2nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials in Białka Tatrzańska, Poland 29th-30th November 2009 1 Panel nt. Procesy wytwarzania zdeterminowane stanem wiedzy i możliwościami produkcyjnymi parku maszynowego M. Adamiak Politechnika Śląska Wstęp Procesy obróbki cieplno-chemicznej, polegające na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy wierzchniej elementów maszyn i narzędzi różnymi pierwiastkami, stwarzają szerokie możliwości nadania tym warstwom żądanych własności mechanicznych, fizycznych i chemicznych, zależnie od warunków pracy obrobionych elementów w okresie ich eksploatacji. Procesom obróbki cieplno-chemicznej, przebiegającym w ośrodkach stałych, ciekłych i gazowych, towarzyszy szereg zjawisk zachodzących w tych ośrodkach, na styku ośrodka z powierzchnią materiału oraz w samym materiale. Znajomość tych zjawisk i parametrów wpływających na ich przebieg jest konieczna dla prawidłowego prowadzenia procesu obróbki cieplno-chemicznej i uzyskania żądanych wyników.
Metody obróbki cieplno-chemicznej - podział Kryterium podziału Ośrodek nasycający Pierwiastki nasycające Temperatura operacji Liczba cykli W ośrodkach stałych, ciekłych, gazowych Nasycanie metalami, niemetalami, nasycanie kompleksowe metalami i niemetalami Niskotemperaturowe <600 O C i wysokotemperaturowe >600 O C Jednostopniowe, dwustopniowe, trójstopniowe Obróbka cieplno-chemiczna Dyfuzyjne nasycanie jednym pierwiastkiem Dyfuzyjne nasycanie kompleksowe Metalicznym Niemetalicznym Metal-metal Niemetal - niemetal Metalniemetal Chromowanie Nawęglanie Chromoaluminiowanie Węgloazotowanie Borochromowanie Wanadowanie Azotowanie Chromowanadowanie Tlenoazotowanie Węglochromowanie Tytanowanie Borowanie Siarkowęgloazotowanie Aluminiowanie Krzemowanie Siarkoazotowanie Utlenianie Krzemoborowanie Borowęgloazotowanie
Podział metod obróbki cieplno chemicznej ze względu na stan ośrodka nasycającego: W ośrodkach stałych w proszkach w pastach W ośrodkach gazowych konwencjonalne jonizacyjne próżniowe w złożach fluidalnych W kąpielach Tendencje rozwojowe technologii obróbki cieplnej i powierzchniowej, w tym cieplno-chemicznej
Przegląd technologiczny kluczowych metod obróbki cieplno-chemicznej: Nawęglanie Azotowanie Węgloazotowanie i azotonawęglanie Chromowanie Implantacja jonowa Nawęglanie Jednym z najstarszych procesów obróbki cieplno-chemicznej jest nawęglanie. Proces ten polega na wzbogaceniu warstwy powierzchniowej w węgiel na drodze dyfuzji poprzez wygrzewanie przedmiotu w temperaturze powyżej Ac3 w ośrodku wydzielającym węgiel aktywny in statu nascendi. Nawęglanie ma na celu otrzymanie twardej i odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej, przy równocześnie ciągliwym rdzeniu co zapewnia wysoką odporność na obciążenia dynamiczne. Proces szeroko stosowany w budowie maszyn do produkcji kół zębatych, krzywek, wałków, sworzni tłokowych itp.
TEMPERATURA Nawęglanie Proces nawęglania realizowany jest najczęściej jako: nawęglanie gazowe, w ośrodkach ciekłych oraz w ośrodkach stałych. Temperatura procesu: 900-950 o C Grubość warstwy nawęglonej: 0,5-1,5 mm Zawartość węgla w warstwie nawęglonej: 0,7-1,0 %C Obróbka cieplna po nawęglaniu: hartowanie i odpuszczanie Twardość warstwy nawęglonej: ok.60 HRC Stale konstrukcyjne niestopowe, automatowe, stopowe do nawęglania Grubość warstwy (mm) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 2 4 6 8 10 Czas nawęglania (h) 900 C 925 C 950 C A3 A1 Temperatura Zakres temperatury nawęglania a b c d Temperatura odpuszczania 150-200C Czas Stal 16HG, nawęglana w temperaturze 920ºC czas 6h, powiększenie 50x.
Azotowanie Proces dyfuzyjnego azotowania polega na nasyceniu azotem warstwy wierzchniej stali podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w temperaturze 480-700 o Cw ośrodku zawierającym wolne atomy azotu. W wyniku azotowania otrzymuje się warstwy o grubości od 0,005-0,6mm i twardości 400-1300 HV. Grubość i twardość warstwy dobiera się w zależności od wymagań i przeznaczenia przedmiotów poddanych azotowaniu. Azotowanie stosowane jest głównie do elementów maszyn i narzędzi wykonanych ze stali stopowych i niestopowych w celu zapewnienia odporności na zużycie ścierne oraz odporności korozyjnej w środowisku wodnym lub wilgotnej atmosfery. Proces szeroko stosowany w budowie maszyn, przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym itp. do produkcji tulei cylindrowych, pierścieni, krzywek, wałków, sworzni tłokowych, narzędzi do przeróbki plastycznej metali, tworzyw sztucznych itp.
Temperatura [ C] Azotowanie Proces azotowania realizowany jest najczęściej jako: azotowanie gazowe (długo i krótkookresowe), oraz jonizacyjne. Temperatura procesu: 480-700 o C Grubość warstwy azotowanej: 0,005-0,6 mm Złożona morfologicznie i fazowo struktura warstwy azotowanej zależna od stężenia azotu i składu chemicznego materiału obrabianego Obróbka cieplna przed azotowaniem: hartowanie i odpuszczanie Twardość warstwy azotowanej: 400-1400 HV Stale konstrukcyjne do azotowania zawierające aluminium oraz bezaluminiowe, stale stopowe, stale narzędziowe 750 C E G P Grubość warstwy (mm) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 10 20 30 40 50 60 500 C 550 C 600 C 700 650 α+γ 600 α B 550 500 450 γ D γ+ε γ+γ α+γ L O K 591 C γ γ+ε ε Czas azotowania (h) 400 A H M N 0 1 2 3 4 5 6 7 8 N [%] 9 Warstwa wierzchnia azotowanej plazmowo stali X37CrMoV5-1 Mikrotwardość HV 0,1 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 10 40 70 110 150 190 230 270 310 350 390 Odległość od powierzchni, µ m
Schemat projektowania procesu azotowania gazowego Węgloazotowanie i azotonawęglanie Węgloazotowanie i azotonawęglanie są procesami, których celem jest równoczesne nasycenie węglem i azotem części wykonanych ze stali nisko i średniowęglowych. Procesy te pozwalają uzyskać warstwę o wysokiej twardości, odporną na ścieranie, o podwyższonej wytrzymałości przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Obydwa procesy wykonuje się w ośrodkach gazowych lub ciekłych w temperaturze 750 900 o C dla węgloazotowania i 560-680 o C dla azotonawęglania. W wyniku węgloazotowania otrzymuje się warstwy o grubości od 0,1-0,5 mm i twardości ok. 58 HRC przy twardości rdzenia ok. 35-45 HRC. Grubość warstwy azotonawęglanej jest mała i wynosi zwykle 0,01-0,02 mm. Proces szeroko stosowany w budowie maszyn, przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym itp. do obróbki wałków, sworzni itp.
Węglo- Schemat linii technologicznej procesu węgloazotowania w kąpielach Chromowanie Dyfuzyjne nasycenie warstwy wierzchniej w chromem przedmiotów stalowych, żeliwnych i staliwnych realizowane jest w temperaturze 880-1050 o C w czasie od kilku do kilkunastu godzin. Chromowanie stosujemy w celu podwyższenia odporności na zużycie tarciowe, korozję i utlenianie w wysokich temperaturach sięgających 850 o Cczęści maszyn i narzędzi. W zależności od ośrodka rozróżnia się chromowanie proszkowe, gazowe i kąpielowe. Natomiast w zależności od przeznaczenia może być stosowane jako metoda wytworzenia warstwy utwardzającej lub antykorozyjnej. Chromowanie utwardzające stosowane jest dla stali średnio i wysoko węglowej, antykorozyjne natomiast do stali niskowęglowej w celu poprawy odporności korozyjnej i żaroodporności. Proces stosowany w obróbce narzędzi do obróbki metali, tworzyw sztucznych, szkła, dla odlewnictwa, armatury wodociągowej elementów pomp itp.
Chromowanie Proces chromowania realizowany jest najczęściej jako: chromowanie proszkowe, gazowe oraz kąpielowe. Temperatura procesu: 880-1050 o C Grubość warstwy chromowej: 0,005-0,05 mm Obróbka cieplna chromowaniu właściwa dla materiału rdzenia np: hartowanie i odpuszczanie Twardość warstwy chromowej: 1000-1500 HV Implantacja jonowa - implanto-dyfuzja Polega na wprowadzaniu do ciała stałego obcych dla tego ciała zjonizowanych atomów dowolnego rodzaju, dzięki dużej energii (od kilku do 600 kev), jakiej nabywają one w próżni w przyspieszającym i formującym jony w wiązkę polu. Najważniejszymi parametrami technologicznymi procesu implantacji jonowej, od których zależy grubość warstwy i koncentracja atomów domieszki są: - rodzaj jonów i ich masa, -własności materiału podłoża - energia wiązki w polu magnetycznym -wielkość próżni w komorze reakcyjnej Metale i stopy można implantować pierwiastkami niemetalicznymi np. azotem węglem krzemem lub metalami np. tytanem cyrkonem itp.
Koncentracja jonów Grubość warstwy implantowanej Profil implantacji Wiązka jonów Materiał implantowany Schematy rodzajów implantacji
Zaletami technologii implantacji jonów są: możliwość wzbogacania dowolnych materiałów dowolnymi składnikami niska temperatura procesu niezmienność kształtu i wymiarów elementów obrabianych niskie zużycie energii czystość procesu możliwość łatwego monitorowania procesu Do wad technologii implantacji jonów zalicza się: mała grubość implantowanej warstwy, brak możliwości implantowania głębokich otworów, wysoki koszt implantatorów, konieczność dokładnego oczyszczenia powierzchni wsadu przed implantacją, konieczność stosowania osłon chroniących przed promieniowaniem rentgenowskim.
Mocne strony Wzrost ilości nowoczesnych technologii zwłaszcza w zakładach z kapitałem zagranicznym Dominacja w branży sektora prywatnego Bliskość do rynku odbiorców głównie w UE Coraz szerzej wdrażany System Zarządzania Jakością wg ISO Niższe niż u pozostałych członków UE jednostkowe koszty robocizny Duży potencjał naukowo-badawczy dla analizowanych technologii (Instytuty, Wyższe Uczelnie) Położenie geograficzne (logistyka w relacji do eksportu) Słabe strony Niska skłonność do innowacyjności. Zbyt niski udział w produkcji i eksporcie technologii o najwyższych wymaganiach (przemysł samochodowy, przemysł lotniczy) Niski poziom nakładów inwestycyjnych na nowoczesne technologie i wyposażenie Niska skłonność do współpracy z jednostkami badawczymi Stosunkowo wysoka emisja zanieczyszczeń do środowiska Niska skłonność do efektywnej współpracy między przedsiębiorstwami Skomplikowane i zbyt zbiurokratyzowane, zniechęcające zasady wykorzystania środków strukturalnych Ograniczone zastosowanie nowoczesnych technik komputerowych Mało środków własnych na badania i rozwój, brak polityki rozwojowej
Szanse Istniejące do wykorzystania źródła finansowania rozwoju w ramach funduszy strukturalnych Bliskość rynku odbiorców z UE wzrost eksportu, wejście kapitału zagranicznego i nowoczesnych technologii Duża baza kształcenia kadry inżynierskiej Zmiana kierunków pomocy publicznej z sektorowej na prorozwojową Dostęp do osiągnięć światowych w duchu innowacji (technologie, produkty) Ukierunkowanie pomocy państwa dla MŚP Duża podaż siły roboczej Zagrożenia Niestabilna i mało przewidywalne otoczenie prawne Wysokie koszty stałe i pośrednie, nadmierne obciążenie fiskalne Niedostrzeganie przez władze państwowe roli i znaczenia technologii inżynierii powierzchni we współczesnym przemyśle i gospodarce Potencjalne zagrożenie ze strony krajów o niższych kosztach robocizny (Ukraina, Białoruś, Rosja, Indie, Chiny) Brak tendencji do stałego podnoszenia kwalifikacji przez szkolenia (brak planowych obligatoryjnych środków finansowych na szkolenia, na kształcenie ustawiczne zawodowe) Brak stosowania najnowszych technologii