ANDRZEJ MALASIŃSKI, ZBIGNIEW GAWROŃSKI Zastosowanie atmosfery ochronnej eliminującej obróbkę galwaniczną w procesie hartowania kół zębatych nawęglanych konwencjonalnie Usage of protective atmosphere in aim to eliminate galvanic treatment in process of hardening toothed wheels carburized traditionally STRESZCZENIE Prężnie rozwijający się w ostatnich latach przemysł lotniczy i motoryzacyjny w dużej mierze przyczynił się do rozwoju nowoczesnych technologii obróbczej kół zębatych [1 8]. Ze względu na charakter produkcji i wymagania klienta istnieje racjonalne, ekologiczne i ekonomiczne uzasadnienie stosowania konwencjonalnej obróbki kół zębatych (GENERAL ELECTRIC USA, PRATT@WHITNEY KALISZ, N.Y. AIR BRAKE USA, PZL RZESZÓW, VISTEON FORD POLSKA, INNI). W celu ochrony przed niekorzystnymi i niedopuszczalnymi przez klienta zmianami struktur, warstw wierzchnich obrabianych deatali (utlenienie, nawęglenie bądź odwęglenie) bardzo często stosowane jest międzyoperacyjne miedziowanie galwaniczne. Metoda pokrywania powierzchni części warstwą elektrolitycznej miedzi z uwagi na dużą toksyczność stosowanych roztworów, konieczność unieszkodliwiania ścieków oraz związanych z tym wysokimi kosztami jest procesem w pełni nieuzasadnionym ekologicznie i ekonomicznie. Najskuteczniejszą ochronną antydyfuzyjną [1] podczas szeroko pojętej obróbki i cieplno-chemicznej (nawęglanie, hartowanie, wyżarzanie, ) jest atmosfera ochronna. Zastosowanie w pełni kontrolowanej i powtarzalnej atmosfery ochronnej pozwala na wyeliminowanie jakże niekorzystnej obróbki galwanicznej przed hartowaniem kół i wałków zębatych WPROWADZENIE Koła i wałki zębate są nieodzownymi elementami konstrukcyjnymi w przekładniach przemysłu lotniczego i samochodowego. Ze względu na charakter pracy tych elementów (zużycie ścierne, duże naciski powierzchniowe, doraźne i cykliczne zginanie, zmianę wielkości obciążeń) zastosowany materiał musi odznaczać się wysoką udarnością, wytrzymałością doraźną i zmęczeniową, plastycznością i twardością powierzchni zębów. Ze względu na seryjny, masowy i wieloasortymentowy charakter produkcji przemysłu lotniczego i samochodowego najczęściej stosowaną technologią jest nawęglanie gazowe i hartowanie stali niskowęglowej. W wyniku tej obróbki uzyskuje się w warstwie wierzchniej materiału strukturę martenzytyczną o dużej twardości, odporności na ścieranie i naciski powierzchniowe. Bardziej ciągliwy rdzeń pozwala na przenoszenie obciążeń udarowych, zaś powstałe podczas hartowania naprężenia ściskające w warstwie wierzchniej powodują wysoką wytrzymałość stykową oraz na zginanie i skręcanie [2]. Ze względu na proces technologiczny, a w szczególności na fakt, że w większości rozwiązań konstrukcyjnych tylko niektóre powierzchnie zostają poddane utwardzaniu, stosowane są określone środki ochrony przed dyfuzją węgla w niepożądanych obszarach. Do środków ochronnych zalicza się m.in.: naddatek technologiczny na obróbkę mechaniczną, ABSTRACT The energetic development in automotive and aviation industries have played a significant role in development of modern multitooling technologies in the production of gear wheels[3, 4, 6, 8]. For the sake of production complexion and buyer s demands the rational, ecological and economical substantiation exists for usage of traditional gas carburizing process in the production of gear wheels(general ELECTRIC USA, PRATT@WHITNEY KALISZ, N.Y. AIR BRAKE USA, PZL RZESZÓW, VISTEON FORD POLSKA, OTHERS). In order to protect from undesirable and disadvantageous for client structure changes in surface layers of the processed components (oxidation, carburizing or decarburizing) in between operations galvanic copper plating is used very often. The method of plating the surface of the part with electrolytic copper has a high toxicity due to solutions used. Necessity of neutralization of harmless sewers and high costs related with that is totally ecologically and economically unjustified process. The most effective protection of a batch during broadly defined heat treatment and thermochemical treatment (carburizing, hardening, annealing and tempering) IS provided by protective atmospheres. Application of fully controlled and repeatable protective atmosphere will allow us to eliminate so unfavorable galvanic treatment before hardening of gear wheels and pinions. pokrywanie miejscowe lub całościowe części specjalnymi pastami ochronnymi, nagrzewanie części w kąpielach solnych, nagrzewanie w piecach z atmosferą ochronną, pokrywanie powierzchni części warstwą miedzi. Wysokie wymagania jakościowe, ekonomiczne i terminowe klientów PRATT & WHITNEY CANADA (PWC), PRATT & WHITNEY AMERYKA (PWA), HAMILTON SUNSTRAND, SIKORSKY, PZL WSK- RZESZÓW decydują, że w chwili obecnej Firma PRATT & WHITNEY KALISZ stosuje miedziowanie galwaniczne wspomagane dodatkowo pastą zabezpieczającą. Mimo wysokiego reżimu procesu i kultury pracy w ostatnim czasie odnotowano pogorszenie jakości obróbki z tytułu podwyższonej wartości utlenienia (rys. 1, 2), odwęglenia powierzchniowego (rys. 3, 4), nawęglenia (rys. 5) w miejscach niedopuszczalnych. Największy udział niezgodności jakościowych (związanych bezpośrednio z obróbką cieplna i cieplno- chemiczną) w firmie PRATT- WHITNEY to odchyłki powstałe w wyniku skaleczenia mechanicznego miedzi [7], pozostałe udziały stanowią nawęglenia z tytułu niewłaściwego wykonywania miedziowania (przygotowanie powierzchni, skład chemiczny kąpieli). Najczęściej uszkodzenia mechaniczne miedzi powstają przez: skaleczenia mechaniczne podczas frezowania, dłutowania, szlifowania i mycia, zatarcia/wtarcia w wyniku transportu międzyoperacyjnego. Mgr inż. Andrzej Malasiński (Andzrej.Malasinski@pwk.com.pl) PRATT 8 WHITNEY, Koszalin sp. z o.o., prof. dr hab. inż. Zbigniew Gawroński Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Materiałowej, Łódź 690
0,014 0,013 0,012 0,011 Wartość utlenienia [mm] 0,01 0,009 0,008 Ostatnie niezgodne wsady 0 5 10 15 20 25 Rys. 1. Przykład podwyższonej wartość utlenienia po granicy ziaren Fig. 1. Example of value of intergranular oxidation versus batch number (Raised value of intergranular oxidation) Rys. 5. Przykład detalu z nawęglonymi powierzchniami Fig. 5. Example of part with stray carb on non carburized area Przyczynami tego stanu rzeczy są: nakłucia, zbrylenia, porowatości, pęcherze (rys. 6), wgłębienia powłoki (rys. 7), gruboziarnistość powłoki (rys. 8), brak ciągłości powłoki miedzi (rys. 9), słaba przyczepność miedzi do podłoża (rys. 10), przebarwiania powłoki, zbyt mała grubość miedzi, uszkodzenia mechaniczne miedzi. Rys. 2. Przykład podwyższonej wartości utlenienia po nawęglaniu Fig. 2. Example of value of intergranular oxidation (after carburizing of the order of 0.011 mm) 84 82 80 Twardość HRA PD warstwa Wynik 9 Wynik 10 Wynik 20 78 76 74 72 Rys. 6. Przykład powłoki miedzi z pęcherzami Fig. 6. Example of copper with bubbles 70 Odległość od powierzchni t[mm] 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Rys. 3. Przykład odwęglenia powierzchniowego Fig. 3. Example of decarburization RYS. 7. Przykład powłoki miedzi z wgłębieniami Fig. 7. The example of copper plate with pinholes Rys. 4. Przykład detalu z odwęglonymi powierzchniami Fig. 4. Example of part with decarburized surfaces 6/2008 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A 691
Rys. 8. Przykład gruboziarnistej powłoki miedzi Fig.8. The example of coarse grain structure of copper plate W każdym z pieców do nawęglania (typu CASEMASTER AFS- 302436) dokonano następujących zmian: w trakcie przeładunku wsadu z komory grzejnej do komory przedsionka powstaje podciśnienie, które sprzyja zasysaniu powietrza przez nieszczelności pieca. W celu zapobiegania powstawania tego niekorzystnego zjawiska zainstalowano dodatkowy system nadmuchu propanu do komory przedsionka, który zapewnia nadciśnienie w komorze przedsionka. Układ ten składa się z oddzielnej instalacji rurowej, zaworu elektromagnetycznego normalnie zamkniętego i zaworu odcinającego. system ciągłej kontroli ciśnienia panującego w komorze grzejnej pieca. W skład instalacji wchodzi manometr U-rurkowy, zawór kulowy, instalacja rurowa, na tylnej ścianie komory grzejnej pieca zainstalowano króciec z wysuwnym prętem umożliwiającym założenie próbki badawczej, którą poddaje się okresowej analizie chemicznej lub wagowej. Dzięki temu rozwiązaniu można określić utlenienie powierzchni próbki powstające wyłącznie w komorze grzejnej pieca (bez oddziaływania przedsionka) (rys. 11), RYS. 11. Instalacja próbki badawczej Fig. 11. Installation of investigative sample Rys. 9. Przykład nieciągłości powłoki miedzi Fig. 8. The example of intermittent structure of copper plate Rys. 10 Słaba przyczepność miedzi do podłoża Fig. 10. Weak adhesion of copper to base MODERNIZACJA OBRÓBKI CIEPLNEJ PO NAWĘGLANIU KÓŁ ZĘBATYCH Najskuteczniejszą ochroną przed niedopuszczalnymi wadami powierzchniowymi (utlenienie, nawęglenie, odwęglenie) w procesie nagrzewania i wygrzewania wsadu jest atmosfera ochronna. Zakładając, że proces obróbki będzie w pełni regulowany i powtarzalny spodziewamy się redukcji kosztów produkcji przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji szkodliwych substancji (stosowanych w procesach obróbki galwanicznej), a co za tym idzie wzroście konkurencyjności. W celu eliminacji procesu miedziowania międzyoperacyjnego (poprzedzającego proces hartowania) przystąpiono do sukcesywnego wprowadzania zmian organizacyjnych i konstrukcyjnych urządzeń wykorzystywanych w procesach obróbki kół i wałków zębatych (w porozumieniu z producentem tych urządzeń). wprowadzono procedurę nasycania pieca po każdorazowym dłuższym przestoju (powyżej 24 h) bez możliwości prowadzenia w tym czasie procesów produkcyjnych, wprowadzono rejestr zabiegu oczyszczania komory pieca z osadów węglowych, ustalono doświadczalnie optymalne nastawy generatorów w zależności od rodzaju obróbki nawęglanie detali wykonanych na,,gotowo, nawęglanie detali szlifowanych, hartowanie (różne w zależności od rodzaju materiału), w zależności od zaawansowania procesu (położenia wsadu) zastosowano system zmiennych nastaw punktu rosy na generatorze zasilającym piec, cykl produkcyjny nawęglanie hartowanie jest poprzedzony procesem nasycania retorty celem ustabilizowania parametrów atmosfery (bez możliwości prowadzenia w tym czasie procesów produkcyjnych), wprowadzono system przedmuchu atmosferą procesową gazoszczelnej komory (obudowy) łańcucha transportowego, która to komora jest zintegrowana z komorą grzejną pieca. Zapobiega to zbieraniu się wilgoci w komorze łańcucha (oddziałującej na komorę grzejną rys. 12), na wydziale hartowni wprowadzono filozofię Lean Manufacturing wprowadzono zmianę konstrukcji klap przeciwwybuchowych i koronek palnika górnego, wprowadzono dodatkową instalację gazu wzbogacającego. Układ ten składa się z oddzielnej instalacji rurowej, zaworu elektromagnetycznego normalnie zamkniętego i zaworu odcinającego (rys. 13), wprowadzono okresową kontrolę stanu sondy tlenowej (pomiar czasu reakcji, oporności), doświadczalnie wprowadzono korekty nastaw regulatorów potencjału węglowego, wprowadzono zmianę konstrukcyjną wzierników mającą na celu zapewnić większą szczelność mechanizmu tym samym zapobiec 692
zasysaniu powietrza do komory grzejnej podczas przeładunku wsadu. kątem wyeliminowania miedziowania przed hartowaniem (zarówno,,świadków jak i detali). W tabeli 1 przedstawiono różnice pomiędzy dotychczas stosowaną obróbką cieplną, a obecnie wdrażaną dla koła zębatego przekładni planetarnej (rys. 16), a w tabeli 2 dla koła zębatego pompy olejowej (rys. 17). 84 82 80 78 76 74 Wartosć twardości [HRA] Odwęglenie warstwy wierzchniej Wynik 4 Wynik 13 Wynik 19 72 Rys. 12. System nadmuchu łańcucha transportowego Fig. 12. System of blowthrough of transport chamber 70 Odległość od powierzchni t[mm] 68 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Rys. 15. Rozkład twardości w warstwie wierzchniej zębów po wprowadzeniu w/w zabezpieczeń Fig. 15. Hardness chart for gear top layer after protection implementation Rys. 13. Dodatkowa instalacja gazu wzbogacającego Fig. 13. Additional installation of feeding gas Na linii generatorów ENE 10 wprowadzono następujące zmiany: wprowadzono rejestr regeneracji generatorów (poprzedzony cykliczną kontrolą wskazań manometru U-rurkowego). Ponadto na wszystkich piecach i generatorach zainstalowano specjalną instalację poboru próbki gazu (atmosfery ENDO). Próbkę tę wykorzystuje się do ciągłej kontroli składu atmosfery obróbczej za pomocą przenośnego analizatora 3 IR PGA 3500. Oprócz tego na bieżąco kontrolowany jest skład gazów surowcowych do wytwarzania atmosfer piecowych (na podstawie dostarczonych przez dostawcę certyfikatów składu gazu). W wyniku dotychczas wprowadzonych zmian uzyskano: utlenienie po nawęglaniu rzędu 0,005 mm (rys. 14) dopuszczalne 0,008 mm [5], prawidłowy (dopuszczalny) rozkład twardości w warstwie wierzchniej zębów (rys. 15). Rys. 14. Uzyskiwane wyniki wartości utlenienia po nawęglaniu rzędu 0,005 mm Fig. 14. Results of value of intergranular oxidation (after carburizing of the order of 0,005 mm) Bardzo duża powtarzalność przeprowadzonych prób była inspiracją do zmiany procesu obróbczego wybranych detali produkcyjnych (tych, które podlegają obróbce mechanicznej po obróbce ) pod Rys. 16. Koło zębate przekładni planetarnej Fig. 16. Planet gear Tabela 1. Porównanie przebiegu procesu obróbki dotychczasowego i zmodernizowanego dla koła zębatego satelity Table 1. Comparison of seqence of operations for heat treatment current vs revised planet gear Dotychczasowy proces obróbki Wdrażany proces obróbki Nazwa Nazwa 35 Hartowanie 35 Hartowanie 45 Odpuszczanie 45 Odpuszczanie 90 Miedziowanie * 90 Miedziowanie * 120 Miedziowanie** 120 Miedziowanie** 123 Oczyszczanie Oczyszczanie 123 chemiczne chemiczne 135 Nawęglanie 135 Nawęglanie 145 Miedziowanie 150 150 160 Odmiedziowanie 165 Oczyszczanie 170 Miedziowanie*** 175 Hartowanie 175 Hartowanie 185 185 190 190 195 Odmiedziowanie 195 Odmiedziowanie 210 Kontrola 210 Kontrola * powierzchnie czół pozostałe chronione zaślepkami maskującymi ** powierzchni otworu uzębienie chronione (mastyk) *** wszystkie powierzchnie 6/2008 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A 693
PODSUMOWANIE Poprzez wprowadzenie przedstawionych zmian uzyskano: zmniejszenie poziomu liczby niezgodności jakościowych (powstałych na etapie obróbki ), skrócenie czasu całego cyklu produkcyjnego kół zębatych, zmniejszenie kosztów produkcji kół zębatych, zwiększenie dostaw na czas, działanie na rzecz ochrony środowiska, zdrowia i życia ludzi poprzez eliminacje czynników/środków szkodliwych. LITERATURA Rys. 17. Koło zębate pompy olejowej Fig. 17. Oil pump gear Tabela 2. Porównanie przebiegu procesu obróbki dotychczasowego i zmodernizowanego dla koła zębatego pompy olejowej Table 2. Comparison of seqence of operations for heat treatment current vs revised- oil pump gear Dotychczasowy proces obróbki Wdrażany proces obróbki Nazwa Nazwa 122 Miedziowanie* 225 Miedziowanie* 135 Nawęglanie 290 Nawęglanie 137 Miedziowanie 138 320 145 Oczyszczanie 150 Miedziowanie** 155 Hartowanie 410 Hartowanie 165 430 170 440 175 Odmiedziowanie 450 Odmiedziowanie 190 Kontrola Kontrola * powierzchnie czół i otworu ** wszystkie powierzchnie [1] Dawes C., Cooksey R. J.: Surface Treatment of Engineering Components, Metal Heat Treatment Conference, Birmingham (1965) 77. [2] Gawroński Z.: Technologiczna warstwa wierzchnia w kołach zębatych i mechanizmach krzywkowych, Monografia, Łódź, (2005) 75-78. [3] Gräfen W., Edenhofer B.: Acetylene Low-pressure Carburizing- a Novel and Superior Carburizing Technology, Heat Treatment of Metals 4 (1999) 79-85. [4] Herring D. H., Houghton R. L.: The Influence of Process Variables on Vacuum Carburizing. Proc. Of the Sec. Intern. Conf.,,Carburizing and Nitriding with atmospheres, Cleveland, (1995) 103-108. [5] Norma CPW 21 dostępne w PWC Copr., 1000Marie Victorin Dlvd., Longueuil, Quebek J4G1A1 55. [6] Preisser F., Seemann W., Zenker R.: Vacuum Carburizing with High Pressure Gas Quenching- The Process. Proc. Of the 1 st International Automotive Heat Treating Conference, Puerto Vallarta, Mexico (1998) 135-148. [7] Sprawozdanie z prac zespołu ds. nawęgleń w PWK 20.10.05 1-4; 06-08.2007 1-17. [8] Sugiyama M., Ishikawa K., Iwata H.: Vacuum Carburizing with Acetylene, Advenced Materiale&Processes 4 (1999) 29-33. 694