Pri spracovaní tenkostenných súčiastok, ako sú ozubené vence, klasickými metódami, napríklad cementovaním, sa objavuje dobre známy problém - deformácia. Vysoké teploty okolo 900 °C, nasledované prudkým ochladením, vystavujú ozubené vence extrémnemu napätiu. Súčiastka sa môže zdeformovať do oválneho tvaru alebo nespĺňať tolerancie rovinnosti a hádzavosti. Výsledkom sú nákladné brúsiace a rovnacie procesy.
Výzvy klasického cementovania
Proces cementovania naráža na svoje hranice, najmä pri dutých kolesách s tenkými stenami. Pri tomto procese najprv pri vysokej teplote do ocele difunduje uhlík. Následne sa obrobok rýchlo ochladí, čím vzniká martenzit - tvrdý, ale s vysokým vnútorným napätím. V prípade masívnych ozubených kolies tento proces funguje spoľahlivo.
Avšak pri dutých kolesách s tenkými stenami sa každá mikroskopická zmena v štruktúre materiálu sčíta do citeľných geometrických odchýlok: súčiastka sa po procese z pece vracia oválna namiesto kruhová, vnútorné ozubenie už nie je súosé a predtým presne brúsený otvor je potrebné znovu opracovať. Každá z týchto korekcií predlžuje výrobný cyklus a zvyšuje náklady.
Riešenie: Plazmové nitridovanie s technológiou PLASNIT®
Technológia PLASNIT® využíva ionizovanú zmes dusíka a vodíka pri relatívne miernych teplotách, približne 500 až 540 °C. V tomto plazme sa dusík uvoľňuje, difunduje do povrchovej vrstvy ocele a vytvára jemne vyvinutú difúznu vrstvu s tlakovými vlastnými napätiami. Keďže sa súčiastka neochladzuje prudkým kalením, nedochádza k fázovým premenám; napätia vzniknuté počas ohrevu sa riadene uvoľňujú.
Výsledok: ozubená súčiastka si zachováva svoj pôvodný tvar - aj pri veľmi tenkých stenách prstencov. Vďaka cielenej regulácii procesu je možné vytvoriť spojovaciu vrstvu, ktorá vykazuje vysokú odolnosť proti opotrebeniu, presne na bokoch zubov, nie však v koreňovej oblasti zubu.
Technická výkonnosť - vedecky overená
Už v roku 2007 skúmalo Výskumné centrum pre ozubené kolesá a prevodovky (FZG) na Technickej univerzite v Mníchove pod vedením prof. Höhna únavovú pevnosť plazmovo nitridovaných ocelí. Nitridačné ocele ako 31CrMoV9 dosiahli pevnosti v päte zubu až do 590 MPa a nosnosť bokov zubov až do 1 760 MPa. Tieto hodnoty sa pohybujú v hornej hranici toho, čo ponúkajú cementované súčiastky.
Spoločnosť RÜBIG následne preniesla tieto testy do interných programov na skutočné sériové komponenty: duté kolesá, ktoré bolo po cementovaní potrebné brúsiť kvôli ovalite, vyšli po prechode na PLASNIT® z pece bez akéhokoľvek dodatočného opracovania - pri zachovaní alebo dokonca zlepšení pevnostných hodnôt.
Akcia rovnania ciest v petrovskom chotári
Ekonomický prínos v sériovej výrobe
Plazmové nitridovanie prináša viac než len technickú stabilitu. Keďže deformácie sú minimálne a vznikajú takmer výlučne uvoľnením vlastných napätí z mechanickej výroby, je možné ozubené koleso nitridovať v hotovom stave alebo s malými rozmerovými rezervami.
Výrobné náklady klesajú na dvoch frontoch:
- Po prvé, odpadá brúsenie, honovanie či rovnanie.
- Po druhé, znižujú sa zmetkovitosti, pretože nutnosť prebrusovania prakticky zaniká.
Zároveň sa znižuje aj spotreba energie, keďže postačujú nižšie teploty a nie je potrebné kalenie v oleji.
Udržateľnosť a bezpečnosť práce
Zatiaľ čo cementovanie si vyžaduje kalenie do oleja a prináša so sebou emisie spalín, technológia PLASNIT® pracuje takmer bez emisií. Ionizovaný plyn sa v rámci uzavretého komorového okruhu recykluje - zlúčeniny chrómu (VI) a kyanidy sa pri procese nevyskytujú. Ak je pec napájaná zelenou elektrinou, je celý proces dokonca klimaticky neutrálny.
Aplikácie v modernej mobilite
Prechod na elektrické pohony prináša nové koncepcie prevodoviek: kompaktné planétové prevodovky, ktoré musia prenášať vysoké krútiace momenty s minimálnou hlučnosťou. Prstencové kolesá s tenkou stenou sú pritom ich srdcom. Pomocou technológie PLASNIT® ich možno zušlachtené spracovať bez geometrických kompromisov. To uľahčuje ľahkú konštrukciu, znižuje hlučnosť a predlžuje životnosť - kľúčové ciele v elektrických vozidlách.
Príklady z praxe
Náprava úžitkového vozidla s pohonom všetkých kolies
Jeden výrobca ťažkých náprav úžitkových vozidiel s pohonom všetkých kolies pôvodne používal cementovaný vnútorný ozubený veniec. Napriek zložitým upínacím prípravkom bolo nevyhnutné následné brúsenie, aby sa dosiahla trieda presnosti 7. Po prechode na technológiu PLASNIT® zostala odchýlka v hádzavosti aj rovinnosti taká malá, že nebolo potrebné ani jedno brúsenie. Náklady na jedno prstencové koleso klesli približne o 17 percent.
Šikmo ozubené prstencové koleso pre planétovú prevodovku
Šikmo ozubené prstencové koleso pre planétovú prevodovku (príruba Ø 125 mm, šírka 32 mm, m = 1,5) vykazovalo po klasickom kalení na tŕni výrazné rozmerové a tvarové odchýlky. Profilové a čelné chyby sa pohybovali v rozsahu niekoľkých µm; kruhovitosť príruby sa výrazne odchýlila. Zákazník poveril spoločnosť RÜBIG vzorovou dávkou, ktorá - pri nezmenenom materiáli (31CrMoV9) - bola plazmovo nitridovaná.
Tým zostali všetky tolerancie ozubenia aj rovinnosti v rámci hodnôt konečného opracovania; tvrdé brúsenie už nebolo potrebné. Vďaka odstráneniu brúsenia, rovnania a dodatočného merania sa podiel celkových nákladov na jedno duté koleso znížil o približne 12-17 %.
Pridaná hodnota pre zákazníka
Využitie technológie PLASNIT® pre ozubené vence prináša zákazníkom nasledujúce výhody:
- Bez deformácií a pripravené na montáž - okamžitá montáž bez dodatočného opracovania.
- Nižšie náklady na kus - dvojciferná úspora na jednu prevodovku.
- Stabilná kvalita - reprodukovateľné tolerancie aj pri tenkých stenách.
- Udržateľnosť - žiadne olejové kaliace kúpele, nižšia spotreba energie.
*Uvedené vlastnosti vrstiev vychádzajú z procesov za optimálnych podmienok.