ARCOR PROCES TECHNOLOGIE SURSULF (NITRIDOVÁNÍ V SOLNÉ LÁZNI) S NÁSLEDNOU OXYDAČNÍ LÁZNÍ (OXYNIT) Jiří Somerlík a Luboš Kadlec b Miloš Kouba c

Transkript

1 ARCOR PROCES TECHNOLOGIE SURSULF (NITRIDOVÁNÍ V SOLNÉ LÁZNI) S NÁSLEDNOU OXYDAČNÍ LÁZNÍ (OXYNIT) Jiří Somerlík a Luboš Kadlec b Miloš Kouba c a KATRING PLUS s.r.o., Pikartská 1337/7, Ostrava, ČR, jiri.somerlik@centrum.cz b KATRING PLUS s.r.o., Přátelství 1084, Praha 10, ČR, katring@volny.cz c KATRING PLUS s.r.o., Chotěbořská 575, Ždírec / Doubravou,ČR, katring@volny.cz Abstrakt Technologie nitridování v solné lázni, používající síru jako katalyzátor a pracující při 580 C. Pro řešení problémů zadírání / přilnavosti, opotřebení / oděru, únavy materiálu, důlkové koroze, pro všechny slitiny železa (oceli, železa, spékané oceli ). ARCOR technologie SURSULF (technologie nitridování v solné lázni) s následnou specielní oxidační lázní (OXYNIT) s leštěním nebo bez něho, a s re-oxidační technologií v solné lázni, kombinovanou s impregnací na bázi polymeru, poskytuje neobyčejně dobré výsledky pro dílce: tvrdost a odolnost proti opotřebení, proti důlkové korozi, odolnost proti únavě materiálu se značně vysokou odolností proti rezavění. (Měřeno v komoře se solnou mlhou od 350 do 700 hodin). Obvykle se zpracovávají: hřídele, ložiska, vahadla, ventily vložky válců, závitořezy, hlavy válců, hřídelky, kolečka, šoupata, schránky (různé použití) lisovadla, průbojníky, nástroje, lisovací formy Technologie ARCOR poskytuje velmi dobré výsledky v dalších oblastech: válcové pružiny pro ovládání plynu válcové tyčinky pro ovládání hydrauliky a vzduchotechniky hydraulické ventily blokovací mechanismy pro automobily hřídelky stěračů, atd. zbrojní průmysl výroba lodí elektromechanika. A salt bath nitriding treatment, using sulphur as a catalyst, and operated by 580 C. For the solution of problems of: seizure / adhesion, wear / abrasion, fatigue, pitting, corrosion, in all ferrous alloys (steel, irons, sintered irons ). ARCOR the SURSULF process (a salt bath nitriding treatment) followed with a special oxiding bath (OXYNIT), with or without polishing, and a re-oxiding process in the salt bath combined with a polymer base impregnation gives an extremely good results for pieces: hard and good wear, pitting, fatigue resistance, with a very high corrosion resistance, measured in salt spray chamber from 350 up to 700 hours. The use it to treat: cram shafts, gears, rockers, valves cylinder liners, tappers, cylinder heads, cram shafts, wheels, slides, differential boxes dies, punches, tools, moulds The ARCOR process gives a very good result in the next fields: gas-spring rods hydraulic and pneumatic cylinder rods hydraulic valves automobile lock mechanism window wiper shafts, etc. arms marine electromechanics. 1. VÝBĚR TECHNOLOGIE V současné době dochází k prudkému rozvoji strojírenské technologie ovlivněné průnikem moderních obráběcích automatů na náš trh ze zahraničí. 1

2 Obráběcí i tvářecí automaty včetně CNC manipulátorů, jejichž vývoj a konstrukce jsou realizovány za podpory CAD systému, dovedou vyrobit v podstatě jakoukoliv součást z oceli nebo litiny. Jednou z cest, jak zvýšit užitnou hodnotu těchto součásti je pozitivní ovlivnění jejich vlastností na povrchu. 1) Zde se nabízí k výběru řada metod od plazmaticky vytvářených povlaků (TiN, Ti + TiC, TiAlN) a jiné žárově stříkané povlaky, elektrolytické procesy tvrdého chromování (CrN), vysokoteplotní vakuová nitridace, nízkotlaká cementace s přetlakovým kalením v plynu 2) včetně konvenční cementace v plynu, dále chromatovaní, niklování, žárové i galvanické pozinkování, fosfátování aj., při čemž posledně jmenované metody zvyšují vedle kluznosti pouze odolnost vůči korozi. Výběr metody závisí na uživateli s přihlédnutím na podmínky, ve kterých bude vyrobená součást pracovat a samozřejmě s přihlédnutím k tomu, jakou kvalitu je zákazník ochoten zaplatit. Dovolujeme si vám v našem příspěvku představit moderní chemicko tepelnou metodu difuzního povrchového zušlechtění Fe materiálů, kterou vedle řady zahraničních firem téměř 2 roky úspěšně využívají více jak dvě desítky českých firem z automobilového, zbrojního a strojírenského průmyslu. Tato metoda, vedle povrchového zpevnění bez změny rozměru součástí, zajišťuje dosažení odolnosti vůči korozi vyšší než Ni + Cr. 1.1 Využití technologie Proces Carbo-Nitro-Oxidace obchodní označení ARCOR je určen pro všechny směry průmyslové výroby, a to především pro: - Automobilový průmysl a jeho dodavatele - Zbrojní průmysl - Letecký průmysl a výrobu hydrauliky - Výrobu kovoobráběcích a dřevoobráběcích strojů - Výrobu textilních, kožešinových a šicích strojů - Výrobu zemědělských strojů a zařízení - Výrobu optických zařízení - Výrobu čerpadel, chemických zařízení. 2. TECHNICKÝ POPIS ARCOR = technologie Carbo-Nitro-Oxidace, která se provádí v tavenině solí alkalických kovů při teplotě 570 ± 5 C s následnou oxidací. 3) Proces Carbo-Nitro-Oxidace je velice progresivní. Používá se za účelem zušlechtění Fe materiálů, a to především vytvrzení povrchu, získání vysoké houževnatosti materiálu, kluznosti problémy otěru a zadírání, únavy, korozi, odolnosti a efektivního vzhledu černé lesklé barvy. 2.1 Carbonitrooxidace ARCOR = SURSULF + ONYNIT = CARBONITROOXIDACE. Technologie ARCOR je kombinací carbonitridace v solné lázni SURSULF, používající síru S +2 jako katalyzátor pracující při teplotě T = 570 ± 5 C (případně ARCOR V pracující při teplotě 590 C a vyvinutý specielně pro ventily automobilových motorů) a oxidaci v solné lázni OXYNIT za teploty 430 ± 10 C. Carbonitooxidace = Nitrocarborace. Specielní složení solné lázně SURSULF zabezpečuje značně vysoký potenciál nitridování v důsledku toho, že: - částice složenin solí (Li +, K +, Na +, CNO -, CO 2-3 ) zajišťují lepší chemickou a tepelnou stabilitu lázně - zvýšenou kinetiku difúze dusíku do Fe materiálů 2

3 - podporuje vytváření homogenní vrstvy nitridů a umožňuje vytvářet strukturu a tloušťku vrstvy tak, aby byla schopna dávat řešení a výsledky takových problémů, jakou jsou: opotřebení, zadírání, koroze a únava materiálu. Technologie ARCOR je ve své aplikaci velmi spolehlivá, reprodukovatelná na všechny Fe materiály za velice výjimečných vlastností, které takto upravené výrobky a součástky získají. Tyto výjimečné vlastnosti jsou dále podtrženy nízkými provozními náklady takto upravených součástí a výrobků. Technologie SURSULF = carbonitridační lázeň, byla vyvinuta francouzskou firmou H.E.F. tak, aby: - byla málo znečišťující pro životní prostředí - lázeň umožňovala, v závislosti na regulaci funkčních parametrů, různé typy mikrovrstvy počínaje od kompaktních vrstev různé tloušťky až po vrstvy porézní. Lázeň tedy umožňuje získat mikrovrstvy dobře přizpůsobivé požadovanému problému (opotřebení, zadírání a koroze) a aby umožnila propůjčit opracovaným dílcům výjimečnou odolnost proti únavě materiálu a efektivní černé provedení. 2.2 Technické podmínky a parametry A. Standardní sestava technologie ARCOR (viz. obr. 1a) 1. Čištění odmaštění C (dle typu přípravku) 2. Oplach vodou 3. Předehřívání max. 350 C 4. Technologie SURSULF 570± 5 C (technologický čas je proměnlivý podle požadovaného účelu a typu slitin železa od ) 5. Technologie OXYNIT 430 ± 10 C, t = Chlazení vodou ponorem 7. Oplach teplou vodou 80 C 8. Kondicionování a sušení. Pro získání lesklého černého povrchu je nutné zařadit omílání a znovu dílce podrobit technologii OXYNIT. Dílce tak dosáhnou požadovaného lesku, hrubosti (Ra = takové jako na polotovaru) a korozi odolného povrchu. Obr. 1. a) Schéma technologie b) Mikrostruktura povrchu c) Korozní diagram B. Standardní chemické reakce Nitridační schopnost lázně se získává reakcemi dismutace a následujícími oxidacemi: 1. 4 CNO - CO CO + 2 CN N 2. 2 CNO - + O 2 CO CO + 2 N Avšak také, jak jsme viděli, uvolňováním amoniaku NH 3, který se vytváří regenerováním kyanatanů na uhličitany; jde o reakci typu: 3

4 3. CR2 + x CO 3 2- ycno - + NH 3 + zco 2 + uh 2 O Stopy kyanidů, získané podle reakce 1. redukují se v lázni oxidovanými částicemi síry podle reakce: SO CN - 3 CNO - + S Popis vrstvy SURSULF je v podstatě technologie nitridace, z toho vyplývá morfologie vrstvy, její tloušťky, její mechanické vlastnosti, jakož i pronikání dusíku do základu, což se mění v závislosti na podstatě tohoto základu, zejména na jeho chemickém složení (obsah chrómu, molybdenu, niklu, atd.). V dalším textu je popsána jako příklad vrstva SURSULF získaná na nelegované oceli /XC 38 (12040) žíhaná/, zpracovávaná po dobu 90 minut v lázni obsahující asi 37 % kyanatanu. Provedeme-li mikrografický řez, můžeme konstatovat o provedené technologii na takové oceli zvnějšku směrem v vnitřku dílce (obr. 1b): Povrchovou vrstvu nazvanou kombinační vrstva, která je hlavně vytvářená nitridem železa (Fe 2-3 N), ve které je na vnější straně jemný rozptyl (poréznost) částic síry a soli lázně; celková tloušťka této kombinační vrstvy je: - blížící se 10 až 14 mikronů, z čehož na vnější straně 2 4 mikrony jemné poréznosti u lázní s nízkým obsahem částic síry - blížící se 15 až 20 mikronů, z toho vně mikronů jemné poréznosti pro lázně bohaté na částice síry. Střední tvrdost této kombinační vrstvy ve své kompaktní části je přibližně 800 Hv 0,025 (tvrdost změřená na příčném řezu). Zóna nazvaná difúzní vrstva s klesající koncentrací dusíku tou měrou, jak proniká do základu, o tloušťce, která může dosáhnout 0,5 až 0,7 mm a s tvrdostí progresivně rostoucí okolo Hv 01 ihned pod kombinační vrstvou s přibližně Hv 01 při hloubce 0,3 mm pro tvrdost jádra přibližně Hv 01 (tvrdost zjištěná na příčném řezu). 3) 2.4 Úloha komponentů - Kyanatany: To jsou nitridující činidla lázně. Poskytují aktivní dusík podle reakce: 4 CNO - CO CO + 2 CN N 2 CNO - + O 2 CO CO + 2 N - Uhličitany: Umožňují na jedné straně zavádění lithia do lázně, na druhé straně, díky působení regenerační soli, poskytují amoniak a kyanatany pro jejich částečnou redukci. CR2 + x CO 3 2- ycno - + NH 3 + zco 2 + uh 2 O - Síra: Díky její částečné oxidaci, způsobené vefukováním vzduchu do objemu lázně, má dvojí roli: - Oxidovaná část síry působí na vznikající kyanidy, které se objevují v průběhu technologie (vliv na chemismus lázně). - Volná síra, tj. část síry neoxidované nebo ještě aktivní síra způsobí jako katalyzátor difůzi dusíku do kovového podkladu a podporuje vznik povrchové poréznosti (vliv na metalurgii vrstvy nazvané kombinační vrstva). Pracovní parametr: Kromě chemismu lázně, uvedeného v předcházející části, podmiňují tři parametry vznik dobrého výsledku technologie SURSULF; jsou to: teplota lázně, množství a pravidelnost přidávání K 2 S během 24 hodin, množství a homogenita rozdělování vzduchu v lázni. 3) 4

5 3. PRŮMYSLOVÉ APLIKACE Obvykle se zpracovávají tyto součásti (obr. 2c): - ozubená kola, hřídele, mechanické válce a dílce, osy, odstředivé spojky, úprava matric, nástrojů, formy na vstřikování Al a plastů - náhrada za tvrdochrom, ventily spalovacích motorů, klikové a váčkové hřídele, hřídelky stěračů, šnekové hřídele, převodové hřídele a ozubené převody, kulové čepy, hydraulické systémy, pístnice, táhla tlumičů, příruby čerpadel, šoupátka, vodící tyče, převodové skříně, těla ventilů, stavěcí šrouby, spojovací materiál, rozvodová kola, automobilové zámky aj. 4) Obr. 2. a) Pec s taveninou soli b) Automatická linka c) Zpracovávané součásti Musíme zdůraznit, že francouzská linka (obr. 2ab) u firmy Katring má zatím omezení váhy zpracovávaných dílů o hmotnosti do 300 kg, Ø 800 mm a výšky 1100 mm. Součásti si zachovávají po chemicko tepelném zušlechtění původní rozměry (tolerance do 3 mikronů), původní drsnost povrchu a získávají černou barvu. Odpadá tedy druhotné strojní opracování, nezbytné u jiných metod nitridace nebo cementace. Zušlechťují se však součásti vyrobené ve finálních rozměrech tedy nekalené výrobky, neboť teplota solné lázně 570 případně 590 C způsobí jejich popuštění. Výjimku tvoří součásti z oceli popuštěných nad 600 C. Vhodné ke zpracování jsou všechny třídy oceli, litiny a ocelolitiny. Výsledná povrchová tvrdost je samozřejmě závislá na základní třídě oceli a částečně na době pobytu součástí v solné lázni ( ). 4. ZÁVĚR Popsaná technologie není samozřejmě universální náhražkou klasické cementace nebo nitridace či povrchového kalení, je nutno s technology uvážlivě posoudit nároky na takto zušlechtěné součásti. Úspěšně se ARCOR osvědčil u hřídelek stěračů skel automobilů, kluzných čepů, vahadel a ventilů automobilových motorů, ozubených kol motocyklů firmy Cagiva, různých součástí zbraní, u součástí, které pak byly místně zušlechtěny žárovým nástřikem např. TiN a řady jiných nejrůznějších řetězových kol, hřídelí elektromotorů, brzdných kroužků, atd. Technologii nelze použít na díly spojované hliníkem, mosazi, bronzi aj. v důsledku vysoké teploty C při zpracování. 5) Zušlechtěné součásti si zachovávají vlastnosti kovu jako elektrická vodivost, magnetizmus, možnost nanášení dalších vrstev (např. místně 5

6 TiN, wolframkarbid aj.) a v podstatě i svařitelnost, i když zde hrozí následné riziko ztráty korozní odolnosti v místě svaru. V rámci přednášky uvedeme několik příkladů protokolů o zkoušce tvrdosti po aplikaci technologie ARCOR u součásti z oceli třídy 17-12, 11. 4) Některé průkaznější diagramy vám nemůžeme ukázat, protože si to příslušné firmy z konkurenčních důvodů a utajení použité technologie nepřály. Ve srovnání finanční náročnosti technologie ARCOR je nutno vzít v úvahu i možnou úsporu kalení, dále druhotného opracování součásti nutné u jiných metod nitridace nebo cementace a možnost náhrady např. nerezových ocelí nižší třídou oceli, při zachování korozní odolnosti jako u nerezi, nebo dokonce i dosažení vyšší korozní odolnosti (obr. 1c). Doufáme, že vám tento příspěvek přinesl informaci o moderní technologii na českém trhu, pro kterou má firmy Katring plus 3 roky exkluzivitu na českém a slovenském trhu, protože byla první v ČR a SR, která zakoupila licenci a pec a dováží soli alkalických kovů od francouzské firmy H.E.F. Uvítáme jakýkoli zájem o tuto technologii a jakoukoli spolupráci včetně praktického odzkoušení u nejrůznějších součástí. LITERATURA 1) LOUDA, P., MILITKÝ, J. & NOCKE, G. Modifikace povrchu textilních materiálů. In Sborník z konference Metal Ostrava: Tanger, 2002, s ) ALTENA, H. aj. Pecní zařízení pro nízkotlaké procesy technologie budoucnosti. Technický týdeník, 2002, roč. 50, č. 13, s ) Firemní materiály firmy H.E.F., Francie, ) Firemní materiály firmy Katring plus, ČR, ) Firemní materiály firmy Sulzer Ruti, Švýcarsko,