DEFORMACE SOUČÁSTÍ PŘI CEMENTACI A KALENÍ V RŮZNÝCH KALÍCÍCH MÉDIICH

Transkript

1 DEFORMACE SOUČÁSTÍ PŘI CEMENTACI A KALENÍ V RŮZNÝCH KALÍCÍCH MÉDIICH DISTORTION OF COMPONENTS DUE TO CARBURIZING AND QUENCHING WITH DIFFERENT QUENCHANTS Peter Jurči, Pavel Stolař, a Petr Šťastný, Josef Podkovičák, b Herwig Altena, c a ECOSOND Ltd, K Vodárně 53, Čerčany, ČR b Škoda a.a.s, Mladá Boleslav, ČR c AICHELIN, Gmbh, Fabriksgasse 3, A-2340 Moedling, Rakousko ABSTRACT Gear parts (wheels, and pinions) made from structural steel 8CrNiMo7 were gas carburized to a standard case depth of 0.7 mm, nitrogen gas- or oil quenched and tempered to a resulting surface hardness of 60 HRC. The dimensional (shrinkage, growth)- and shape distortion (out-of-roundness, out of flatness, teething deviations in transversal as well as longitudinal direction), caused by these treatment methods were measured. Also the positional effect in the test batch on the distortion and core hardness was assessed, in order to make a relationship between these parameters and to make a possibility to optimize the process in future.. ÚVOD Je velmi důležité, aby rozměrové a tvarové změny, způsobené tepelným zpracováním, byly pokud možno minimalizovány. Důvodem je zejména produktivita práce a úspora nákladů, které musí být jinak vynaloženy na korekci vzniklých deformací. Je známo, že tyto změny jsou závislé na mnoha faktorech, jako jsou materiál, konstrukční řešení součástí, šaržování a nakonec i na samotném tepelném zpracování a jeho parametrech. Z materiálových faktorů musí být brány v potaz zejména takové parametry, jako homogenita oceli (segregace, textura, velikost zrna), stav po žíhání, tvar průřezu výchozího odlitku - ingotu () a rovněž například prokalitenost oceli, reprezentována Jominyho křivkou prokalitelnosti. Deformace, způsobené nevhodným konstrukčním řešením součásti mohou dělat až % celkové deformace součásti (2). Na druhé straně je ovšem velice obtížné navrhnout ideální konstrukci s ohledem k pozdějšímu tepelnému zpracování, protože součást musí splňovat především svůj účel, pro který byla navržena. Deformace, způsobené tepelným zpracováním, vznikají především v důsledku teplotních gradientů uvnitř součásti, které jsou generovány v průběhu ohřevu a ochlazování. Pokud jsou tyto rozdíly v teplotách ještě doprovázeny fázovými transformacemi, tak vznikají rovněž transformační pnutí s následnými deformacemi. Nestejnorodosti v procesu nauhličování/cementace mohou rovněž přispět ke zvýraznění deformací, zejména je-li poměr tloušťky cementované vrstvy a průřezu materiálu dostatečně velký.

2 2. POSTUP PRACÍ Cementace v plynu byla realizována v průběžné cementační peci s předehřívací zónou, 3 takty v ohřevové zóně, 7 takty v nauhličující zóně a 3 takty v difuzní zóně. Součásti byly zpracovány na hloubku Eht = 0.7 mm. Jako první metoda pro kalení bylo použito přímého kalení do olejové lázně za předem optimalizovaných podmínek (3). Kalení plynem bylo realizováno plynným dusíkem o přetlaku 5 bar. Po kalení byly součásti ihned popuštěny při teplotě 70 o C 2 hodiny. V průběžné cementační peci byly zpracovávány vsázky o 25 ozubených kolech v pěti patrech a pěti sloupcích. Součásti byly umístěny na přípravky o rozměrech 500 x 500 mm a položeny tříbodově. Pastorky byly šaržovány v jednom patře, vertikálně. V jednom roštu bylo umístěno 67 pastorků. Ozubená kola měla vnější průměr hlavové kružnice mm a šířku ozubení 23 mm. Kromě těchto kol byly zpracovány také pastorky po celkové délce 3 mm a s ozubeními o různých průměrech, obr.. Součásti byly vyrobeny z oceli TL 452 (8CrNiMo7) s chemickým složením 0.7 %C, 0. %Si, 0.73 %Mn, 0.78 %Cr, 0.3 %Mo,.7 %Ni, 0.08 %Al a tvrdostí po žíhání výkovku 60 HB. Deformace byly vyjádřeny jednak průměrnou hodnotou každého měřeného parametru, jednak jeho směrodatnou odchylkou. Tím se získala i závislost reprodukovatelnosti výsledků v závislosti na parametrech tepelného zpracování. Nakonec byla ve vybraných případech zkoumána i horizontální a vertikální závislost deformace v jednotlivých vsázkách. Obr. : Schematické výkresy zpracovávaných součástí. 3. VÝSLEDKY A DISKUSE 3.. Mikrostruktura, tvrdost Mikrostruktura a tvrdost byly hodnoceny zejména pro součásti, kalené tlakovým dusíkem. Důvodem byla skutečnost, že chování součástí, kalených do oleje, bylo dobře známo, protože jejich zpracování probíhalo za již optimalizovaných podmínek a z hlediska struktury, tloušťky vrstvy a tvrdosti nikdy nebyly zaznamenány problémy. Po kalení tlakovým dusíkem byla cementovaná vrstva tvořená jemným martenzitem a malým množstvím zbytkového austenitu, obr 2. Z metalografického hlediska podstatné rozdíly mezi strukturou materiálu, kaleného dusíkem a olejem zaznamenány nebyly. Jak je pak vidět na diagramu na obr. 3, při kalení dusíkem není problém dosáhnout požadované tvrdosti jádra, ani dostatečné hloubky cementované vrstvy. 2

3 Hardness HV Case depth (CHD) Core hardness 3 HV Distance from the surface (mm) Teething Tooth space Obr. 2 (vlevo): Mikrostruktura povrchu ozubeného kola, kaleného tlakovým dusíkem Obr. 3 (vpravo): Výsledky měření hloubky cementace ozubených kol,kalených dusíkem 3.2. Deformace ozubených kol. Diagramy na obr. 4 6 znázorňují makroskopické (celkové) deformace těles ozubených kol. Průměrná hodnota ovality se u vsázek, kalených dusíkem, pohybuje v rozmezí 49 až 53 µm. V případě vsázek, kalených do oleje se průměrná hodnota ovality pohybovala mezi 92 a 94 µm. Rovněž směrodatná odchylka deformací je pro součásti, kalené dusíkem, výrazně lepší, než pro kola, kalená v oleji. Je proto zřetelně vidět, že pozitivní vliv kalení plynem na ovalitu je výrazný, což je v dobrém souladu s předešlými experimentálními výsledky (6). Distortion (x0.00 mm) Out-of roundness Distortion (x 0.00) Internal diameter Obr. 4 (vlevo): Ovalita vnitřního průměru pro ozubená kola, kalená dusíkem (rošty - 4) a olejem (5) Obr. 5 (vpravo): Změna průměru vnitřního otvoru pro ozubená kola, kalená dusíkem (rošty - 4) a do oleje (5) 3

4 Podobně i rozměrové změny, reprezentovány růstem vnitřního průměru ozubeného kola se chovaly příznivěji pro kola, kalená tlakovým dusíkem. Přestože sice průměrná hodnota růstu průměru byla vyšší, standardní odchylka dosahovala pouze 35% odchylky kol, kalených v oleji. Jelikož se jedná o změnu systematickou, nikoli náhodnou, umožňuje to provést korekci v mechanickém opracování před zpracováním tepelným a dosáhnout tak výrazně lepší reprodukovatelnosti výsledků, než při kalení do oleje. Použití tlakového dusíku jako kalícího média však vede k vyšší nerovinnosti. V případě kol, kalených dusíkem se nerovinnost pohybovala mezi 52 a 6 µm, v případě kol, kalených do oleje pak v rozmezí 39 a 58 µm. Rozptyl naměřených hodnot byl rovněž horší. Příčina pro nečekaně (minulé experimenty (4) prokázaly přesně opačnou tendenci) vysokou průměrnou hodnotu nerovinnosti i rozptyl hodnot pro kola, kalená dusíkem, je zřejmá z obr. 7. Zde je patrná výrazná horizontální nestejnorodost v rozložení hodnot nerovinnosti, přičemž obzvláště vyniká velká nerovinnost kol, umístěných v prostředku roštu. Je sice zřejmé, že kalení do oleje proběhlo za již dříve optimalizovaných podmínek, zatímco kalení uvedených součástí Distortion (x 0.00 mm) Out-of-flatness Distortion (x0.00 mm) Horizontal effect on distortion Column Ovalization Shrinkage Out-of-flatness Obr. 6 (vlevo): Nerovinnost pro kola, kalená dusíkem (rošty - 4) a olejem (5) Obr. 7 (vpravo): Horizontální rozložení deformací ozubených kol, kalených dusíkem (rošty - 4) a olejem (5) dusíkem bylo poprvé realizováno v průmyslovém zařízení, bez optimalizace např. průtoku plynu vsázkou, resp. s ohledem na specifický tvar součástí. Navíc ani výsledky, publikované např. Lübbenem (5), nevyznívají z hlediska deformačního chování jednoznačně a v některých případech mohou být výsledky, dosažené kalením v dusíku i horší. Současně se však v souladu s uvedeným literárním pramenem (5) ukazuje, že zde existuje velký potenciál pro optimalizaci procesu kalení Deformace pastorků Celková deformace těles pastorků je vyjádřena jejich průhybem a musí být následně korigována po tepelném zpracování. Deformační chování je pak vyjádřeno časovou ztrátou ve vteřinách, nutnou pro rovnání v rovnacím lisu, obr. 8. Přitom nebyla zaznamenána žádná zvláštní tendence hodnoty deformace jsou po vsázce rozloženy v podstatě náhodně. Pouze v některých případech ukázala mírná tendence ke zhoršení deformací u součástí, umístěných na okraji roštů. 4

5 Tab. : Rozměrové změny ozubení (v mm) pastorků Parametr Kaleno dusíkem Kaleno olejem Drážkování rychlost rychlost Obr. 8: Horizontální rozložení deformací pastorků po kalení tlakovým dusíkem Obr. 9 (vlevo): Růst ozubení. rychlosti pro pastorky, kalené do oleje Obr. 0 (vpravo): Růst ozubení. rychlosti pro pastorky, kalené dusíkem 5

6 Obr. (vlevo): Růst ozubení 2. rychlosti pro pastorky, kalené do oleje Obr. 2 (vpravo): Růst ozubení 2. rychlosti pro pastorky, kalené dusíkem Průměrná hodnota rozměrových změn drážkování, ozubení. a 2.rychlosti pastorků byla obecně pro kalení do oleje horší, Tab.. Zřetelný je zejména značný růst průměru ozubení. a 2. rychlosti. Navíc pastorky, kalené do oleje vykazují i větší rozptyl naměřených hodnot. Diagramy na obr. 9 a 0 znázorňují horizontální rozložení rozměrové změny (růstu) průměru ozubení. rychlosti po kalení do oleje a tlakovým dusíkem, diagramy na obr. a 2 mají stejný význam pro 2. rychlost. Je zřejmé, že použití oleje jako ochlazovacího media lze považovat za faktor, který zvýrazňuje rozdíly v deformačním chování v centrální oblasti roštu a na jeho okrajích. V důsledku skutečnosti, že olej mění během kalení skupenství z kapalného na plynné a obráceně a že tato změna neprobíhá v celém objemu současně, dochází ke zvýraznění rozdílů deformací. Dusík své skupenství během kalení nemění a jeho průtok vsázkou je relativně stejnoměrný, což může přispět k nižší průměrné hodnotě deformace a stejně tak k nižším rozdílům v deformaci jednotlivých dílů ve vsázce. Kalení součástí tlakovým dusíkem vedlo i k nepatrně homogennějšímu rozložení deformací ozubení. Na dalších diagramech je plošné rozdělení úchylky sklonu zubu fhα na pravé a levé straně ozubení pro 2. rychlost, obr

7 -7 Obr. 3 (vlevo): Plošné rozdělení úchylky sklonu zubu fhα na pravé straně ozubení 2.rychlosti pro pastorky, kalené do oleje Obr. 4 (vpravo): Plošné rozdělení úchylky sklonu zubu fhα na pravé straně ozubení 2.rychlosti pro pastorky, kalené dusíkem Obr. 5 (vlevo): Plošné rozdělení úchylky sklonu zubu fhα na levé straně ozubení 2.rychlosti pro pastorky, kalené do oleje Obr. 6 (vpravo): Plošné rozdělení úchylky sklonu zubu fhα na levé straně ozubení 2.rychlosti pro pastorky, kalené dusíkem 7

8 Obr. 7: Horizontální rozložení deformací a jejich vztah k tvrdosti jádra (červeně) pastorků po kalení tlakovým dusíkem Ukázalo se, že hodnoty rozměrových deformací, vyjádřené roztažením průměru hlavové kružnice u ozubení, jsou ve velmi dobré korelaci s dosaženou tvrdostí jádra. Na obr. 7 je tato závislost pro ozubení. rychlosti pastorků, kalených tlakovým dusíkem. V centrálních partiích roštu byly deformace o něco nižší deformace, jak již bylo částečně patrné z obr Tomu odpovídá i tamní nižší tvrdost, pohybující se mezi 296 a 32 HV. Na okrajích jsou deformace obecně vyšší a tvrdost je rovněž vyšší, dosahuje HV. Potvrdilo se tak i očekávání, že vyšší tvrdost jádra může vést obecně k vyšším deformacím, zejména rozměrovým. 4. ZÁVĚR Použití dusíku jako kalícího média vedlo k dosažení prakticky stejné mikrostruktury, tvrdosti a hloubky cementované vrstvy, jako při kalení do oleje. Kalení dusíkem vede k výrazně nižší ovalitě a značně lepší stejnorodosti velikosti rozměrových změn, a to pro oba typy experimentálně zpracovávaných součásti. Na první pohled nežádoucí růst rozměrových deformací u dusíkem kalených ozubených kol nelze shledávat problematickým, jelikož se jedná o změny systematického charakteru a lze je korigovat v procesu třískového opracování. Právě naopak, výrazně menší rozptyl naměřených hodnot, než u kalení olejem, dává potenciál k podstatně lepším výsledkům. 8

9 Na druhou stranu ovšem nerovinnost v dusíku kalených kol byla horší, a to bylo trochu překvapující zejména vzhledem k předešlým zjištěním. Toto zhoršení je zřejmě dáno tím, že proudění plynu vsázkou nebylo zdaleka optimalizováno, protože se jednalo o první pokus o kalení dusíkem těchto specifických součástí v průmyslovém zařízení. Každopádně se i vzhledem k předešlým výsledkům, kdy bylo zaznamenáno poměrně výrazné zlepšení nerovinnosti při kalení plynem, nabízí při kalení plynem rozsáhlý prostor pro optimalizaci procesu. Kalení plynem vede k mírnému zrovnoměrnění tvarových a rozměrových změn těles pastorků i ozubení. U pastorků, kalených dusíkem, byla nalezena poměrně dobra shoda velikosti tvarových změn a tvrdosti jádra, a to v závislosti na poloze součásti v roštu. LITERATURA () Mallener, H. (990): Maß- und Formänderungen beim Einsatzhärten. HTM 45, (2) Bergström, C.M., Larsson, L.-E. & Levin, T. (988): Reduzierung des Verzuges beim Einsatzhärten. HTM 43, (3) Stolař, P., Jurči, P. & Klíma, F. (999): 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, Prague, Czech Republic, ASM International, pp (4) Jurči, P., Stolař, P., Pavlů, L. & Altena, H. (04): Possibilities for the distortion lowering of the gear parts in course of the heat treatment, In.: Proceedings of the th int. conference on heat treatment, Jihlava, Czech Republic, ATZK, pp (5) Lübben, Th., (03): Maß- und Formänderungen beim Hochdruck-Gasabschrecken. HTM 58, (6) Jurči, P., Stolař, P., Paulů, L. & Altena, H. (00): Low-pressure carburizing of gear wheels, In.: Proceedings of the 8th int. conference on heat treatment, Brno, Czech Republic, ATZK, pp