BLOG

Powłoka PVD może mieć bardzo dużą twardość i mały współczynnik tarcia, ale sama nie rozwiązuje każdego problemu z trwałością narzędzia. Jest cienka, dlatego jej zachowanie zależy od nośności materiału znajdującego się bezpośrednio pod nią. Jeżeli podłoże odkształca się pod naciskiem, twarda powłoka może pękać, wykruszać się albo odspajać. Jednym ze sposobów ograniczenia tego zjawiska jest wcześniejsze azotowanie stali. Sekwencję azotowania i nanoszenia powłoki PVD określa się jako obróbkę duplex.

Duplex nie oznacza jednak prostego dodania dwóch niezależnych usług. Warstwa azotowana musi zostać zaprojektowana jako podłoże pod konkretną powłokę, obciążenie i gatunek stali. Znaczenie mają między innymi temperatura odpuszczania, struktura rdzenia, twardość powierzchni, głębokość strefy dyfuzyjnej, obecność warstwy związków oraz przygotowanie przed osadzaniem PVD. W tym poradniku wyjaśniamy, kiedy azotowanie przed PVD ma techniczne uzasadnienie, jak zaplanować cały proces i jakie dane przekazać wykonawcom.

Azotowanie wykrojników i stempli może poprawić odporność powierzchni narzędzia na zużycie, ale nie zastępuje prawidłowej konstrukcji i ustawienia procesu wykrawania. O trwałości krawędzi decydują jednocześnie gatunek blachy, jej grubość, luz między stemplem a matrycą, geometria narzędzia, smarowanie oraz wcześniejsza obróbka cieplna.

Jeżeli stempel szybko się wyciera, wykrusza albo pokrywa przywartym materiałem, najpierw trzeba rozpoznać mechanizm uszkodzenia. Zwiększenie twardości nie rozwiąże problemu wynikającego z niewspółosiowości, zbyt małego luzu lub wad powierzchni po szlifowaniu i EDM. Niewłaściwie dobrana warstwa może dodatkowo pogorszyć zachowanie ostrej krawędzi.

Azotowanie wałów korbowych można rozważyć jako sposób poprawy właściwości warstwy wierzchniej odpowiednio zakwalifikowanego materiału. W przypadku czopów głównych i korbowodowych nie wystarczy jednak zamówić wysokiej twardości. Powierzchnia musi współpracować z panewkami, zachować wymaganą geometrię i odpowiadać dokumentacji konkretnego silnika.

Przed procesem trzeba ustalić gatunek materiału, wcześniejsze utwardzanie, historię szlifowania i stan całego wału. Znaczenie mają również promienie przejściowe, kanały olejowe, tolerancje oraz planowane wykończenie. Azotowanie nie naprawia pęknięć, nie prostuje automatycznie wału i nie zastępuje kwalifikacji części po zatarciu.

Azotowanie stali 1.2379, znanej również pod oznaczeniem D2, może poprawić właściwości powierzchni narzędzi do pracy na zimno. Nie jest jednak zabiegiem, który należy automatycznie stosować do każdego wykrojnika, stempla lub elementu formującego. Wysoka twardość wyjściowa, duża zawartość węglików i wymagania krawędzi roboczych sprawiają, że technologia potrzebuje świadomego przygotowania.

Najważniejsze zagadnienia to wcześniejsza obróbka cieplna, temperatura odpuszczania, stan powierzchni po szlifowaniu lub EDM oraz budowa warstwy azotowanej. Nie wystarczy zamówić możliwie największej twardości. Warstwa musi współpracować z rdzeniem i zachować właściwości potrzebne narzędziu, szczególnie gdy występują duże naciski lub ryzyko wykruszeń.

Azotowanie stali 31CrMoV9 warto rozważyć przy projektowaniu części maszyn, które potrzebują odpornej na zużycie powierzchni i odpowiednio wytrzymałego rdzenia. Dotyczy to między innymi wałów, sworzni, tulei, elementów napędowych i precyzyjnych detali pracujących pod obciążeniem. Materiał nie powinien być jednak wybierany wyłącznie dlatego, że jest określany jako stal do azotowania.

Decyzja musi uwzględniać funkcję części, naciski kontaktowe, warunki smarowania, geometrię oraz wymagania wymiarowe. Istotne jest również przygotowanie rdzenia przez wcześniejszą obróbkę cieplną. Twarda powierzchnia nie zastępuje odpowiedniej nośności całego elementu, a prawidłowo dobrany gatunek nie naprawia błędów konstrukcyjnych.

Azotowanie stali 38HMJ pozwala uzyskać twardą warstwę wierzchnią na elementach, których rdzeń powinien przenosić obciążenia mechaniczne. Gatunek ten jest stosowany między innymi na wałki, tuleje, sworznie i inne części narażone na zużycie powierzchniowe. Sam wybór odpowiedniej stali nie wystarcza jednak, aby gotowy detal spełnił wymagania eksploatacyjne.

O wyniku decydują również wcześniejsza obróbka cieplna, stan powierzchni, geometria oraz sposób opisania oczekiwanej warstwy. Wymaganie „azotować na twardo” nie określa głębokości utwardzenia, dopuszczalnej warstwy związków ani tolerancji po procesie. Dlatego przygotowanie 38HMJ warto rozpocząć już podczas projektowania części, zanim powstanie detal wymagający kosztownych poprawek.

Zawory i pompy mają bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo, szczelność oraz ciągłość pracy instalacji. Ich elementy wewnętrzne stykają się z cieczami, gazami, zawiesinami, środkami chemicznymi, produktami spożywczymi, olejami, wodą, parą lub mediami zawierającymi twarde cząstki. Jednocześnie przenoszą naciski, wykonują ruch ślizgowy, obrotowy albo posuwisto-zwrotny i muszą przez długi czas zachowywać dokładne wymiary.

Zużycie powierzchni roboczej może stopniowo zwiększać luzy, zmieniać charakterystykę przepływu i pogarszać szczelność. Na trzpieniach, tłoczkach, prowadnicach, wałach i tulejach pojawiają się rysy oraz ślady zatarcia. Powierzchnie gniazda i grzyba zaworu tracą geometrię, a pompa przestaje osiągać wymagane ciśnienie lub wydajność. W skrajnych przypadkach dochodzi do zablokowania mechanizmu, wycieku albo nagłego zatrzymania urządzenia.

Narzędzia do pracy na gorąco są poddawane wyjątkowo trudnym obciążeniom. W czasie każdego cyklu ich powierzchnia styka się z nagrzanym metalem, przenosi wysokie naciski, nagrzewa się, a następnie jest intensywnie chłodzona. Jednocześnie występują tarcie, zmęczenie cieplne, ścieranie, utlenianie i lokalne odkształcenia plastyczne.

Nawet wysokiej jakości stal narzędziowa może w takich warunkach stopniowo tracić właściwości powierzchniowe. Na narzędziu pojawiają się mikropęknięcia, siatka pęknięć cieplnych, wytarcia, zatarcia, wykruszenia lub odkształcenia. Zmieniają się wymiary obszarów roboczych, pogarsza się jakość wyrobów, a produkcja wymaga coraz częstszych przerw na regenerację albo wymianę narzędzia.

Stal 42CrMo4 jest często wykorzystywana do produkcji mocno obciążonych części maszyn. Powstają z niej między innymi wały, osie, sworznie, trzpienie, koła zębate, tuleje, śruby specjalne oraz elementy układów napędowych. Materiał zapewnia korzystne połączenie wytrzymałości, hartowności i odporności na obciążenia dynamiczne. Nie zawsze oznacza to jednak wystarczającą trwałość powierzchni roboczej.

Jeżeli detal jest narażony na tarcie, zużycie ścierne, naciski powierzchniowe, mikropoślizg albo ryzyko zatarcia, jego powierzchnia może zużyć się znacznie wcześniej niż rdzeń. Jedną z metod rozwiązania tego problemu jest azotowanie stali 42CrMo4.

Azotowanie jest często wybierane do obróbki elementów wykonywanych na gotowo lub niemal na gotowo. Proces przebiega w niższej temperaturze niż nawęglanie zakończone hartowaniem, dlatego zwykle wiąże się z mniejszym ryzykiem zmian kształtu. Nie oznacza to jednak, że cienka tuleja, pierścień, obudowa albo precyzyjna część CNC po azotowaniu zawsze zachowają idealną geometrię.

Elementy cienkościenne są szczególnie wrażliwe na naprężenia, nierównomierne nagrzewanie, asymetryczną geometrię i sposób podparcia. Jeśli detal został mocno odciążony podczas frezowania lub toczenia, ma nierówną grubość ścianek albo został wykonany bez odpowiedniego odprężania, proces cieplny może ujawnić naprężenia powstałe znacznie wcześniej.