You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Varmebehandling som et våben mod slid på stål og rustfrit stå|.<br />
<strong>EIFORCE</strong><br />
E¡@<br />
Af Carsten Jensen, FORCE Technology<br />
Det er kendt, at mange komponenter i drift er udsat for nedbrydning i form af slid, Derfor er det oftest en<br />
nødvendighed enten at eliminere eller reducere det aKuelle slid, og det gøres helt generelt ud fra en analyse<br />
af hele det såkaldte tribologiske system. I det tribologiske system indgår der tre elementer: friktion, smøring<br />
og slid. Som en del af denne analyse er det væsentligt at fastlægge, hvilken eller hvilke slidÇper, der er i<br />
spil. Generelt findes der følgende slidtyper:<br />
Abrasivt<br />
. Adhæsivt<br />
' Udmattelsesslid<br />
Korrosionsslid<br />
. Erosion<br />
De forskellige slidtyper skal ikke gennemgås her, men det skal nævnes, at hver slidtype har sine<br />
karakteristika, og man ser ofte, at der er flere slidtyper involveret i en aktuel nedbrydning. Et eksempel er et<br />
slid, der er staftet som adhæsivt slid med udrivninger og efterfølgende er forsat som abrasivt slid, fordi det<br />
udrevne materiale nu virker som slidende paftikler mellem kontaktflader, Slid defineres i øvrigt ofte som en<br />
proces, hvor der fiernes materiale fra en komponents oveflade eller som en alvorlig ødelæggelse of<br />
ovefladen.<br />
Udover ændring af friktionsforhold og optimeret smøring så kan overflade-belægning eller -behandling<br />
anvendes til at eliminere eller reducere slid. Der findes en række forskellige metoder til enten at fremstille en<br />
overfladebelægning eller ændre på materialets slidegenskaber i en overflade zone.<br />
I Svejsning har det tidligere været belyst, hvordan man bl.a. gennem påsprøjtning og laser fusing kan<br />
etablere et overfladelag med væsentligt forbedrede slidegenskaber. Og inden for specielt værktøjsteknologi<br />
har det de sidste ca. 35 år været normalt at anvende tynde hårde overfladebelægninger på hø¡t belastede<br />
værktøjsdele. Blandt de mest kendte metoder til frembringelse af hårde tynde belægninger er PVD, DLC,<br />
CVD og TDP processerne.<br />
I denne artikel vil der i oversigtsform blive fokuseret på de mere traditionelle varmebehandlings-processer,<br />
som efterlader komponentens overflader med forbedret slidegenskaber. Ved slidtyperne abrasivt og<br />
adhæsivt slid spiller materialets hårdhed en stor rolle for slidstyrken, og defor vil formålet med<br />
varmehandlingsprocesserne være at skabe tilstrækkelig hårdhed i materialets oveflade gennem<br />
styrkeforøgende meka n ismer.<br />
Varmebehandling<br />
Traditionelt set har man skabt styrke og dermed hårdhed ved hærdning i vand, olie eller luft og<br />
efterfølgende anløbning. Den metode er stadig meget anvendt, og f.ek, ved hærdning af værKøjsstål er<br />
det muligt med stor nøjagtighed og reproducerbarhed at få optimale egenskaber. I praksis kan man med<br />
moderne varmebehandlingsovne ramme en hårdhed, der ligger indenfor t2 HRC (hårdhed Rockwell C). Har<br />
man f.eks. to komponenter, der er i slidende kontaK, kan man varmebehandle den billigste og lettest<br />
udskiftlige komponent til en lavere hårdhed end den anden komponent. Sliddets omfang er ikke nedsat men<br />
omkostningerne forårsaget af slid et væsentligt reduceret. Den teknik er i dag meget anvendt som løsning i<br />
mange teknologiske sammenhænge.
êFORCE<br />
E@<br />
En anden måde at eliminere eller reducere slid på er ved at give komponenter en varmebehandling, som kun<br />
påvirker komponenterne i en randzone ved overfladerne - en såkaldt overfladehærdning. Blandt de mere<br />
traditionelle varmebehandlings-metoder findes der overordnet følgende processer:<br />
' Termiske diffusionsprocesser<br />
' InduKions-, laser- og flammehærdning<br />
En meget stor del at den varmebehandling, der udføres på hærderierne, tilhører gruppen af termiske<br />
diffusionsprocesser, På varmebehandlingsmarked findes der en overordentlig lang række termiske<br />
diffusionsprocesser, der er blevet specielt kommercielt navngivet, men samlet set tilhører de én af følgende<br />
hovedprocesser:<br />
. Karburering (kulstofindsætning)<br />
' Karbonitrering (indsætning med kulstof og lorælstof)<br />
. Nitrering (indsætning med kvælstof)<br />
. Nitrokarburering (indsætning med kvælstof og kulstof)<br />
Listen kunne sagtens udvides med flere procestyper som f.ek. borering og sulfinuz, men ovenstående<br />
processer repræsentere de mest anvendte. Ideen bag de termiske diffusionsprocesser er, at man gennem<br />
diffusion af et stof (her kulstof ogleller kvælstof) fra et medie (gas, salt eller plasma) kan oplegere en zone<br />
langs overfladen med stoffer, som enten ikke findes i materialet eller kun findes i en utilstrækkelig mængde.<br />
Indsætning<br />
Ved indsætning af ulegerede og legerede stål med kulstof og efterfølgende hærdning er mængden af<br />
inddiffunderet kulstof afgørende for den hårdhed, der kan opnås ved den eftefølgende hærdning. Meget<br />
groft fortalt vil hårdheden stige med stigende kulstof-indhold. Det er ikke ualmindeligt, at man efter en<br />
indsætning og eftefølgende hærdning kan få en hårdhed i området HRC 60t2. Resultatet bliver således, at<br />
komponenten har fået en hård slidbestandig overflade med en dybde i intervallet 0,5 til 4 mm afhængig af<br />
processen samt et relativt sejt kernemateriale. I dag er gasindsætning den mest anvendte metode til<br />
kulstofindsætning, og metoden giver mulighed for seleKiv hærdning ved afdækning med pasta. I nogle<br />
tilfælde, hvor slidreduktion er ønskeligt, og kontaktradie og samtidigt fladetryk er store, kan de maksimale<br />
forskydningsspændinger ligge dybere i overfladen. I det tilfælde skal man vælge en relativ stor hærdedybde,<br />
og det er netop muligt ved indsætning og som senere beskrevet også ved induktionshærdning.<br />
Karbonitrering<br />
Karbonitrering er en procesvariant til indsætning, der fordel anvendes til ulegerede eller meget lavt legerede<br />
stå|. Karbonitrering omfatter en samtidig indsætning af kulstof og kvælstof i en gasholdig atmosfære.<br />
Fordelen er, at kvælstof ved temperaturer i området 840-930'C ikke danner nitrider, men optræder opløst i<br />
austenitten. I denne tilstand vil diffusionshastigheden for kulstof forøges, og den mængde kulstof, der kan<br />
opløses i austenitten, gør, at overfladezonen nu bliver oliehærdende i stedet for vandhærdende. Resultatet<br />
bliver her, at hårdheden vil kunne komme helt op på ca. HRC 62t2. Typiske indsætningsdybder findes i<br />
intervallet ca. 0,4-0,8 mm (defineret ved en grænsehårdhed på HV 550), Karbonitrering anvendes primæft<br />
til sliddele såsom beslag og låsedele samt til små komponenter, der er udsat for udmattelse.<br />
Fælles for indsætning og karbonitrering er, at der er en hærdeproces involveret, og at processerne sker ved<br />
relativt høje temperaturer (over ca. 700 "C). Det betyder, at man også bl.a. skal tage større hensyn til<br />
dimensionændringer i.f.m. varmebehandlingen, Hvis det er problematisk at overholde krav til mål- og<br />
formændringer, så findes der heldigvis processer, der udføres ved lavere temperaturer og hvor en egentlig<br />
hærdning (afgysning) ikke indgår. To af de mest anvendte varmebehandlingsmetoder af den type er<br />
nitrering og nitrokaborering, der ligeledes har det hovedformål at danne en slidbestandig overflade,
EHFORCE<br />
E¡E!@<br />
Indsætning og karbonitrering udføres ofte i ovnanlæg med gasholdig<br />
atmosfære. Billedet er venligst udlånt af Bodycote Varmebehandling A/S.<br />
Nitrerino<br />
Ved nitrering lader man kvælstof diffundere ind i materialets overflade, og her sker der eftefølgende<br />
styrkeforøgende mekanismer, der resulterer i en forøgelse af hårdheden. Styrkeforøgelsen sÇldes fast<br />
opløsning af kvælstof og dannelse af nitrider. Den mest anvendte nitrerproces er gasnitrering, og her er det<br />
muligt på højt legerede værktøjsstål at opnå overfladehårdheder på op til ca. HV 1400 (hårdhed Vickers).<br />
Gasnitrering anvendes til mange sliddele, og der er mulighed for afdækning af områder (f.eks. gevind), hvor<br />
nitreringen ikke ønskes. Både støbejern, lavt og højt legerede stål kan nitreres, Generelt gælder der, at jo<br />
højere totalt legeringsindhold, jo højere hårdhed kan opnås og dermed højere bestandighed mod abrasivt og<br />
adhæsivt slid, Tl en komponent der er udsat for samtidig slidbelastning og store fladetryk, så er nitrering<br />
ikke et oplagt procesvalg.<br />
Nitrering kan ligeledes udføres i saltbad, og så benævnes processen tenifering. Tenifering giver gode<br />
tribologiske egenskaber primært grundet et overfladelag bestående af e-nitrid. I de seneste godt 30 år har<br />
man ligeledes udført nitrering i et plasma (plasmanitrering), og her er der mulighed for en meget nøjagtig<br />
styring af processen og nitrering af lokale områder på sliddele (ekempelvis spidsen af en nål),<br />
Nitrokaborering<br />
Ved nitrokarburering tilføres der både kvælstof og kulstof fra procesgasser i ovnanlæg til en komponents<br />
overflade, og der sker en diffusion ind gennem overfladen med en styrkeøgende effekt og hårdhedsforøgelse<br />
fl fdge. Generelt anvendes processen til at frembringe en slidbestandig oveflade ved temperaturer, hvor<br />
f.ek. dimensionsændringer er minimale. Hvis man ønsker en slidbestandig overflade på komponenter, hvor<br />
trykbelastningen er lav, så er Ni-temper-processen aktuel at overveje. Ni-temper-processen sker typisk ved<br />
570 'C i en gasblanding af 50o/o endogas og 50o/o ammoniak, Der findes endvidere nitrokarbureringsprocesser,<br />
hvor man gennem en oxydationsproces kan farye en slidbestandig overflade. Faruen vil være<br />
bestemt af gasblandingen i oxyderingsprocessen, Et kommercielt navn på en sådan proces er Colornite@.<br />
Det er også udviklet processer, hvor man både forbedrer slidstyrke og friKionsforhold samt forbedrer<br />
ovefladens korrosionsbestandighed. En kommerciel proces med de egenskaber er Corr-I-Dur, der består af<br />
en nitrokarbureringsproces og ofte efterfulgt af en plasmanitrering og endeligt en efter-oxydation.
æFORCE<br />
H¡¡@EE@<br />
Slidbestandigt a ustenitisk rustfrit stål<br />
Der findes mange situationer, hvor der udover materialets korrosionsbestandighed også stilles krav til<br />
slidbestandigheden. Ofte vil man vælge et hærdbart rustfrit stål- maftensitisk - men de martensitiske<br />
rustfrie stål har begrænset korrosionsbestandighed, Alternativt kan man vælge et austenitisk rustfrit stå|, der<br />
meget generelt er karaKeriseret ved en relativ god korrosionsbestandighed men en ringe styrke og hårdhed,<br />
Austenitisk rustfrit stål som f.eks. AISI 304 og AISI 316 kan ikke varmebehandles til en større styrke og<br />
hårdhed, som det kendes fra legeret sort stå|. Men indenfor de seneste ca. 20 år er der udviklet processer,<br />
som gør det muligt gennem enten en indsætning, nitrering eller nitrokarburering at frembringe en hærdet<br />
overfladezone i austenitisk rustfrit stål og i duplex stå|. Resultatet bliver en slid- og korrosionsbestandig<br />
ovelflade. Kommercielt findes processen Kolsterisering@ på markedet, og forskere fra Risø-DTU er nu klar<br />
med processen Expanite@, der kan karaKeriseres som en gasbaseret proces, hvor man ved inddiffusion af<br />
enten kulstof eller lo¡ælstof eller begge stoffer samtidigt danner et overfladelag af ekpanderet austenit med<br />
en dybde pà20-40 Fm og med overfladehårdheder op til ca, HV 1200.<br />
Induktionshærdning<br />
Ved denne hærdemetode foregår en lokal elektrisk opvarming af komponenten til hærdetemperaturen<br />
gennem en vekelsstrømsspole, hvofra der induceres et magnetfelt. Gennem dette magnetfelt dannes der<br />
hvivelstrømme på komponentens overflade, som ved tilstrækkelig effekt medfører en hurtig lokal<br />
opvarmning af overfladen. Efter opvarming til hærdetemperaturen, afkøles overfladen typisk med vand.<br />
Gennem procesteknisk styring er det muligt meget nøjagtig at hærde komponentens overflade lokalt med en<br />
veldefineret hærdedydbe. Hærdningen af overfladen medfører en forøgelse af slidstyrken. De mest<br />
velegnede stål til anvendelse ved induktionshærdning er stå|, der har en relativ god hærdbarhed som f.eks,<br />
sejhærdningsstålene. Processen anvendes bl.a. til hærdning tandhjul, aksler, glideskinner og til hærdning af<br />
knaster på knastakler, hvor der er behov for stor tryk- og slidstyrke. InduKionshærdning anvendes normalt<br />
ved ovefladehærdning af større serier.<br />
t,<br />
¡<br />
InduKionshærdning af et tandhjul tager ofte kun få sekunder. Billedet er<br />
venlígst udlånt af Bodycote Varmebehandling A/S.<br />
Mange muligheder for forbedring af slideoenskaber<br />
Generelt findes udover de termiske diffusionsprocesser en række andre muligheder for at forbedre<br />
slidegenskaberne. Eksempelvis kan der vælges et legeret stå|, som ved almindelig sejhærdning kan opnå en<br />
høj slidstyrke mod abrasivt og adhæsivt slid. Dernæst findes der en række konvefteringsprocesser -
æFORCE<br />
E@@<br />
eksempelvis hårdanodisering og forkromning, der giver mulighed for at forbedre slidegenskaberne af<br />
aluminium og zink og ofte samtidigt med, at komponentens dekrorative egenskaber ændres tilsigtet, Der<br />
kan også vælges et materiale, som i sig selv enten har eller udvikler en høj slidstyrke. Eksempler herpå er<br />
hårdmetal (wolfram-karbid) eller de manganlegerede såkaldte Hadfield-stå1, der ved deformation udvikler<br />
højere slidstyrke. Endelig skal der nævnes en loddeproces kaldet Braze coating, der er udviklet iTyskland.<br />
Her findes hårde partikler i loddet - sædvanligvís wolframkarbid - der efter applicering og lodning findes<br />
indesluttet i loddet, Loddet appliceres på funktionsflader, hvor høj slidstyrke er ønsket. Tl slut skal det igen<br />
nævnes, at valget blandt de mange varmebehandlingsprocesser til forøgelse af slidstyrken kun er en del af<br />
den opgave, der omhandler om at reducere eller eliminere et uhensigtsmæssigt slid. Slidproblemet skal ses<br />
holístis( og det vil síge en analyse af hele det tribologiske system - nemlig friktion, smøring og slid.
Change language