PRASKLINY CEMENTOVANÝCH KOL Antonín Kříž, Bohumil Dostál ZČU v Plzni - KMM, Univerzitní 22 e-mail: kriz@kmm.zcu.cz Wikov Gear s.r.o. e-mail: bdostal@wikov.com
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 Obsah C [%] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,9 0,93 0,87 0,75 0,67 0,59 0,52 0,41 0,33 0,23 0,18 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Vzdálenost od povrchu [mm]
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. Časový úsek difúzní etapy v % etapy sycení 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 sytící. 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 Poloha vtisku od povrchu HV 250 µm 680 1,05 mm 602 1,55 mm 561 1,8 mm 460 2,15 mm 451 OL31534- ZUB1 230 C Poloha vtisku od povrchu HV 285 µm 639 771 µm 626 1,24 mm 579 2,0 mm 454 3,3 mm 402 OL31534- ZUB1 300 C Poloha vtisku od povrchu HV 62µm 598 570 µm 594 874 µm 543 1,5 mm 487 OL31534- ZUB1 400 C Poloha vtisku od povrchu HV 93µm 580 534 µm 517 900 µm 505 1,5 mm 459 2,6mm 393
OL31534- ZUB1 OL31534- ZUB1 230 C 750 700 707 750 700 721 686 686 650 665 665 679 659 640 650 659 646 628 600 599 582 600 HV1 550 546 HV1 550 556 542 500 450 484 500 450 472 472 461 435 432 428 400 432 418 418 399 400 406 350 0,02 0,025 0,1 0,3 0,6 0,7 1,2 1,4 1,7 1,9 2,2 2,6 3 3,3 Vzdálenost [mm] 350 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 vsoučasnosti. 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