Nawęglanie niskociśnieniowe (lub znane jako nawęglanie próżniowe) oferuje czystą, nowoczesną metodę, tzw. proces nawęglania. Ta obróbka cieplna wymaga prawdziwej precyzji, zapewniającej minimalne odkształcenie oryginalnej części podczas procesu nawęglania. Niniejsza metoda może także służyć jako nawęglanie stali.
Proces nawęglania
Nawęglanie próżniowe (niskociśnieniowe) jest alternatywą dla tradycyjnego nawęglania gazowego (atmosferycznego). Procesowi nawęglania poddaje się obróbkę cieplno-chemiczna polegająca na nagrzaniu stalowych elementów do temperatury typowo w zakresie 900-1000°C, a następnie umieszczeniu ich w atmosferze nawęglającej. Celem nawęglania jest wzbogacenie warstwy wierzchniej w węgiel poprzez atomy węgla, zwiększenie zawartości węgla dla wielu gatunków stali powoduje zwiększenie jej twardości i odporności na zużycie przy zachowaniu rdzenia z tworzywa sztucznego. Najczęstsze jest hartowanie i odpuszczanie bezpośrednio po nawęglaniu, jednak w przeciwieństwie do nawęglania konwencjonalnego ma ono wiele zalet, zarówno ze strony zastosowanego gazu nośnego – nawęglania (składem chemicznym C2H2 – acetylen), jak i ze środowiska – pieca próżniowego. Proces ten jest przyjazny dla środowiska – brak emisji CO2 i pozytywnie wpływa na wytrzymałość rdzenia.
Proces nawęglania- obszary zastosowań
Stale narzędziowe szczególnie korzystają z metody nawęglania niskociśnieniowego, ponieważ w procesie tym powstają wyjątkowo długie powierzchnie ścieralne, idealne do operacji obróbki skrawaniem i na poprawę właściwości niektórych materiałów:
Główne zalety to:
– brak utleniania granic ziaren (brak IGO),
– węższy zakres tolerancji dla warstwy nawęglonej CHD – Mniejsze rozproszenie wyników,
– stabilność i odtwarzalność wyników,
– precyzyjne nawęglanie wąskich otworów, w tym otworów nieprzelotowych,
– minimalizacja zniekształcenia hartowania,
-zwiększona produktywność dzięki możliwości wykonywania procesów w temperaturach wyższych niż konwencjonalne, tj. 980°C i wyższych,
– czysta powierzchnia detali (srebrny metal) – bez łusek,
Nawęglanie próżniowe
Podczas obróbki szczególną uwagę zwraca się na osiągnięcie i utrzymanie wymiarów krytycznych. Koła zębate są następnie wysyłane do obróbki cieplnej. Wystawianie części na działanie wysokich temperatur, zmiana składu chemicznego materiału i gwałtowne schłodzenie w oleju w celu utwardzenia są konieczne, aby osiągnąć wysoką wytrzymałość i długą żywotność oczekiwaną od dużych przekładni. Obróbka cieplna, choć ma kluczowe znaczenie dla wydajności przekładni, może powodować znaczne obciążenie części i musi być wykonana prawidłowo, aby uzyskać akceptowalną część.
Jednym z najczęstszych pytań jest „Jak bardzo proces ten zniekształci surowiec?” Trudno odpowiedzieć na to pytanie. Czynniki takie jak chemia materiału, obróbka cieplna i historia obróbki, geometria, osprzęt, jednorodność obudowy i procesy hartowania odgrywają rolę w określaniu, jak daleko przesuwają się koła zębate. Obróbka cieplna kontroluje ostatnie trzy zmienne i pomaga zminimalizować zmienność wymiarów części. Nawęglanie próżniowe może skutecznie rozwiązać te problemy, ponieważ stanowi niezawodną alternatywę dla konwencjonalnego nawęglania gazowego endotermicznego w zintegrowanych piecach hartowniczych lub wgłębnych.
Powtarzalność procesu
Pierwszym etapem procedury jest podgrzewanie do temperatury procesu, które odbywa się pod próżnią. Przed rozpoczęciem nawęglania zwiększ i przytrzymaj obciążenie, aż część osiągnie jednolitą temperaturę. Nawęglanie próżniowe jest procesem nierównowagowym, który wykorzystuje serię cykli doładowania i dyfuzji. Podczas cyklu doładowania pod niskim ciśnieniem wtryskiwana jest unikalna mieszanka gazów nawęglających. Dodatki węglowe oparte są na nawęglonych powierzchniach. Czas trwania cyklu doładowania jest stosunkowo krótki, natomiast dłuższy czas dyfuzji jest wykorzystywany do rozprowadzania węgla na części. Po nawęglaniu na żądaną głębokość część jest chłodzona azotem, a następnie ponownie podgrzewana do temperatury hartowania. Gdy część ma jednolitą temperaturę, ładunek jest hartowany w oleju.
Kontrola zniekształceń
Najtrudniejszym wyzwaniem w obróbce cieplnej kół zębatych jest minimalizacja odkształceń. Przyczyniają się do tego cztery główne czynniki: naprężenie szczątkowe, zmiana wymiarów martenzytu, rozpraszanie ciepła i pełzanie w wysokiej temperaturze. Najważniejsza jest przemiana martenzytyczna i rozpraszanie ciepła.
Naprężenia szczątkowe w materiałach nie mogą być kontrolowane przez obróbkę cieplną, ale mogą powodować znaczne problemy podczas hartowania. Najlepszym sposobem rozwiązania problemu naprężeń szczątkowych jest obróbka cieplna przed obróbką. Typowe procesy obejmują kombinację normalizacji, wyżarzania, hartowania i odpuszczania oraz pełnego wyżarzania.
Podczas hartowania po nawęglaniu substancje mające wyższą zawartość węgla mają większy wzrost objętości po przekształceniu w martenzyt niż inne materiały i podlegają wyższemu nasyceniu warstwy powierzchniowej. Może to spowodować duże obciążenie materiału i spowodować jego deformację lub zmianę rozmiaru. Najskuteczniejszym sposobem zminimalizowania tego efektu jest utrzymanie jednorodności głębokości skorupy na całym profilu części. Rozkład naprężeń spowodowany hartowaniem jest bardziej równomierny, a ruch części jest zmniejszony. Mogą wystąpić pewne zmiany rozmiaru.
Jeśli rozpraszanie ciepła nie jest równomierne, może to spowodować znaczne przemieszczenie części. Gdy przekładnia wejdzie w kontakt z olejem, zaczyna przekształcać się w martenzyt, a struktura materiału jest kompletna. W miarę postępu hartowania części wzrasta więcej zmian materiału i naprężeń wewnętrznych. Jeśli rozpraszanie ciepła jest asymetryczne w przekroju koła zębatego, naprężenie spowodowane tworzeniem się martenzytu może odkształcić część. Narzędzie musi być zaprojektowane tak, aby przekładnia wchodziła do oleju z minimalnymi turbulencjami i była zorientowana tak, aby przepływ hartowania był równomierny ze wszystkich stron.
Pełzanie w wysokiej temperaturze występuje, gdy część nie jest odpowiednio podparta podczas procesu nawęglania. Czasy cyklu są bardzo długie – na niektórych powłokach ponad 100 godzin. W tej temperaturze metal porusza się lub pełza, co powoduje zwiększoną owalność. Ponownie kluczem jest prawidłowe zaprojektowanie narzędzia.
Proces nawęglania próżniowego przeprowadzony w piecu hutniczym stosu skutkował znacznie lepszymi odkształceniami w porównaniu do detali obrabianych w piecu szybowym. Gdy odkształcenie jest niewielkie, przed obróbką cieplną można dokonać korekty obróbki w celu zmniejszenia szlifowania po obróbce cieplnej. Ponadto, można regulować głębokość skorupy gruntu, co skutkuje krótszymi cyklami obróbki cieplnej i niższymi kosztami
Mikrostruktura
Elastyczność zmiennych procesu nawęglania próżniowego umożliwia zaprojektowanie każdego cyklu w celu optymalizacji właściwości stopu poddanego obróbce cieplnej. Wielkość i rozkład węglików w nawęglonej powłoce można precyzyjnie kontrolować. Rozkład twardości i głębokość można przewidzieć i dostosować do każdej specyfikacji.
Z uwagi na to, że proces odbywa się w próżni, nie ma tlenu. Eliminuje to występowanie utleniania międzykrystalicznego (IGO) typowego dla endotermicznych zabiegów atmosferycznych. Obecność IGO wymaga operacji obróbki cieplnej po takich procesach jak szlifowanie pełnego profilu lub kulkowanie. Wyeliminowanie tego zmniejsza koszty.
Podsumowanie
Proces nawęglania próżniowego oferuje rozwiązania niektórych wyzwań, przed jakimi stają producenci kół zębatych podczas obróbki cieplnej części. Innowacyjna konstrukcja oprzyrządowania, jednolite formowanie skorupy, zmniejszone wypaczenie i eliminacja IGO pozwalają uzyskać lepsze części. Powtarzalne procesy można wykorzystać do rozwiązania niektórych z najtrudniejszych problemów produkcyjnych. Nawęglanie gazowe może służyć wielu czynnościom (np. budowie kół zębatych).