Dr. Fazekas Lajos főiskolai docens
GÉPJAVÍTÁS IV. SEGÉDLET
TARTALOMJEGYZÉK ELŐSZÓ .................................................................................................................................... 3 1. Selectron-eljárás..................................................................................................................... 4 1.1. Az eljárás módszer szerinti alapváltozatai a következők............................................... 4 1.1.1. Vékony rétegek felvitele kézi fémfelhordással...................................................... 4 1.1.2. Vastag fémbevonatok készítése ............................................................................. 5 1.2. A Selectron-eljárás előnyei ............................................................................................ 6 1.3. A Selectron-eljárás technológiai sorrendje .................................................................... 6 1.4. Selectron-eljárás alkalmazásai ....................................................................................... 7 1.4.1. Az alkalmazás főbb területei.................................................................................. 8 1.4.2. Gyakorlati példák a Selectron-eljárás alkalmazására............................................. 9 2. Felületi hordképesség-növelő eljárások ............................................................................... 11 2.1. Felületszilárdító megmunkálások ................................................................................ 11 2.1.1. Felületvasalás ....................................................................................................... 12 2.1.2. Felülethengerlés, furathengerlés .......................................................................... 14 2.1.3. Ütőtestes felületszilárdítás ................................................................................... 16 3. Felületötvözési eljárások...................................................................................................... 18 3.1. Nitrálás (nitridálás) ....................................................................................................... 21 3.2. Nitrocementálás (cianidálás)......................................................................................... 22 3.3. Szulfidálás..................................................................................................................... 23 3.4. Kromálás ....................................................................................................................... 25 3.5. Alitálás (alitírozás)........................................................................................................ 25 3.6. Szilíciumozás (szilicírozás vagy szilikálás).................................................................. 26 3.7. Foszfátozás.................................................................................................................... 27 4. A tengelyek felújítása........................................................................................................... 29 4.1. A sima és vállas tengelyek felújítása ............................................................................ 30 4.2. A bordás tengely felújítása............................................................................................ 31 4.3. A bütykös tengelyek felújítása...................................................................................... 33 4.4. A forgattyús tengelyek felújítása .................................................................................. 34 Irodalomjegyzék....................................................................................................................... 41
2
ELŐSZÓ A gépek, gépjárművek és berendezések fenntartása – karbantartása, javítása, az alkatrészek felújítása, élettartam-növelése – a technikai berendezések fejlődésével egyre igényesebb megoldásokat kíván, ami igen összetett műszaki feladat. A javítások és felújítások megtervezését, a technológia kidolgozását, a sorozatnagyságok behatárolását tapasztalt szakembereknek kell végezni. A gyártástechnológus és javítástechnológus között „csak” az a különbség, hogy a javítástechnológus feladata sokkal összetettebb, sokoldalúbb és több jellegzetes művelettel egészül ki. A Gépjavítás IV. segédlet szerves folytatása az eddig nyomtatásban megjelent Gépjavítás III-III. segédleteknek. Ezek a kiadványok szervesen kapcsolódnak az előadáson elhangzottakhoz illetve jól kiegészítik azokat. A segédletek ajánlottak a tantárgyat választó nappali és levelező hallgatóknak a félévi és a záróvizsgára való felkészüléseikhez. A segédletek anyagainak ismerete elegendő a gépészmérnököknek a technológiai alapok megtanulásához és kellő segítséget ad ahhoz (akár önképzéssel vagy szervezett tanulással) hogy a javítási és felújítási feladatok elvégzéséhez a szükséges magasabb szakmai ismereteket megszerezzék.
Dr. Fazekas Lajos főiskolai docens
3
1. SELECTRON-ELJÁRÁS Az elektorkémiai fém felvitel új eljárásaként kell megemlíteni a Selectron-eljárást, melynek őse az ecsetelő vagy tampongalvanizálás. Elvében a hagyományos galvanizálásnak felel meg, de a galvanikus fémfelvitel nem igényel nagy, helyhez kötött kádakat, áramforrást, hanem speciális elektródák, áramforrás és elektrolitok alkalmazása mellet kis tömegű, mobil berendezéssel lehet megvalósítani a galvanizálást. A tampongalvanizálást, amely kis teljesítményű eljárás, már régen is alkalmazták a hagyományos galvanizálási eljárások hibáinak javítására. Ezt a kis teljesítményű, kézi eljárást továbbfejlesztve jött létre a Selectron-eljárás, amely három részterület fejlesztésnek eredményeként – többek között a javítóipar számára – hatásos galvanikus eljárásként értékelhető. A fejlesztés területei: -
-
Speciális elektrolitok kifejlesztése, melyek fémtartalma lényegesen nagyobb, mint a hagyományos, kádakban alkalmazott oldatoké. A fejlesztés arra is kiterjed, hogy a cianidos és erősen savas elektrolitok helyett környezetbarát oldatok keletkezzenek. Új típusú elektróda (ecsetelő szerszám) kifejlesztése, mely lehetővé teszi a nagy sebességű anyagfelvételt és megakadályozza az elektrolitok helyett környezetbarát oldatok keletkezzenek. Új, kistömegű, nagy teljesítményű, pontosan vezérelhető áramforrás létrehozása, melyek a nagysebességű és pontos méretű anyagfelvitelhez szükségesek.
A fejlesztés eredményeként több mint 100 féle, különböző fémet és fémötvözetet tartalmazó elektrolit jött létre, melyek 20-50 µm/min. fémfelviteli sebességet biztosítanak a speciális áramforrás alkalmazása mellett. A fémbevonat jellemzői a felrakó hegesztéssel felvitt rétegek jellemzőivel egyeznek meg, és adhéziós kötéssel kapcsolódnak a felülethez.
1.1. Az eljárás módszer szerinti alapváltozatai a következők 1.1.1. Vékony rétegek felvitele kézi fémfelhordással Az 1. ábra szerinti elrendezésnél egy egyenirányító berendezés egyik pólusa a bevonandó alkatrészhez kapcsolódik (katód), míg a másik pólus egy, a bevonandó felülettel egyező nagyságú és formájú felvivő fejhez (anód).
1. ábra Elektrokémiai felvitel vékony réteghez 4
Az utóbbit pamut vagy műanyag szövet borítja, és ez át van itatva a fémionokat tartalmazó oldattal, ezt mártással időszakosan pótolják. Az anód vezető része – grafit vagy platina – a körülményekhez képest lehetőleg, a munkadarab méretét és alakját kövesse.
1.1.2. Vastag fémbevonatok készítése Nagy mennyiségű fém forgó felületre való felvitele esetén a 2. ábra szerinti elrendezés alkalmazható.
2. ábra Nagy mennyiségű fém felvitele forgó felületre Ez esetben a fémionokat tartalmazó oldatot egy szivattyú szállítja folyamatosan az anódhoz, melyen átáramolva jut a forgó felületre. A visszafolyó oldatfelesleg szűrés után ismét felhasználható. A felmelegedés elkerülés érdekében hűtő beépítése is célszerű folyamatos üzem esetén. A Selectron-eljárás 1 mm2 felülettől több 1000 m2 területig használható. Az eljárás célját tekintve a következő fő alkalmazási területet különböztetünk meg: Normál polaritás esetén (a munkadarab negatív sarok, elektróda a pozitív sarok): I.
Vékony bevonatok készítése 1-15 µm-ig, amikor is elsődleges cél a: -
II.
korrózióvédelem; díszítő felületbevonás; optikai rétegfelvétel; mikrohullámú vezetők ezüstözése; erősáramú kapcsolók ezüstözése; nagy keménységű felületek; különleges siklócsapágyak; különleges mágneses tulajdonságok; nyomtatott áramköri érintkezők és még számos egyéb felületek létrehozása. Vastag bevonatok készítése 50-3000 µm, melynek főbb felhasználási területei:
-
általános gépipari javítások; felületi karcok, benyomódások javítása; 5
-
csapágyhelyek feltöltése; szimering kopáshelyek javítása; turbinalapátok javítása; anyaghiány-feltöltés; tömítő rétegfelvitel; nagy szilárdságú acélok hidrogén ridegedés nélküli javítása; forgattyús tengelyek javítása; műemlékjavítás;
Fordított polaritás esetén (a munkadarabot a pozitív sarokra kapcsoljuk és az elektróda a negatív sarok). Alkalmazási területei: -
elektrokémiai polírozás; jelölések (feliratok) készítése; lokális anyageltávolítás; felületelőkészítés festéshez; felületelőkészítés ragasztáshoz (repülő, és autóipar).
Nagyobb darabszámú alkatrész javítása, illetve bevonása esetén automatizált galvanizáló berendezések kialakítása is lehetséges (pl. vasúti keréktengelyek).
1.2. A Selectron-eljárás előnyei Az előnyök a következőekben foglalhatók össze: -
könnyen szállítható, kis helyigényű, bárhol felállítható, gyors az anyagfelvitel, a felvitt réteg vastagsága jól szabályozható, hőhatás nincs, az alapanyagban nincs káros deformáció, a felhordott rétegeknek különböző tulajdonságokat lehet biztosítani (kopás, korrózió, hőállóság, stb.), felhordás után nincs hidrogén ridegedés, furatok belseje is bevonható (d > 1,5 mm)
1.3. A Selectron-eljárás technológiai sorrendje A Selectron eljárással javított alkatrészek minőségét alapvetően a technológiai fegyelem betartása határozza meg, Az alapfém és a felvitt réteg között a kapcsolat adhéziós, melynek követelménye a fémtiszta felület. Javasolt technológia sorrend: -
felület mechanikai tisztítása, szabályozás (forgácsolással vagy köszörüléssel), durva zsírtalanítás, 6
-
nem kezelt felületek védelme (lakkréteg, ragasztószalag), elektrolitikus zsírtalanítás, öblítés, oxidmentesítés, aktiválás, öblítés, bevonás a kívánt fémmel (kötőfém és fedő-védő fém).
1.4. Selectron-eljárás alkalmazásai Az alkalmazott berendezések különböző méretekben készülnek. A berendezések áramfelvétele 15-500A között változik és teljesítményük is ennek megfelelően szabályozható. A bevonásnál alkalmazott sebesség a feszültséggel 8-30 V között folyamatosan szabályozható az adott elektrolit paramétereinek függvényében. A felvitt réteg vastagsága a Faraday törvényen alapuló összefüggéssel meghatározható (korábban szó volt róla). A sokféle összetételű galvánfürdő lehetővé teszi az eljárás széleskörű alkalmazását az alkatrészek felületi tulajdonságainak kialakítására. Az eljárás alkalmazhatóságát a javítástechnológiák területén alkalmazott egyéb felrakó eljárások összehasonlításával is lehet bizonyítani (1. táblázat). 1. táblázat A gépgyártás területén alkalmazott fémlerakó eljárások összehasonlítása Felhordott réteg mérettartása Kötés minősége Hőhatás okozta belső feszültség vagy repedés Anyagfelviteli sebessége A felvitt réteg sűrűsége (porozitása) A berendezés hordozhatósága Utólagos megmunkálás Hidrogén-ridegedés
Selektron-eljárás kiváló
Felrakó hegesztés rossz
Fémszórás rossz
Keménykrómozás megfelelő
kiváló
kiváló
megfelelő
jó
nincs gyors
gyakori nagyon gyors
ritka nagyon gyors
nincs lassú
tömör hordozható
tömör, beégési lyukakkal hordozható
sűrűség 75-95%a az elméletinek hordozható, de a fröcskölés ezt nehezíti általában szükséges nem lép fel
0,25mm vastagságig nem szükséges nem lép fel
mindig szükséges nem lép fel
tömör nem hordozható időnként szükséges fellép
A javítóipar egyik felhasználási lehetősége a kopott alkatrészek feltöltése. A kopásállóság többek között a felület keménységétől is függ. A 2. táblázatban néhány Selectron eljárással készített galván bevonat keménysége látható. A kopási viszonyok függvényében a felviendő anyag nagy variációs lehetőséggel megválasztható és a tribológiai szempontból legkedvezőbb feltételek biztosíthatók az alkatrészek élettartamának növelése érdekében.
7
2. táblázat Selectron eljárással készített fémbevonatok keménységértékei Átlagos keménység Brinell Rockwell C 375 40 430 45 745 66 445 46 375 40 565 58 500 50 725 65 450 47 625 60
Kemény kobalt Félkemény kobalt Kobalt-wolfram Savas nikkel Félkemény nikkel XHB nikkel Nikkel-foszfor Nikkel-wolfram Nikkel-kobalt Rádium
Megjegyzés: 1 órás, 400°C-on történő hőkezeléssel 63 HRC érhető el.
1.4.1. Az alkalmazás főbb területei A forma és szerszámépítésben: - üvegfúvó, műanyagfröccsöntő és extruder szerszámok korróziókopásállóságának növelése, - osztóélek kopásainak, sérüléseinek javítása, tárolás előtti korrózióvédelme.
és
Gépi berendezések, munkadarabok javításánál: - megmunkálási hibák kijavítására, - hidraulika hengerek, dugattyúk, dugattyúrudak, egyéb hengerek kopáshelyeinek, karcainak, eróziós helyeinek, berágódásainak javítására, - csapágyfém felvitele csúszási felületekre, - megkopott idomrendszerek felújítása. Elektronikában, villamosiparban: - érintkezési felületekre (aranyozás, ezüstözés, rezezés), - nyomtatott áramkörök javítására, vezetősávok és érintkezők javítására. Nyomdaiparban: - nyomóhengerek sérüléseinek kijavítására, - nem kívánatos bemélyedések lefedésére, majd újbóli előhívására. Iparművészetben, múzeumoknál: - restaurálásra, aranyozásra.
8
1.4.2. Gyakorlati példák a Selectron-eljárás alkalmazására. Egy helyi sérülés javítástechnológiai sorrendjét látjuk a 3. ábrán.
3. ábra Helyi sérülés javítástechnológiai sorrendje A sérült felületet maszkolással körbehatároljuk. A maszkoló anyag lehet akár műanyag szigetelőszalag is. A részleges feltöltés után a maszkoló anyaggal azonos rétegvastagságot visszamunkáljuk, majd ismételt maszkolást és feltöltést végzünk. A többlépcsős feltöltést az indokolja, hogy mély karcok, berágódások esetén a töltőfém gyors kiválású, az alapanyagtól eltérő tulajdonságú fém. A végső réteg a felületi követelményeket teljes mértékben kielégíti. A hagyományos galvanizálást a Selectron-eljárással együtt is lehet alkalmazni (4. ábra).
4. ábra Normál galván és Selectron feltöltés kombinált alkalmazása Az alkatrész felületén keletkezett durva helyi sérüléseket Selectron-eljárással feltöltjük, majd a teljes felületet hagyományos galvanizálással javítjuk. A módszert a munkadarab méretei és gazdasági kérdések indokolják.
9
Az eljárás eredeti és ma is legnagyobb felhasználói a fegyveres erők. Az állandó javítóbázisokon kívül hadihajókon, tengeralattjárókon, harckocsizó és rakéta egységeknél is rendszeresítve van ez a könnyen szállítható és kezelhető berendezés. Az eljárás egyik legnagyobb alkalmazási területe a hidraulikus elemek javítása. Kiemelkedő példa volt rá a La Manche csatorna alatti alagút fúrópajzsának karbantartása, ahol az Ø400mm-es és 6m hosszú hidraulikus hengerek rendszeres és helyszíni javítását végezték el. Elektromotorok karbantartási költségeit jelentősen csökkenteni lehet, ha a kommutátorokat és csúszógyűrűket rádium- és aranyréteggel vonják be. A kedvező súrlódási viszonyok következtében a szénkefék kopása az ötödére csökkent. A rádium a kis súrlódási tényező és a kismértékű kopás biztosítása érdekében van szükség, az arany pedig „kenőanyagként” szolgál a nagykeménységű rádium és kefék között. A rádium vastagsága 0,5-1,25 mikron, melyet 0,25-0,75 mikron vastagságú aranyréteget fed. Néha a rádium alá is felvisznek egy vékony aranyréteget. Ez a típusú bevonat különösen hatásos a korrozív körülmények között üzemelő motorok és generátorok esetében. Hasonló jó eredményt értek el a cellulóz- és papíripari, valamint bányaipari megszakítók és kapcsolók érintkezőinél. Felhasználási területe a gépjárművek alkatrészeinek javításánál is jelentős. Kopott alkatrészek felületeinek feltöltése, „O” gyűrűk bemaródásainak javítása, benyomódások feltöltése mind egyszerű eszközökkel megoldható. A korrózióvédő-bevonatok felvitelén kívül a Selectron-eljárást gyakran alkalmazzák a felületi keménység növelésére, illetve a súrlódási tényező csökkentésére. Bár kemény krómbevonat felvitele nem lehetséges, helyette kobalt-wolfram (legkisebb súrlódási tényező), nikkel-wolfram és nikkel-foszfor bevonatokat alkalmaznak teljes sikerrel. A keménykrómozás előnyei közismertek, néhány igen kirívó hátránya is van (a méretkorlátokon kívül is). A legkedvezőtlenebb mechanikai tulajdonsága, hogy kicsi a törési ellenállása, relatíve rideg a bevonat. A másik veszélye a keménykrómozásnak, hogy hidrogén ridegedést okoz a különösen nagy szilárdságú acéloknál. Mindehhez járul még az a hátrány, hogy a króm nem jól nedvesíthető, s ez különösen formák, alakító hengerek, kalanderek esetében hátrányos a gumi- és üvegiparban. A keménykrómozás felújítása is nagy problémát jelent, ugyanis az illető alkatrészt ki kell szerelni és leszállítani a galvanizáló üzembe. Az alkatrész ép felületét maszkolni kell. És végül, nem mellékes a krómozásnál keletkező, környezetszennyező galvániszap sem. A Selectron-eljárásnál ezek a hátrányok kiküszöbölődnek és kiemelkedő a szétszerelés nélküli helyszíni javítás lehetősége. Gumi-, műanyag- és üvegipari formák sérüléseinek, kopásainak kijavításával nagy összegek takaríthatók meg. Mivel nincs hőképződés, a formahiányosságok pótolhatók. Az injektáló formák megkopott beömlő nyílásai rövid idő alatt javíthatók. Sok esetben az injektáló présből való kiszerelés sem szükséges. A Selectron-eljárással a formák élettartama 2-3-szorosra is növelhető. Speciális alkalmazás a formabeírások nyom nélküli törlése és javítása. A PVC-konténerek és –palackok alkalmazása is speciális gyártási problémákat okoz. A formábaöntés során kis mennyiségű sósavgáz szabadul fel, mely a formák felületén meghibásodásokat okoz és ezzel a forma élettartamát csökkenti. Ezt a keménykrómozás sem akadályozza meg. A Selectron-eljárással ez megelőzhető, amennyiben a formák felületét 2,5 mikron vastagságban pórusmentes kemény aranyötvözettel vonják be. 10
Ugyanezt a kemény aranyötvözetet alkalmazzák az acélhoz tapadó műanyagok (pl. teflon) formáinál a tapadás csökkentésére. Ez esetben 1,2 mikron vastag bevonatot alkalmaznak, ezáltal a formák nyitásához szükséges erő, mintegy 50%-kal csökken. Az eljárás vonószerszámok és kalanderhengerek kopásának, sérülésének javítására is kiválóan alkalmas. Nyomdaipari gépek nyomóhengereinek felújítása is Selectron-eljárással oldható meg, ugyanis a nyomóhengerek rézzel való bevonása igen fontos mivel a festék tapadása miatt feltétlenül szükséges. A Selectron-eljárással történő rézfelvitelhez nem kell a berendezést szétszerelni. Igen nagy áramsűrűséget alkalmaznak a gyors felvitel érdekében. A bevonat vastagságát pontosan lehet szabályozni, általában 50-62 mikron vastagságú bevonat készül 2-2,5 óra alatt. Az így készült bevonat keménysége a galvanizálással készült bevonaténak kb. a kétszerese. A Selectron-eljáráshoz kidolgozott berendezés alkalmas meglévő fémbevonat eltávolítására is. Ehhez csupán az szükséges, hogy a pólusokat megcseréljük. Ezzel az eljárással nemcsak a rosszul sikerült bevonat távolítható el, hanem például a túlméretes alkatrészek is helyrehozhatók, szétszerelés és maszkolás nélkül. Az így létrehozott felülethez kiválóan tapadnak a ragasztók, festékek. Egyik legjelentősebb alkalmazása a helikopterek rotorjánál történik, ahol az alumínium alapanyagot kemény bevonattal, vagy műgumival kell burkolni. Hagyományos eljárásokkal nem biztosítható jó kötési szilárdság. A fémeltávolítást atomerőművénél is elterjedten alkalmazzák.
2. FELÜLETI HORDKÉPESSÉG-NÖVELŐ ELJÁRÁSOK A gépalkatrészek felújításakor és pótalkatrészek gyártásakor számos esetben szükséges főleg a súrlódó alkatrészek felültei hordképességének a növelése. A gépelemeket a súrlódás és a fárasztás elsősorban a felületükön veszi igénybe. A következőkben azokkal az eljárásokkal foglalkozunk, amelyekkel a felület keménysége, a kopásállósága, a hőállósága, és a korrózióállósága fokozható. Ezeket a technológiákat a felületszilárdító megmunkálások és a felületötvöző eljárások csoportjaiba sorolhatjuk.
2.1. Felületszilárdító megmunkálások A felületszilárdításkor a munkadarab felületi rétegét csúszó-, gördülő- vagy dinamikus terhelő szerszámmal hideg képlékenyalakításnak vetjük alá, amelynek hatására a felületi érdesség csökken, a felületi réteg mechanikai tulajdonságai javulnak (keménység és kifáradási szilárdság növelése). A felületszilárdító megmunkálások lehetnek: -
statikus felületszilárdítás. + felületvasalás külső hengeres felületek vasalása belső hengeres felületek vasalása 11
+ felülethengerlés, furathengerlés -
dinamikus felületszilárdítás + sörétezés (gravitációs, pneumatikus, mechanikus) + ütőtestes felületszilárdítás
2.1.1. Felületvasalás Az eljárás célja a felület szilárdítása és a felületérdesség csökkentése, furatok esetén kész méret kialakítása is. A külső felületek vasalásához egy gömbsüveg felületű szerszámot használunk, amelyet meghatározott erővel nyomva csúsztatunk a munkadarab felületén. A külső hengeres felületek vasalását esztergákon, illetve esztergaszerű szerszámgépeken végzik. A gyémánt vasalófejet hordozó szerszámbefogót a késtartóba fogják be (5. ábra). A szerszám lehet természetes – vagy mesterséges gyémánt. A vasaló gyémántot a vasalófejbe alacsony olvadáspontú fémmel rögzítik, majd szférikusra, (gömbsüveg alakúra) vagy hengeresre csiszolják 1,2-3,4mm sugárral (6. ábra).
5. ábra Vasalás külső hengeres felületen
henger szférikus (gömbsüveg) 1- vasalógyémánt, 2- rögzítőfém, 3- foglalat. 6. ábra Vasalógyémánt befogása 12
Külső hengeres felületek esztergán vasalhatók gyémánt szerszámmal. A munkadarab kerületi sebessége 25-200 m/perc. A szerszám nyomóereje változtatható rugterheléssel 100-500 N között, az előtorlás 0,02-1 mm/ford. közötti érték. A vasalás hatására az eredeti felületminőség – az alkatrész anyagától függően –2 –4 nagyságrenddel változik. A nyomóerő érdessége a vasalt felületen az előtolás és a sebesség növekedésével nő. A nyomóerő növekedése egy darabig csökken, a sebességgel és a nyomóerővel együtt nő. A furatvasalás célja a méretpontosság, a felületi simaság, a kopásállóság és a kifáradással szembeni ellenállás fokozása. A furatvasalásra merev szerszámok használhatók, ezeket átnyomják vagy áthúzzák a furaton (7. ábra).
a.) –acélgolyó, b.) –merev vasalótest, c.) –szerelt vasalószerszám 7. ábra Furatvasaló szerszámok A szerszám anyaga színesfém alkatérszekhez G03, G04 jelű golyóscsapágyacél vagy szerszámacél, acélokhoz keményfém. A furatvasaláskor a felületi terhelést a szerszám és a furat túlfedése (d-do), a munkadarab anyaga és geometriai kialakítása (D és do) szabja meg (8. ábra). A szerszám főrészei az alakító kúp (1), a kalibráló kúp (2) és a hátsó kúp (3). 8. ábra A furatvasalás geometriai viszonyai A furatot vasalhatjuk csak a felület símitása céljából, ekkor a felületi terhelés nem lépi túl az anyag rugalmassági határát (R0,02), illetve a folyáshatárt (ReH) és a felületi kristályszerkeezt lényegesen nem változik. A maradó alakváltozást létrehozó felületszilárdítsá hatására a munkadarab keresztmetszetének egy része vagy teljes keresztmetszete méretváltozást szenved és a furat felülete keményebb lesz. Az f = d1-d0 értékét tapasztalati adatok alapján lehet megadni, melyet meghatároz: - a megmunkálandó anyag rugalmassága és folyáshatára, - az előző megmunkálás módja, - az előző felületi érdesség.
13
A vasalószerszám alakító kúpszöge (α) rideg anyagok esetén 2-3°, szívós anyagoknál 4-5° lehet. A hátsó kúp szöge (α1) azonos az alakító kúp szögével, vagy 2-3°-al nagyobb. A vasalás erőszükségelete (Fv):
Fv = Fa + Fs + Fj ahol: Fa = az alakváltozáshoz szükséges erő; Fs = a súrlódóerő; Fj = a járulékos alakváltozás erőszükséglete. Adott munkadarab furatának vasalásához szükséges erő nagysága a szerszám kúpszögétől és a túlfedés mértékétől függ (9. ábra).
a
b
9. ábra Az alakító szerszám α szögének (a) és az f túlfedés mértékének (b) hatása a vasalás erőszükségletére
2.1.2. Felülethengerlés, furathengerlés A felülethengerlés alkalmazható síkfelületek, külső és belső hengeres felületek szilárdítására. Célja – a vasaláshoz hasonlóan – a munkadarab felületi érdességének csökkentése és a felületi réteg szilárdítása. Az eljárás során a megmunkálandó anyagnál jóval keményebb golyó vagy különféle gyűrű (görgő) alakú szerszámot meghatározott erővel a felületre nyomjuk és legördítjük. A görgők jellegzetes alakjait (10. ábra) mutatja. ahol: Dg = 20…200 mm r = 0,5…200 mm
14
10. ábra A görgők jellegzetes alakjai A jellegzetes felülethengerlési megoldásokat mutatja a (11. ábra).
1. egygörgős hengerlőszerszám, 2. egygolyós hengerlőszerszám, 3. kétgolyós hengerlőszerszám, 4. kétgörgős hengerlőszerszám, 5. kétgörgős hengerlőszerszám, (ferde elhelyezésű) 6. kétgörgős simító hengerlőszerszám, 7. kétgörgős kúpos simító hengerlőszerszám, 8. esztergálás és egygolyós szerszámmal való hengerlés, 9. esztergálás és simító felülethengerlés
11. ábra Jellegzetes felülethengerlési megoldások A szerszám anyaga szerszám- vagy golyóscsapágyacél. A szerszámra ható nyomóerő 20020000 N, amely rugóval, hidraulikus vagy pneumatikus munkahengerrel hozható létre. A hengerlés sebessége lényegesen nem befolyásol, ezért 30-90 m/perc értékek között változtatható. A felületi érdesség a görgőzés hatására lényegesen csökken, de befolyásolja az előző művelettel készített érdesség is. Függ továbbá a szerszám lekerekítési sugarától, a nyomóerőtől és a szerszám tengelyének hajlásszögétől. A görgőző erő növekedésével kezdetben csökken, majd egy minimális érdesség elérése után nő a felület érdessége. A felülethengerlés előtolása nagyértékben befolyásolja a felületérdességet. A fogások számával szintén befolyásolható a felület érdessége, de sok fogás a felület roncsolódását okozhatja.
15
A görgőzés hatására felkeményedett réteg vastagsága (∆l) a következő módon számítható:
F R eH
∆l =
ahol: F = a görgőre ható erő; ReH = a munkadarab anyagának folyáshatára. A hengerléssel szilárdított felület keménysége az acél széntartalmától függően 240-320 HV közötti érték. A hengerelt felületben nyomófeszültségek maradnak vissza, ezért az alkatrész kifáradási határa növekszik. A túlhengerlés következtében roncsolt felület természetesen a kifáradási határ csökkenését eredményezi. Előnyös a görgőzés a feszültség-gyűjtő helyeken. Furathengerléshez használt szerszám készülhet átmenő vagy zsákfurathoz. A szerszám rugalmas vagy merev kialakítású (12. ábra). A gördülő elem lehet golyó vagy kúpgörgő, melyeknek száma célszerűen páratlan. A görgők átmérője D = 6-18 mm, míg a kúpgörgős gördülő elemek esetén a görgők hossza az átmérőjük 2-3 szorosa ( l = ( 2 − 3) D ). A túlfedés mértéke f = 0,08-0,10mm lehet. A görgőzés sebességét a munkadarab átmérője (D1), a görgőtartó kosár fordulatszáma (nk = 90-100 1/min) és a munkadarab fordulatszáma (nmdb) együttesen határozzák meg.
12. ábra Furat hengerléshez használatos rugalmas sorszámú
2.1.3. Ütőtestes felületszilárdítás Az eljárás során a munkadarab felületére szabad vagy kényszermozgású ütőtesteket ütköztetünk. A felületi érdesség változását és a felületi réteg szilárdulását a dinamikus ütőhatások idézik elő. 16
A szabadon mozgó ütőtestes megmunkálás a sörétezés, amikor a 0,5-3mm átmérőjű szemcsékből álló sörétnyalábot gravitációs úton, 3-4m magasból (13. ábra), vagy pneumatikus vagy, mechanikus berendezésekkel 5-150m/s sebességgel ütköztetünk a munkadarab felületére. A szemcsék anyaga öntöttvas vagy nagy széntartalmú acél. A sörétezett felület érdessége függ a munkadarab keménységétől, a sörét minőségétől és méretétől, a sörétezés idejétől. Elérhető átlagos érdesség Ra = 25-5µm. A felkeményedett réteg vastagsága 0,2-0,5mm. Sörétezett laprugók kifáradási szilárdságnövekedése elérheti az 50%-os is. A kényszermozgású ütőtestes megmunkáláskor a szerszám általában egy forgó tárcsa kerületén korlátozott mozgású golyó (a) vagy gyűrű (b) alakú ütőtestekkel dolgozik (14. ábra). Az ütőtestek elmozdulása sugárirányban kb. 1 mm.
13. ábra Gravitációs sörétező berendezés
14. ábra Acélgolyós (a) és alakos gyűrűs (b) felületszilárdító szerszámok
17
A felületszilárdítás hatékonyságát a következő tényezők befolyásolják: - a munkadarab anyaga és kerületi sebessége, - az ütőtestek alakja, mérete és száma, - a szerszám kerületi sebessége és előtolása, - az ütőtestek és a munkadarab átfedése, - a fogások száma. Az eljárással sima felület készíthető (Ra = 0,02-0,05µm). A szerszám kerületi sebességét a munkadarab anyagától függően választjuk meg: - acélokhoz vsz = 12-40m/s - öntöttvashoz vsz = 15-20m/s és - színesfémekhez vsz = 8-12m/s. Az ütőtestek és a munkadarab felületének átfedése f = 0,05-0,8 mm. A fajlagos ütés-szám szokásos értéke 30-70 ütés/mm2. Az előtolás és az ütés sebességét a szerszám határozza meg. Külső hengeres felületek megmunkálásához a szerszámot köszörűgépre vagy esztergán szánköszörűre foghatjuk fel, mivel az ütőerő viszonylag kicsi (5-20 N).
3. FELÜLETÖTVÖZÉSI ELJÁRÁSOK Gépalkatrész-felújításkor számos esetben csak úgy tudjuk az új állapot minőségét közelíteni, ha felületötvözési eljárást is alkalmazunk. A javítóiparban a cementáláson kívül nitrálás, nitrocementálás, szulfidálás, kromálás, alitálás, szilíciumozás és foszfátozás alkalmazása jöhet szóba. Ezekre az eljárásokra – a foszfátozás kivételével – jellemző, hogy a termodiffúziós folyamattal alakul ki a jobb hordképességű felület. A szilárd fémekben lejátszódó diffúziós folyamatok során fématomok egyik helyről a másikra mennek át. A helyváltoztatás oka lehet: -
az atomok hőmozgását meghatározó kinetikai energia helyi eltérése, amely kiegyenlítődik, ez végbemehet homogén fémben a fázishatáron belül öndiffúzióval és a fázishatáron kívülről idegen fémdiffúzióval, két fázisból álló rendszerben a koncentrációkülönbségek is kiegyenlítődnek, ezt koncentrációs diffúziónak nevezzük, külső villamos erőtér hatására is bekövetkezhet diffúzió.
Az atomok helyváltoztatása ugrásszerűen megy végbe a kristályrács energiaviszonyaitól függően. A kristályrács geometriai pontjaiban a fématomok nincsenek nyugalmi állapotban, hanem energiatartalmuktól függően rezegnek. Minél nagyobb egy fématom energiája, annál gyorsabban rezeg, és annál kisebb külső energia képes kiszabadítani a fémrácsból. Az indításhoz szükséges energia attól is függ, hogy az atom a kristályrács felületén vagy a belsejében helyezkedik el. A kristályrácsban levő hibák – üres rácshelyek, beékelődött idegen atomok, rácstorzulások – csökkentik az atomok kiszakításához szükséges energiát. A szilárdfém-fémgőz, szilárdfém-fémolvadék, szilárdfém-szilárdfém és esetenként
18
szilárdfém-nemesfém anyag rendszerekben a fázisok érintkezési határán kedvező energetikai viszonyok között a fémrácsból atomok lépnek ki, illetve az üresen levő rácshelyekre és kristályhatárok mentén idegen atomok épülnek be. A diffúziós folyamatok a fémrács belsejében is végbemehetnek, például az ötvözetekben egyes szövetelemek szétoszolhatnak, rekrisztallizációkor a fém kristályszerkezete átrendeződhet. A fémdiffúzió végbemehet kristályban és a kristályhatár mentén (15. ábra). 15. ábra Fémdiffúzió folyamata kristályba és kristályhatár mentén A fémrácsokban végbemenő diffúzió lehet: - intersztíciós és - szubsztitúciós.
16. ábra Elemi részecske mozgásai rácshézagban Az intersztíciós diffúzió esetén az alapfém rácshézagában hatol előre az elemi részecske (16. ábra). Ez a folyamat csak akkor következhet be, ha a diffundáló atom átmérője az alapfém rácshézagánál nem nagyobb. A szénatom nagyobb, mint az acél rácshézaga, ezért a diffúzió csak úgy megy végbe, hogy hevítésre a γ-vas rácsszerkezete megnő. A fémrács hibái általában megkönnyítik a diffúziót, de nem előfeltételei annak. A szubsztitúciós diffúzió csak helykicserélődéses folyamattal mehet végbe, mivel az alapfém rácshézagánál nagyobb részecske intersztíciósan nem diffundálhat. A szubsztitúciós diffúzió előfeltétele az alapfém rácshibája, mivel szabályos térrácsban a helykicserélődés két atom egyidejű ugrásával mehetne végbe, ami termodinamikai okokból nem lehetséges. A szubsztitúciós öndiffúziót szemlélteti a 17. ábra, amikor az üres rácshelyre a szomszédos atom lép, s ez ismétlődik mindaddig, amíg az energiaviszonyok ezt lehetővé teszik. A 18. ábrán idegen fém szubsztitúciós diffúzióját láthatjuk, amelyen a négyzet az üres rácshelyet jelöli, a fehér alapú kör, pedig az idegen fématomot.
17. ábra Öndiffúzió folyamata 19
18. ábra Idegen fém szubsztitúciós diffúziója A kristály menti diffúzió a szemcsehatárok rendellenességeivel függ össze. Olyan szemcsehatárokon, ahol a szomszédos krisztallitok relatív helyzete csak kis mértékben tér el az ideálistól, általában nem indul diffúzió. Ha az orientáció nagy, a szemcsehatárokon gyorsabb a diffúzió, mint a szemcsék belsejében. Ha a szénacélokba idegen fém diffundál, akkor a széntartalom eredeti eloszlása megváltozik. Az alapfém térrácsában intersztíciósan elhelyezkedő szénatomok nagy mozgékonyságúak. Ezért, amikor szubsztitúciós diffúzióval idegen fématomok hatolnak be, akkor a szénatomokat mintegy maguk előtt űzve befelé hajtják. Ennek következtében az acél felületi rétegében az idegen fém behatolásával egyidejűleg a széntartalom csökken, beljebb pedig nő. A felületi réteg széntartalma ezért csökken nitráláskor, továbbá szilícium, nikkel, kobalt, alumínium, réz vagy foszfor diffúziójakor is. A felületi réteg nem minden esetben széntelenedik el, de a széneloszlás egyensúlya mégis megbomlik, ha a diffundáló fém stabil karbidvegyületeket képez a szénnel. A karbidképző elemek közé tartozik a króm, a wolfram, a vanádium, a titán stb. Előfordul, hogy a karbidképző elemek lekötésére a határréteg széntartalma nem elegendő. Ilyenkor fordított irányban vándorol az alapfém széntartalma, s a karbidos rétegben a szabad és a karbid vegyületekbe kötött összes szén az 5-7%-ot is elérheti. Ugyanakkor belül a széntartalom jelentősen csökken. A diffúziós folyamatok mechanizmusa szerint megkülönböztetünk aktív és reaktív diffúziót. Aktív a diffúziós folyamat akkor, ha a kezelés során csak fizikai folyamatok mennek végbe, az alapfém és a diffundáló anyag szilárd oldatot vagy elegykristályokat alkot. Attól függően, hogy a diffúzióban részt vevő fémek korlátlan, illetve korlátozott mértékben oldódnak egymásban, a réteg szerkezete eltéréseket mutat. Az előbbi esetben a réteg vegyi összetétele az alkotók 0-100% között folyamatosan változik (pl. nikkelmangán). Az utóbbi esetben az oldékonysági határ elérése után az alapfémben már nem oldódik idegen anyag elem formában kiválik (pl. a vasban bizonyos körülmények között a grafit). Reaktív a diffúziós folyamat akkor, ha az alapfém és a diffundáló részecskék között egy bizonyos telítési határon túl vegyület képződik. Ilyenkor a diffúziós rétegben új fázisok, pl. intermetallikus vegyületek, fémkarbidok, szilicidek stb. jelennek meg. A reaktív diffúzió általában nem mutat fokozatos átmenetet a felületi réteg és az alapfém belseje között. A diffúzió általában egyszerre kezdődik az egész fémfelületen, és egyenletesen halad a fém belseje felé. Ilyenkor a diffúziós rétegben homogén szövetszerkezet alakul ki. Esetenként a diffúzió egyes kitüntetett helyeken indul meg. Ezekből a gócokból az anyag diffúziója sugárirányban halad. Az ilyen jellegű diffúzió okai lehetnek: - kristályhatárok szerkezetének irányító szerepe, - az alapfém kristályszemcséinek nagysága, - kristálytani és szövetszerkezeti sajátosságok. 20
3.1. Nitrálás (nitridálás) A nitráláskor az ammóniagázból atomos nitrogén diffundál az acél felületébe, ott a vassal és ötvözeteivel nitrideket alkot. A nitrált réteg kemény, kopásálló és bizonyos fokig korrózióálló, és növekszik az alkatrész kifáradási szilárdsága is. A gázközegben a nitrált réteg kialakulása két lépésben játszódik le: - az ammóniák disszociációja és - a nitrogén diffúziója és nitridek keletkezése. Az ammónia a következő egyenlet szerint disszociál:
2 NH 3 → 2 N + 6H Ez a bomlási folyamat már 400 °C-on megindul, és a nitrálás során alkalmazott 500-600 °C hőmérsékleten az ammónia gyorsan disszociál. Nitráláskor a méretre munkált alkatrészt zsírtalanítjuk, majd légmentesen zárható villamos kemencébe helyezzük. A kemencébe folyamatosan ammóniagázt ( NH 3 ) vezetünk, és ezzel egy időben gondoskodunk a bomlástermékek elvezetéséről, így elérhető, hogy a munkadarabot mindig friss gázáram érje. A nitrált felület minőségét a következő tényezők szabják meg: - a kezelés hőmérséklete, - a gáz nyomása, - a kezelés időtartama, - a kezelt acél kémiai összetétele. A hőmérséklet növelésével az ammónia disszociációja is növekszik, és elérhető a teljes szétesés hidrogénre és nitrogénre. A nagy mennyiségű hidrogén zavarja a nitridek képződését, és az acélt elszénteleníti. Ezért az ammóniát olyan sebességgel áramoltassuk, hogy a gáz 2025%-a disszociáljon nitrogénre és hidrogénre. A nitrálást ennek megfelelően 480-580 °C-on végezzük. A gáz nyomásával és áramlási sebességével növekszik a nitrált réteg mélysége. A nitrálás időtartama is a réteg mélységét befolyásolja. Általában minden tízórás kezeléssel 0,1mm mélységnövelés érhető el. A gáznitrálás előfeltétele, hogy az acél tartalmazzon olyan ötvözőket, amelyeknek a nitridjei kemények. Ilyen ötvözők Cr, Al, V, Ni, Nb és Mn. A 19. ábra ezeknek az ötvözőknek a befolyását szemlélteti a nitrált kéreg keménységére. A nitrálható acélok minőségét szabvány írja elő. Lépcsőzetet nitrálással a kezelési idő felére csökkenthető. Az első szakaszban 500-520 °C-on nyolc-tíz óráig, a másodikban 580 °C-on 18-20 óráig hőntartjuk az alkatrészt. Ezt követően 800-1000 °C/óra sebességgel hűtjük a darabot 100-150 °C-ig. Az elérhető rétegvastagság 0,2-0,4mm, a felületi keménység 900-1100 HV. A nitrálást követően a keménység, a korrózióállóság, a kopásállóság és a kifáradási szilárdság is növekszik, abban az esetben, ha a réteg folytonos, a veszélyes zónákban (hornyokban, furatokban, beszúrásokban stb.) sem szakad meg. Az eljárást nagy igénybevételű korróziós közegben működő alkatrészek, pl. forgattyútengelyek, henger-perselyek, torziós és laprugók stb. kezelésére alkalmazhatjuk.
21
19. ábra Ötvözők befolyása a nitrált kéreg keménységére A munkadarabnak a kezelni nem kívánt felületeit vízüveg és kaolin 60-40%-os keverékével árnyékoljuk.
3.2. Nitrocementálás (cianidálás) A cianidálás közbenső helyet foglal el a cementálás és a nitrálás között. A nitrogénnel és szénnel telítődő, megváltozott szövetszerkezetű felületi réteg keménysége megnövekszik, benne nyomófeszültségek is kialakulnak, az alkatrész keménysége megnövekszik, benne nyomófeszültségek is kialakulnak, az alkatrész kopásállóságát, korrózióállóságát és kifáradási szilárdságát növeli. Az acél cianidálás sófürdőben vagy kis ammóniát is tartalmazó cementáló gázközegben végezhető. Mindkét eljárásnál az üzemi hőmérséklet alapján megkülönböztetünk nagy hőmérsékletű (750-980 °C) és kis hőmérsékletű (500-700 °C) cianidálást. A hőmérséklet növelésével a réteg mélysége növekszik, de a szén mennyisége csökken. A nagy hőmérsékletű sófürdős cianidálást a kopásállóság és kifáradási szilárdság növelésére alkalmazzuk. Két-négy órás kezeléssel 900-930 °C hőmérsékleten 2,0-2,5 mm réteg-mélység érhető el, amelyben a széntartalom 1,0-1,2%, a nitrogéntartalom pedig 0,2-0,3%, 750-830 °Con 1,0 mm-es réteg készíthető. Ez a cementált kéreghez hasonló tulajdonságú, de kopásállósága annál jóval nagyobb. A cianidálást követően a közepes széntartalmú acélok a fürdőből kivéve azonnal edzhetők, ha a fürdő 900-930 °C-on, egy óránál tovább kezelt acél szemcsedurvulást szenved. A cianidált felületi réteg az edzést követően 55-60 HRC keménységű. A kis hőmérsékletű cianidálást 550-650 °C-on végezzük, majd a darabot lassan lehűtjük. A külső réteget, amelyben a N egy részét C helyettesíti, a vas-nitrogén vegyület alapján vegyületi zónának nevezzük. A vegyületi zónát követő rétegben a N-koncentráció a felületről mért távolság növekedésével először ugrásszerűen, majd folyamatosan csökken. Ebben a második zónában már többlet karbon nincs, ezt diffúziós zónának nevezzük.
22
Ötvözetlen acél esetében gyors hűtés után a N oldott állapotban marad a diffúziós zónában, lassú hűtéssel azonban a nitrogén a vassal:
8Fe + N 2 = 2Fe 4 N egyenlet szerint vas-nitridet alkot, amely tű alakban látszik a metallográfiai csiszolaton. Gyors hűtéskor a túltelített oldatban maradt N nem stabil, 150 °C hőmérsékletű megeresztés után azonban a nitrid mikroszkóppal már láthatóvá válik, de ekkor még pontszerű. Nagy hőmérsékleten megeresztve a nitrid tű alakú. A vegyületi zóna nagy keménységű, a betétben edzett felülettel egyenértékű, de nagyobb kopásállóságú. Berágódás vonatkozásában kedvezőbb a sófürdőben kezelt felület, mint a cementált. A sófürdős cianidáláskor külső vagy belső hevítésű fürdő használható. A belső (elektródás) fűtés előnyösebb, mert nem igényel hőálló tégelyt, és a hőmérséklet is könnyebben szabályozható. A gázcianidálást cementáló gáz és ammónia 4:1 arányú keverékében végzik a gázcementálással megegyező kemencékben és technológiai sorrendben. A nagy hőmérsékletű (900-980 °C) gázcianidálással 1,8 mm-es rétegmélység hat-hét óra alatt érhető el. A kis hőmérsékletű (550-560 °C) gázcianidálással 0,1 mm-nél kisebb rétegeket készítenek, a kezelés ideje 30 perc. A felületi réteg keménysége eléri a 60-65 HRC értéket, kopásállósága a gázcementált rétegekhez képest kétszeres. A gázcianidálás előnye a cementálással és a nitrálással szemben, hogy olcsóbb, rövidebb ideig tart, szénnel és nitrogénnel telítődik a felület. A nitrocementálás és az edzés az alkatrészeket 1,5- 2-szer kisebb mértékben deformálja, mint a cementálás és edzés. Az egyszerű alkatrészeket 900-930 °C-on, a bonyolultabbakat pedig 850-860 °C-on nitrocementáljuk. A hőmérséklet csökkentése az alkatrészek vetemedését csökkenti, és lehetővé teszi az edzést közvetlenül a nitrocementális hőmérsékletéről.
3.3. Szulfidálás A szulfidálás szintén termokémiai eljárás, amelynek során a készre munkált acél vagy öntöttvas alkatrészek felületét kénnel dúsítjuk. A kéndiffúzió következtében az alkatrész felületén szulfidált kéreg keletkezik, amely jó siklási tulajdonságú és korrózióval szemben ellenálló. A szulfidált kéreg két rétegből áll: -
-
a külső réteg viszonylag laza szerkezetű vas-szulfid, (FeS) vas-diszulfid (FeS2) típusú vegyületeket és kisebb mennyiségű elemi ként tartalmaz, ez a réteg a felületen amorf szerkezetű, amely alatt a felületre merőlegesen elhelyezkedő fehér színű, oszlopos kristályokat találunk, a belső kéreg sötét színű, szerkezete igen finom perlit jellegű, kéndiffúzió hatására jön létre.
A szulfidálás a munkadarab felületi keménységét is növeli, de a kopásállóság nem a keményedés következménye, hanem a felület új tulajdonságának köszönhető, amely megszünteti a felületi egyenetlenségek egymásba kapaszkodásának és összehegedésének 23
feltételeit. A szulfidképződés a súrlódási hő hatására tovább folytatódik, így a felületről huzamosabb ideig nem kopik le, hanem az anyagban mindig beljebb hatol. A diffúziós kéreg az alkatrész kifáradási határát is növeli. A gyakorlatban kétféle módszerrel lehet szulfidálni: szilárd közegben, vagy olvasztott sókban. Szilárd közegben a cementáláshoz hasonlóan szulfidáljuk a munkadarabot. A készre munkált alkatrészt szerves oldószeres mosással zsírtalanítjuk, majd por alakú szulfidáló szerbe ágyazva, zárható fémdobozba pakoljuk. A szulfidáló keverék összetétele a következő: Vas-szulfid (FeS) Kénpor (S) Vörösvérlúgsó (K3Fe(CN)6) Grafit (C)
92% 2% 3% 3%
A fémdobozt légmentesen lezárva hőkezelő kemencében 500-600 °C-ra felhevítjük, majd két órát hőntartjuk. Szulfidálás végeztével, a doboz lehűlése után az alkatrészt kibontjuk, 100 °Cos vízben lemossuk, majd 120 °C-os olajfürdőben kifőzzük. Nemesített acél alkatrészek szulfidálási hőmérséklete a megeresztési hőmérsékletnél 50 °C-kal kisebb legyen. Olvasztott sófürdőben a következő módon szulfidálunk. A méretre munkált alkatrészt szerves oldószeres mosással zsírtalanítjuk, majd 500-600 °C-os sőfürdőbe helyezzük, két órát hőntartjuk. A sófürdő összetétele a következő: Konyhasó (NaCl) Bárium-klorid (BaCl2) Kalcium-klorid (CaCl2) Nátrium-klorid (Na2SO4) Vas-szulfát (FeS) Kálium-rodanid (KSCN) Sárgavérlúgsó [K4Fe(CN)6]
17,0% 26,0% 30,0% 3,4% 16,2% 4,0% 3,4%
A sófürdőből kiemelt alkatrészt hűlni hagyjuk, 100 °C-on vízben lemossuk, majd 120 °C-os olajfürdőben kifőzzük. A javítóiparban legcélszerűbb a szulfidálást korrózióaktív közegben súrlódó öntöttvas alkatrészek felületi ötvözésére alkalmazni. A perselyek, a hüvelyek, a szelepvezetők élettartama szulfidálással jelentősen növelhető. Súrlódó acél alkatrészek élettartama is növelhető az eljárással. Ötvözetlen és ötvözött acél alkatrészek felülete szulfidálható készre munkálás után. Betétedzett alkatrészek keménysége szulfidálás alatt csökken, de a felület korrózióállóságának növekedése, a súrlódási tényező csökkenése mégis indokolttá teheti az eljárás alkalmazását. Szulfidálással a siklási tulajdonságok javíthatók, a súrlódási tényező 20-60%-kal csökkenthető, és a berágódással szembeni ellenállás is jelentősen megjavul.
24
3.4. Kromálás Kromálás vagy más néven termokrómozás során acél vagy öntöttvas alkatrészek felületét krómmal dúsítjuk. A kromált kéreg igen kemény, kopásálló és korrózióálló. Kromálhatunk porelegyekkel és gázközegben, ritkán sófürdőket is alkalmaznak. Alkatrész-felújításhoz legmegfelelőbb a porelegyes kromálás. A porelegy fő összetevői: ferrokróm (FeCr) és alumínium-oxid (Al2O3), ezen kívül hozzákevernek kis mennyiségű ammónium kloridot (NH4Cl) is. Az alkotóelemek rendeltetése a következő: a ferro-króm az ötvözőelem, az alumínium-oxid (kaolin) semleges közeg, amely megakadályozza a por összesülését, az ammónium-klorid gázfejlesztő, amely serkenti a reakciót. Kromáláskor a munkadarabot zsírtalanítjuk, dobozba pakoljuk, és 1000 °C-os hőmérsékleten hőntartjuk. Vékonyabb rétegek már 10-15 min hőntartási idővel készíthetők. Kezelés után a munkadarabot dobozzal együtt lehűtjük, majd drótkefével tisztítjuk, és a króm-kloridok eltávolítása céljából forró vízben mossuk. A kis széntartalmú acélok felülete kromálás után fényes, míg a nagy széntartalmú acélokban króm-karbid is képződik, ezért felületük matt szürke. A kromált réteg minősége 30%-os HNO3 oldattal ellenőrizhető 30-40 perces fürdetés után. A kromálás jó, ha a felület nem maródik be, nem keletkeznek hidrogénbuborékok és az oldat nem lesz zavaros. Hőkezelés alatt a króm először lerakódik a felületre, majd ezt követően bediffundál a vasba. A diffúzió sebességét a hőmérséklet szabja meg. A vas a krómmal vegyes kristályokat alkot. A diffúziós sebessége 900-950 °C-on kezd növekedni, ezért célszerű 1000-1100 °C-on kromálni. Nagyobb hőmérsékleten a diffúzió sebessége rohamosan nő ugyan, de a munkadarab mechanikai tulajdonságai romlanak. 1000 °C hőmérsékleten két óra után 0,04 mm vastag réteg képződik. 1100 °C-on hét-nyolc óra alatt 0,2-0,25 mm vastag réteg készíthető. A krómdiffúzió sebességét befolyásolja továbbá az acél széntartalma. A krómdiffúzióval egyidejűleg a szén a középső részből a felület felé diffundál, ezzel csökkenti a kromált kéreg vastagságát. Így a kéreg külső résén a krómtartalom 50-70%, és befelé rohamosan csökken. A kromált kéreg mikroszerkezetében fehér króm és vas vegyeskristály-poliédereket találunk, amelyeket kis széntartalmú acélokban perlit vesz körül. Nagy széntartalmú acélokban egy vékony, folytonos króm-karbid réteg képződik, ennek keménysége 1200-1300 HV, amely rideg és repedésre hajlamos. Az edzés nem változtat a nagy széntartalmú kromált kéreg tulajdonságain. A réteg keménysége 700 °C-on sem csökken. A korrózióállóság a széntartalommal arányosan növekedik. Az eljárás alkalmazható korróziós közegben dolgozó súrlódó alkatrészek, pl. nagy terhelésű csapszegek felületi ötvözésére. A kromált alkatrész duzzad, mérete kismértékben növekedik. A kromált felületet köszörüléssel tudjuk megmunkálni.
3.5. Alitálás (alitírozás) Az alitálás is termodiffúziós eljárás, amelynek során az acél felületét alumíniummal dúsítjuk, ezáltal a felület jó hőálló tulajdonságokat nyer. Nagy hőmérsékleten működő alkatrészek, pl. a dízel motor előkamrája, kipufogócső, kazán alkatrészek cementáló dobozok élettartama és hőállósága az eljárással jelentősen növelhető. Az alitált felületen felhevítéskor alumínium-oxid réteg keletkezik, amely a további oxidációt 850-900 °C üzemhőmérsékleten is meggátolja. Hosszabb hőhatásra a réteg védőhatása csökken az alumíniumtartalom függvényében. 25
A dúsításra használt közeg por alakú vagy folyékony sófürdő. Szilárd közegben az alitálás a cementáláshoz hasonló. Elegyként alumínium-oxid vagy ferro-alumínium és ammóniumklorid keverékét használják. Felhevítéskor a következő reakciók játszódnak le:
NH 4 Cl → NH 3 + HCl 6HCl + 2Al → 2AlCl3 + 3H 2 AlCl3 + Fe → FeCl3 + Al Az utolsó reakció gáznemű vas-kloridot és diffúzióképes aktív alumíniumot eredményez. Az ammónium-klorid itt is katalizátorként működik, felhevítéskor kiszorítja a levegőt, és megakadályozza az alumínium oxidációját. Ammónium-klorid hiányában a reakció oly lassú, hogy üzemi célokra nem megfelelő. Az alitálás hőmérséklete 950-1060 °C, ezen a hőmérsékleten az alumínium megolvad, ennek megakadályozására ezért 1:1 arányban alumínium-oxiddal keverik a ferroalumíniumot. A vas az alumíniummal tág koncentrációhatáron belül képez vegyes kristályokat. A nagy alumíniumtartalmú felületi rétegben még fémes vegyületet is találunk. Az alitírozott kéreg oszlopos kristályszerkezetű. Az alumíniumdiffúzió sebessége a hőmérséklettől függ. Ha a hőmérsékletet 875 °C-ról 975 °C-ra növeljük, a rétegvastagság több mint kétszeresére növekedik. A kívánt rétegvastagság elérése után a munkadarabot 900-100 °C-on négy-öt órás diffúziós izzításnak vetjük alá, majd lassan lehűtjük. Ezután a munkadarab használható. Alitálhatunk sófürdőben, tűzfolyós elektrolízissel is. A sófürdő összetétele: 25% vízmentes AlCl3 és 75% NaCl. A sófürdőt samottal bélelt acéltégelyben 700-800 °C hőmérsékletre hevítjük. Az alitírozandó tárgy a katód és a tégely fenekén levő alumínium az anód, amelyhez az áramot porceláncső-szigetelésű vashuzalon keresztül vezetjük le. A párolgás és oxidálódás csökkentésére a fürdő felszínére szórjunk grafitport. 0,5A/dm2 áramerősség esetén négyórás időtartam alatt 1,5 mm rétegvastagság készíthető.
3.6. Szilíciumozás (szilicírozás vagy szilikálás) A szilíciumozás során az acél felületi rétegébe szilícium diffundál. Az így keletkezett réteg a levegő és a víz korrodáló hatásának igen jól ellenáll, 700-750 °C hőmérsékleten oxidáló közegben is alig lép fel revésedés a felületen. A diffúziós szilicírozást 60%-os ferro-szilícium ötvözet porában vagy ferro-szilícium por, őrölt samott vagy kaolin és katalizátor keverékében végezzük. A ferro-szilícium olvadáspontja olyan nagy, hogy a diffúziós kezelés hőmérsékletén a fémszemcsék nem sülnek össze. Az eljáráshoz alkalmazható egyik porkeverék összetétele: Ferro-szilícium ötvözetpor Samott vagy kaolin Ammónium-klorid
75%, 20%, 5%.
26
Hevítéskor az ammónium-klorid disszociációjából származó sósav a szilíciummal szilíciumtetrakloridot képez, amely helycserés reakció révén katalizálja a szilícium diffúzióját:
4Fe + 3SiCl 4 → 4FeCl3 + 3Si A szilíciumozás műveleti sora azonos a kromáláséval. A kezelés hőmérséklete: 1100-1200 °C. A szilicírozott acél felülete világosszürke, többnyire kissé érdes. Az elérhető rétegvastagság 0,02-0,9 mm az idő függvényében. A diffúziós réteg keménysége 175-230 HB, viszonylag lágy, de ennek ellenére nehezen forgácsolható. A szilicírozás az acél szakítószilárdságát kismértékben, a nyúlását és az ütőmunkát lényegesen csökkenti. A szilicírozott acél makro-csiszolatán a diffúziós réteg, maratás nélkül is jól látszik összefüggő, fehér színű szegély képében. A rétegben sokszor kisebbnagyobb pórusok találhatók. Ezek létrejöttét úgy magyarázzák, hogy a szilícium diffúziójakor az acélban levő szén egy része visszaszorul az anyag belsejébe, más része pedig grafitszemcsék formájában kiválik. A csiszolaton látható lyukak a csiszolatkészítéskor kitöredezett grafitfészkek helyei. A porozitás mértéke tehát összefügg az alapfém eredeti széntartalmával. Ezek szerint érthető, hogy a szénszegély acélok diffúziós szilíciumrétege csak elhanyagolhatóan pórusos a széndús acélok rétegéhez képest. A szilícium elől visszaszorult szén a diffúziós réteg alatt koncentrálódik. A diffúziós réteg nagy részét a szilíciumnak a vassal alkotott szilárd oldata képezi. A réteg legkülső zónájában a Si-tartalom 14%-ot is elérhet, a felülettől befelé haladva a szilícium mennyisége eleinte lassan, majd – egy határon túl – hirtelen csökken. A szilíciumozást korróziós közegben dolgozó acél alkatrészek kezelésére lehet alkalmazni.
3.7. Foszfátozás A foszfátozás kémiai kezelés, amelynek során a fém felületén finomkristályos és finoman pórusos foszfátréteg keletkezik. Az eljárást már 1908-ban alkalmazták üzemszerűen. A foszfátréteg egymagában kevésbé, de olajokkal, zsírokkal, festékkel, lakkal utókezelve jó korrózióálló bevonatot ad, és a siklási tulajdonságokat is javítja. A foszfátozás lényege, hogy ha a munkadarabot hígított foszforsavba helyezzük, akkor a felületén fémoldódás indul, amelynek hatására a felületen vas-foszfát védőréteg képződik. A folyamat első szakaszában primer vas-foszfát keletkezik, amely tovább alakul szekunder és tercier vas-foszfáttá. A szekunder foszfát nehezen; a tercier foszfát egyáltalán nem oldódik vízben. A kezelés során lejátszódó reakció a következő:
Fe + 2H 3 PO 4 → Fe(H 2 PO 4 ) 2 + H 2 Fe(H 2 PO 4 ) 2 → FeHPO 4 + H 3 PO 4 3FeHPO 4 → Fe3 (PO 4 ) 2 + H 3 PO 4 A foszfátréteg képződése gyorsítható az oldat vasfoszfát-tartalmának növelésével, valamint nitrátok, nitritek és klorátok adagolásával. A gyakorlatban legjobban beváltak a cink- és mangán-foszfát alapú fürdők. Ennek magyarázata a következő. 27
A foszforsav hatására kialakult vasfoszfát nem állandó vegyület, mivel a levegő oxigénjének hatására idővel tovább oxidálódik. Az oxidáció fokának változásával egyidejűleg a kristályrács paraméterei is megváltoznak, aminek következtében csökken a vas-foszfát bevonat tapadási szilárdsága és pórustömörsége. A Zn- vagy a Mn-foszfátok alkalmazásakor viszont nem lépnek fel rácsparaméter-változások, mert a fémek foszfátjai – a levegő oxigénjének hatására – tovább nem oxidálódnak. A foszfátréteg kialakulása katódos reakció, ezért minden olyan hatás, amely a katódos reakciót elősegíti, gyorsítja a foszfátréteg kialakulását. Gyorsítónak felhasználhatók a réz-, a nikkel- vagy más, a vasnál nemesebb fémsók. A fémsókból keletkező fémionok a vas felületén kiválva helyi katódot képeznek, és megsokszorozzák a foszfát-réteg kialakulási pontjait. A fürdő pH-értéke nagy befolyást gyakorol a rétegképződésre. Bármely melegen foszfátozó oldatban szobahőmérsékleten kialakul a foszfátréteg, ha annak pH-ját 2,8-3-ra állítjuk be, és a gyorsítók töménységét is növeljük. Ezért újabban a hideg foszfátozó eljárások a meleg eljárásokat nagymértékben kiszorították. A védőhatás elérésére háromféle vastagságú réteget készíthetünk: -
vastag foszfátréteg festékalapnak vastag foszfátréteg autóolajozáshoz vékony foszfátréteg lakkalapnak
10-15µm, 5-10µm, 3-5µm.
Foszfátozni csak tiszta fémfelületre lehet, ezért először zsírtalanítjuk a munkadarabot. Zsírtalanításra legmegfelelőbb a szerves oldószeres mosás, mivel az alkálikus tisztítószerek nehezen öblíthetők, és károsan befolyásolják a foszfátozó fürdő egyensúlyi állapotát. A zsírtalanítás után el kell távolítani az oxidokat is a felületről. Ezt legmegfelelőbben szemcsefúvással lehet megvalósítani. Egyre elterjedtebbek azok a felületkezelési eljárások is, amelyek először az oxidrétegeket oldják, majd utána képeznek védőbevonatot a fém felületén. Különleges követelményeket kielégítő eljárás a foszfátfilm képzés Wash-Primer kezeléssel. A készítmény kétalkotós műgyanta alapú, foszforsavas reaktív törzsoldatból áll. Az „A” komponens izopropilalkohol + etilalkohol + butilalkohol elegyben oldott polivinil-butlil műgyantát és cink-tetraoxi-kromátot, a „B” komponens pedig vízzel hígított foszforsavat és izopropilalkohol + etilalkohol elegyet tartalmaz. A két komponenset közvetlenül a felhasználás előtt keverik össze, a fél óra után ecseteléssel, mártással vagy szórással hordják fel a gondosan zsírtalanított vas-, horgany- vagy alumínium tárgy felületére. A foszforsavas pácolást leggyakrabban bemártással végezzük. A foszfátozó kád anyaga saválló acél vagy saválló műanyaggal bélelt közönséges szénacél. A villamos fűtőtesteket és egyéb tartozékokat is saválló burkolattal kell védeni. A szóró foszfátozáshoz a műhelyben zárt alagút, a szabadtéren pedig hordozható kompresszor-egység használható. Az egyszerű szóró eljárás továbbfejlesztése az angol Phosten-eljárás, amelynek során az oldatot porlasztón keresztül 5-6 bar nyomású, 140 °C hőmérsékletű víz-gőz + forró víz keverékével szórják a fémfelületre. A fürdőben levő adalék zsírtalanítást is végez, ezért a művelet előtt csak a durva zsírszennyezések letisztítása szükséges.
28
4. A TENGELYEK FELÚJÍTÁSA Gépekben és gépjárművekben számos tengelytípusú alkatrészt alkalmaznak. Azokat a kör vagy körgyűrű keresztmetszetű alkatrészeket, amelyeknek hossza az átmérőjükhöz képest nagy, tengelytípusú alkatrészeknek nevezzük. A tengely alkalmazási helyétől függően lehet álló, forgó vagy mozgó. Rendeltetésüktől függően használnak sima-, vállas-, bordás-, bütykös- és forgattyús-tengelyeket. A tengelyek leggyakrabban előforduló hibái – működésük, beépítésük és üzemi körülményeik függvényében – a következők: -
görbülés, csavarodás; a tengelycsapok, bordák, bütykök, kúpos felületek kopása; a tengely menetes csapjának vagy menetes furatának sérülése, kopása: a tengelyen levő ékhorony, reteszhorony, furat kopása, sérülése; a tengelyvég sérülése, központfurat deformálódása; a tengely repedése, törése.
Görbült, csavarodott tengelyek felújításának legegyszerűbb formája a maradó alakváltozással megoldható egyengetés. Alkalmazható finom- és durvaegyengetés. A finomegyengetést hidegen végzik, eközben a tengelyt dinamikus hatás nem érheti. A művelet után a tengelynek – a gyári tűrésen belül – alakhelyesnek kell lennie. A durvaegyengetést hideg vagy meleg állapotban végzik mérettől függően, s a művelet során a tengely nagyobb görbületeit vagy csavarodását szüntetik meg. Ez az eljárás egyszerűbb esetben egyengető lapon kalapácsütésekkel végezhető, azonban a tengelyt nem szabad közvetlenül a kalapáccsal megütni, mert az ütés helyén hidegalakítás és nagy helyi feszültségek keletkezhetnek. Ez elkerülhető, ha egy puhább anyagból készült közdarabot helyezünk a görbült részre, és erre ütve egyengetünk. Ez a művelet elvégezhető kevésbé pontos munkára alkalmas siklócsapágyas esztergán is oly módon, hogy tokmány és csúcs közé, vagy két csúcs közé fogják a munkadarabot és a késtartóba fogott bronz vagy lágyacél betéten át a keresztszán orsó segítségével nyomják meg a görbült részt. Nagyobb méretű tengelyek hidraulikus szerelősajtolón – megfelelő alátámasztásokkal – egyengethetők. Egyengetés után nagyobb igénybevételű tengelyeket feszültségmentesítő hőkezelésnek vetik alá. Beszerelés előtt az ilyen alkatrészeket műszeres repedésvizsgálattal ellenőrizni kell. Az alakhibák mérésénél és a felújításnál bázisként – ahol lehetséges – az eredeti gyártási bázis felületeket kell használni. Tengelyek esetében ez legtöbbször a központfurat. Gyakori probléma ugyanakkor, hogy szereléskor vagy üzemelés közben a központfuratok megsérülhetnek. Ekkor azonban ezt a kiindulási bázist úgy kell tekinteni, mint az új alkatrész gyártásakor a nyers felületet, amelyet a további műveletekhez ismételten felhasználni nem szabad. Ilyenkor a felújítást ezek felszabályozásával kell kezdeni. Az alkatrész felújítást tervező számára a bázis megválasztásához elengedhetetlenül szükséges az alkatrész szerkesztési vagy felvételezett, beméretezett rajza, valamint a mérettűrések az alak- és a helyzetettűrések ismerete. Ezen adatok birtokában lehet a központfuratos tengelyjellegű alkatrészek pontos felújítását elvégezni. 29
A tengelyvégében a sérült központfuratot csúcsesztergán vagy központköszörű gépen szabályozzák fel. A csúcsesztergán történő felújításkor a tengely egyik végét pontosan futó tokmányba fogják, míg a másik véget állóbábbal megtámasztják a tengely kopásmentes, pontosan megmunkált felületén. A központosítást mérőórával ellenőrizni kell és megfelelően köszörült esztergakéssel a központ furat alakhelyesre munkálható. Hiba esetén a központfurat helyzete finom kézi hántolóval módosítható, amíg a tengely ütése az előírt tűrésmezőn belül nincs. Nagyobb darabszám megmunkálása esetén – ha gazdaságilag megoldható – a sérült központfuratok köszörülését erre a célra készült gépen lehet elvégezni. A gép rendszerint függőleges tengelyű. Az orsóba befogott kis átmérőjű hengeres vagy kúpos, csapos köszörűkorongot szabályozó gyémánttal – amely a gépre szerelt készülékben van befogva – általában 60°-os kúpra lehet vágni, illetve szabályozni. A felújítandó tengely egyik központfuratát a gép alsó, függőleges elhelyezésű csúcsára helyezik, a tengely függőleges helyzetét biztosító oldalszámokat beállítják és a nagy fordulatszámú kúpos köszörűkorongot az orsóval a központfuratba eresztik. A központfurat köszörüléssel végzett megmunkálási változatai és szerszámai láthatók a 20. ábrán.
20. ábra Központfurat köszörű szerszámai Az egyszerű gépen a köszörűkorong forgómozgást és lefelé haladó előtoló mozgást végez (20a. ábra). A 20b. ábrán látható gépnél nemcsak a köszörűkorong forog a saját tengelye körül, hanem a munkadarab is végez forgómozgást, mégpedig úgy, hogy tengelye a köszörűkorong tengelye körül olyan kúpfelületet ír le, amely kúpnak a csúcsa a munkadarab központfuratában van. A hibátlan vagy szakszerűen felújított központfuratos tengelyek hibafelvételezése és javítása jól megoldható feladat.
4.1. A sima és vállas tengelyek felújítása Tengelyek gyakori hibája a kapcsolódó, súrlódó felületek kopása, berágódása. A legegyszerűbb javítási módszer, ha a sérült felületet alakhelyesre, javítóméretre megmunkálják forgácsolással. Befogáshoz a gyártás bázisfelületét használjuk fel és a megmunkálás módja is lehetőleg azonos legyen. Az így felújított alkatrész csereszabatossága megszűnik, és gyári alkatrésszel nem párosítható. Célszerű ezért az alkatrészeket nem egyedileg illeszteni, hanem javítóméret-lépcsőket megállapítani. Ezzel elérhető, hogy előre gyártott alkatrészekkel a javítóméretes lakatrész párosítható. Az eljárás gazdaságosságát a 30
kapcsolódó alkatrésszel együtt kell vizsgálni. A nagy igénybevételű alkatrészeket a méretcsökkenés miatt szilárdságilag is ellenőrizni kell. Gátolja a javítóméret alkalmazását, ha az alkatrész felülete kopás vagy élettartam-növelés céljából kérgesített. Ilyen alkatrész megmunkálásakor számolni kell a felületi réteg vékonyodásával, és ismerni kell a lemunkálható rétegvastagságot. Javításkor a keménység nem csökkenthet a felső határ 10-15%-ánál nagyobb mértékben. A kopott tengelycsap csereszabatos felújítása megoldható hüvelyezéssel, fémszórással, feltöltőhegesztéssel, galvanikus fémfeltöltéssel, kémiai nikkelezéssel és műanyagfeltöltéssel. A tengely anyaga, üzemi körülményei (terhelése, fordulatszáma, üzemi hőmérséklete, stb.) alapján dönthetünk, hogy melyik felújítási eljárást válasszuk, a gazdaságosság szem előtt tartása mellett.
4.2. A bordás tengely felújítása A bordás tengelyeken gyakori hiba a bordák kopása, mivel mindig nyomatékot visznek át. A bordás kötést készítik szűk futóillesztéssel (pl. kapcsoló fogaskerék illesztése a sebességváltó tengelyére), ekkor az alkatrész elmozdítható a tengelyen. Készítenek akadó illesztésű bordás kötéseket (pl. traktorféltengelyre szerelt járókerékagy). A bordák profilja lehet: párhuzamos ék pályájú, radiális ék pályájú (amerikai borda), barázda alakú (Kerbfogazás), evolvens barázda alakú és fűrészfogú. A gépekben található tengelyeken általában parelel ék pályájú bordákat készítenek. A bordás kötések központosítása kétféle lehet (21. ábra): - az egyik esetben a belső átmérő, - a másiknál a külső átmérő központosít.
21. ábra A bordás-hornyos kötés központosítási módjai Az elmozdítható (szűk futóillesztésű) bordás kötések kis és nagy átmérőit hézaggal illesztik. A bordás kötések pontossága négy mérettel jellemezhető. Ezek a nagy átmérő (D), a kis átmérő (d), a borda szélessége (b) és a bordák szögosztása (α). A központosítás ezek közül – túlhatározottság nélkül – csak egy méret végezheti. A bordás kötések pontosságát meghatározza: -
a központosítást végző átmérők egytengelyűsége és méretpontossága; a bordák (hornyok) szélességének méretei, osztáspontossága és oldallapjainak párhuzamossága a tengely vonalához; az egymáson elmozduló felületek érdessége és keménysége. 31
A bordás tengelyeken a bordákat lefejtő marással vagy alakos marókkal készítik. Pontosabb illesztés esetén a bordákat hőkezelés után még köszörülik. A hornyos agyakat véséssel, üregeléssel, vagy alakhúzó szerszámhoz hasonló nyomótüskével készítik. Az akadó illesztésű bordás kötés kopása gyűrődéssel kezdődik. A bordák oldallapjaira ható erő következtében az úgynevezett gyűrődés feszültsége meghaladja az anyag szilárdságát. Laza illesztésű bordás kötéseken ehhez járul még a csúszósurlódás, nagyobb hézag esetén az ütési igénybevétel okozta kopás is. A bordák egyenlőtlen kopása azzal magyarázható (pl. fogaskerék esetében), hogy az alkatrészre ható erő – a bordás-hornyos kötés esetében – nem szimmetrikus, emiatt a bordák oldalfelületén és a központosító átmérőn a fajlagos nyomás nem egyforma a bordák hosszában. Ha egy bordás-hornyos kötés meghibásodik, legcélszerűbb csak a tengelyt felújítani eredeti méretre és a csatlakozó hornyos alkatrészt cserélni. Ez a következő megfontolással indokolható. A bordás kötéseket általában csereszabatosra készítik, s a cserélhetőség igénye felújítás után sem szüntethető meg. A tengelyen levő bordák méretnövelő felújítása megoldható, a hornyoké nem, ezrét a felújítás így a leggazdaságosabb. Fogaskerekeken például a bordás kötés kopása maga után vonja a fogprofil-kapcsolódás geometriájának megváltozását. Emiatt a fogak egyenlőtlenül kopnak és letöredeznek. Az ilyen fogaskerekeket felújítani nem lehet, tehát mindenképpen selejtezni kell. A bordás tengelyre illeszkedő hornyos agy méretnövelő felújítása azért nem célszerű, mert megszüntetné a cserélhetőséget. Bordás tengelyeken a kopott bordák feltölthetők meleg fémporszórással vagy feltöltőhegesztéssel. A 22. ábrán egy külső átmérővel központosító borda kopása látható.
22. ábra A kopott borda feltöltése A kopás a forgásirányba eső – vastag vonallal jelzett – oldalfelületen a legnagyobb, kisebb a borda tetején. A feltöltést – a 22. ábrán látható módon – a borda kevésbé kopott, oldalfelületén és a bora tetején végezzük. Ezután a tengelyt ellenőrizzük, ha vetemedett kiegyengetjük. Megmunkálásához a tengelyt esztergán csúcsok közé fogjuk és a D átmérőt méretre forgácsoljuk. A bordákat marógépen, osztófejen, csúcsok közé fogva munkáljuk meg. Először a feltöltés nélküli oldalt szabályozzuk le akkora fogással, hogy a legkopottabb bordákon is tiszta felületet kapjunk. Ezután következik a feltöltött oldalfelületek nagyolása, majd pedig méretre munkálása. A d átmérő és a bora oldalfelületeinél levő lekerekítés profilmaróval készíthető el. Az így felújított bordás tengely legjobban igénybe vett felülete – a borda forgásirányba eső oldala – az alapanyagból készül.
32
4.3. A bütykös tengelyek felújítása Bütykös tengelyeket alkalmaznak belsőégésű motorokban, dízel-befecskendező szivattyúkban, különféle vezérlő egységekben, stb. Anyaguk kis széntartalmú (C10; C15) betétben edzhető, közepes széntartalmú (C45; C55) nemesíthető, egyes esetekben ötvözött acél vagy öntöttacél. A hagyományos gyártás során az öntött vagy a süllyesztékben kovácsolt bütykös tengelyt forgácsolással, hőkezeléssel és köszörüléssel alakítják ki. Újabban sajtoló illesztéssel valamint külön-külön gyártott bütyökből és tartótengelyből összeszerelt vezérmű tengelyeket is gyártanak. Csavarkötéses megoldásnál a váll nélküli tengelyre egyenként tűzik fel a készre gyártott bütyköket és csavarkötéssel rögzítik (23. ábra).
23. ábra Bütykök rögzítése csavarkötéssel a tengelyen
A bütykös tengelyek hibái a következők lehetnek: -
a tengely csapjainak kopása; tengelygörbülés; csavarodás; vezérlőbütykök kopása.
Ha a vezérműtengely csapágyazott csapjai megkopnak, az illesztési hézag megnövekedik és ez vezérlési zavarokat okoz, a csapok javítóméretre munkálással vagy feltöltéssel újíthatók fel. Általában a következő kopások engedhetők meg: 40 mm csapátmérőig 40-70 mm csapátmérőig
0,03-0,04 mm 0,04-0,05 mm.
A tengely görbülését mérőórával mérik – háromcsapos tengelyen a középső csapnál, négycsapos tengelyen pedig a középső csapoknál – értéke 0,02-0,036 mm lehet. Ennél nagyobb görbeség esetén a bütykös tengelyt egyengetni, majd repedésvizsgálattal ellenőrizni kell. Belsőégésű motoroknál a szelepvezérlés lefolyását meghatározó bütyökprofil a használat folyamán megkopik. A kopás a fellépő erőhatások, valamint a felületek súrlódásának következménye. A kopott bütyökprofil megváltoztatja alakját, és ezzel párhuzamosan megváltozik a szelep időbeli vezérlése is. A szelepnyitás időbeli lefolyása meghatározza az időkeresztmetszet-tényezőt, illetőleg a töltéscsere folyamatát és ezen belül s szívási és a kipufogási ütemet. A bütyökprofilon a súrlódási viszonyok állandóan változnak. A siklási sebesség az excentricitástól függően növekedik és csökken, legnagyobb értékű a bütyök tetején. A fajlagos felületi nyomást az ellendarab felfekvő felületének változása és a gyorsításból eredő tömegerők határozzák meg. Ezek miatt a legnagyobb kopás mindig a bütyöktetőn mérhető, amit a 24. ábra profildiagramjai is szemléltetnek. 33
24. ábra Új és kopott vezérműbütyök profilgörbéi
25. ábra A vezérlőbütyök ellenőrzése A vezérlőbütyök kopása a 25. ábrán feltüntetett alapkör-átmérő (d) és a bütykök magasságának (m) mérésével ellenőrizhető. A kopás mértékétől függően a bütykök hegesztéssel, fémporszórással vagy krómozással újíthatók fel. Felhegesztés esetén a tengelyt feszültségmentesíteni és általában egyengetni kell. Ellenőrizni kell a felületek keménységét is, ez az érték a gyártó által megadott felső határérték 10-15%-ánál nagyobb mértékben nem csökkenhet. Az anyagvisszapótlási eljárás után a bütykök méretre köszörülését másolóköszörűn, másolókészülékbe fogva végzik. A bütykös-tengely másolóköszörűn különböző típusú tengelyek köszörülhetők, cserélhető szívó és kipufogó mesterbütyök alkalmazásával. A célgép alkalmazása még nagyjavító üzemben sem használható ki, ezért célszerűbb a szabályozást körköszörűre épített másolókészülékkel elvégezni.
4.4. A forgattyús tengelyek felújítása A forgattyús tengelyek síkgörbe (pl. négyhengeres motor főtengely) vagy térgörbe tengelyek (pl. 6-8 hengeres motor tengely). Javítás szempontjából a legigényesebbek a belsőégésű motorok forgattyús tengelyei, ezért ezek felújítását tárgyaljuk részletesebben. A forgattyús tengelyek anyaga általában ötvözetlen acél, ötvözött acél vagy öntött acél. Az erősen igénybe vett forgattyús tengelyek közepes széntartalmú acéljának ötvözői a króm, a 34
nikkel és a vanádium. Az öntött acél forgattyús tengelyek anyaga Cr vagy Mn ötvözésű. Készülnek forgattyús tengelyek gömbgrafitos öntöttvasból is, amelynek szálelrendeződése utólagos kovácsolással kedvezően befolyásolható, és rezgéscsillapító hatása jobb, mint az acélé. A forgattyús tengelyek gyakori hibái: -
nyugvó- és forgattyúcsapok kopása, tengelygörbülés, repedés, vagy törés.
A forgattyús tengelyek kopása kialakulhat természetes, vagy üzemzavar jellegű kopással. A kopás körülményeit a kenési rendszer nagymértékben befolyásolja. A kenőolaj furat elhelyezése kétféle módon lehetséges (26. ábra).
26. ábra A forgattyútengelyek olajfuratainak megoldásai Nagy szerepe van a b) megoldásnak, mivel nagyobb átmérőjű furatokat készítenek, hogy az áramló olaj hűtse is a csapokat. Forgás közben az olaj kicentrifugálódik, és az olajsár a furat külső oldalán lerakódik. Az üledék lassan ragadós halmazzá áll össze (27. ábra). A kicentrifugált üledéket javításkor csak úgy lehet eltávolítani, ha a dugókat kiszerelik, az olajsarat kikaparják, a furatokat átmossák, majd sűrített levegővel kifúvatják. Ha ezeket a műveleteket nem végzik el, az olajsár a forgattyús tengely mosásakor felhígul, és üzem közben az olaj a csapágyba viszi, ami túlzott kopást okoz. Javításkor a forgattyús tengely-dugókat mindig el kell távolítani és az olajfuratokat alaposan ki kell tisztítani.
27. ábra Kicentrifugált olajsár
A forgattyús tengely felújítás előtti hibafelvételezése során a következőket kell elvégezni: 35
-
a csapfelület berágódás megengedett legnagyobb értékének meghatározása (pl. 0,4mm), az előírt keménységi érték (pl. 58±3 HRC) ellenőrzése, mágneses vagy egyéb repedésvizsgálat, a nyeles tengelyt illesztő csapágyhely furatának mérése; a főcsapok méretének ellenőrzése és a méretlépcső meghatározása; a forgattyúcsapok méretének ellenőrzése és a méretlépcső megállapítása; a főcsapágy szélességének ellenőrzése a felső határméret figyelembevételével.
Az egyenesség, illetve alakhelyesség megállapításához a forgattyús tengelyt két szélső nyugvócsapján alátámasztva, két prizmába helyezve, és a tengelyt forgatva mérőórával ellenőrzik a nyugvócsapokat. Természetesen a kopott csap ovalitását figyelembe kell venni. Ha a görbeség 0,2 mm-nél nagyobb, a tengelyt egyengetni kell. Az egyengetést hidegen csavarorsós, vagy hidraulikus egyengető készüléken kell végezni. A forgattyús tengelyek felújításának két változata használatos: -
a javító méretlépcsőre köszörülés a gyári előírások szerint, a kopott réteg feltöltése és eredeti méretre köszörülése.
A csapok méretlépcsőre köszörülése előtt ellenőrizzük a központfuratok épségét, és szükség esetén a főcsapon felfogva esztergapadon kiigazítjuk. A méretlépcsőt a tengelyen számbeütéssel vagy maratással jelöljük. Felújításkor a forgattyús tengelyről minden olyan tartozékot le kell szerelni, amely az ellenőrzést, a repedésvizsgálatot, az egyengetést vagy a köszörülést akadályozná. A forgattyús tengely repedése rendszerint valamelyik csapátmenetből indul ki, és törésig terjedhet. A repedés és törés oka lehet rossz hőkezelés, anyaghiba, helytelen megmunkálás, illetőleg kiegyensúlyozatlanság. Az ilyen tengelyek nem javíthatók. A forgattyús tengely csapjai nem szabályosan kopnak az egyenlőtlen terhelés miatt. A csapok általában oválissá és kúpossá változnak. A csap középső része, ahol a csapágyban az olajfurat helyezkedik el, helyes üzemeltetés esetén 28. ábra A forgattyúcsap kopása kevésbé kopik (28. ábra). A forgattyús tengely csapjait a következő kopásmértékeknél célszerű átköszörülni: 40 mm ø-ig 40-70 mm ø-ig 70 mm ø-n felül
0,03-0,04 mm feletti kopásnál, 0,05-0,06 mm feletti kopásnál, 0,06-0,07 mm feletti kopásnál.
A forgattyús tengely köszörülése erre a célra készített szerszámgépen, a forgattyús tengelyköszörűn végezhető el szakszerűen (29. ábra).
36
1-villanymotor, 2-kézikerék, 3-köszörűkorong, 4-munkadarab, 5-kézikerék állványa, 6-villanymotor, 7-szíjtárcsa, 8-befogófej, 9-ellensúly, 10-kézikerék 29. ábra Forgattyús tengely-köszörű Villanymotor (1) hajtja ékszíjakon keresztül a köszörű főorsóját. Kézikerékkel (2) kell a köszörűkorongot (3) közelíteni a munkadarabhoz (4). A kézikerék állványa (5) saját tengelye körül is elforgatható, ezzel végzik a durva közelítést, a kézikerékkel pedig a fogásvételt. A munkadarabot külön villanymotor (6) forgatja. A fordulatszám lépcsős szíjtárcsával (7) változtatható. A munkadarabot a nyugvócsapok köszörüléséhez csúcsok közé, a forgattyúcsapok köszörüléséhez vagy prizmás befogófejre (8), vagy a központból csavarorsóval eltolható tokmányba fogják be. Ellensúlyokkal (9) kiegyensúlyozzák a forgattyús tengelyt. Mindkét befogófej közös szánon helyezkedik el, és a kézikerékkel (10) a köszörűkoronghoz képest előtolható. A szán a vízszintes síkban kb. 5-10°-kal elforgatható, így kúpos csapok is köszörülhetők. Forgattyús tengely köszörülésekor alapvető követelmény, hogy a nyugvócsapokat egytengelyűre kell köszörülni, és ezek középvonalával a forgattyúcsapok középvonalai párhuzamosak legyenek (30. ábra).
b.)
30. ábra A forgattyútengely geometriai követelményei (a) és a csúcs közé fogott forgattyútengely támasztása (b) A forgattyús tengely köszörülését a nyugvócsapok köszörülésével kezdik. 37
A megmunkáláshoz a forgattyús tengelyt csúcsok közé vagy központra állított prizmás befogókba vagy tokmányokba fogják be. Amennyiben csúcsok közé fogjuk a forgattyús tengelyt, az alaktorzulás megakadályozására támasztékcsavarokat helyezzünk a forgattyúkarok közé (30/b. ábra). A forgattyúcsapok köszörüléséhez ellensúlyok segítségével pontosan ki kell ellensúlyozni a köszörűgépet, mert ellenkező esetben pontatlan lesz a megmunkálás. A 31. ábra forgattyúcsap köszörüléséhez befogott, központból eltolt forgattyús tengelyt mutat. A nyugvócsapok köszörülését azért ajánlatos előbb elvégezni, mert a párhuzamos központeltolás a forgattyús tengelyköszörű asztalához mérve, alakhelyesre köszörült nyugvócsapokon könnyebben ellenőrizhető. A befogótárcsákon levő tokmányok csavarorsó segítségével tolhatók el a központból, amit mérőskálán ellenőrizhetünk.
31. ábra Befogás a forgattyúcsapok köszörüléséhez A központfuratokat befogás előtt ellenőrizni kell. A lendítőkerék központosító pereme vagy kúpos 0,02 mm-es pontossággal központos legyen a központfurattal. Ellenkező esetben a központfuratot szabályozni kell vagy a csúcspótlékot pontosabban kell beállítani. A forgattyús tengely durva beállításához és megtámasztásához a köszörűgép szánjára helyezhető prizmás beállító bábokat használunk. Az egyikkel vízszintes síkban, a másikkal függőleges síkban tudjuk tájolni a forgattyús tengely csapjait. (32. ábra). 32. ábra Prizmás tájolók Tájoláskor a szélső csapokhoz ütköztetjük a prizmákat, amelyek szögfelezőjükre merőleges irányban központosítanak. A vízszintes irányban központosító báb talpán perem található, amelyet a gépasztal széléhez kell ütköztetni. A forgattyús tengelycsap köszörüléséhez használatos köszörűkövek kiválasztása szabványok, valamint a gyártó cég ajánlásai alapján végezhető el. A különböző keménységű anyagokhoz megfelelően választott kővel készíthető finom felület. Köszörülés közben támasztóbábot kell használni. Támasztani csak köszörült csapokat szabad. A köszörű korong forgácsolósebessége 25-30 m/s, a tengelycsap kerületi sebessége 12-15 m/min. A köszörült forgattyútengelycsapok hibatűrése kúposság és ovalitás vonatkozásában: 40 mm ø-ig 0,010 mm, 40-70 mm ø-ig 0,015 mm, 70 mm ø-ig 0,020 mm. 38
A kifáradási törések elkerülésére a csapok sugarát gondosan kerekítsük le. A vezetőcsapot általában arról ismerjük meg, hogy a többi nyugvócsaphoz képest szélesebb az oldalpereme. A vezetőcsap peremének oldalfelületeit párhuzamosra és előírt méretre kell köszörülni. A csapok felületi keménységének benzinüzemű motorokban 30-45 HRC, dieselmotorokban 45-60 HRC kell lenni. A csapokat addig lehet köszörülni, ameddig a felület keménysége az említett értékekkel határolt tartományon belül van. A keménység a felső határ 1015%-ával csökkenhet. Ennél lágyabb felület esetén a gyári felületkezelést meg kell ismételni. A köszörülések számát és esetenkénti mértékét fokozatokban állapítsuk meg. Minden forgattyú-, illetőleg nyugvócsapot egy-egy alkalommal azonos méretre és azonos tűréssel kell köszörülni. A megengedhető köszörülések számát és a csapok javítási méretét a hibafelvétel alapján, előre kell meghatározni és technológiai utasításban rögzíteni. A kereskedelemben egyes motortípusok forgattyús tengely csapjaihoz a csapágycsésze készleteket méretlépcsőkben hozzák forgalomba. Ilyen esetekben mindig a főtengelyt forgácsolják az adott csapágymérethez. A forgattyús tengelyek befejező megmunkálásának minősége és a csapágyfelek élettartama közötti összefüggések feltárását segíti elő az elektromikroszkópos vizsgálat, amely lehetővé teszi a felszínen elhelyezkedő különböző alakzatok elkülönítését. Jellegzetes hibás megmunkálási technológiára utaló nyomok: -
körkörös, kagyló alakú köszörülési nyomok, forgácsoló erő hatására jelentkező anyagkisajtolódás, egyúttal „fogak” és üregek keletkezésével. Ez utóbbi üregek a köszörülést követő nem megfelelő tisztítással olaj, de leggyakrabban szennyeződéstárolókká válnak.
Elsősorban öntöttvas, de néha acél forgattyús tengelyeknél találkozunk az ún. szálasodással a grafitszemcsék határán, amelyek fokozott csapágy-, majd a letört szemcsék csapkopást okoznak. A forgattyús tengelyeket gyártó vállalatok tapasztalata alapján az optimális élettartam eléréséhez ajánlott, hogy - a simítóköszörülést mindig kövesse a tükrösítés; - tükrösítéskor a forgásirány ellentétes legyen a köszörülésével (kiálló részek, szálak eltávolítása, nem „elkenése”); - a tükrösítés forgásiránya legyen azonos a motorba szerelt tengely forgásirányával; - a tükrösítési ráhagyás 5 µm körüli érték legyen az alakhibák lehető legkisebb értéken tartására. Speciális berendezés hiánya esetén a tükörsimítást elvégezhetjük gőzölt bükk- vagy kőrisfából készített polírozófával, bőr- vagy filcpofák között, olajos, iszapolt nagy szemcsefinomságú csiszoló- majd polírpaszta segítségével. Acél főtengelyek felújításánál alkalmazott technológiai eljárás a gáz nitridálás. A nitrogénkezelés egyike azoknak az eljárásoknak, amely egyes alkatrészek súrlódó felületeinek szilárdságfokozására alkalmas. A hegesztéssel felújított forgattyús tengelyeket méretre köszörülés után fokozatosan 570±10°C hőmérsékletre melegítjük ammónia adagolása közben. A nitridálás időtartama 12 óra. Az elért keménység 58-62 HRC, a nitridált kéreg vastagsága 0,26-0,31 mm. Az 39
összehasonlító vizsgálatok alapján a kopásállóság 39-40%-kal, a hajlítási kifáradás értéke 4163%-kal nagyobb. Jobb a felület korrózióállósága is. Új technológiai eljárás az öntöttvas forgattyús tengelyek vastagrétegű felújító ömlesztő hegesztése. Ennél az eljárásnál a forgattyús tengelyek tengelyirányú rövidülése (2,8-3,2 mm) volt tapasztalható. Sikerült a rövidülést a minimálisra leszűkíteni a hegesztést követő 3 órás 600°C-os hőntartással és a kemencében való lassú lehűtéssel 350°C-ra, majd levegőn 20°C körüli értékre. A szilárdsági tulajdonságok is egyenértékűek a gyári új alkatrészekével. A forgattyús tengelyek felújításával összhangban indokolt a vezető főcsapágy csészepár peremoldalának a megmunkálása is. A felfogó készüléket szemléltetjük a 33. ábrán.
33. ábra Főcsapágy csészepár megmunkálása Az osztott készüléket felfogjuk az esztergapad főorsójára és a furatot mérőórával központosítjuk. Ezt követően a peremoldalt kivéve, a készre munkált főcsapágy-csészepárt a készülékbe fogjuk. Az előírt nyomatékkal a szorítócsavarokat meghúzzuk és szimmetrikusan ütközőre állított forgácsolószerszámokkal az oldalazást elvégezzük.
40
IRODALOMJEGYZÉK [1]
Dr. Janik József és társai: Gépüzemfenntartás I-II. Dunaújvárosi Főiskola Kiadói Hivatal Dunaújváros, 2001.
[2]
Ember M. – Jánossy Gy. – Szijjártó O.: Mezőgazdasági gépek javítása Egyetemi tankönyv Mezőgazdasági Kiadó, Budapest, 1983.
[3]
Sólyomvári K.: Járműfenntartás Műegyetemi Kiadó 1999.
[4]
Dr. Kégl Tibor – Szabó József: Korszerű diagnosztikai módszerek Főiskolai Jegyzet, Dunaújváros, 1995.
[5]
Baránszky-Jób /Szerk./: Hegesztési kézikönyv Műszaki Kiadó Budapest, 1995.
[6]
Gáti I. /Szerk./: Hegesztési zsebkönyv Műszaki Kiadó, Budapest, 1966.
[7]
Dr. Vadász E. /Szerk./: TMK zsebkönyv Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985.
[8]
Csokán P. – Nádasi E.: Felületnemesítés fémbevonatokkal Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979. Dr. Papp A.: Alkatrészek javítása tampongalvanizálással Gép, XLIV. évf. 1992. 1. sz. p. 4-8.
[9] [10]
Mr. Rubinstein – Dr. Béres Deák L. – Zádor Gy.: Elektrokémiai fémfelvitel Selectron eljárással, Gépgyártástechnológia, 1991. 5. sz. p: 191-201.
41
