Řízená kapalinová iontová karbonitridace

Díky svým provozním charakteristikám poskytuje karbonitridace v iontových kapalinách zpracovávaným dílům vynikající odolnost proti opotřebení, proti korozi a proti povrchové únavě. Korozní odolnost se dále zvyšuje pomocí následného tepelného zpracování v oxidačních solných taveninách, které na povrchu nitridové vrstvy vytvářejí tenkou, ale kompaktní oxidovou vrstvu. Při kombinaci s leštěním a s impregnací mohou mít oxidované díly hladké, atraktivní černé povrchy, které umožňují dosahovat dramatického zlepšení korozní odolnosti až do 1 000 hodin při zkoušce v solné mlze, aniž by přitom docházelo ke ztrátě výše uváděných výhod.

Snadný zpracovatelský postup nevyžaduje komplexní provozní zařízení. Provozní doby jsou spíše krátké a umožňují flexibilní práci bez budování rozsáhlejších vyrovnávacích kapacit pro provozní zatížení.

Postupy CLIN představují skupinu moderních a k životnímu prostředí šetrných procesů pro karbonitridaci a pro oxidaci oceli a litiny. Difuze dusíku a uhlíku vede ke vzniku takzvané sloučeninové vrstvy, která má nekovový charakter. 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. V závislosti na použitém typu materiálu mají tyto vrstvy hodnoty tvrdosti v rozsahu od 800 do 1 500 HV. Sloučeninová vrstva je podepřená níže uloženou difuzní 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. 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.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, jakožto produkt rozkladu, přímo v tavenině recykluje na aktivní kyanatan. Protože prakticky nedochází ke změně objemu, 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 síly 10 až 20 μm. Se stoupajícím obsahem legujících prvků dochází ke snížení nárůstu vrstvy.

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. Kvalitu sloučeninové vrstvy dokazují díly, které prošly celou zkouškou v době trvání 1 008 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.

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 dobrými výsledky v solných taveninách zpracovalo více než 250 milionů 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 2 500 a 4 000 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 používá pro pístní tyčky, hydraulické válce nebo pouzdra. Používají se materiály, jako jsou konstrukční oceli, a nelegované nebo nízkolegované oceli. Požadovaná doba výdrže při zkoušce v solné mlze je většinou 144 hodin bez vzniku korozních skvrn.

Dalším příkladem jsou 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 dosáhlo pozoruhodné úspory nákladů. Karbonitridace se uskutečňuje v plně automatizovaném zařízení. Kombinace až čtyř 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 milionů těchto os za rok 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.

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.

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.

Závěr

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. Tato technologie je rovněž stále častěji využívaná 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.

Dr. Joachim Boßlet

Ing. Jan Gerstenberger

Exprohef-CZ

exprohef-cz@exprohef-cz.cz

//www.exprohef-cz.cz/