İyon nitrürleme ile sıcak dövme kalıplarının ömrünün artırılması
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- Tez No: 55595
- Danışmanlar: PROF.DR. MEHMET ÇAPA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1996
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 92
Özet
ÖZET Mekanik aşınma ve korozyon, kalıplarda çalışan parçalarda genelde ölçü değişmesi istenmeyen parçalarda, arzu dışmda ölçü farkı meydana getirirler. Aşınma malzemenin kırılmasına, şekil değiştirmesine ve asıl kullanma zamanına tesir eder. Aşınma birbirine temas eden yüzeylerin izafi hareketi neticesinde, korozyon ise korozif bir ortamda yüzey tabakasının korunmadığı durumlarda meydana gelir. Aşınma, 1979 senesinde DİN 50320 sayı ile tarif edilmiştir. Bu tarifi de şu şekilde özetleyebiliriz. Aşınma, katı bir kütlenin yüzey tabakasının, başka bir katı kütlenin, sıvı kütlenin veya bir gaz kütlenin dokunması ve izafi hareketi ile oluşmaktadır. Aşınma ve korozyon yoluyla makina parçalarında meydana gelen hasar, her sene milyarlarca liralık zarara neden olmaktadır. Sanayinin bütün kollarına yapılan yatırımın gün geçtikçe artması, Modern Makina ve Kalıplardan daha fazla ömür istenmesine sebep olmaktadır. Bütün bu ömür arttırma isteğinin sadece malzeme seçimiyle temin edilmesi mümkün değildir. Bugün bu problemler sadece modern yüzey işleme metodlanyla çözülebilmektedir. Bu çalışmada önce yüzey işleme metodlarma genel bir bakış verilmektedir, ve deneysel olarak iyon nitrürasyonu yapılmış sıcak dövme kalıplarının ömürleri incelenmiştir. İyon nitrürasyonu yapılan tesis İ. T. Ü. Makina Fakültesi Makina Malzemesi Labaratuarlannda geliştirilmiştir. İyon nitrürasyonu, her türlü demir esaslı malzemede yüzey tabakasının sert, korozyona ve aşınmaya çok mukavim bir duruma getirilmesi için 450 °C ile 600 °C arasındaki vakum ortamında yapılan yüksek kaliteli bir yüzey sertleştirme metodudur. Sertleştirme plazmadaki akım yükünün akkor boşalması (Glimmenetladung) neticesinde meydana gelir. Azot gazı veya difüzyona uygun başka bir gaz, malzemenin yüzey tabakasında, demirle veya alaşım elemanlarıyla kimyasal olarak birleşerek nitrürler meydana gelir. Prensibin bir çok variyasyonu mevcuttur. Bu nedenle zorlamaların şekline göre yüzey özellikleri optimal tespit edilebilir. İyon nitrürlenmiş yüzey genelde iki tabakadan oluşur. Üst yüzeye beyaz tabaka, alt kata ise difüzyon tabakası denilir. İyon nitrürleme yapılmış malzemeler, yüksek aşmma mukavemeti, sürekli değişken yük mukavemeti, boyut koruması, çekme ve korozyon mukavemeti özelliklerine sahiptirler. Her türlü çelik malzemede ve her türlü çelik işleme sanayiinde kullanılır. Bu çalışmada 2344 nolu sıcak iş takım çeliğinden yapılmış sıcak dövme kalıplarına iyon nitrürleme uygulanarak kalıp ömürlerinin, nitrürlenmemiş kalıplara oranla 10 katına kadar artırılabileceği gösterilmiştir. Bu tür çelikler için optimum nitrürleme zamanı 10 saat olarak saptanmıştır. 10 saatten sonra nitrür tabakası kalınlığı arttığı halde yüzey sertliğinin ve dolayısıyla ömrün düştüğü görülmüştür. XIII
Özet (Çeviri)
ZUSAMMENPASSUNG Untersuchung Von Ionnitrierten Werkzeuge Fiir Warmschmiedeteile Mechanischer VerschleiB und Korrosion verursachen bei den Teilen, die mit Hilfe eines Werkzeuges hergestellt werden und eine bleibende MaBgenauigkeit aufweisen müssen, unerwunschte MaBânderungen. Der VerschleiB begünstigt auBerdem am Werkzeug den Bruch, die Verformung und vor allem eine kurze Lebensdauer. In der Regel tritt der VerschleiB durch die Berührung der Teile miteinander auf, wahrend sie sich in entgegengesetzten Richtungen bewegen. Dagegen tritt die Korrosion auf, wenn die Teile in einer korrosiven Atmosphare arbeiten und deren Oberfiachen mit einer Schutzschicht nicht geschützt sind. Die Definition des VerschleiBes ist in DIN 50 320 von 1979 angegeben. Die Definition lautet (wie folgt) zusammengefaBt : Der VerschleiB entsteht durch die Reibung (Berührung) der Oberflâche eines festen Körpers mit der Oberflâche eines anderen festen, flüssigen öder gasförmigen Körpers durch die gegenseitige Bewegung der Beiden. Die Probleme des VerschleiBes hângen mehr von der Arbeitsweise des ganzen Systems ab als von den Eigenschaften der WerkstofFe. Die Bemühungen, Werkzeuge lânger haltbar bzw. teistungsfâhiger zu machen, reichen weit zurück. Es wurde einerseits versucht, hârtere Grundstoffe mit ausreichender Drucksicherheit/Zâhigkeit einzusetzen, um die Abriebfestigkeit bzw. die Belastbarkeit des Werkzeuges zu erhöhen, andererseits die Werkzeuge zu kühlen bzw. ihre Reibung durch Schmierung herabzusetzen. Der KompromiB zwischen Hârte, Zâhigkeit und Reibungsverminderung muBte zu beschichteten Werkzeugen fvihren. Durch den VerschleiB und die Korrosion werden jâhrlich bei Industrieprodukten Milliarden von Verlusten gebucht. Da die Investitionen bei alien Industriezweigen immer teuerer werden, werden auch von modernen Maschinen und Werkzeugen eine höhere Lebensdauer verlangt. Es ist nicht möglich, daB man die Forderung von einer höheren Lebensdauer nur durch die Werkstoffwahl erreichen kann. Heute können die Probleme der hohen Lebensdauer nur durch moderne Oberflâchen- behandlungsverfahren gelöst werden. AuBerdem lassen Rohstoöverknappung, steigende Leistungsanpassung, höhere Zuverİâssigkeit und UmweltbewuBtsein die Verfahren der Oberflâchentechnik in ailen Industriebereichen stândig an Bedeutung gewinnen. Mit ihrer Hilfe gelingt es heute, Werkstuckoberflachen an bestimmten Stellen spezifısche Eigenschaften zu verleihen, welche der Grundwerkstoff nicht aufweist. Dies erweitert seine Einsatzmöglichkeiten und steigert seine Widerstandsfahigkeit unter der tâglichen Belastung. Ziel ist es, die Abnutzung von Maschinenbauteilen zu reduzieren, ihre Wartungsintervalle zu XIVvergröBern und Produktionsausfâlle durch vorzeitig schadhafte Bauteile auszuschlieBen. Eine herausragende Stellung innerhalb der Oberflâchentechnik nimmt der VerschleiB- und Korrosionsschutz ein. Sobald Oberflâchen gegeneinander bewegt werden, treten Energieverluste und leider zusâtzliche Verschleifierscheinungen auf, welche meist durch chemische Reaktionen noch verstârkt werden. Dabei stellt VerschleiB keine Stoffeigenschaft dar, sondern muB als Eigenschaft verschiedener, aber gleichzeitig wirkender BeanspruchungsgröBen aufgefaBt werden. Hier ist ein Überblick über die Oberflâchenbehandlungsverfahren wiedergegeben Aile Verfahren sind hier technisch nicht ausführlich untersucht worden. AuBerdem sprechen viele dieser Verfahren nur bestimmte spezielle Gebiete an. Bei dieser Arbeit ist das Ionitrieren der Werkzeuge für Formschmiedeteile untersucht worden. Darum liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit beim Ionitrieren. Die Versuche für das Ionitrieren sind an einer Anlage an derTechnischen Universitât istanbul (I. T. Ü) durchgeführt worden, die von İ. T. Ü. entwickelt worden İst. Das Nitrieren wird seit über sechs Jahrzehnten zur Erhöhung der VerschleiB und Korroşionsbestândigkeit sowie der Schwingfestigkeit von Bauteilen industriell genutzt. Beginnend von der Nitrocarburierung im Salzbad, dem Gasnitrieren, Nitrocarburieren und Sulfonitrieren bis zu dem Plasmanitrieren und Nitrocarburieren wird heute dem Anwender eine verwirrende Anzahl kaum übersehbarer Verfahrensvarianten angeboten. Daneben steht ihm eine stândig wachsende Zahl“neuer”und weiterentwickelter“konventioneller”Verfahren der Randschichttechnik für die Optimierung von Bauteileigenschaften zur Verfügung. Angesichts dieser Situation erscheint die Frage nach der Einordnung des Nitrierens in das Konzept“Neue Werkstoffe”berechtigt. Sie ist nicht zu trennen von dem Grundproblem einer technisch begründeten Verfahrensauswahl, dessen Lösung neben der Verfahrensvielfalt auch durch das Fehlen aussagefâhige vergleichbarer Beurteilungskriterien erschwert wird. Ansatzpunkte für eine Verfahrensauswahl bietet eine Gegenüberstellung der sich aus der Anwendung ergebenden Anforderungen an das Bauteilverhalten mit der Wirkung der Verfahren auf die Schichteigenschaften. Die Randschicht von Maschinenelementen und Werkzeugen unterliegt in Abhângig keit in von ihrer Funktion vor allem komplexen mechanischen und chemischen Beanspruchungen. Neben tribologischen Beanspruchungen ist das Auftreten hoher Spannungsgradienten im Randbereich, z. B. durch Kerben und thermisch induzierte Spannungen zu berücksichtigen. Zyklische mechanische Beanspruchungen mit hohen Gradienten in der Randschicht führen z. B. zu einer von der Oberflâche ausgehenden Schâdigung durch Volumenermüdung. Das Ionitrieren zeichnet sich gegenüber anderen Verfahren der Randschicht-technik durch eine unerreichte Anwendungsvielfalt aus. Für die Massenfertigung wird es aus technischen und ökonomischen Gründen weiter an Bedeutung gewinnen. Entwick- lungsschwerpunkte sind dabei die weitere Optimierung der Gebrauchseigenschaften sowie die Intensivierung und Automatisierung des technologischen Prozesses. Gestützt auf Ersebnisse der Eigenschaftsforschung werden Hinweise zur Auswahl XVbeanspruchungsgerechter Nitrierschichten abgeleitet und die technologischen Möglichkeiten zur Variation des Schichtaufbaues beschrieben. AbschlieBend wird ihre Umsetzung an praktischen Beispielen erlâutert. Ionitrieren ist ein, neues, hochqualifiziertes Verfahren zur Oberflâchenhârtung: Maschinen und andere Teile aus beliebig legierten Stahi- und GuBeisenwerkstoffen können dadurch dauerhafter, widerstandsfahiger und wertvoller gemacht werden. Die Hârtung erfolgt im Plasma der stromstarken Glimmentladung. Stickstoff oder andere difrusionsfahige Elemente werden in die Werkstuckoberflache eingelagert. Es gibt viele Variationen der Behandlung. Darum lassen sich die Oberflâchen- eigenschaften der verwendeten Werkstoffe optimal auf die Beanspruchungsart abstimmen. Und zwar in bisher ungewohntem MaBe! Eine ionitrierte Oberflâche besteht normalerweise aus zwei Schichten : der âuBeren Verbindungszone und der darunterliegenden Diffusionszone. Das Verfahren stellt sich vor : Im Bild 1 sehen Sie eine Ionitrier-Anlage. Zu dem Vakuum-Behandlungsofen,der das Behandlungsgut aufhimmt, gehören die Elektroeinheit sowie Steuer- und Regelgerâte. GröBe und Form der Vakuumöfen können aus verfahrens technischer grimden beliebig gewahlt werdenes können winzig kleine und sehr grofie Werkstucke ionitriert werden. Eine Fremdbeheizung entfâllt, da die Werkstucke mit der Glimmentladung aufgeheizt werden. i- -4 1 Vakuum-Ofen 4 Tcmp.-Mcss-Regler 2 Behnndlungsgul 5 Gasmischung 0 Eleklrooiiihoil 6 Vakuumpumpe Bild 1. Ionnitrier-Anlage Zum Verfahren selbst : Bei eine Vakuum von 1-10 Torr und einer Spannung von 300 V bildet sich der Glimmsaum am negativ geschalteten Behandlungsgut. Der Spannungsabfall tritt erst unmittelbar an das Werkstucks oberflâche auf. So ist die Ionenintensitat weitgehend unabhangig vom Abstand zwischen Werkstuck und Ofenwand. Die Schemazeichnung ist in Bild 2 zu sehen. XVIBild 2. Ionnitrier-Verfahren Die wenige Millimeter vor der Werk-stückoberflâche stark beschleunigten Ionen prallen mit hoher kinetischer Energie gegen die AuBenflache des zu behandelnden Gutes. Die Aufschlag-energie wird in Warme zur direkten Âufheizung des Bauteils und in StoBenergie zur Ablösung von Elektronen und Atomen umgewandelt Abgestâubte Eisenatome verbinden sich mit reaktionsfâhigen Plasmateilchen. Durch Absorption schlagen sich diese Verbindungen auf der Oberflâche nieder. Von den aufgedampften Nitriden dringt unter starkem Nitridzerfall Stickstoff in die Oberflâche ein. Durch genau gesteuerte Behandlungsparameter werden Aufbau und Zusammensetzung der âuöeren Verbindungszone und der Diffusionszone bestimmt. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten: es kann die monophasige y- Verbihdungszone von 0-8 um mit nitridzeilenfreier Diffusionszone aufgebaut werden, aber auch eine monophasige s -Verbindungszone bis ca. 30 um mit verstârkter Nitridzeilenaus-bildung in der Diffusionszone. Die Verbindungszone ist immer porenfrei. Schichtaufbau: Verbindungszone zusammenhângende intermetallische Schicht (Verbindungszone) ohne Korngrenzen, ehemaliges Gefuge nicht erkennbar, vorwiegend monophasing strukturiert auf y-Fe4N- oder s-Fe2.3N-Basis. Diffusionszone dispersionsverfestigte Schicht (Diffusionszone), Gefüge und KorngröBe unverândert, erhöhte Streckgrenze infolge feindisperser Ausscheidung, mit Gitterverspannungen, Struktur unverândert. xvnSchichtabgrenzung: Verbindungszone scharfer Übergang zur darunterliegenden Difiüsionszone. Difiüsionszone kontinuierlicher Übergang zum darunterliegenden (meistens) unbeeinfluBten Kerawerkstoff. Schichtdicke (voneinander unabhangig einstellbar) Verbindungszone Zwischen 0 und 30 um. Difiüsionszone je nach Werkstoff, Behandlungszeit und -temperatur bis zu 1 mm und mehr. Schichtharte: (in gewissem MaBe einstellbar) Verbindungszone vorwiegend 1000- 1500 HV. Difiüsionszone je nach Werkstoff“ von 500-1500 HV abnehmend bis zur Kernharte. Schichthomogenitât: (vergleichsweise sehr gut) Verbindungszone monophasig, geringe Eigenspannungen, porenfrei. Difiüsionszone je nach Plasmazusammen- setzung vollkommene Unterdrückung der Kongrenzenkarbonitride möglich. Schichtduktilitât: (vergleichsweise hervorragend) Verbindungszone Y-Fe+N-Schicht z.T. plastisch verformbar und duktiler als s-Fe2-3N-Schicht. Difiüsionszone bei Unterdrückung der Korngrenzenkarbonitride trotz relativ hoher Hârte gut. GleitverschleiBfestigkeit: (hervorragend) Verbindungszone sehr gut infolge zusammenhangender inter-metallischer Schicht mit besonders gutem Schutz gegen Fressen, hervorragende Notlaufeigenschaften. Difiüsionszone gut infolge erhöhter Streckgrenze und verminderter FreBneigung. AbrasiwerschleiB (gut) Verbindungszone je hârter, umso besser. Difiüsionszone jeharter, umso besser. Dauerfestigkeit (sehr gut) Verbindungszone mit Duktilitât steigend. Difiüsionszone mit steigender Streckgrenze und Duktilitât sowie flacher werdenden Hârtegradienten steigend. Korrosipnsbestandigkeit (gut) Die Korrosions- und VerschleiBbestândigkeit von e-Nitridschichten kann durch eine Oxydation nach dem Nitrieren weiter verbessert werden. Das gilt auch fur ihren Widerstand gegenüber dem Angriffvon Aluminiumschmelzen. Verbindungszone gut bis sehr gut, mit Schichtdicke steigend. Nitrierschichten bestehen in der Regel aus einer artfremden Schicht von Eisennitriden, der Verbindungsschicht, die getragen wird von einer durch Diffüsionshârtung verfestigten arteigenen Randschicht, der Difîüsionsschicht. Die Dicke und der Phasenaufbau der Verbindungsschicht können ebenso wie die Dicke und die xvinHârteverteilung der Difilısionsschicht durch die Variation der Nitrierbedingungen und die Wahl des Grundwerkstoffes in weiten Grenzen gezielt verandert werden. Eine Vorstellung davon vermitteln die in Tabelle 1 gemachten Angaben. Tabelle 1. Schichtaufbau Der Hauptvorteil des İonitrierens : Aufbau, Abgrenzuung, Dicke, Hârte und Homogenitât der Verbindungs und Diffusionszone köhnen weitgehend unabhângig voneinander eingestellt werden. Durch diese Besonderheit des ionitrierens ergeben sich optimale Gebrauchswerte. Der Verschleip beweglicher Teile wird weitgehend gesenkt, die Dauerfestigkeit wesenlich erhöht. Darüber hinaus wirkt sich das Verfahren auch auf die Korrosions und Kavitations bestândigkeit aus. Das Ionitrieren von Werkzeugen fiihrt nicht nur zu einer Erhöhung der Standmenge, es ermöglicht z. B. auch bei Unformwerzeugen durch das Aufwachsen der Verbindungsschicht eine ”Regenerierung" von Werkzeugen mit leichtem Untermap. So werden z. B. aus diesem Grand Ziech und Kalibrierwerkzeuge aus ledeburi Kaltarbeitsstâhlen bis zu zehnmal nachnitriert. Auch das spricht fur das Ionitrieren: Temperaturbereich : von 350 C an aufwarts und nach oben nicht begrenzt. AnlaŞempfindliche Werkstoffe, bei denen nur die Hochtemperatur-Diffusion wirtschaftlichen Erfolg verspricht. Behandlungszeit : ab 20 Minuten aufwarts und praktsch nicht begrenzt. Es ist möglich, auch vershiede Nichteisen-Metalle und deren Legierung (z. B. Metalle auf Titan basis) in der oberflâche zu ver festigen. XIXDas Ionenbombardement ist so intensiv, da(3 die Werkstucke nich gesondert entpaaiviert werden müssen. Selbst bei austenitischen Eisenwerkstoffen kann auf diese Entpassivierung verzichtet werden. Die Aktivierung des Werkstoffes erfolgt automatisch. Es kann in völlig wasserstofreiem Plasma ionitriert werden wodurch sich etwaige wasserstoSbedingte Versprödungen des Kernwerkstoffes verhindern lassen. Ein weiterer, besonderer Vorzug die Auf und Abheizzeit im Blausprödigkeitsberich kann unmittelbaren Werkstoffordernissen angepaPt werden. Ionitrierte Oberflâchen erlauben hervorragende Polituren. Ionitrieren fuhrt zu einer besonders guten Ma(3haltigkeit bei gerinster Kantenaufwolbung und gerinstem Verzug. Die Rauhigkeit ist minimal. Da die Behandlung im gasformigen Medium erfolgt, eriibrigt sich eine anschlie(3ende Reinigung des Nitriergutes. Beim Ionitrieren werden keine toxischen StofFe erzeugt oder verwendet. Dadurch ist der Prozeb sicherheitstechnisch völlig unproblematisch. Das Verfahren kommt also den Umweltschtzbemuhungen in jeder Hinsicht entgegen dadurch kann die Anlage an jedem Ort betrieben werden. Und das ware zu beachten : Eine Nacharbeit sollte im Internen der Schichtseigenschaften höchstens ausnahms weise vorgenommen werden. Bei dieser Arbeit ist das Ionnitrieren der Werkzeuge fur Warmschmiedeteile untersucht worden. Die Gesenkteile von diesen Werkzeugen wurden systematisch ab 2 bis 16 Stunden ionnitriert. Im Abstand von einer Stunde wurden die Mittelwerte von Lebensdauer ermittelt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2. Versuchsergebnis-Mittelwerte XXBild 3. Ergebniskurven Wie man aus dem Bild 3 sieht, haben sich die Versuche ergeben, dass - die Nitrierdicke von der Nitrierdauer linear abhaengig ist. - die Lebensdauer bis 10 Nitrierstunden zusammen mit der Nitrierdicke anwaechst, aber nach 10 Stunden steil abnimmt. - die Oberflaechenhaerte bis 10 Nitrierstunden zusammen mit der Nitrierdicke anwaechst, aber nach 10 Stunden steil abnimmt. - die Oberflaechenhaerte bis 12 Nitrierstunden zusammen mit der Nitrierdicke anwaechst, aber nach 12 Stunden steil abnimmt. -die Lebensdauer mehr von der Oberflaechenhaerte abhaengig ist, als der Nitrierdicke. Als Schlussfolge ergibt sich, dass bei Werkzeugstaehlen 1.2343 und 1.2344 die Nitrierdauer 10 Stunden nicht iiberschreiten soil. XXI
Benzer Tezler
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The Variation of hardness values of ion nitrided H13 hot work steel with temperature and time
HANDAN BAYCIK
- İyon nitrasyonu yöntemi ile alaşımlı çeliklerde yüzey ıslahı
Surface treatment on alloyed steels by ion nitriding
MEFAYİR ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN KARADENİZ
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Production of Mo-N-Cu nanocomposite coatings by arc physical vapour deposition technique and their characterization
OSMAN LEVENT ERYILMAZ
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HAKAN YILMAZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞAFAK YILMAZ
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- Yeni nesil otomobillere yönelik vermiküler mikroyapıdaki döküm alaşımlarının gaz nitrürleme yöntemi ile özelliklerinin geliştirilmesi
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MUHAMMET EMİN KONDAKÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK