INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I BIOMEDYCZNYCH

Wydział Mechaniczny Technologiczny

POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH

OBRÓBKA CIEPLNA

MATERIAŁÓW INŻYNIESKICH

Obróbka cieplna oraz nawęglanie sworzni tłokowych

Imię nazwisko: Mateusz Soja

Kierunek: Inżynieria Materiałowa

Grupa dziekańska: IM4

Rok akademicki: 2014/2015

GLIWICE 2015

Sworznie tłokowe

Sworzeń tłokowy - element układu korbowego tłokowego silnika spalinowego, wykonany jako drążony walec, łączy korbowód z tłokiem oraz przenosi siłę z tłoka na oś korbowodu. Przykaładowy sworzeń tłokowy pokazano na rys. 1 [1].

Sworzeń tłokowy służy do przenoszenia nacisku tłoka na korbowód i jednocześnie umożliwia korbowodowi ruch wahadłowy. W czasie pracy sworzeń tłokowy podlega znacznym obciążeniom zmiennym co do wartości i kierunku. Wskutek małych wymiarów sworzeń podlega dużym naciskom jednostkowym. Warunki pracy pogarsza dosyć znaczne nagrzewanie się sworznia.

W pojazdach samochodowych sworznie tłokowe osadzone są obrotowo w główce korbowodu i w piastach tłoka, w których z kolei umieszczone są pierścienie osadcze tzw. pierścienie Seegera (zabezpieczają przed przesuwaniem osiowym). Stosuje się ponadto sworznie z obrotowym mocowaniem w piaście tłoka, bez luzu w główce korbowodu lub obrotowym mocowaniem w główce korbowodu i bez luzu w piaście tłoka.

Materiały, z których wykonane są sworznie tłokowe (z uwagi na temperaturę pracy, naciski i zmienne obciążenia oraz smarowanie):

• Stal do nawęglania np. 15H, 15N, 16HG,

• Stal do ulepszania cieplnego np. 38HN,

• Stal do azotowania np. 38HMJ.

Wymiary sworznia tłokowego pod konkretne ustala się na podstawie obliczeń wytrzymałościowych i dobierane są na podstawie norm: PN-89 H84030/02, PN-91/S-36039 lub PN-EN 10084:2009.

Rys. 1. Sworzeń tłokowy [7]

Wymagania stawiane sworzniom tłokowym to:

• Duża sztywność,

• Duża wytrzymałość zmęczeniowa,

• Odporność powierzchni na zużycie i korozję,

• Mała masa.

Wybór stali

Wybraną do projektu stalą jest stal niskostopowa przeznaczona do nawęglania 16HG lub stosując inne nazwenictwo stali, stal 16MnCr5.

Stal 16HG jest to popularna i powszechna stal do nawęglania stosowana na części
o mniejszych wymiarach (do 30 mm), o większej niż 15HN wytrzymałości rdzenia. Stal 16HG jest używana na: wałki rozrządcze, koła zębate, ślimaki, sworznie tłokowe, detale podlegające ścieraniu.

Skład chemiczny stali 16HG został przedstwiony w tabeli 1, podstawowe własności mechaniczne zostały przedstawione w tabeli 2. Na rys. 2 zaznaczono wysokość twardości
w odległości od zahartowanego czoła próbki.

Tabela 1. Skład chemiczny stali 16HG podany w %, opracowany na podstawie normy PN-EN 10084:2009 [6]

Skład chemiczny Stali 16HG [%]
C
0,14 do 0,19

Tabela 2. Własności mechaniczne stali 16HG, opracowane na podstawie normy PN-EN 10084:2009 [6]

Własności mechaniczne	Wartość
Wytrzymałość na rozciąganie Rm (MPa)	≥830 Mpa
Wydłużenie A (%)	≥12 %
Przewężenie Z (%)	≥45 %
Granica plastyczności Re (R0,2) (MPa)	≥590 Mpa
Twardość (HB)	255 ÷ 352

Twardość, HRC
Odległość od czoła próbki, mm

Rys. 2. Twardość [HRC] w odległości od zahartowanego czoła próbki [5]

Obróbka cieplna i cieplno chemiczna stali 16HG stosowanej na sworznie tłokowe

Nawęglanie

Nawęglaniu sworzni tłokowych poddaje się wyroby ze stali niestopowych niskowęglowych (np gatunku 10, 15, 20 wg PN-93/H-84019) lub ze stali stopowych konstrukcyjnych (np. gatunku 15H, 20H, 16HG, 15HGM, 17HGN wg PN-89/H-84030/02),
o zawartości węgla 0,07-0,24% [6, 7]. Zadaniem sworzni tłokowych jest połączenie przegubowe tłoka z korbowodem dla przeniesienia sił ciśnienia gazów. Wysoka stosunkowo temperatura w piastach tłoka i wahliwy ruch sworznia stwarzają warunki nie sprzyjające uzyskaniu tarcia płynnego [2]. W trakcie pracy sworznie zużywają się w strefie współpracy z główką korbowodu i w miejscach osadzonych w piastach tłoka [3]. Efektem zużycia jest zwiększenie luzu między sworzniem a panewką, co skutkuje wzrostem sił dynamicznych. Zużywanie się sworzni tłokowych wpływa na poziom hałasu i drgań silnika oraz powoduje przyspieszone zużycie pozostałych elementów układu korbowo-tłokowego silnika spalinowego.

Warunki pracy sworznia narzucają wymagania dotyczące właściwości stosowanych materiałów do ich produkcji. Duże obciążenia wymagają bardzo twardej i jednocześnie odpornej na zużycie warstwy wierzchniej, a okresowo zmienne, nagle narastające siły sprężystego i ciągliwego rdzenia. Takie wymagania prowadzą do stosowania stali niskostopowych do nawęglania [3].

Głębokość warstwy nawęglonej dla danych warunków nawęglania zależy od temperatury i czasu trwania procesu. Im wyższa temperatura (praktycznie wynosi 900-950°C), tym szybkość nawęglania jest większa, ale niezależnie od temperatura proces nawęglania najintensywniej zachodzi w pierwszym okresie, a potem stopniowo szybkość jego się zmniejsza [2].

W praktyce grubość warstwy nawęglonej zawiera się w granicach 
0,6-2,0 mm. Nawęglanie ma na celu uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej elementu konstrukcyjnego, przy zachowaniu wysokiej udarności i ciągliwości rdzenia. Własności te uzyskuje się przez odpowiednią obróbkę cieplną. Dużą twardość osiąga się przez wzbogacenie warstwy powierzchniowej w węgiel i następnie zahartowanie [2].

Podczas nawęglania dąży się do [4]:

• Otrzymania struktury drobnolistwowego martenzytu z węglikami w postaci ziarnistej w warstwie powierzchniowej,

• Zwiększenia twardości stali na powierzchni do ok 60HRC,

• Zapewnieniu znacznej ciągliwości w nienawęglonym rdzeniu.

Hartowanie

Hartowanie jest obróbką cieplną polegającą na nagrzaniu stali do temperatur występowania austenitu powyżej lini Ac1,3 (na wykresie równowagi fazowej Fe3C), wygrzaniu — czyli austenityzowaniu i oziębieniu w celu uzyskania struktury martenzytycznej lub bainitycznej.

W celu uzyskania poprawnych wyników hartowania konieczne jest dotrzymanie odpowiednich parametrów, do których należą:

• Temperatura austenityzowania,

• Czas grzania,

• Szybkość chłodzenia,

Jedną z metod obróbki cieplnej jest hartowanie a szczególna jej odmiana to hartowanie powierzchniowe. Polega ono na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie szybkim ochłodzeniu. Hartowanie powierzchniowe umożliwia ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej i to jedynie w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie. Nie wywołuje ono zatem dużych naprężeń i odkształceń cieplnych. Hartowanie powierzchniowe umożliwia automatyzację i mechanizację procesów technologicznych obróbki cieplnej. W zależności od sposobu nagrzewania można wyróżnić następujące rodzaje hartowania powierzchniowego:

• Indukcyjne,

• Płomieniowe,

• Kąpielowe,

• Kontaktowe,

• Elektrolityczne.

Wyżarzanie

Wyżarzanie – jedna z operacji obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, wytrzymaniu przy tej temperaturze oraz następnym powolnym studzeniu. Celem obróbki jest przybliżenie stanu materiału do warunków równowagi. Wyżarzanie dzielimy na:

• Ujednorodniające: po kilkudziesięciogodzinnym wygrzewaniu chłodzenie
  w spokojnym powietrzu, obróbka stosowana głównie dla wlewków stalowych przed obróbką plastyczną w celu ograniczenia niejednorodności spowodowanej mikrosegregacją składu chemicznego,

• Normalizujące: po krótkim wygrzewaniu chłodzenie w spokojnym powietrzu, obróbka stosowana w celu uzyskania jednorodnej struktury drobnoziarnistej oraz poprawy właściwości mechanicznych wyrobów przegrzanych lub niewłaściwie obrobionych cieplnie oraz nadania jednakowej struktury i właściwości wyrobom stalowym
  w produkcji seryjnej (normalizacja),

• Zupełne: po wygrzewaniu chłodzenie w piecu, stosowane dla stali stopowych,
  w których może mieć miejsce przemiana martenzytyczna przy chłodzeniu na powietrzu,

• Sferoidyzujące (zmiękczające): zapewnia strukturę sferoidytu (cementyt kulkowy
  w osnowie ferrytu), a w konsekwencji zmniejsza twardość i ułatwia obróbkę plastyczną na zimno stali konstrukcyjnych i poprawia skrawalność, a w wypadku stali narzędziowych — stosowane przed hartowaniem zmniejsza kruchość,

• Rekrystalizujące: stosowane do elementów stalowych po zgniocie na zimno, usuwa niepożądane skutki umocnienia, tj. kruchość. Wyżarzanie rekrystalizujące wykorzystuje się zarówno do stali po zakończeniu obróbki plastycznej, jak też jako wyżarzanie międzyoperacyjne, dla umożliwienia dalszej obróbki plastycznej na zimno. Po wygrzewaniu w czasie kilku godzin chłodzenie w spokojnym powietrzu,

• Odprężające: stosuje się do gotowych wyrobów, w których pozostały naprężenia własne po obróbce plastycznej na zimno, odlewaniu, spawaniu, hartowaniu. Naprężenia własne są szkodliwe, ponieważ mogą być przyczyną odkształceń wyrobów, a współdziałając z naprężeniami zewnętrznymi w czasie pracy elementu, mogą przyczynić się do jego przedwczesnego zniszczenia. Po wygrzewaniu w czasie kilku godzin chłodzenie w spokojnym powietrzu.

Na stali do nawęglania 16HG można stosować różne procesy obróbki. Procesy te zostały przedstawione w tabeli 3.

Tabela 3. Technologiczne procesy obróbki dla stali 16HG, opracowane na podstawie normy PN-EN 10084:2009

Technologiczne procesy obróbki	Temperatura, °C
Obróbka plastyczna	Kucie
	Walcowanie
Obróbka cieplno-chemiczna	Nawęglanie
	Węgloazotowanie
Obróbka cieplna po nawęglaniu	Hartowanie I
	Wyżarzanie
	Hartowanie II
	Odpuszczanie
Obróbka cieplna	Wyżarzanie Normalizujące
	Wyżarzanie Zmiękczające

Obróbka cieplna stali 16HG po nawęglaniu

Po udanym procesie nawęglania sworzni tłokowych, należy poddać je obróbce cieplnej. Obróbkę cieplną po nawęglaniu można podzielić na 2 etapy:

1. Hartowanie oraz wyżarzanie,

2. Hartowanie oraz niskie odpuszczanie.

Przedmioty po nawęglaniu hartuje się podwójnie ponieważ, przedmioty nawęglane posiadają 2 strefy: rdzeń oraz warstwa nawęglona, każda z nich aby być poprawnie zahartowana musi być przeprowadzona przy użyciu innych parametrów.

Hartowanie I z niskim odpuszczaniem zapewnia dużą twardość powierzchni obrobionych elementów, dużą odpornośc na ścieranie i naciski powierzchniowe, znaczną wytrzymałość zmęczeniową. Obróbka cieplna stali nawęglonej polega na hartowaniu z temp właściwej dla rdzenia - wyższej od Ac3 i ponownym hartowaniu z temp wyższej od Ac1, właściwej dla nawęglonej warstwy powierzchniowej. Przedmioty nawęglone i podwójnie zahartowane poddaje się niskiem odpuszczaniu.

Etapy obróbki cieplnej sworzni tłokowych:

1. Hartowanie po nawęglaniu w temperaturze 860-900°C. Na rys. 3 pokazano umiejscownienie hartowania w układzie żelazo-cementyt. Podczas procesu chłodzenia, stal można chłodzić wodą lub olejem hartowniczym,

2. Wyżarzanie w temperaturze 660-680°C. Chłodzenie po wyżarzaniu odbywa się
   w powietrzu,

3. Hartowanie II po nawęglaniu w temperaturze 810 - 840°C. Chłodzenie po drugim hartowaniu może odbywać się w wodzi lub oleju hartowniczym,

4. Niskie odpuszczanie w temperaturze 150 - 200°C. Chłodzenie po odpuszczaniu odbywa się w powietrzu. Czas odpuszczania – 1h.

Rys. 3. Układ równowagi fazowej żelazo cementyt z naniesionymi procesemi obróbki cieplnej dla nawęglonej stali 16HG. Czerwony prostokąt odpwiada zakresowi temperatury hartowania I, Zielony prostokąt odpowiada zakresowi temperatur wyżarzania, Niebieski prostokąt odpowiada zakresowi temperatury hartowania II, pomarańczowy prostokąt odpowiada zakresowi temperatur niskiego odpuszczania.

Podsumowanie

Sworznie tłokowe to bardzo ważne elementy układów tłokowych. Wysokie wymagania stawiane sworzniom sa skutkiem ciężkich warunków pracy. Sworznie muszą pracować w podwyższonej temperaurze, podlegają znacznym obciążeniom zmiennym co do wartości i kierunku. Wskutek małych wymiarów sworzeń podlega dużym naciskom jednostkowym. Dlatego bardzo ważne przy wyborze materiału na sworznie jest zaostrzenie wymagań dotyczących pracy przedmiotu.

Aby sworznie osiągały wymagane własności, warstwę wierzchnią przedmiotu można poddać obróbce cieplno-chemicznej. Jedną z metod obrabiana cieplno-chemicznie sworzni jest Nawęglanie. Nawęglanie sworzni zapewni odpowiednią twardość i odporność na ścieranie warstwy powierzchniowej.

Jednakże aby warstwa nawęglona jak i rdzeń miały odpowiednie właściwości, należy na nich odpowiednio przeprowadzić obróbkę cieplną. Przy przedmiotach nawęglanych popularną techniką obróbki cieplnej jest podwójne nawęglanie: pierwsze z temperatury hartowania rdzenia, drugie z temperatury warstwy nawęglonej. Po hartowaniu, sworznie odpuszcza się w niskich temperaturach (150-200°C).

Najtrudniejszym wyzwaniem dla technologa jest dobranie parametrów procesu nawęglania oraz obróbki cieplnej tak aby uzyskać wymagane właściwości.

Literatura

[1] Niewiarowski K., „Tłokowe silniki spalinowe”, Warszawa 1968.

[2] Janerka K., „Nawęglanie cieklych stopów żelaza”, Wyd. Pol Śl., Gliwice, 2010

[3] Buczma D., „Nawęglanie laserowe stali niskowęglowych”, Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 2005, Vol. 50

[4] Pełczyński T., „Obróbka cieplno-chemiczna metali i półprzewodników”, wyd. Politechnika Lubelska, Lublin, 2000

[5] norma PN-EN 10084:2009,

[6] norma PN-89 H84030/02,

[7] www.auto-metal.pl,