PRASKLINY CEMENTOVANÝCH KOLAntonín 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 teplotase 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 zvětšenídifúzivity uhlíku v austenitu (nebezpečí hrubnutí austenitického zrna a zvětšeníopotřebení 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 ČÁSTVelká ozubená kola byla vyrobena z materiálu 18CrNiMo76 QT. Polotovar byl tvářen. Po vyhrubování byly polotovary kol cementovány a zušlechtěny. Posledníoperací bylo broušení, během něhož se na některých ozubených kolech s nepravidelností objevovaly praskliny.

Cílem expertíz bylo stanovit příčinu praskánía 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.

Hluboká trhlina na boku zubu Četné trhliny v hlavové části zubu

Strukturní stav ozubených kol

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

0,930,87

0,750,67

0,52

0,9

0,59

0,23

0,33

0,41

0,18

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Vzdálenost od povrchu [mm]

Obs

ah C

[%]

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.

Časový úsek difúzní etapy v % etapy sycení

Jak vyplývá grafu, měla by být minimální difúzní doba 12% z doby sytící.

Z tohoto předpokladu vyplývá, že při celkové době15 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 ažu samého okraje. Jejich přítomnost dokládá, že jednak je zde vyššíobsah 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 strukturnístav. 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 rozhodujícíjejich délka, ale iniciační centrum a takézpůsob šíření. Na celkovém snímku je vidět, že u povrchu se šířítranskrystalicky, 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.

V celé technologické praxi se lze setkat s řadou případů, kdy ve výrobku vznikajívnitřní 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 tvářeníza 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“.

Další možnosti eliminace vzniku prasklin

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.

3932,6mm4023,3 mm

4591,5 mm4542,0 mm

505900 µm5791,24 mm

517534 µm626771 µm

58093µm639285 µm

HVPoloha vtisku od povrchuHVPoloha vtisku od povrchu

OL31534- ZUB1 – 400°COL31534- ZUB1 – 230°C4512,15 mm

4871,5 mm4601,8 mm

543874 µm5611,55 mm

594570 µm6021,05 mm

59862µm680250 µm

HVPoloha vtisku od povrchuHVPoloha vtisku od povrchu

OL31534- ZUB1 – 300°COL31534- ZUB1

OL31534- ZUB1

707

665 665679

659640

599582

484

432418 418

399

546

350

400

450

500

550

600

650

700

750

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]

HV1

OL31534- ZUB1 230°C

721

686 686659

646628

556

472 472 461435 432 428

406

542

350

400

450

500

550

600

650

700

750

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]

HV1

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 každéoperaci zjistit, jaký je přírůstek vnitřního napětí. Pak by bylo nutnérozhodnout podle dohodnutých pravidel, jestli nese vinu ten, kdozajišťuje operaci, v níž byl přírůstek největší, nebo až ten, kdy se absolutní hodnota projevila rozvojem prasklin, tak jako je tomu v současnosti.

Analýzami bylo zjištěno, že při cementaci nebyla přesně nedodržena technologie. Rovněž požadavek cementovat 3 mm je značný a je taképříčinou 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