejména typu oleje, jeho teploty a proudění lze při nezměněné konstrukci ozubeného kola dosáhnout výrazného, až několikadesetiprocentního zlepšení nežádoucích tvarových změn součásti. Tyto tendence podporuje rovněž správná volba výchozího materiálu, resp. žíhání na snížení pnutí po hrubování. Podobně lze optimalizací způsobu kalení, tj. způsobu proudění, tlaku plynu atd., a vhodným rozložením vsázky u nízkotlaké cementace a kalení tlakovým plynem dosáhnout výrazného zlepšení deformačního chování součástí. Při srovnání obou způsobů je pak zřejmé, že nízkotlaká cementace s kalením tlakovým plynem vychází z hlediska deformačního chování zřetelně lépe tvarové změny součásti byly menší v řádu cca 2 %. 5

6 METAL , Hradec nad Moravicí Nahrazení dusíku jako kalícího plynu héliem vede k mírnému zvýšení deformací, protože hélium má vyšší ochlazovací schopnost. Hodnota deformací však přesto zůstává menší, než nejlepší hodnoty, dosažené při kalení v oleji. Vyšší prokalitelnost, daná obsahem niklu v oceli, vede obecně k vyšším deformacím. Snížení deformací umožňuje i kombinace obou způsobů, tj. cementace v plynu a následné kalení tlakovým plynem v jednotce, umístěné na konci pece místo olejové lázně. Změna konstrukce součásti směrem k její vyšší tuhosti snižuje efekty optimalizací procesu cementace a kalení, nicméně, rozdíly v deformačním chování zůstávají patrné. U deformačně citlivých dílů, zejména dílů o vysoké štíhlosti, dochází k velkým rozdílům v chování při kalení do oleje a tlakovým dusíkem. 5. LITERATURA 1. Mallener, H.: Maß- und Formänderungen beim Einsatzhärten. HTM 45 (199) 1, s Stolař, P. Jurči, P., Klíma, F.: Vliv parametrů kalení na deformace ozubených kol, In: Sborník 17. Dny tepelného zpracování s mezinárodní účastí, , Brno, s Stolař, P., Jurči, P., Klíma, F.: The Effect of Oil Quenching Parameters on Distortion of Gear Wheels, In: Proceedings of the 3 rd International Conference On Quenching and Control of Distortion, March 24-26, 1999, Prague, s Altena, H., Stolař, P., Jurči,P., Klima, F., Pavlů, L.: HTM 55 (2) 5, s Altena, H., Stolař, P., Jurči, P., Klíma, F., Pavlů, L.: Heat Treatment of Metals 21.1, s Ovalita Nerovinnost Kuželovitost Otvor Střídavé proudění, Jednosměrné začátek seshora proudění, seshora Střídavé proudění, začátek zdola Jednosměrné proudění, zdola Ovalita Nerovinnost Kuželovitost Otvor 15 bar, naležato 1 bar, naležato 15 bar, visící Obr. 1 Vliv mechanismu proudění plynu na deformace Obr. 2 - Vliv tlaku kalícího plynu a šaržování na deformace 6

7 METAL , Hradec nad Moravicí Deformace (x1-2 mm) Ovalita Nerovinnost Kuželovitost Parametr Deformace (x1-3 mm) Ovalita Otvor Nerovinnost Kuželovitost standardní/olej standardní/15bar dusík, visící 14H/dusík standardní/15bar dusík 14H/olej Parametr TL 4221, 14H TL 4521, 14H TL MQ TL 4521, MQ Obr. 3 - Srovnání kalení v oleji a tlakovým dusíkem při optimalizovaných podmínkách Obr. 4 - Vliv materiálu a geometrie součásti na deformace při cementaci v plynu s kalením do oleje Deformace (x1-3 mm) Patro Ovalita Otvor Nerovinnost Kuželovitost Deformace (x1-3 mm) Ovalita Míra otvoru Rovinnost Kuželovitost Parametr TL4221, 14H TL4521, 14H TL4221, MQ TL4521, MQ Obr. 5 - Deformace při cementaci v plynu a kalení do oleje v závislosti na vertikální poloze součásti pro materiál TL 4221 Obr. 6 - Vliv materiálu a konstrukce dílu na deformace při nízkotlaké cementaci s kalením héliem. 7

8 METAL , Hradec nad Moravicí Deformace (x1-3 mm) Ovalita Míra otvoru Rovinnost Kuželovitost Parametr TL4221, 14H, cementace nízkotlaká, kalení He 15 bar TL4521, 14H, cementace nízkotlaká, kalení He 15 bar TL4221, MQ, cementace nízkotlaká, kalení He 15 bar TL4521, MQ, cementace nízkotlaká, kalení He 15 bar TL4221, MQ, cementace v plynu, kalení He 15 bar TL4521, MQ, cementace v plynu, kalení He 15 bar Deformace (x1-3 mm) Ovalita Otvor Nerovinnost Kuželovitost TL 4221 combi v jedné peci TL 4521 combi v jedné peci TL 4221 combi TL 4521 combi Obr. 7 - Vliv materiálu, geometrie součásti a typu procesu TZ na deformace. (Kalení plynem následovalo po opětovném ohřevu). Obr. 8 Srovnání procesů cementace v plynu s kalením tlakovým dusíkem, realizovaných ve dvou zařízeních (s opakovaným ohřevem) a v jednom zařízení. 24 Deformace (x1-2 mm) Ovalita Stažení Rovinnost kuzel 32/olej 12 oc (optimalizován) MQ, TL 4221 cem. plyn + kal. olej MQ, TL 4521 cem. plyn + kal. olej MQ, TL 4221 cem. plyn + kal. dusík MQ, TL 4521 cem. plyn + kal. Dusík Obr. 9 Srovnání deformací, dosažených v procesech s cementací v plynu a kalením do oleje a tlakovým dusíkem. 8