Tribotechnické listy

 

 

Cementace velkorozměrových ložisek pro důlní průmysl

Velká česká firma vyrábějící ložiska vyvinula v loňském roce dva nové typy velkorozměrových ložisek především pro použití v důlním průmyslu. Speciální ložiska jsou určená pro uložení hlavních válců vertikálních mlýnů. Dvouřadé kuželíkové ložisko s čepovou klecí a uspořádáním valivých elementů do X a jednořadé válečkové ložisko s masivní mosaznou klecí jsou součástí vertikálních mlýnů, které slouží k výrobě cementu na bázi drcení vstupních hornin. Ložiska pracují ve velmi náročných podmínkách vysokého zatížení, velkých rázů a pracovních teplotách okolo 200 °C. Obě ložiska mají cementované valivé elementy.

 



Požadavek na cementovaní valivých elementů velkorozměrových ložisek byl s ohledem na očekávané deformace také speciální. Hloubka cementované vrstvy 5,0 mm, přičemž hloubka cementované vrstvy musí zaručit minimálně 4,0 mm pod povrchem tvrdost 550 HV, tvrdost broušeného povrchu musí zůstat  670 - 775 HV, tvrdost 20 mm pod povrchem 37 - 43 HRc, ve struktuře se nesmí vyskytovat karbidické síťoví a množství zbytkového austenitu nesmí překročit 17 %. Ložiska byla vyrobena z materiálu 18CrNiMo7-6.

Optimalizace procesu cementace
Vzhledem k náročným požadavkům na tepelné zpracování a zároveň velkému tlaku na cenu cementace jsme přistoupili k metodě podtlakové cementace. Podtlaková cementace jako progresivní metoda chemicko-tepelného zpracování umožňuje provádět nauhličování při vyšších teplotách (nad 1 000 °C) než konvenční způsoby cementace ( do 950 °C) a tím podstatně urychluje kinetiku sytícího procesu. Praxe ukazuje, že doba cementace klesá s rostoucí teplotou přibližně exponenciálně a metoda podtlakové cementace získává významné časové, resp. finanční úspory.


Graf 1: Závislost hloubky a doby cementace na teplotě procesu u materiálu 18CrNiMo7-6


Nesmíme však zapomínat na riziko deformací, které výrazně stoupá spolu s teplotou procesu. Vysoká teplota způsobuje vyšší plasticitu materiálu a tím vyšší riziko tepelné deformace, zejména u větších a těžších dílů a komplexních těles (s velkými a malými průřezy v jednom dílu). Volba teploty cementace musí zohledňovat tvar a funkčnost dílů, způsob šaržování a operace následné po tepelném zpracování.

Dalším úskalím vysoké cementační teploty je snížení homogenity nauhličené vrstvy. Kinetika sycení je při vysoké teplotě procesu tak velká, že nauhličovací plyny proudící do komory tryskami jsou okamžitě rozkládány a jsou povrchem nejblíže k trysce pohlceny dříve než se stihnou rovnoměrně rozproudit v pecním prostoru. Klesá tak schopnost penetrace povrchu. K udržení homogenity cementace je potom zapotřebí větších průtoků nauhličovacích plynů.

Velké obavy panují z dopadů vysoké teploty procesu cementace na mikrostrukturu, zejména pokud se zpracování týká Cr-Ni ocelí, které jsou všeobecně více citlivé na hrubnutí austenitického zrna. Existují technologická opatření, kterými lze hrubnutí zrna dobře eliminovat. Jejich popis vydá na celý článek, omezíme se proto pouze na konstatování, že vhodnými technologickými opatřeními lze cementovat i při vysoké teplotě, aniž by došlo k nežádoucímu nadrozměrnému zhrubnutí zrna oceli.

Z pohledu mikrostruktury oceli je potřeba ještě připomenout vyšší riziko sublimace legovacích prvků z povrchu oceli (Mn, Cr, atd.), riziko tvorby karbidů na hranicích zrn a vysoký obsah zbytkového austenitu, který souvisí s hrubnutím zrna během pobytu na vysoké teplotě procesu. Opět se však jedná o rizika, která lze eliminovat vhodnými technologickými opatřeními a dobrým vedením procesu. Častým technologickým „protiopatřením" bývá zařazení perlitizace na konec cementačního procesu, před samotné kalení. Tím se však neúměrně prodlužuje čas zpracování a prodražuje celý proces. Z našich zkušeností vyplývá, že dobře zvládnutý proces podtlakové cementace i při vyšších teplotách zařazení perlitizace nepotřebuje.

Optimalizace teploty procesu je důležitá i z technického hlediska provozování pece. Při vysokých nauhličovacích teplotách hrozí riziko bodového natavení mezi zpracovávaným dílem a šaržovacím přípravkem (sítem, roštem). V extrémním případě, v závislosti na materiálu dílu a přípravků, by natavení mohlo nastat na rozsáhlejší ploše. V případě úkapů taveniny se kontaminuje komora a při styku s vodícími elementy nastane zkrat. Elektrická vodivost je za vyšších teplot lepší a proto je zařízení náchylnější k případnému elektrickému zkratu. Bodové taveniny, které způsobí přitavení zpracovávaného dílu na šaržovací přípravek se těžko odstraňují z povrchu dílu a většina přípravků utrpí znatelné poškození. Šaržovací přípravky jsou stejně jako díly samotné vystaveny deformačnímu působení a jejich životnost při tak extrémních zpracováních prudce klesá.



Obr.1 Tavenina na díle v místě styku s šaržovacím sítem



Obr.2 Poškození šaržovacího síta po dlouhém  cementačním procesu při vysoké teplotě

Na základě výše uvedených limitních podmínek byl kalírnou PRIKNER navržen proces podtlakové cementace do hloubky 5,0 mm pro uvedená velkorozměrová ložiska z materiálu 18CrNiMo7-6. Celková délka procesu činila 37 hodin včetně kalení inertním plynem, následovalo kryogenní zpracování a popouštění. Proces byl proveden při kombinaci teplot 1 070/1 050/950 °C, během ohřevu byl materiál mírně nasycen dusíkem k ochraně austenitického zrna před hrubnutím (technologie PreNit® ).


Graf 2 : Porovnání skutečných časů cementace pro různé teploty procesu  u materiálu 18CrNiMo7-6


Hodnocení dosažených výsledků
Dosažená hloubka cementace CHD 550 HV 0,5 = 5,23 mm. V hloubce 4,0 mm pod povrchem stále zůstává tvrdost vyšší jak 600 HV 0,5, tvrdost jádra se pohybovala v závislosti na tloušťce kaleného dílu okolo 460 HV 30. Obsah uhlíku na povrchu cementovaného dílu byl měřen 0,75 % C.


Graf 3: měření tvrdosti cementované vrstvy a naměřené hodnoty

Tvar křivky znázorňující závislost tvrdosti na vzdálenosti od povrchu dílu je poměrně hodně plochý, což je z pohledu mechanických vlastností a odolnosti dílu výhodnější než esovité zakřivení. Počáteční vpichy poněkud oscilují mezi vyššími a nižšími hodnotami tvrdosti. To může být překvapivé vzhledem k tomu, že bylo aplikováno kryogenní zpracování a vícenásobné popouštění. Rentgenové měření množství zbytkového austenitu provedeno nebylo, nicméně hodnota tvrdostí jeho přítomnost nepotvrzuje. Světlejší místa na metalografickém výbrusu lze klasifikovat jako nízkouhlíkový martenzit.

V mikrostruktuře není patrné přesycení ( též viz.obsah uhlíku na povrchu), přítomnost karbidů na hranicích zrn nebyla potvrzena. Velikost austenitického zrna byla vyhodnocena dle ASTM G = 5  v cementované vrstvě a G = 4 v jádře.


Obr.3 Mikrostruktury cementovaného a kaleného ložiska

Měření ovality velkorozměrových ložisek po tepelném zpracování prokázalo závislost míry ovality na hloubce cementované vrstvy - čím hlubší cementovaná vrstva, tím vyšší deformace. Během zkoušek různých vlivů na deformaci  rozměrového pole se ukázalo jako zásadní zařazení mezioperačního žíhání ve výrobním procesu. Jestliže je mezi hrubování a dokončovací výrobní operace před tepelným zpracováním zařazeno žíhání naměkko, konečná deformace po tepelném zpracování je o stovky procent nižší, viz. grafy 4 a 5.


Graf 4 : Porovnání ovalit po kompletním tepelném zpracování u vybraného typu ložiska



Graf 5 : Procentuální nárůst ovalit po kompletním tepelném zpracování u vybraného ložiska


Závěr
Vysokoteplotní podtlaková cementace s kalením pomocí plynného dusíku je velmi perspektivní technologie tepelného zpracování oproti klasické cementaci v plynu s následným kalením do oleje. Přesto má tato špičková technologie svá úskalí. Provedení popsaného náročného procesu cementace za daných podmínek vyžaduje zkušenosti a dobrou znalost technologie, aby bylo možné dosáhnout požadovaných výsledků.
Pokud by se vyrobená ložiska tepelně zpracovávala klasickou cementací s kalením do oleje, nejen že by  vyžadovala dvakrát delší výrobní čas, ale též kalící přípravek pro fixaci funkčních rozměrů při kalení. Při řešení komplexního chemicko tepelného zpracování podtlakovou cementací se podařilo vyrobit první tenkostěnné čtyřřadé ložisko pomocí této špičkové technologie. Optimalizací procesu tepelného zpracování s následnými menšími deformacemi se v ostré výrobě přistoupilo ke snížení požadované hloubky cementace. To v konečném důsledku přineslo významné finanční úspory.

 


Text: Ing.Petra Priknerová,  Ing.Martin Hudec

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
8 + 1 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd