Controlled liquid ion carbonitriding as an alternative to electroplating

Charakteristiky procesu

V  solných taveninách je možné v zásadì bez jakékoliv speciální  pøedbìžné úpravy karbonitridovat všechny typy železných materiálù, jako jsou austenitické oceli, litiny nebo sintrované materiály. Provozní postup není komplikovaný. Po krátkém pøedbìžném oèištìní a po pøedehøátí na vzduchu na teplotu  350 až 400°C, se díly  karbonitridují  v solné taveninì, všeobecnì po dobu 60 až 120 minut. Teplota  zpracování  je obvykle  570 až  590 °C.  Ve  speciálních pøípadech se  mohou používat  i nižší teploty (480°C) nebo vyšší teploty (630°C). Pro ochlazení se používá voda, vzduch, dusík, vakuum nebo  oxidaèní chladicí  lázeò. Tento  naposledy  jmenovaný  zpùsob poskytuje  významné  zvýšení korozní  odolnosti zpracovaných  dílù.  Potom  se  výrobní  dávka  èistí  horkou vodou v kaskádovém mycím zaøízení. Pro karbonitridaèní taveninu je potøeba sledovat jen následujících nìkolik parametrù :

• chemické složení taveniny
• teplotu zpracování
• dobu zpracování

Solné  taveniny  poskytují  ve  srovnání  s jinými  provozními  médii  výjimeènì  vysokou  nabídku  dusíku. Proces karbonitridace zaèíná bezprostøednì po ponoøení dílu do kapaliny. Již po nìkolika minutách se zde ukazuje kompaktní slouèeninová vrstva.

V prùmyslovì  používaných  solích  se  jako  dárce  dusíku  používají  nejedovaté  sodné  a draselné kyanatany. Pøi reakci na povrchu dílu vzniká z alkalického kyanatanu uhlièitan, s jen pomalou zmìnou složení  solné  taveniny.  Pomocí  prùbìžného  pøidávání  nejedovatého  polymerického  organického regenerátoru  se  uhlièitan,  jako  produkt  rozkladu,  pøímo  v taveninì  recykluje  na aktivní  kyanatan. Protože prakticky nedochází  ke zmìnì objemu, tak pøi požadovaném nastavování složení nedochází k vylévání pøebytkù soli.

Speciální  charakteristiku  dílù,  zpracovaných  postupem  CLIN,  pøedstavuje  témìø  jednofázová ε-karbonitridová  slouèeninová  vrstva s velmi vysokým obsahem dusíku 6 až  11 hmotnostních procent a s obsahem  uhlíku  0,5  až  2 hmotnostní  procenta.  Pøi  obvyklé  dobì  zpracování  60  až  120  minut dosahuje slouèeninová  vrstva sílu 10 až 20 μm. Se stoupajícím obsahem legujících prvkù dochází ke snížení nárùstu vrstvy.

Obrázek 1 : Kvalita slouèeninové vrstvy po zkoušce v solné mlze v dobì trvání 1008 hodin

Díly, zpracované postupem CLIN, jsou dobøe známé svojí vynikající odolností proti opotøebení, korozi a únavì. Navíc se zde podstatnì snižuje tendence k odìru nebo k nalepování. Korozní odolnost se dále  mùže dramaticky zlepšit pøi pøímém zachlazení dílù do oxidaèní solné  taveniny, podle potøeby s následným impregnaèním krokem. Obrázek  1  ukazuje kvalitu  slouèeninové vrstvyna dílech, které prošly  celou  zkouškou  v dobì  trvání  1008 hodin.  Kromì  projevu  slabého  ztmavnutí  na  horní  èásti vrstvy a v pórech je samotná vrstva ve vynikajícím stavu.

Aplikace

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

Obrázek 2: Ventily zpracované postupem CLIN

Pøi porovnání s døíve obvyklým chromováním se mohou výrobní náklady pomocí karbonitridace snížit, protože se mùže vynechat indukèní kalení a koneèné broušení. Navíc se nemusí døík výfukového ventilu vyrábìt z oceli pro indukèní kalení. Celý ventil je možné vyrobit ze žáruvzdorné austenitické oceli. Zatím se s dobrým rozvojem v solných taveninách zpracovalo více než 250 miliónù ventilù. Doby zpracování pro karbonitridaci se pohybují v rozsahu od 15 do 90 minut, podle specifikace. V závislosti na rozmìru zpracovatelského zaøízení jsou velikosti výrobní dávky mezi 2500 a 4000 kusy. Realizuje se tedy produktivita výraznì pod 1 sekundu na jeden ventil. Rovnìž se díky krátkým dobám zpracováni ani nemusejí udržovat nadmìrné vyrovnávací kapacity pro pøípady zmìny rozmìrù, materiálù nebo požadavkù.

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

Obrázek 3 : Tyèky plynových pružin zpracované postupem CLIN

Obrázek 3 ukazuje pøíklad pístní tyèky plynové pružiny, jaká se používá v automobilovém a v leteckém prùmyslu, ve strojírenství nebo v kanceláøských køeslech. Na základì náhrady chromové vrstvy se zde dosáhla pozoruhodná úspora nákladù. Karbonitridace se uskuteèòuje v plnì automatizovaném zaøízení. Kombinace až ètyøech pecí v jednom provozním podniku umožòuje dosažení doby cyklu 0,5 až 0,6 sekundy na jednu pístní tyèku.

Pro pohonné osy stìraèù oken automobilù se vìtšinou používá zinkovaná nebo niklovaná ocel, ale v prùbìhu provozu se èasto objevují problémy s korozí. Navíc jsou galvanicky povrchovì zpravované díly èelního pøevodu se šikmým ozubením pomìrnì mìkké, takže v prùbìhu životnosti vykazují sklony k prokluzování.

Zatím se pomocí postupu CLIN zpracovává více než 50 miliónù tìchto os za rok (viz obrázek 4) a používají se u témìø všech vedoucích výrobcù automobilù. Závit má lepší odolnost ve zkrutu a díky tomu se mùže pøi instalaci pøítužná matice utahovat s vyšším utahovacím momentem. Podle konstrukce a podle požadavkù koneèného zákazníka je korozní odolnost pøi zkoušce v solné mlze až do 400 hodin.

Obrázek 4: Osy stìraèe zpracované postupem CLIN

Technologie provozních zaøízení

Postupy tepelného zpracování v kapalné soli je možné uskuteèòovat v automatizovaných, poèítaèem øízených provozních zaøízeních. Pro tento úèel jsou k dispozici otevøená a zapouzdøená provozní zaøízení. Automatické zaøízení, znázornìné na obrázku 5, je umístìné ve výrobní hale a zpracovává díly pro výrobu v daném místì. Pozoruhodným charakteristickým parametrem tohoto provozního zaøízení je èisté pracovní prostøedí.

Díky krátkým dobám zpracování zde není potøeba vytváøet žádné velké vyrovnávací kapacity. Zavážka bubnù se uskuteèòuje pøímo u obrábìcího centra. Provozní zaøízení je vybavené poèítaèovým øízením úrovnì plnìní a podle potøeby sdìluje uživateli požadavek na doplnìní. Doplòování soli, popøípadì regenerátoru, se uskuteèòuje z vnìjší strany pouzdra zaøízení pøi použití speciální jednotky, takže pracovník obsluhy nepøijde do styku s procesem tepelného zpracování, ani nemusí pracovat pøímo u pece.

Postup CLIN pøedstavuje ve vìtšinì pøípadù ideální alternativu ke galvanizovaným povlakùm,
k deformacemi zatíženým kalicím procesùm a rovnìž ke karbonitridaèním procesùm v plynném médiu nebo v plazmì. Postup rovnìž nachází narùstající aplikace jako alternativa za použití nákladných korozivzdorných ocelí.

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

• Není zapotøebí žádné komplikované pøedbìžné èištìní.
• Je k dispozici homogenní a velmi vysoká nabídka dusíku v celé taveninì.
• Je k dispozici rychlý a konstantní pøenos tepla.
• Musí se sledovat jen nìkolik málo provozních parametrù.
• Struktura a hustota zavážky má jen malý vliv.
• Zpracování je jednoduché s možností použití automatizace.

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

www.hef-durferrit.cz