Řízená kapalinová iontová karbonitridace jako alternativa ke galvanickému pokovování

Řízená kapalinová iontová karbonitridace jako alternativa ke galvanickému pokovování
Postupy CLIN představují skupinu moderních a k životnímu prostředí šetrných procesů pro karbonitridaci a pro oxidaci oceli a litiny. Difúze dusíku a uhlíku vede ke vzniku takzvané sloučeninové vrstvy, která má nekovový charakter. Vynikající výhodou této okrajové zóny v porovnání s jinými typy povrchové úpravy je, že se sloučeninová vrstva vytváří na základním materiálu a nikoliv nanášením na povrch. Proto vykazuje velmi dobré přilnutí a má nepochybně sníženou citlivost k prasklinám. Sloučeninová vrstva je podepřená níže uloženou difúzní vrstvou. Díly, zpracované postupem CLIN, nabízejí výtečnou ochranu proti opotřebení, oděru, důlkové korozi a únavě.

Charakteristiky procesu

V  solných taveninách je možné v zásadě bez jakékoliv speciální  předběžné úpravy karbonitridovat všechny typy železných materiálů, jako jsou austenitické oceli, litiny nebo sintrované materiály. Provozní postup není komplikovaný. Po krátkém předběžném očištění a po předehřátí na vzduchu na teplotu  350 až 400°C, se díly  karbonitridují  v solné tavenině, všeobecně po dobu 60 až 120 minut. Teplota  zpracování  je obvykle  570 až  590 °C.  Ve  speciálních případech se  mohou používat  i nižší teploty (480°C) nebo vyšší teploty (630°C). Pro ochlazení se používá voda, vzduch, dusík, vakuum nebo  oxidační chladicí  lázeň. Tento  naposledy  jmenovaný  způsob poskytuje  významné  zvýšení korozní  odolnosti zpracovaných  dílů.  Potom  se  výrobní  dávka  čistí  horkou vodou v kaskádovém mycím zařízení. Pro karbonitridační taveninu je potřeba sledovat jen následujících několik parametrů :

  • chemické složení taveniny
  • teplotu zpracování
  • dobu zpracování

Solné  taveniny  poskytují  ve  srovnání  s jinými  provozními  médii  výjimečně  vysokou  nabídku  dusíku. Proces karbonitridace začíná bezprostředně po ponoření dílu do kapaliny. Již po několika minutách se zde ukazuje kompaktní sloučeninová vrstva.

V průmyslově  používaných  solích  se  jako  dárce  dusíku  používají  nejedovaté  sodné  a draselné kyanatany. Při reakci na povrchu dílu vzniká z alkalického kyanatanu uhličitan, s jen pomalou změnou složení  solné  taveniny.  Pomocí  průběžného  přidávání  nejedovatého  polymerického  organického regenerátoru  se  uhličitan,  jako  produkt  rozkladu,  přímo  v tavenině  recykluje  na aktivní  kyanatan. Protože prakticky nedochází  ke změně objemu, tak při požadovaném nastavování složení nedochází k vylévání přebytků soli.

Speciální  charakteristiku  dílů,  zpracovaných  postupem  CLIN,  představuje  téměř  jednofázová ε-karbonitridová  sloučeninová  vrstva s velmi vysokým obsahem dusíku 6 až  11 hmotnostních procent a s obsahem  uhlíku  0,5  až  2 hmotnostní  procenta.  Při  obvyklé  době  zpracování  60  až  120  minut dosahuje sloučeninová  vrstva sílu 10 až 20 μm. Se stoupajícím obsahem legujících prvků dochází ke snížení nárůstu vrstvy.

Obrázek 1 : Kvalita sloučeninové vrstvy po zkoušce v solné mlze v době trvání 1008 hodin

Díly, zpracované postupem CLIN, jsou dobře známé svojí vynikající odolností proti opotřebení, korozi a únavě. Navíc se zde podstatně snižuje tendence k oděru nebo k nalepování. Korozní odolnost se dále  může dramaticky zlepšit při přímém zachlazení dílů do oxidační solné  taveniny, podle potřeby s následným impregnačním krokem. Obrázek  1  ukazuje kvalitu  sloučeninové vrstvyna dílech, které prošly  celou  zkouškou  v době  trvání  1008 hodin.  Kromě  projevu  slabého  ztmavnutí  na  horní  části vrstvy a v pórech je samotná vrstva ve vynikajícím stavu.

Aplikace

Ventily ve spalovacích motorech představují díly s vysokými nároky v parametrech odolnosti proti tepelnému namáhání, opotřebení a korozi (viz obrázek 2).

 

 Obrázek 2: Ventily zpracované postupem CLIN

 

Při porovnání s dříve obvyklým chromováním se mohou výrobní náklady pomocí karbonitridace snížit, protože se může vynechat indukční kalení a konečné broušení. Navíc se nemusí dřík výfukového ventilu vyrábět z oceli pro indukční kalení. Celý ventil je možné vyrobit ze žáruvzdorné austenitické oceli. Zatím se s dobrým rozvojem v solných taveninách zpracovalo více než 250 miliónů ventilů. Doby zpracování pro karbonitridaci se pohybují v rozsahu od 15 do 90 minut, podle specifikace. V závislosti na rozměru zpracovatelského zařízení jsou velikosti výrobní dávky mezi 2500 a 4000 kusy. Realizuje se tedy produktivita výrazně pod 1 sekundu na jeden ventil. Rovněž se díky krátkým dobám zpracováni ani nemusejí udržovat nadměrné vyrovnávací kapacity pro případy změny rozměrů, materiálů nebo požadavků.

Karbonitridace v solné lázni spolu s následujícím oxidačním zpracováním se stále více a více používá pro pístní tyčky, hydraulické válce nebo pouzdra. Používají se materiály jako jsou konstrukční oceli, a nelegované nebo nízko legované oceli. Požadovaná doba výdrže při zkoušce v solné mlze je většinou 144 hodin bez vzniku korozních skvrn.

 

Obrázek 3 : Tyčky plynových pružin zpracované postupem CLIN

Obrázek 3 ukazuje příklad pístní tyčky plynové pružiny, jaká se používá v automobilovém a v leteckém průmyslu, ve strojírenství nebo v kancelářských křeslech. Na základě náhrady chromové vrstvy se zde dosáhla pozoruhodná úspora nákladů. Karbonitridace se uskutečňuje v plně automatizovaném zařízení. Kombinace až čtyřech pecí v jednom provozním podniku umožňuje dosažení doby cyklu 0,5 až 0,6 sekundy na jednu pístní tyčku.

Pro pohonné osy stěračů oken automobilů se většinou používá zinkovaná nebo niklovaná ocel, ale v průběhu provozu se často objevují problémy s korozí. Navíc jsou galvanicky povrchově zpravované díly čelního převodu se šikmým ozubením poměrně měkké, takže v průběhu životnosti vykazují sklony k prokluzování.

Zatím se pomocí postupu CLIN zpracovává více než 50 miliónů těchto os za rok (viz obrázek 4) a používají se u téměř všech vedoucích výrobců automobilů. Závit má lepší odolnost ve zkrutu a díky tomu se může při instalaci přítužná matice utahovat s vyšším utahovacím momentem. Podle konstrukce a podle požadavků konečného zákazníka je korozní odolnost při zkoušce v solné mlze až do 400 hodin.

 

Obrázek 4: Osy stěrače zpracované postupem CLIN

Technologie provozních zařízení

Postupy tepelného zpracování v kapalné soli je možné uskutečňovat v automatizovaných, počítačem řízených provozních zařízeních. Pro tento účel jsou k dispozici otevřená a zapouzdřená provozní zařízení. Automatické zařízení, znázorněné na obrázku 5, je umístěné ve výrobní hale a zpracovává díly pro výrobu v daném místě. Pozoruhodným charakteristickým parametrem tohoto provozního zařízení je čisté pracovní prostředí.

Díky krátkým dobám zpracování zde není potřeba vytvářet žádné velké vyrovnávací kapacity. Zavážka bubnů se uskutečňuje přímo u obráběcího centra. Provozní zařízení je vybavené počítačovým řízením úrovně plnění a podle potřeby sděluje uživateli požadavek na doplnění. Doplňování soli, popřípadě regenerátoru, se uskutečňuje z vnější strany pouzdra zařízení při použití speciální jednotky, takže pracovník obsluhy nepřijde do styku s procesem tepelného zpracování, ani nemusí pracovat přímo u pece.


Postup CLIN představuje ve většině případů ideální alternativu ke galvanizovaným povlakům,
k deformacemi zatíženým kalicím procesům a rovněž ke karbonitridačním procesům v plynném médiu nebo v plazmě. Postup rovněž nachází narůstající aplikace jako alternativa za použití nákladných korozivzdorných ocelí.

Na základě následujících specifických provozních charakteristik nabízejí procesy CLIN vynikající
reprodukovatelnost na vysoké kvalitativní úrovni :

  • Není zapotřebí žádné komplikované předběžné čištění.
  • Je k dispozici homogenní a velmi vysoká nabídka dusíku v celé tavenině.
  • Je k dispozici rychlý a konstantní přenos tepla.
  • Musí se sledovat jen několik málo provozních parametrů.
  • Struktura a hustota zavážky má jen malý vliv.
  • Zpracování je jednoduché s možností použití automatizace.

Výsledky, dosahované za zkušebních podmínek, se obvykle mohou hladce přenést do sériové výroby.

 

www.hef-durferrit.cz

Autor: Ing. Jan Gerstenberger

Mohlo by vás tiež zaujímať

Výroba foriem a studených kanálov spoločnosti DESMA Elastomertechnik dosiahla v roku 2024 rekordný predaj

27.1.2025 Spoločnosť Klöckner DESMA Elastomertechnik GmbH so sídlom vo Fridingene an der Donau už takmer šesť desaťročí vyvíja procesy lisovania pre sofistikované gumené a silikónové predmety rôznych veľkostí. Jednou z kľúčových...