Jméno, příjmení Ročník/Skupina

Vyučující (Ú 12 113) VyučujícíIng. J. Křička, Ph.D. Ing. J.

Projekt Materiálová zpráva

Ročník/Skupina Paralelka KOS

Vyučující (Ú 12 132) Odevzdáno dne J. Horník, Ph.D. 22. 4. 2010

E-mail

Hodnocení

Projekt Materiálová zpráva

2

Obsah 1. Zadání .............................................................................................................................................. 4

1.1 Parametry součásti .................................................................................................................... 4

1.2 Hrubý nástin technologického postupu výroby součásti ............................................................ 4

1.3 Požadované mechanické vlastnosti materiálu ............................................................................ 4

2. První varianta - cementování ............................................................................................................ 4

2.1 Požadované vlastnosti materiálu po CHTZ ............................................................................... 4

2.2 Návrh možných materiálů ......................................................................................................... 4

2.2.1 1. navržený materiál .............................................................................................................. 4

2.2.2 2. navržený materiál .............................................................................................................. 5

2.2.3 3. navržený materiál .............................................................................................................. 5

2.2.4 Volba materiálu pro detailní rozpracování postupu CHTZ ................................................... 5

2.3 Vlastnosti zvoleného materiálu ................................................................................................. 6

2.4 Postup chemicko-tepelného zpracování .................................................................................... 6

2.4.1 Normalizační žíhání .............................................................................................................. 6

2.4.2 Cementace ............................................................................................................................ 6

2.4.3 Kalení ................................................................................................................................... 7

2.4.4 Popouštění ........................................................................................................................... 7

2.5 Diagram TZ (Termograf) .......................................................................................................... 7

2.6 Použité stroje a zařízení ............................................................................................................ 7

2.7 Použité chemické látky.............................................................................................................. 8

3. Druhá varianta - nitridace ................................................................................................................. 8

3.1 Požadované vlastnosti materiálu ............................................................................................... 8

3.2 Návrh možných materiálů ......................................................................................................... 8

3.2.1 1. navržený materiál .............................................................................................................. 8

3.2.2 2. navržený materiál .............................................................................................................. 8

3.2.3 3. navržený materiál .............................................................................................................. 8

3.2.4 Volba materiálu pro detailní rozpracování CHTZ ................................................................. 9

3.3 Vlastnosti zvoleného materiálu ................................................................................................. 9

3.4 Postup chemicko-tepelného zpracování .................................................................................... 9

3.4.1 Normalizační žíhání .............................................................................................................. 9

3.4.2 Zušlechtění – Kalení ............................................................................................................. 9

3.4.3 Zušlechtění – Popouštění ................................................................................................... 10

3.4.4 Nitridování ......................................................................................................................... 10

Projekt Materiálová zpráva

3

3.5 Diagramy TZ .......................................................................................................................... 11

3.6 Použité stroje a zařízení .......................................................................................................... 11

3.7 Použité chemické látky............................................................................................................ 11

4. Závěr .............................................................................................................................................. 11

5. Zdroje ............................................................................................................................................ 11

6. Přílohy ............................................................................................................................................ 11

Projekt Materiálová zpráva

4

1. Zadání

Pro danou ozubenou součást převodovky vypracujte podrobný postup tepelného či chemicko-tepelného zpracování (dále TZ, případně CHTZ). Uvažujte potřebné mechanické vlastnosti, konstrukční, technologické a ekonomické hledisko. Pro součást navrhněte i alternativní materiál s jiným typem TZ/CHTZ.

1.1 Parametry součásti Součást Polotovar Počet kusů Průměr da Šířka Modul Hmotnost Oz. kolo Výkovek 650 134 mm 20 mm 1 0,96 kg

Výrobní výkres zpracovávané součásti je v příloze [A].

1.2 Hrubý nástin technologického postupu výroby součásti - Dělení materiálu - Výroba polotovaru (pěchování – předkování – dokování) - Mezioperační tepelné zpracování – normalizační žíhání - Kontrola rozměrů - Otryskání - Obrábění (soustružení, vrtání, protahování, výroba ozubení) - Kontrola rozměrů - Chemicko-tepelné zpracování - Broušení ozubení - Kontrola rozměrů a vlastností

1.3 Požadované mechanické vlastnosti materiálu Pro výběr materiálu dle [2] jsou následující požadavky na jejich parametry z hlediska pevnostní kontroly ozubení:

Mez únavy v ohybu σFlim = 400 MPa min.

Mez únavy v dotyku σHlim = 900 MPa min.

Tvrdost boků zubů 350 HV min.

2. První varianta - cementování

Dle požadavku vyučujícího je první variantou cementování v plynu s následným tepelným zpracováním.

2.1 Požadované vlastnosti materiálu po CHTZ Viz výkres součásti [A]

Tloušťka cementační vrstvy CHD 0,4 mm

Tvrdost na boku zubu 700 HV (60 HRC)

Tvrdost v jádře zubu 250 HV

2.2 Návrh možných materiálů Dle tab. IV na str. 26 v [2] (nebo str.10 v [3]) volím materiály, které (dle tabulky) vyhovují

požadavkům na mechanické vlastnosti. Pro materiály jsou uvedeny relevantní mechanické vlastnosti a cena za kilogram (pro materiál dodaný ve formě tyčí Ø50) dle katalogu firmy Ferona.

2.2.1 1. navržený materiál

Prvním materiálem je uhlíková ocel k cementování

12 020 ČSN 41 2020

Projekt Materiálová zpráva

5

S následujícími parametry:

Tvrdost HV Mez únavy Pevnost jádra Cena V jádře zubu Na boku zubu V ohybu [MPa] V dotyku [MPa] Rm [MPa] [Kč/kg]

1351 650 - 720 500 1210 600 min. 22,27

Ekvivalentní oceli dle zahraničních norem

Ck 15 (1.1141) dle DIN 17 200

2.2.2 2. navržený materiál

Druhým materiálem je manganchromová ocel k cementování

14 220 ČSN 41 4220

S následujícími parametry:

Tvrdost HV Mez únavy Pevnost jádra Cena V jádře zubu Na boku zubu V ohybu [MPa] V dotyku [MPa] Rm [MPa] [Kč/kg]

250 650 - 720 700 1270 965 min. 22,20

Ekvivalentní oceli dle zahraničních norem:

16MnCrS5 (1.7139) dle DIN 17 210 a EN 10084

16MnCr5 (1.7131) dle EN 10084

2.2.3 3. navržený materiál

Třetím materiálem je chromniklová ocel k cementování

16 420 ČSN 41 6420

S následujícími parametry:

Tvrdost HV Mez únavy Pevnost jádra Cena V jádře zubu Na boku zubu V ohybu [MPa] V dotyku [MPa] Rm [MPa] [Kč/kg]

300 650 - 720 700 1270 1000 min. 66,40

Ekvivalentní oceli dle zahraničních norem:

15NiCr13 dle EN 10089

2.2.4 Volba materiálu pro detailní rozpracování postupu CHTZ

Celkové zhodnocení materiálů je následující: - 12 020 – Přijatelná cena, ale nevyhovující vlastnosti z hlediska CHTZ pro sériovou výrobu – dle

[3] není možné zaručit mechanické vlastnosti po tepelném zpracování. - 14 220 – Přijatelná cena, vyhovující vlastnosti i vlastnosti z hlediska CHTZ. - 16 420 – Velmi vysoká cena, mechanické vlastnosti výrazně lepší než požadované. Použití tohoto

materiálu je pro zadanou součást neekonomické (materiál je velmi drahý, zlepšení vlastností nevyužijeme).

Jako materiál, pro který bude detailně rozpracován postup CHTZ, tedy volím ocel

14 220 ČSN 41 4220

1 Orientační hodnota

Projekt Materiálová zpráva

6

2.3 Vlastnosti zvoleného materiálu Dle [4] jsou vlastnosti oceli 14 220 následující:

Chemické složení [% hmotnosti]

C Mn Si Cr P S 0,14 – 0,19 1,10 – 1,40 0,17 – 0,37 0,8 – 1,1 0,035 max 0,035 max

Mechanické a fyzikální vlastnosti

Rm [MPa] Re [MPa] E [GPa] G [GPa] ρ [kg.m-3] 785 5881 206 79 7850

Technologické údaje Normalizační

žíhání Cementování

v plynu Kalení Popouštění Tvrdost

cementační vrstvy 880 – 920 °C 900 – 930 °C 810 – 840 °C 150 – 200 °C ~ 63 HRC

AC1 AC3 MS Prokalitelnost

(voda) Prokalitelnost

(olej) 740°C 840°C 400°C Do 65 mm Do 40 mm

Ochlazování po žíhání Ochl. po cementování Ochl. po kalení Ochl. po popouštění

Na vzduchu Na vzduchu nebo v ochlazovací jednotce

Ochlazovat v oleji nebo v lázni 150 – 200 °C Na vzduchu

2.4 Postup chemicko-tepelného zpracování

2.4.1 Normalizační žíhání

- Teplota normalizačního žíhání - Dle [3] jsou teploty pro normalizační žíhání 30 – 50 °C nad AC3 (tedy 870 – 890 °C), dle [4] pak 880 – 920°C (viz tabulka výše). Pro teplotu volím (i s přihlédnutím k energetické náročnosti ohřevu) kompromisní hodnotu 880 °C.

- Čas ohřevu – použito empirické pravidlo dle [3] – 1 min na 1 mm tloušťky, tedy 24 mm = 24 min. Žíháme polotovar – výkovek, proto jsou započítány i přídavky na obrábění (2 mm pro každou plochu)

- Výdrž na teplotě – použito empirické pravidlo dle [3] – 30 minut na 25 mm tloušťky, tedy 24 mm ~ 30 minut.

- Ochlazení – probíhá na vzduchu, čas určím přibližně dle [3]: pro Ø50 3 hodiny, tedy pro 24 mm přibližně 1,5 hodiny (90 minut).

- Řízená atmosféra – není nutná, okujená/oduhličená vrstva bude odstraněna obráběním. - Pec – Aichelin Standard line 500

2.4.2 Cementace

- Teplota cementace – dle [3] 900 – 950 °C, dle [4] pak 900 – 930 °C. Cementační teplota tedy bude 920 °C.

- Čas ohřevu – dle empirického pravidla 20 mm = 20 min (Cementujeme už obrobenou součást). - Síla cementační vrstvy – dle tabulky na str.11 v [3] pro modul m=1 je tloušťka vrstvy v rozmezí

0,3 – 0,5 mm. Zvolenou hodnotou je 0,4 mm. - Výdrž na teplotě – z diagramu na str.5 v [3] odečtěme pro tloušťku cementační vrstvy hodnotu

2 hodiny. Tyto 2 hodiny v sobě zahrnují i dobu ohřevu 20 min, neboť dle [3] probíhá cementace pouze na povrchu, který je zahřátý velmi rychle.

- Ochlazení – řízené v peci na teplotu kalení 840 °C během 20 minut. - Řízená atmosféra – CARBOTHAN firmy Linde (viz [C]) o složení 40% N2, 60% CH3OH

(metylalkohol se při teplotě nad 850 °C rozštěpí na oxid uhelnatý (CO) a vodík (H2). Alternativně je možné použít atmosféru CARBOQUICK, složený z oxidu uhličitého (CO2) a zemního plynu (cca 90% metan – CH4, zbytek ostatní plynné uhlovodíky – etan, propan, butan). Výhodou této alternativy je absence metylalkoholu, nevýhodou složitější aplikace (opět viz [C]).

- Pec – Aichelin Standard line 500

Projekt Materiálová zpráva

7

2.4.3 Kalení

- Teplota kalení – měla by mít hodnotu alespoň Ac3, volím tedy (s ohledem na kalicí teploty doporučené dle [4]) hodnotu 840 °C.

- Čas ohřevu – neohříváme, na kalicí teplotu se dostaneme ochlazením z teploty cementační - Výdrž na teplotě – žádná, k austenitizaci došlo již v průběhu cementování. - Ochlazení – do olejové lázně o teplotě 150°C, dle diagramu v [B] odpovídá kalicí teplotě 840°C

rychlost ochlazování (povrchu) cca 20°C/s, u povrchu se na teplotu olejové lázně z teploty kalení dostaneme za 35 s, celý průřez bude ochlazen přibližně za 20 minut (přibližně dle [3]).

- Kalicí olej – ExxonMobil HärtenÖl XM50 (vlastnosti viz [B]) - Pec – Aichelin Standard Line 500 (respektive její integrovaná olejová lázeň)

2.4.4 Popouštění

- Teplota popouštění – dle [4] 180°C. - Čas ohřevu – opět použijeme pravidlo 1 mm = 1 min, ale vzhledem k nízké teplotě je nutné

násobit čas koeficientem k = 5. Výsledný čas ohřevu je tedy 100 minut. Pro účely sestrojení termogramu předpokládám, že kalení a popouštění nenásledují bezprostředně po sobě, součást tedy z teploty lázně vychladne na teplotu okolí (20°C).

- Výdrž na teplotě – dle [3] 60 minut. - Ochlazení – probíhá na vzduchu, čas ochlazování přibližně 90 minut. - Ochranná atmosféra – Vzhledem k nízkým teplotám není nutná. - Pec – Aichelin Standard line 500

2.5 Diagram TZ (Termograf)

Celková doba CHTZ cementací je tedy

554 minut = 9 hodin 14 minut 2.6 Použité stroje a zařízení Komorová pec Aichelin Standard line 500 (velikost 3) s parametry

Velikost Max. délka vsázky Max. šířka vsázky Max. výška vsázky Max. hmotnost vsázky 3 1100 mm 600 650 650 kg

Možnost vytápění plynem či elektricky odporově Integrovaná olejová lázeň Ostatní parametry jsou v příloze [D].

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 100 200 300 400 500 600

Termograf CHTZ oceli 14 220τ [°C]

T [min]

Ac3

Ac1

Projekt Materiálová zpráva

8

2.7 Použité chemické látky - Kalicí olej – ExxonMobil HärtenÖl XM 50 - Cementační / ochranná atmosféra – Linde CARBOTHAN - Cementační atmosféra – Linde CARBOQUICK (alternativně)

3. Druhá varianta - nitridace

Jako druhý postup CHTZ bylo zvoleno nitridování z důvodu nedostatečných mechanických vlastností materiálu při jiných způsobech TZ/CHTZ, zvláště nedostatečné hodnoty meze únavy v dotyku.

3.1 Požadované vlastnosti materiálu

Tloušťka nitridační vrstvy 0,3 mm

Tvrdost na boku zubu 750 HV (62 HRC)

Tvrdost v jádře zubu 250 HV

3.2 Návrh možných materiálů Dle tab. IV na str. 26 v [2] (nebo str.10 v [3]) volím materiály, které (dle tabulky) vyhovují požadavkům na mechanické vlastnosti. Pro materiály jsou uvedeny relevantní mechanické vlastnosti a cena za kilogram (pro materiál dodaný ve formě tyčí Ø50) dle katalogu firmy Ferona.

3.2.1 1. navržený materiál

Prvním materiálem je Cr-Al ocel k nitridování

14 340 ČSN 41 4340

S následujícími parametry:

Tvrdost HV Mez únavy Pevnost jádra Cena V jádře zubu Na boku zubu V ohybu [MPa] V dotyku [MPa] Rm [MPa] [Kč/kg]

270 900 580 1180 800 25,41

Ekvivalentní oceli dle zahraničních norem:

34CrAl6 dle DIN

3.2.2 2. navržený materiál

Druhým materiálem je chromvanadová ocel k nitridování

15 330 ČSN 41 5330

S následujícími parametry:

Tvrdost HV Mez únavy Pevnost jádra Cena V jádře zubu Na boku zubu V ohybu [MPa] V dotyku [MPa] Rm [MPa] [Kč/kg]

250 800 705 1180 900 35,72

Zde je ovšem cena počítána pro jiný polotovar – sochor s a = 70 mm. Ekvivalentní oceli dle zahraničních norem:

30CrMoV9 dle DIN 17 204

3.2.3 3. navržený materiál

Třetím navrženým materiálem je ocel k nitridování

16 343 ČSN 41 6343

Projekt Materiálová zpráva

9

S následujícími parametry:

Tvrdost HV Mez únavy Pevnost jádra Cena V jádře zubu Na boku zubu V ohybu [MPa] V dotyku [MPa] Rm [MPa] [Kč/kg]

300 750 730 1180 950 53,21

Ekvivalentní materiály dle zahraničních norem:

34CrNiMo dle DIN 17 200

3.2.4 Volba materiálu pro detailní rozpracování CHTZ

Celkové zhodnocení materiálů je následující: - 14 340 – Dobrá cena, vyhovující mechanické vlastnosti, dle [4] je ovšem nevhodný pro ozubená

kola. - 15 330 – Poměrně vysoká cena, dobré mechanické vlastnosti, dle [4] zvláště vhodný materiál pro

ozubená kola - 16 343 – Vysoká cena, velmi dobré mechanické vlastnosti. Použití tohoto materiálu je pro

zadanou součást neekonomické.

3.3 Vlastnosti zvoleného materiálu

Chemické složení [% hmotnosti]

C Mn Si Cr Mo V P S 0,24 – 0,34 0,4 – 0,8 0,17 – 0,37 2,30 – 2,70 0,20 – 0,30 0,15 – 0,30 0,035 max 0,035 max

Mechanické a fyzikální vlastnosti

Rm [MPa] Re [MPa] E [GPa] G [GPa] ρ [kg.m-3] 900 630 199 81 7850

Technologické údaje Normalizační

žíhání Nitridace Kalení Popouštění Tvrdost

cementační vrstvy 800 – 860 °C 490 – 520°C 850 – 890 °C 550 – 650 °C 750 HV5

AC1 AC3 MS Prokalitelnost

(voda) Prokalitelnost

(olej) 790°C 845°C neudána Do 70 mm Do 45 mm

Ochlazování po žíhání Ochl. po nitridování Ochl. po kalení Ochl. po popouštění Na vzduchu Neudáno Ochlazovat v oleji Ve vodě nebo v oleji

3.4 Postup chemicko-tepelného zpracování

3.4.1 Normalizační žíhání

- Teplota žíhání – dle [4] (viz tabulka výše) volím teplotu 820 °C. - Čas ohřevu – Použito empirické pravidlo dle [3], tedy 24 mm = 24 min. - Výdrž na teplotě – Použito empirické pravidlo 25 mm = 30 min, tuto hodnotu zachováme i pro

24 mm. - Ochlazení – Na vzduchu, dle empirického pravidla (viz bod 2.4.1) bude čas ochlazení 90 min. - Řízená atmosféra – žádná není zapotřebí, negativně ovlivněná vrstva materiálu bude odstraněna

obráběním. - Pec – Aichelin Standard line 500

3.4.2 Zušlechtění – Kalení

- Teplota kalení – volena z rozsahu ve [4] – 860°C. - Čas ohřevu – dle empirického pravidla z [3] 20 mm = 20 minut. - Výdrž na teplotě – dle empirického pravidla z [3] pro tloušťku 20 mm (< 50 mm) 20 minut. - Ochlazení – ochlazení v oleji o teplotě 60 °C. Čas ochlazení pro povrch dle diagramu v [B] 40 s,

celý průřez přibližně za 20 min. (dle [3]).

Projekt Materiálová zpráva

10

- Řízená atmosféra – Linde CARBOTHAN - Kalicí olej - ExxonMobil HärtenÖl XM 50 - Pec – Aichelin Standard line 500

3.4.3 Zušlechtění – Popouštění

- Teplota popouštění – dle popouštěcí křivky ve [4] volím teplotu popouštění 600 °C. - Čas ohřevu – dle empirického pravidla 20 mm = 20 min, je ale nutno násobit koeficientem 1,5.

Výsledný čas je tedy 30 minut. Mezi kalením a popouštěním opět předpokládám vychladnutí součásti na teplotu okolí.

- Výdrž na teplotě – pro tento parametr není k dispozici žádný zdroj (křivka ve [4] udává pouze teploty), budu se tedy řídit obvyklými hodnotami uvedenými ve [3]. Doba výdrže na teplotě je 1 hodina.

- Ochlazení – ochlazujeme v oleji, doba ochlazování odhadnuta (s pomocí empirického pravidla v [3]) na 18 minut.

- Řízená atmosféra – Linde CARBOTHAN. Neobsahuje žádné uhlovodíky, je tedy vhodný i pro teploty do 750 °C.

- Olej - ExxonMobil HärtenÖl XM 50 - Pec – Aichelin Standard line 500

3.4.4 Nitridování

- Teplota nitridování – dle [4] volím teplotu tak, aby mezi teplotou nitridace a nejnižší hodnotou z rozsahu teplot u popouštění byl rozdíl alespoň 50 °C. Teplota nitridace tedy bude 500 °C.

- Čas ohřevu – obdobně jako u popouštění, tedy 20 mm = 20 min × 1,5 = 30 minut. - Výdrž na teplotě – dle nitridované vrstvy, která u modulu m = 1 činí 0,3 mm. Dle diagramu níže

je pro vrstvu 0,3 mm při teplotě 500 °C odpovídající doba nitridace 20 hodin. - Ochlazení – Probíhá na vzduchu, pro výpočet doby použijeme empirický vztah podobně jako u

žíhání (bod 3.4.1), pouze s úpravou pro nižší teplotu. Čas ochlazení tedy bude přibližně 70 minut. - Řízená atmosféra – Linde CARBOMIX (viz [C]). - Pec – Aichelin Standard line 500

Projekt Materiálová zpráva

11

3.5 Diagramy TZ

Celkový čas CHTZ nitridováním tedy bude

1612 minut = 26 hodin 52 minut 3.6 Použité stroje a zařízení Komorová pec Aichelin Standard line 500 (velikost 3) s parametry

Velikost Max. délka vsázky Max. šířka vsázky Max. výška vsázky Max. hmotnost vsázky 3 1100 mm 600 650 650 kg

Možnost vytápění plynem či elektricky odporově Integrovaná olejová lázeň Ostatní parametry jsou v příloze [D].

3.7 Použité chemické látky - Kalicí olej – ExxonMobil HärtenÖl XM 50 - Ochranná atmosféra – Linde CARBOTHAN - Nitridační atmosféra – Linde CARBOMIX

4. Závěr

Na závěr provedu srovnání obou postupů. Druhý postup – nitridace je výrazně nákladnější, a to jak z hlediska ceny výchozího materiálu, časů (poměr téměř 3:1 v neprospěch nitridace), tak i z hlediska spotřeby energie (více ohřevů u nitridace). Prioritní volbou tedy bude ocel 14 220 zpracovaná cementací, pouze v případě, že nebude z jakéhokoli důvodu možné tento materiál zajistit, je možno přistoupit k druhé variantě.

5. Zdroje

[1] MACEK, K., ZUNA, P.: Strojírenské materiály. Praha, Vydavatelství ČVUT 2003. [2] KUGL, O. a kol.: Projekt – III. Ročník. Praha, Vydavatelství ČVUT 2005. [3] http://www.umi.fs.cvut.cz/index_soubory/vyuka/projekt1/PROJEKT.pdf [4] Materiálové listy

6. Přílohy

[A] Výkres součásti [B] Vlastnosti oleje XM50 dle katalogu ExxonMobil [C] Přehled průmyslových plynů pro tepelné zpracování Linde [D] Katalogový list univerzálních komorových pecí Aichelin

0

200

400

600

800

1000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Termogram CHTZ oceli 15 330τ [°C]

T [min]

Ac3

Ac1