DIPLOMOVÁ PRÁCE 2019 Bc.

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta materiálově-technologická

Katedra materiálového inženýrství

DIPLOMOVÁ PRÁCE

2019 Bc. Kristýna Přecechtělová

Abstrakt

V této práci jsou popsány základy chemicko-tepelného zpracování ocelí, typy ocelí vhodné pro nitridaci a v neposlední řadě obecná charakteristika převodovek osobních automobilů. Cílem práce bylo zjistit příčinu porušení synchronizačního kroužku u převodovky osobního automobilu. Příčina porušení byla zkoumána metodami světelné mikroskopie, řádkovací elektronové mikroskopie a měřením tvrdosti HV.

Klíčová slova

Chemicko-tepelné zpracování, nitridace, převodovka, synchronizační kroužek.

Abstract

In this work principles of thermo-chemical treatment of steels are described, types of steels suitable for nitriding and last but not least general characteristics of gearboxes of passenger cars. The aim of this work was to find out the cause of the synchronization ring failure in the passenger car gearbox. The cause of failure was investigated by light microscopy, scanning electron microscopy any by hardness HV measurement.

Keywords

Thermo-chemical treatment, nitriding, gearbox, synchronization ring.

PODĚKOVÁNÍ

Ráda bych poděkovala především mému vedoucímu diplomové práce, panu prof. Dr.

Ing. Jaroslavu Sojkovi, za velmi cenné rady a připomínky, které se týkaly zpracování diplomové práce. Dále děkuji své rodině a blízkým za podporu v průběhu celého mého studia.

Tato diplomová práce vznikla za přispění projektů Studentské grantové soutěže

„SP2019/27 „Využití metod strukturní analýzy, zkoušení mechanických vlastností a nedestruktivní defektoskopie při komplexní charakterizaci pokročilých materiálů“

a „SP2019/43 Specifický výzkum v metalurgickém, materiálovém a procesním inženýrství“.

1

Obsah

1. ÚVOD A CÍL PRÁCE ... 3

2. TEORETICKÁ ČÁST... 4

2.1 Chemicko-tepelné zpracování ocelí ... 4

2.1.1 Dílčí procesy chemicko-tepelného zpracování ... 4

2.1.2 Hodnocení struktury povrchové vrstvy ... 7

2.1.3 Metody chemicko-tepelného zpracování ... 8

2.1.4 Nitridace ... 9

2.1.5 Cementace ... 14

2.1.6 Karbonitridace a nitrocementace ... 14

2.1.7 Sulfonitridace ... 15

2.2 Nejdůležitější typy ocelí používané pro nitridaci a jejich vlastnosti ... 16

2.2.1 Typy ocelí používané pro nitridaci ... 16

2.2.1 Typické vlastnosti ocelí používaných pro nitridaci ... 17

2.3 Základní charakteristiky převodovek osobních automobilů ... 18

2.3.1 Historie převodových ústrojí automobilů ... 18

2.3.2 Účel a užití ... 19

2.3.3 Rozdělení ... 20

2.3.4 Manuální stupňové převodovky se synchronizací ... 21

2.3.5 Synchronizační systém ... 23

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ... 29

3.1 Strukturní analýza materiálu kroužku včetně měření mikrotvrdosti... 29

3.1.1 Charakteristika dodané součásti ... 29

3.1.2 Výsledky analýzy ... 30

3.1.3 Metalografická analýza... 30

3.2 Fraktografická analýza porušené části výstupku synchronizačního kroužku ... 36

3.3 Analýza neporušené části ohybu synchronizačního kroužku ... 40

2

3.4 Diskuze výsledků ... 48

4. ZÁVĚR... 49

5. CITACE ... 50

6. SEZNAM OBRÁZKŮ ... 53

7. SEZNAM TABULEK ... 55

3

1. ÚVOD A CÍL PRÁCE

Tato diplomová práce se zabývá zjišťováním příčin porušení synchronizačních kroužků vyrobených z oceli HC260LA. Synchronizační kroužky jsou jednou z důležitých komponent v převodových ústrojích nejen osobních automobilů. Mají za úkol synchronizovat převody při změně převodových stupňů.

Teoretická část této diplomové práce je zaměřena na základní popis chemicko- tepelného zpracování a popis konkrétních metod chemicko-tepelného zpracování se zvláštním zřetelem na nitridaci ocelí. Následuje výčet nejdůležitějších ocelí, které jsou vhodné pro nitridaci. V závěru teoretické části, práce stručně popisuje základní charakteristiky převodovek osobních automobilů.

V experimentální části práce je popsáno zkoumání příčin porušení výstupků na synchronizačním kroužku převodovky osobního automobilu. Ke zkoumání bylo využito metod strukturní analýzy a fraktografie pomocí světelné mikroskopie a řádkovací elektronové mikroskopie včetně měření tvrdosti HV, a to jak v porušené části kroužku, tak v neporušené části.

Diplomová práce má za cíl zjistit možnou příčinu a okolnosti, za kterých k porušení kroužků dochází. Na základě těchto zjištění pak lze nalézt a navrhnout možná technologická řešení, která pomohou tuto problematiku vyřešit.

4

2. TEORETICKÁ ČÁST

2.1 Chemicko-tepelné zpracování ocelí

Pojem chemicko-tepelné zpracování vyjadřuje procesy, které vedou ke změně struktury a vlastností materiálů za pomocí tepelného zpracování. Je doprovázeno změnou chemického složení materiálu za současné změny fázového složení a mikrostruktury povrchových vrstev [1]. K této přeměně chemického složení dochází chemickým působením aktivního prostředí při zvýšených teplotách. Změna chemického složení může probíhat jak na povrchu (povrchové chemicko-tepelné zpracování), tak v celém obejmu (objemové chemicko-tepelné zpracování). Objemové chemicko-tepelné zpracování je méně obvyklé.

Řadí se do něj proces žíhání pro snížení obsahu vodíku (odvodíkování) nebo žíhání pro snížení obsahu uhlíku (oduhličení) [2,3].

Další definice říká, že chemicko-tepelné zpracování je proces, při kterém dochází k sycení povrchu materiálu a vzniku povrchové (difúzní) vrstvy. Ne vždy však dochází k sycení povrchu materiálu daným prvkem. Může dojít také k procesu opačnému, tzn. ke snížení obsahu některých prvků. Složení základního materiálu pod povrchovou vrstvou zůstává nezměněno [1].

Požadovaných vlastností lze dosáhnout buď přímo, tzn. jen obohacením povrchové vrstvy přísadovým prvkem za zvýšených teplot a pomalým ochlazováním, nebo následujícím tepelným zpracováním, kterým bývá obvykle kalení a popouštění při nízkých teplotách. Cílem chemicko-tepelného zpracování bývá zvýšení tvrdosti a odolnosti proti opotřebení a zachování houževnatého jádra. Pokud je zvolen vhodný typ oceli a způsob chemicko- tepelného zpracování, lze docílit důležitého zvýšení životnosti a kvality povrchu nízkolegovaných ocelí. Tyto oceli pak mohou nahradit dražší a deficitní vysokolegované oceli. Výše popsaný způsob zpracování umožňuje firmám zlepšovat kvalitu produktů a snižovat náklady na výrobu [4].

2.1.1 Dílčí procesy chemicko-tepelného zpracování

Mezi základní dílčí procesy, které probíhají při chemicko-tepelném zpracování, patří:

a) adsorpce – dochází k adsorpci molekul chemických sloučenin, které jsou nasycovány povrchem pevné fáze,

b) disociace – rozklad adsorbovaných molekul za vzniku aktivních atomů, c) absorpce – pohlcení aktivních atomů nasycovaným povrchem,

5

d) difúze – přesun absorbovaných atomů z povrchu součásti směrem k jejich středu [2].

Intenzita těchto procesů závisí na druhu oceli, chemickém složení, aktivitě prostředí, teplotě sycení a na druhu prvku, kterým je povrch sycen. Prostředí mohou být plynná, kapalná nebo tuhá.

2.1.1.1 Adsorpce

Při adsorpci dochází k „přichycení“ molekul nasycujícího prostředí (nejčastěji plynné molekuly) k nasycovanému povrchu. Dochází ke slabé interakci mezi povrchem a molekulami chemických sloučenin. Průběh adsorpce je ovlivněn stavem nasycovaného povrchu. Adsorpce totiž neprobíhá na celém povrchu, ale jen na určitých místech (v tzv. aktivních centrech), která vyhovují svou krystalografickou stavbou. Počet aktivních center, a tím pádem také rychlost růstu difúzní vrstvy, může znatelně snížit oxidace a znečištění povrchu. Naopak zvýšit počet aktivních míst lze vhodnou mechanickou, fyzikální nebo chemickou úpravou. Úprava povrchu je důležitá zejména u procesů, které probíhají za nižších teplot, např. nitridace [1,4].

2.1.1.2 Disociace

Během tohoto procesu dochází k rozpadu molekul chemických sloučenin za vzniku volných aktivních atomů. Průběh disociace se řídí zákony chemických reakcí, zejména Guldberg-Waagovým zákonem, který říká, že všechny chemické reakce směřují k rovnovážnému stavu. Tento děj lze vyjádřit pomocí rovnovážné konstanty, která je dána poměrem součinu koncentrací látek z reakce vystupujících a součinu koncentrací látek do reakce vstupujících. Rovnovážná konstanta se s teplotou a tlakem mění [2,3].

Za určitých podmínek (tlak, teplota, katalyzátor), závisí rychlost chemické reakce na koncentraci dané reagující látky. Čím vyšší bude koncentrace této látky, tím rychleji bude chemická reakce probíhat. Dalším z faktorů ovlivňujících rychlost chemické reakce, je adsorbovatelnost produktů disociace. V případě, že je adsorbovatelnost povrchem jiného prvku, např. vodíku, vyšší, obsazuje tento prvek aktivní místa. Tím zabraňuje přístupu molekulám, které jsou schopny uvolňovat atomy potřebné pro nasycení. Tyto nežádoucí molekuly lze odstranit např. ultrazvukem nebo pohlcovači [4].

6 2.1.1.3 Absorpce

V průběhu absorpce je nasyceným povrchem pohlcena pouze malá část atomů vzniklých disociací (aktivní atomy). Je známo, že závislost počtu absorbovaných atomů na čase chemicko-tepelného zpracování je parabolická (viz obr. 1). Jelikož má koncentrace absorbovaných atomů výrazný vliv na růst difúzní vrstvy, měla by být aktivita nasycujícího prvku po celou dobu co nejvyšší a to prostřednictvím vysoké koncentrace molekul chemické sloučeniny. Někdy může dojít i k přesycení difuzní vrstvy nebo vzniku nežádoucích chemických sloučenin, což následně negativně ovlivňuje kvalitu povrchu [3].

Obr. 1: Graf závislosti množství absorbovaného dusíku na čase nasycování oceli 15 330 v atmosféře NH3, při teplotě 565°C a 605°C [3].

2.1.1.4 Difúze

Difúze znamená přesun pohlcených atomů z povrchové vrstvy směrem ke středu součástí (hloubky). Tento proces určuje hloubku nasycované vrstvy. Hloubka difúzní vrstvy je závislá na čase podle parabolické závislosti, dle rovnice č. (1):

x² = k·t (1)

kde x je hloubka difúzní vrstvy, k je konstanta závislá na teplotě,

7 t je doba nasycování.

Aby byla difúze účinná, je potřeba zajistit dostatečnou koncentraci difundujícího prvku na povrchu zpracovávaného kovu po celou dobu procesu. Ohřev zpracovávaného kovu musí být nastaven na dostatečně vysokou teplotu, která umožňuje tepelný pohyb atomů [1,2].

Pro popis rychlosti difúze se používají Fickovy zákony. První Fickův zákon platí pouze u ustáleného stavu difúze. Koncentrační gradient difundující látky se v čase nemění, tzn. ∂c/∂x = 0.

Znění prvního Fickova zákona je znázorněno rovnicí č. (2):

𝐽 = −𝐷 ∙

𝜕𝑥 (2)

kde J je difuzní tok, D je difúzní koeficient,

∂c/∂x je koncentrační gradient.

Znaménko minus v prvním Fickově zákoně vyjadřuje, že difúzní tok (J) má opačný směr, než koncentrační gradient (∂c/∂x), tudíž se atomy přenáší z místa o vyšší koncentraci do místa s koncentrací nižší (ve směru zmenšující se koncentrace).

Pokud se koncentrační gradient difundující látky s časem mění (častější případ), je nutné vycházet z druhého Fickova zákona. Jedná se o případ nestacionární difúze. Rovnice č. (3), charakterizující druhý Fickův zákon je popsána níže:

𝜕𝑐

𝜕𝜏

= 𝐷 ∙

𝜕𝑥² (3)

kde ∂c/∂𝜏 je změna koncentrace v závislosti na čase rychlosti změny koncentrace,

∂²c/∂x² je křivost koncentračního profilu v místě x [5].

2.1.2 Hodnocení struktury povrchové vrstvy

Struktura difúzní vrstvy se určuje na základě rovnovážných podmínek obou prvků – základního a difundujícího. Pro plynulý koncentrační spád mezi povrchem a jádrem kovu musí být oba prvky dokonale rozpustné v tuhém stavu. V případě, že je rozpustnost

8

omezená, objevují se v koncentračním spádu skoky, které mají následně vliv na vznik mezivrstev (obr. 2). Povrchová vrstva bývá obvykle tvořena sloupkovitými krystaly, orientovanými kolmo na povrch.

Difúzní vrstvu lze hodnotit z hlediska metalografického a z hlediska měření tvrdosti např. podle Vickerse (v případě velmi tenké vrstvy dle Knoppa). Ověřuje se tedy hloubka, rovnoměrnost povrchové vrstvy a její tvrdost. Z metalografického hlediska můžeme za provozních podmínek změřit hloubku vrstvy na lomu tepelně zpracovaného vzorku.

Tato hloubka se hodnotí při zvětšení až 12,5x a je dána kolmou vzdáleností od povrchu k ostrému přechodu mezi hrubším a jemnějším lomem. Další způsob měření hloubky vrstvy je z příčného metalografického výbrusu. Výbrus je naleptán 5% Nitalem. Mikrotvrdost se měří u vrstev tenkých do 0,3 mm při zatížení maximálně 5N. V případě vrstev hrubších než 0,3 mm se měří tvrdost HV1 až HV10 při zatížení až 98,1 N [2, 4].

Obr. 2: Změna koncentrace prvku B v difúzní vrstvě prvku A [2].

2.1.3 Metody chemicko-tepelného zpracování

Metody se dělí podle toho, který z prvků je použit pro sycení povrchu daného materiálu. Používají se prvky, které mají schopnosti vytvářet s železem intersticiální tuhé roztoky (C, N, B), substituční tuhé roztoky (Cr, Al, Si) popř. intermediální fáze. Mezi hlavní metody chemicko-tepelného zpracování se řadí cementace, nitridace nebo kombinace obou metod dohromady - nitrocementace a karbonitridace [2].

9

Metod pro chemicko-tepelné zpracování je celá řada a rozlišují se dle užitého prvku:

- nitridace (dusík), - cementace (uhlík),

- nitrocementace a karbonitridace (dusík a uhlík), - sulfonitridace (síra a dusík),

- difuzní křemíkování (křemík), - boridování (bor),

- alitování (hliník),

- difuzní chromování (chrom) aj.

Každá z metod má jiné vlastnosti a probíhá specificky – různé teploty průběhu, délka působení a typ aktivního prostředí, rychlost ochlazování nebo následné tepelné zpracování [4].

2.1.4 Nitridace

Nitridace znamená sycení povrchu ocelí aktivním dusíkem, který vytváří v povrchové vrstvě tvrdé nitridy, popř. karbonitridy. Pomocí nitridace lze dosáhnout vysokých hodnot tvrdosti vrstvy za současné minimální deformace povrchu. Po procesu nitridace není již zapotřebí rovnání [6]. Povrch se sytí při teplotách 500°C až 550°C (podeutektoidní teploty), kdy má dusík ve feritu největší rozpustnost. Proces může trvat až 60 hodin.

Výsledkem nitridace je tenká, ale velmi tvrdá povrchová vrstva (1000 – 1200 HV). Hloubka vrstvy dosahuje obvykle 0,2 – 0,6 mm. V průběhu procesu může dojít ke zvětšení součásti o 6 – 10 μm. Nejčastěji se nitridují konstrukční zušlechtitelné oceli, které mají obsah uhlíku 0,3 – 0,4 hm. %. Pomocí nitridace se zvyšuje kromě tvrdosti také odolnost proti opotřebení a únavě, odolnost proti korozi, zadírání a únavovému namáhání. Díky všem těmto kladným vlastnostem lze nitridaci považovat za nejperspektivnější metodu chemicko-tepelného zpracování. Na rozdíl od cementace je nitridace zpravidla konečnou operací. Následuje už jen proces broušení součásti [4,7].

Nitridace probíhá v kapalném (solné lázně) a plynném prostředí. Nejpoužívanější metodou je však tzv. plazmová (iontová) nitridace. Jak již bylo uvedeno, tvoří dusík v oceli buď nitridy železa, nebo také karbonitridy. Pro získání konkrétních informací o možných

10

reakcích se využívá rovnovážný diagram železo – dusík. Část diagramu je vykreslena na obr. 3 [2,4].

Obr. 3: Část rovnovážného binárního diagramu železo – dusík[1].

Povrchová vrstva, která vznikla nitridací, obsahuje až 12 hm. % dusíku. Prvky jako například Cr, Al, V lze označit za nitridotvorné. Za přítomnosti těchto prvků vytváří dusík v povrchové vrstvě speciální nitridy (CrN, Cr2N, AlN, VN) nebo karbonitridy.

Tato povrchová vrstva se skládá z povrchové sloučeninové vrstvy, tzv. bílé vrstvy a difuzní zóny, viz obr. 4 [4].

Obr. 4: Popis struktury nitridované vrstvy [3].

Z obrázku 3 je patrné, že dusík spolu s železem tvoří dva nejdůležitější typy nitridu - Fe4N a Fe2-3N. Povrchová vrstva se obvykle skládá z nitridů Fe2-3N, které jsou označovány

11

jako ε fáze. Má hexagonální těsné uspořádání (HCP) a v porovnání s Fe4N je měkčí a žádoucí fází v nitridovaných vrstvách. Tato vrstva je charakteristická vyšší odolností proti korozi a má velmi dobré povrchové kluzné vlastnosti [8]. Aby bylo vůbec možné tento typ vrstvy vytvořit, je potřeba při nitridaci použít takovou nitridační atmosféru, která obsahuje určité

% uhlíku (přibližně 0,5 % C). V případě, že by byla použita atmosféra neobsahující žádný uhlík, vytvořila by se na povrchu vrstvička fáze Fe4N. Tato fáze, která se označuje jako γ´, se vyznačuje vysokou tvrdostí a odolností proti opotřebení. Má kubickou plošně centrovanou mřížku (FCC) a je velmi tvrdá a poměrně křehká. Proto je v povrchových vrstvách spíše nežádoucí. Nitrid Fe4N je stálý do teploty 680°C, při které se přeměňuje na fázi ε, která byla zmíněna výše. Pokud je nitridace prováděna v plynném stavu, mohou vznikat obě fáze najednou, což je nežádoucí. Každá z fází má jinou krystalickou strukturu a z toho důvodu může vznikat mezi vrstvami vnitřní pnutí. Důsledkem je vznik mikroskopických trhlin na povrchu součásti [2,3].

Difúzní vrstva, ve které se nachází precipitáty nitridů, karbonitridů železa a legující prvky je tvořená fází α. Čím více se v ní nachází nitridotvorných prvků, tím je vrstva mělčí.

Tato zóna je charakteristická svou vysokou tvrdostí a odolností proti únavě [6].

2.1.4.1 Hloubka nitridované vrstvy

To, jak bude nitridovaná vrstva hluboká, závisí na druhu namáhání, pro které je součást určena. U strojních součástí to bývá obvykle 0,2 - 0,6 mm. V průběhu samotné nitridace dochází ke drobným změnám rozměrů součásti. Aby se dosáhlo správných rozměrů, následuje po nitridaci broušení a tuto operaci je třeba zohlednit při volbě tloušťky vrstvy. Stanovit samotnou hloubku lze pomocí mikroskopického měření na naleptaném mikrovýbruse. Tuto metodu lze uplatnit pouze pro fáze γ´ a ε, které jsou při zvětšení viditelné. Hloubku fáze α, která je obohacená dusíkem, můžeme změřit pomocí metody měření mikrotvrdosti HV 0,3 až HV 0,5 [2,8].

2.1.4.2 Metody provedení nitridace

Způsobů, jak provádět nitridaci, je celá řada. Mezi nemálo využívané metody patří nitridace v plynném prostředí. Probíhá při teplotách 500 - 550 °C po dobu až 60 hodin. Proces je tedy velmi pomalý. Před disociací obsahuje atmosféra 100% NH3. V průběhu procesu se udržuje vysoký parciální tlak NH3, při kterém je růst difúzní vrstvy nejrychlejší. Tímto způsobem se nejčastěji nitridují konstrukční oceli Cr-Al a Cr-Al-Mo [4]. Zdrojem aktivního dusíku při nitridaci je amoniak, který disociuje podle rovnice č. (4):

12

NH3 ↔ N* + 3/2 H2 (4)

Bude-li probíhat reakce zleva doprava, jedná se o reakci endotermickou. Rovnovážná konstanta této reakce roste spolu se stoupající teplotou. Tuto rovnovážnou konstantu výše uvedené rovnice lze vyjádřit pomocí rovnice č. (5):

Kp =

𝑎𝑁 ∙ 𝑝𝐻23/2

𝑝𝑁𝐻3 (5)

kde p jsou parciální tlaky příslušných plynů (vodíku H2, amoniaku NH3), aN je aktivita dusíku (dusíkový potenciál atmosféry).

Z výše uvedeného vztahu můžeme dále vyjádřit aktivitu dusíku a to pomocí vztahu č. (6):

aN = Kp · ^{𝑝𝑁𝐻3}

𝑝_𝐻2^3/2 (6)

Z výše uvedeného vztahu je zřejmé, že aktivita dusíku se zvyšuje nejen s rostoucím obsahem amoniaku v atmosféře, ale také s rostoucí teplotou a s klesajícím obsahem vodíku v atmosféře [2].

Velmi moderní metodou je iontová (plazmová) nitridace. Její podmínkou je, stejně jako pro ostatní zmiňované postupy, přítomnost atomárního dusíku na povrchu kovu.

Pro potřeby dnešní výroby je nejvíce využívána. Probíhá za sníženého tlaku (0,1 – 1,5 kPa), za působení elektrického pole a v plynné atmosféře, která je složená nejčastěji ze směsi vodíku a dusíku (N2 + H2). Princip je založen na vkládání dílců, které jsou následně zapojeny jako katoda, do vakuové nádoby (recipient). Recipient je zapojen jako anoda a udržuje se v něm potřebný parciální tlak plynné směsi. Po zapojení stejnosměrného napětí (400 – 1000V) dojde ke vzniku elektrického pole, ionizaci a následnému štěpení plynné atmosféry.

Dojde k tzv. odprašování (katodové odprašování), což znamená, že kladné ionty dopadající na katodu mají velkou kinetickou energii, která se následně mění na teplo. Tím dochází k zahřátí samotné součásti a vyrážení atomů železa a dalších prvků z povrchu dílce. Dusík reaguje s odprašovanými prvky za vzniku nitridů, které kondenzují a vytvářejí souvislou vrstvu. Zařízení určené pro iontovou nitridaci vykresluje obr. 5 [3,9].

13

Obr. 5: Schéma zařízení pro iontovou nitridaci [4].

Dalším tradičním způsobem nitridace je nitridace pomocí solných lázní.

Princip je založen na roztavených směsích kyanidů a kyanatanů, které solnou lázeň tvoří.

Během procesu dochází ke vzniku aktivních atomů dusíku a uhlíku, viz rovnice č. (7) a (8) níže:

4KCNO → 2KCN + K2CO3 + 2N + CO (7)

2CO → CO2 + C (8)

Velkou nevýhodou tohoto procesu je použití jedovatých solí, a proto se v dnešní době tolik nepoužívá. Uplatnění nalézá např. u dílců určených pro automobilový průmysl nebo v případě řezných nástrojů, u kterých se díky tomuto způsobu nitridace zvýší životnost [4,8]. S použitím metody solných lázní se lze setkat také u nízkolegovaných ocelí, u kterých se touto úpravou zvýší korozní odolnost a také životnost povrchu.

Poslední ze způsobů nitridace, který tato práce zmiňuje, je nitridování s následným difúzním žíháním. Proces probíhá ve dvou stupních. V průběhu prvního stupně dochází k nasycování povrchu ocelí dusíkem za současného vysokého parciálního tlaku NH3, v druhém stupni pak dochází k růstu difúzní vrstvy, přičemž parciální tlak NH3 je roven nule

14

(atmosféra je neutrální – N2, Ar). Nakonec dochází k růstu difúzí vrstvy z fáze s vyšší koncentrací dusíku dovnitř difúzní vrstvy. Vrstvy mají větší hloubku, jsou houževnatější a odolnější proti opotřebení [2,7].

2.1.5 Cementace

Metoda cementace se řadí mezi nejzákladnější a průmyslově nejpoužívanější metody chemicko-tepelného zpracování. Povrch ocelové součásti z měkké oceli (s obsahem uhlíku max. 0.25%) se nasycuje uhlíkem při teplotách nad Ac3, tzn. při teplotách 910°C-930°C, a to v plynném prostředí (CH4 nebo CO2), kapalném prostředí (solné lázně) nebo pevném prostředí (cementační prášek, dřevěné uhlí). Cementovaná vrstva vykazuje následně povrchovou tvrdost až 800 HV.Je také vysoce odolná proti otěru, opotřebení a únavě. Hotový výrobek se vyznačuje vnitřní houževnatostí a povrchovou tvrdostí.

Tloušťka nauhličené vrstvy bývá v rozmezí hodnot 0,5 – 1,5 mm. Odvíjí se od způsobu namáhání součásti a jejího konstrukčního řešení. Podle hloubky můžeme rozdělit cementační vrstvu do tří skupin:

- tenká – dosahuje hloubky 0,5 mm, používá se pro menší měrné tlaky, - střední – do 1,5 mm,

- silná – nad 1,5 mm, velké měrné tlaky.

Nejčastěji se cementují součásti jako např. ozubená kola, pouzdra, vodítka, hřídele a čepy. Jakmile je proces cementování ukončen, je nutné dále pokračovat tepelným zpracováním součásti (martenzitické kalení, popuštění při nízkých teplotách, atd.). Způsobů cementace je několik. K nejznámějším patří cementace v pevném prostředí (prášku), cementace v plynném prostředí (nejpoužívanější), v kapalném prostředí a nově také cementace plazmová nebo vakuová. K cementování jsou nejvhodnější oceli ušlechtilé, uhlíkové, slitinové s přísadou Cr, Mn, Ni, atp., oceli třídy 12 – 16 [4,10].

2.1.6 Karbonitridace a nitrocementace

Při karbonitridaci i nitrocementaci, které se liší teplotou pochodu, dochází k difuznímu sycení povrchu současně dusíkem a uhlíkem. Z důvodu rozdílné teploty jsou obsahy koncentrací dusíku a uhlíku v difúzní vrstvě rozdílné. Vlastnosti povrchové vrstvy budou tedy odlišné [10].

15 2.1.6.1 Karbonitridace

Teplota v průběhu karbonitridace se pohybuje okolo 600 až 630 °C (pod A1), proces probíhá v prostředí směsi plynného čpavku s přídavkem uhlovodíků po dobu přibližně 4 hodin. Kapalná fáze je tvořená solnou lázní ze směsi kyanidů (KCN, NaCN) a neutrálních složek (chloridy, uhličitany). Průběh je velmi podobný nitridaci, rozdíl je v době trvání.

Karbonitridace má za cíl vytvořit souvislou povrchovou vrstvu karbonitridů (𝜀 fáze), která se vyznačuje odolností proti odírání a vysokou tvrdostí (až 1000 HV). Tloušťka vrstvy dosahuje hodnot v rozmezí pouhých 0,01 až 0,05 mm. Je tedy velmi tenká, což je žádoucí.

Součásti, které projdou procesem karbonitridace, mají oproti nitrocementovaným součástem menší povrchovou deformaci, tudíž je není třeba nijak tepelně zpracovávat. Typickým příkladem aplikování procesu karbonitridace jsou klikové hřídele, u kterých je zapotřebí velmi tvrdého povrchu za současné odolnosti proti opotřebení. Dalšími takto zpracovávanými součástmi mohou být řezné nástroje, lisovací nástroje, nástroje na protlačování, atd. [10,11].

2.1.6.2 Nitrocementace

Nitrocementace probíhá v rozmezí teplot 820 až 840 °C v plynném nebo kapalném prostředí. Plynná atmosféra je tvořena, podobně jako u karbonitridace, směsí čpavku a uhlovodíků (např. anilínu (C6H5NH2), pyridinu (C5H5N)). Tento proces nitrocementace trvá přibližně 1 až 2 hodiny a dosahuje se hloubky vrstvy v rozmezí 0,3 – 0,4 mm. Kapalná atmosféra je tvořena solnou lázní s přísadou kyanidů, které jsou nositeli aktivního uhlíku a dusíku. Solnou lázeň tvoří také chloridy nebo uhličitany. Proces je kratší (1 hodina) a hloubka difúzní vrstvy bývá maximálně 0,2 mm. Tvrdost vrstvy je nižší než v případě karbonitridace, dosahuje hodnotu cca 700 – 800 HV, avšak pevnost samotného jádra je vyšší z důvodu vyššího obsahu uhlíku. Oceli se musí po nitrocementování tepelně zpracovávat, kalí se a popouštějí zhruba 1 – 2 hodiny při teplotě 180 °C [3,10].

2.1.7 Sulfonitridace

Poslední metodou, kterou tato práce zmiňuje podrobněji, je sulfonitridace.

Sulfonitridace je proces, při kterém dochází k nasycování povrchu součásti dusíkem a sírou.

K nasycování může docházet ve dvou prostředích – plynném a kapalném. V případě plynného prostředí, které se skládá ze směsi amoniaku a sirovodíku (98 % NH3 + 2 % H2S), dochází k nasycování za teploty 580 až 610 °C. Proces nasycování trvá po dobu 2 až 3 hodin.

Součást se ohřeje na nasycovací teplotu pomocí atmosféry složené pouze z amoniaku a až poté se do pece přivede také sulfonitridační atmosféra. Kapalná sulfonitridace probíhá v solných lázních, které jsou složeny z roztavených kyanidů, kyanatanů a siřičitanu sodného

16

(Na2SO3) s přídavkem uhlíku, dusíku, kyslíku a síry. K samotnému procesu nasycování dochází při teplotách 560 až 590 °C v rozmezí 30 minut až 3 hodin (obvykle však okolo 1 hodiny) [4,9].

Vzniklá difúzní vrstva má podobné vlastnosti jako vrstva vzniklá po nitridaci. Rozdíl je v tom, že se v 𝜀 fází nachází i síra v podobě FeS. Výsledný povrch má vynikající kluzné vlastnosti i při špatném mazání, vysokou odolnost prosti zadírání, otěru a opotřebení.

Dosahuje hloubky 10^-3 až 10^-2 mm a povrch si své kluzné vlastnosti zachovává i po vysokém opotřebení, kdy dochází ke ztrátě sulfonitridované vrstvy. Tento jev vzniká díky třecímu ohřevu, který povrch zahřeje na poměrně vysoké teploty a síra následně difunduje směrem k jádru. Po sulfonitridaci se povrch dále nijak tepelně nezpracovává a součásti nacházejí uplatnění v mnoha strojních odvětvích, především jako kluzná pouzdra, řezací nástroje nebo pístní kroužky [3].

2.2 Nejdůležitější typy ocelí používané pro nitridaci a jejich vlastnosti

2.2.1 Typy ocelí používané pro nitridaci

Oceli vhodné k nitridování tvoří dle normy ČSN EN 10085: 2003 vlastní skupinu ocelí, nicméně svým složením se podobají ocelím vhodným k zušlechťování. K nitridaci jsou určeny především oceli, které obsahují určitý obsah nitridotvorných prvků (Al, Cr, V).

Ty spolu s dusíkem tvoří na povrchu tvrdé nitridy. Oceli bývají legovány molybdenem [7,10].

Není však striktně dáno, které z ocelí se mohou nitridovat, a které naopak ne.

Nitridovat lze celou škálu ocelí. Na to, jaká bude výsledná tvrdost povrchové vrstvy, mají vliv především legující prvky, které jsou ve zvolené oceli obsaženy [12].

Níže je popsáno dělení ocelí, které je založeno na tom, jaké legující prvky daná ocel obsahuje:

- oceli třídy 11 a 12 (11 500, 12 050, 12 061) - nelegované oceli (uhlíkové a manganové oceli),

- oceli třídy 13 (13 240) – nelegovaná ocel (mangan-křemíková ocel),

- oceli třídy 13 (13 123 a 13 242) – nízkolegované oceli (mangan-vanadové oceli),

17

- oceli třídy 14 a 15 (14 140, 14 220, 14 331, 14 340, 15 142, 15 260, 15 320, 15 330, 15 340) - mangan-chromové oceli, chrom-vanadové oceli, chrom-molybdenové oceli a chrom- molybden-vanadové oceli,

- oceli třídy 16 (16 343, 16 344, 16 436, po zušlechtění 16 420) – chrom-niklové oceli a chrom-nikl-molybdenové oceli,

- oceli třídy 17 (17 023) – chromová ocel [9].

2.2.1 Typické vlastnosti ocelí používaných pro nitridaci

Způsob nitridace ocelí se liší dle jednotlivých tříd. U ocelí tříd 11 a 12 (tzn. nelegované) probíhá nitridace po dobu přibližně 20 hodin při teplotách v rozmezí 550 – 580 °C. Ve výsledku převládá ve vrstvě fáze ε, která vzniká tak, že do plynné atmosféry přidáme methan. Vzniklá difúzní vrstva je hluboká od 0,6 mm do 1,1 mm a její tvrdost dosahuje 700 HV. U oceli typu 12 050 je dosaženo zpevnění povrchu až na 1 250 MPa.

Pro ocel 13 240, která se řadí mezi oceli nelegované, je charakteristická povrchová tvrdost v rozmezí 350 – 450 HV10. Nitridace probíhá při teplotách 510 – 550 °C.

Dalšími zástupci třídy 13 jsou nízkolegované oceli 13 123 a 13 242.

Oproti nelegovaným ocelím mají vyšší povrchovou tvrdost nitridační vrstvy, což je přisuzováno obsahu vanadu (již 0,1%). Tento typ ocelí se používá u středně namáhaných součástí (např. ozubená kola) a jejich výhodou je především nízká cena.

Oceli tříd 14 a 15 vynikají obsahem chromu, který má za následek (společně s dusíkem) tvorbu tvrdých nitridů. Proto vykazuje nitridační vrstva těchto ocelí vysokou tvrdost. Nejsou vhodné pro kontaktní a únavové namáhání kvůli své malé houževnatosti a plasticity nitridační vrstvy.

Pro nitridaci nejsou příliš vhodné oceli třídy 16. Je to z toho důvodu, že nitridační vrstvy těchto ocelí nemají dostatečně vysokou tvrdost. Na druhou stranu vynikají svou plasticitou a dosahují větších hloubek vrstvy. Uplatňují se u součástí, které jsou určeny pro vysoké namáhání např. klikové hřídele nebo torzní tyče.

Oceli třídy 17 se nitridují pouze za účelem zvýšení tvrdosti. Nevýhodou je, že nitridační vrstva má malou hloubku a samotný proces nitridace má za následek snížení korozivzdornosti povrchu. Výhodou u těchto ocelí je pouze dobrá odolnosti proti opotřebení a zadírání.

18

Nitridovat lze i nástrojové oceli, vrstva však dosahuje hloubky pouze 0,1 mm.

Její tvrdost je vysoká. Nástroje, které pracují za tepla, se nitridují v kaleném stavu.

Typickými nitridovanými nástroji mohou být lisovací trny, kovací zápustky atp. Správný proces nitridace může těmto nástrojům mnohonásobně zvýšit životnost [4,9].

Všechny výše zmíněné oceli mají daný stejný režim pro zušlechtění. Nejprve se kalí z vhodné kalící teploty do oleje nebo vody. Následuje fáze popouštění, která probíhá za teplot v rozmezí 580°C až 700°C. Již zmíněná nitridace poté probíhá při teplotách od 480°C do 570°C [10].

Vlastnosti nitridační vrstvy a nitridační parametry jsou u vybraných ocelí popsány v tabulce 1.

Tab. 1:Přehled vybraných ocelí a výsledků iontové nitridace – stav žíhaný [9].

Ocel

Nitridační parametry Tvrdost

Mikrotvrdost HV 0,05

Tloušťka nitridační

vrstvy (mm) Teplota

(°C)

Čas (hod)

Napětí (V)

Tlak (Pa)

HV 10

HV 30

13 123 510 42 530 280 652 627 850 0,55

14 140 510 16 710 280 491 368 700 0,5

14 220 530 24 758 150 736 643 1240 0,65

14 340 530 24 758 150 1331 1018 1410 0,3

15 260 480 20 700 280 503 502 720 0,4

15 340 500 20 700 280 841 763 1400 0,4

17 023 550 10,5 700 310 880 550 1350 0,15

2.3 Základní charakteristiky převodovek osobních automobilů 2.3.1 Historie převodových ústrojí automobilů

Historie první převodovky se začala psát roku 1886, kdy Karl Benz jako první získal patent na svou čtyřtaktní tříkolku. Rok 1886 je tedy považován jako rok zrodu prvního automobilu se spalovacím motorem. První moderní automobil na světě dokázal vyvinout výkon 0,66 kW a byl přenášen na zadní nápravu pouze přes jednostupňovou převodovku,

19

která byla tvořena předlohovým hřídelem a řemenem, který plnil funkci spojky mezi motorem a hřídelem. Tato převodovka nebyla tvořená konstrukcí, jakou známe dnes [13].

Roku 1894 představili francouzští vynálezci Louis – Rene Panhard a Emile Levasor třístupňovou převodovku se základním vzhledem a rozložením. Tento typ převodovky se stal výchozím bodem pro sestavování většiny manuálních převodovek, které známe dnes.

Za zmínku stojí také vynález synchronizačního systému. S tímto objevem přišla na trh firma Cadillac. Do této doby záleželo řazení především na schopnosti a zkušenosti řidiče.

Často se dokonce stávalo, že se na první pokus přeřadit nepodařilo a řidič musel použít složitých technik a dovedností (např. dvojité vyšlápnutí spojky). Tyto problémy při řízení vozu měla odstranit právě synchronizace, neboť umožňovala synchronizovat obvodové rychlosti ozubených kol ještě předtím, než spolu začaly zabírat. Záběr ozubených kol probíhal hladce, což napomáhalo ke snadnějšímu ovládání automobilu a především také ke zvýšení životnosti převodového ústrojí [14,15].

Převodovky, které se používají u automobilů, prošly za posledních 30 let velkým vývojem a technologickými změnami. Většina automobilových firem se neustále snaží tyto systémy modernizovat a zdokonalovat ve snaze si upevnit či vylepšit místo na automobilovém trhu.

2.3.2 Účel a užití

Obecně slouží převodovka ke změně převodu mezi motorem a poháněnými koly tak, aby měl motor, vzhledem k jízdním podmínkám, stále optimální otáčky. Účelem převodovky je tedy přenášet a měnit velikost točivého momentu motoru, měnit počet otáček vstupního hřídele převodovky a schopnost měnit smysl otáčení hnacích kol vozidla (zpětný chod).

Další důležitou vlastností převodovky je umožnit běh motoru naprázdno (volnoběh) u volně stojícího vozidla. Převodovka by dále měla zajišťovat, aby provoz automobilu byl co nejekonomičtější při současné vysoké životnosti celého poháněcího ústrojí [16].

Změna rychlosti otáček spolu s točivým momentem se provádí jednotlivými převodovými poměry. Tyto převodové poměry bývají označeny jednotlivými řadícími rychlostmi. Nejčastěji se používá pět rychlostních stupňů pro jízdu vpřed a jeden pro jízdu vzad.

Převodovky jako takové by měly splňovat řadu požadavků. Mezi základní požadavky patří schopnost snadného řazení bez rázů, s co nejkratším přerušením přenosu hnacího

20

momentu, zamezení současného zařazení dvou rychlostních stupňů, zamezení náhodného zařazení nebo vyřazení rychlostního stupně. Pro dnešní automobilový průmysl je také velmi důležitá dobrá mechanická účinnost, malá hlučnost, výrobní jednoduchost a především provozní spolehlivost a dostatečná životnost [17].

2.3.3 Rozdělení

Převodovky lze dělit dle různých kritérií do několika skupin. Primárně záleží na tom, jestli se jedná o převodovku stupňovou nebo plynulou.

U stupňové převodovky se rychlostní stupně řadí ručně. Stupňové převodovky známe buď s ozubenými čelními koly, nebo s ozubenými planetovými koly. Plynulé převodovky, na rozdíl od stupňových, umožňují plynulou změnu točivého momentu automaticky.

Využívají se hlavně samočinné převodovky s hydrodynamickým měničem, u kterých nedochází k přerušení přenosu hnacího mementu a místo řazení se volí pouze režim jízdy [16].

Podrobněji lze převodovky dělit následovně:

1) Podle způsobu změny převodového poměru na:

a) Stupňové

b) Plynulé – hydrostatické, hydrodynamické, řemenové a moderní třecí

2) Podle druhu převodu na:

a) S ozubenými koly - dvouhřídelová převodovka, tříhřídelová převodovka, planetová převodovka

b) Třecí převodovky c) Řemenové převodovky d) Diferenciální převodovky e) Hydrodynamické převodovky 3) Podle způsobu řazení na:

a) Manuální b) Poloautomatické c) Automatické

Zaměříme se především na převodovky manuální, stupňové (tzv. hřídelové), které patří mezi nejrozšířenější typ převodového ústrojí.

21

2.3.4 Manuální stupňové převodovky se synchronizací

U převodovek s ručním řazením se z důvodu jejich jednoduchosti prosadily převodovky s předlohovým hřídelem. Ty lze dělit na základě počtu hřídelí na tzv. tříhřídelové (koaxiální, souosé) nebo dvouhřídelové (deaxiální, nesouosé). V případě tříhřídelové převodovky má vstupní a výstupní hřídel společnou osu otáčení. Z tohoto důvodu je tento typ uspořádání nazýván jako „koaxiální“ převodovky [16].

2.3.4.1 Dvouhřídelové převodovky

Tento typ převodovky (viz obrázek 6) se používá převážně u vozidel s předním pohonem, nebo s motorem vzadu a pohonem zadní nápravy. Vstupní a výstupní hřídel neleží v jedné ose. Smysl otáčení na vstupu a výstupu je opačný. Součástí této převodovky jsou tedy pouze 2 hřídele: hnací (vstupní) - ozubená kola jsou volně otočná a hnaná (předlohová, výstupní) – ozubená kola jsou pevně spojena s hřídelí. Počet soukolí je odpovídající počtu převodových stupňů [16,17].

U tohoto typu převodovky je točivý moment přenášen pro všechny rychlostní stupně vždy jen jedním párem ozubených kol. Proto je účinnost systému až 99%. Výjimku tvoří nejvyšší rychlostní stupeň, kde není možná realizace přímého záběru. Lehkost a bezhlučnost řazení se dosahuje pomocí synchronizační spojky, která přesune volně se otáčející kola na vstupním hřídeli do záběru s pevně uloženými koly na předlohovém hřídeli.

22

Obr. 6: Znázornění dvouhřídelové převodovky [17].

2.3.4.2 Tříhřídelové převodovky

Vstupní i výstupní osa hřídele je u třístupňových převodovek stejná. Točivý moment je přenášen pomocí malého ozubeného kola na vstupující hřídeli, které je v neustálém záběru s největším kolem předlohového hřídele. Přenos točivého momentu je tedy umožněn kombinací dvou dvojic kol. Díky tomu má tříhřídelová převodovka horší účinnost, než převodovka dvouhřídelová, u které je v záběru vždy jen jedna dvojice ozubených kol.

Na předlohovém hřídeli se nachází tolik ozubených kol, kolik má ústrojí rychlostních stupňů (včetně zpětného převodu).

Tříhřídelové převodovky jsou využívány v automobilech se standartním pohonem, kdy jsou motor, převodovka a poháněná náprava uloženy v řadě za sebou a umožňují počítat s širším rozmezím převodových poměrů mezi nejnižším a nejvyšším převodovým stupněm [16,17]. Schéma tříhřídelové převodovky znázorňuje obrázek 7.

23

Obr. 7: Znázornění tříhřídelové převodovky [17].

2.3.5 Synchronizační systém

Pod pojmem stupňové převodovky se synchronizací (viz obrázek 8) se rozumí takové převodovky, u kterých se před vzájemným spojením dvou ozubených kol – hnacího a hnaného - nejprve srovná rozdíl obvodových rychlostí na stejné otáčky. Tato synchronizace umožňuje bezhlučné a rychlé řazení konkrétních rychlostních stupňů. Převodovky určené pro osobní automobily mají synchronizovány všechny převodní stupně s výjimkou zpětného chodu. Všechna kola jsou ve stálém záběru a z důvodu tichosti mají šikmé ozubení.

Pouze ozubená kola určená pro zpětný chod mají ozubení s příčnými zuby a proto je chod o něco hlučnější. U zpětného rychlostního stupně není použitá synchronizace z toho důvodu, že se „zpátečka“ zařazuje, pouze pokud vozidlo stojí [16].

24

Obr. 8: Synchronizační zařízení [17].

S výjimkou servo-synchronizace typu Porsche se tato synchronizace provádí pomocí řadící vidlice, která se při řazení tlačí na synchronizační kroužek. Ten svým třením o kuželovou plochu toto kolo zbrzdí (při řazení nahoru), resp. zrychlí (při řazení dolů) na stejnou úhlovou rychlost, jakou má vstupní hřídel. U dnešních synchronizovaných převodovek se používá jištěná synchronizace s blokovacím kroužkem, tzn., že zařazení daného rychlostního stupně je možné teprve tehdy, když se ozubené kolo této rychlosti uvede na stejné otáčky s příslušnou řadicí objímkou [18].

Stupňové převodovky se synchronizací lze dělit dle různých kritérií do několika základních skupin:

- jednoduchá synchronizace s pružně omezenou přítlačnou silou;

- jištěná synchronizace s clonícím (synchronizačním) kroužkem;

- dvojitá synchronizace;

- blokovací synchronizace typu Porsche s přítlačnou silou řízenou servomotory [19].

2.3.5.1 Jednoduchá synchronizace s pružně omezenou přítlačnou silou Tento typ synchronizace (viz obrázek 9) můžeme označit jako základ všech synchronizovaných převodovek. Náboj řadící objímky bývá spojen s řadící objímkou prostřednictvím několika pružně zatížených kuliček. Tyto kuličky jsou uloženy v obvodové

25

drážce a vlivem pružné přítlačné síly zabraňují samovolnému posunu řadící objímky.

V průběhu řazení posouvá řadící vidlice řadící objímku k ozubenému kolu. Brzdný kužel, který je spojený s řadící objímkou, je tlačen na třecí kroužek spojkového tělesa. Vzniklým třením se vyrovnají otáčky. Rychlost řazení je ovlivněna velikostí přítlačné síly. Pro rychlé řazení se používají velké přítlačné síly, při malých silách trvá synchronizace delší čas.

Obr. 9: Konstrukce synchronizační spojky s pružně omezenou přítlačnou silou [21].

2.3.5.2 Jištěná synchronizace s clonícím (synchronizačním) kroužkem Jištěná synchronizace je založená prakticky na stejném principu jako výše popsané zařízení. Rozdíl je ten, že u jištěné synchronizace je navíc clonící (synchronizační) kroužek, který dokáže zabránit zasunutí řadící objímky do vnitřního ozubení před tím, než dojde k vzájemnému vyrovnání otáček. Tento systém synchronizace s clonícím kroužkem navíc umožňuje tiché a rychlé řazení. Detailně systém popisují obrázky 10 a 11 [20].

26

Obr. 10: Schéma jednotlivých dílů jištěné synchronizace s kroužkem [18].

Obr. 11: Popis principu funkce jistící synchronizace s kroužkem [18].

2.3.5.3 Dvojitá synchronizace

V případě, že chceme snížit ovládací sílu řazení při zachování rychlosti řazení, musíme zvětšit plochu třecí spojky. Prostým zvětšením plochy kužele dosáhneme také zvětšení axiálních rozměrů synchronizačního ústrojí, což je nežádoucí. Proto se používá dvojité synchronizace (obrázek 12) se dvěma třecími kroužky, které mají různé průměrů.

27

Ty jsou umístěny nad sebou. Mezi nimi se nachází další třecí kroužek. Axiální rozměr synchronizační spojky se nemění. Zdvojnásobení plochy má za následek poloviční ovládací síly se zdvojnásobením účinku synchronizace. Tato synchronizace je výrobně dražší, a tak se používá jen u nejvíce namáhaných převodových stupňů, což je většinou I. a II. stupeň.

Obr. 12: Schéma převodovky s dvojitou synchronizací [21].

2.3.5.4 Blokovací synchronizace typu Porsche

Nejlepší a nejméně komplikované technické řešení synchronizace vyvinula firma Porsche. Přednostmi tohoto synchronizačního ústrojí jsou malé rozměry, tedy nízká hmotnost a možnost velmi rychlého řazení. Celá spojka vypadá poměrně odlišně od spojek, které se běžně používají. Skládá se z jádra se třemi nosy, na které je nasazena přesouvací objímka zubové spojky. Bok těchto zubů má kuželové sražení. Prstenec třecí kuželové spojky je rozříznutý a opírá se o výstupek na ozubeném kole ve směru otáčení. Vlivem třecí síly se na obvodu rozevírá, což způsobuje větší synchronizační sílu. Při řazení se využívá servoúčinek, stejný jako má náběžná čelist bubnových brzd. Přítlačná síla je tedy úměrná síle zasouvací a tato synchronizace působí obdobně jako blokovací. Zubovou spojku lze zasunout až po sevření prstence tak, že se zubová spojka přes něj převlékne. Tato synchronizační spojka, jejíž schéma vyobrazuje obrázek 13, je vysoce účinná a díky svým malým rozměrům nezabere moc prostoru [16,21].

28

Obr. 13: Schéma synchronizace typu Porsche [21].

29

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST

3.1 Strukturní analýza materiálu kroužku včetně měření mikrotvrdosti

3.1.1 Charakteristika dodané součásti

Jako materiál k analýze byl poskytnut jeden synchronizační kroužek, který měl zlomený jeden výstupek, pomocí něhož se na kroužek přenáší zatížení.

Synchronizační kroužek má po obvodu tři takové výstupky, jsou umístěny symetricky, tzn., že sousední výstupky jsou pootočeny pod úhlem 120°. Dále byl dodán jeden výstupek, již připravený jako metalografický výbrus, který byl odebrán ze stejného synchronizačního kroužku, ale z jiného výstupku. Také byly poskytnuty výsledky analýz provedených v Diehl Metall Schmiedetechnik [22-24]. Kroužky byly vyrobeny z oceli typu HC260LA.

Ocel HC260LA se řadí do třídy mikrolegovaných ocelí, přičemž obsah uhlíku činí 0,1%. Jedná se o ocel s vynikající tvářitelností za studena. Hodnoty meze kluzu se v případě oceli HC260LA pohybují v rozmezí 260 – 330 MPa, meze pevnosti 350 - 430 MPa. Tažnost A80 má hodnotu okolo 26%. Díky výše uvedeným vlastnostem je tato ocel vhodná pro výrobu vnitřních dílů převodovky, dílů dveří automobilu, okenních kování apod. [25].

Samotná analýza poškození výstupku, který se nacházel na synchronizačním kroužku převodovky, zahrnovala:

 fraktografickou analýzu lomové plochy zlomeného výstupku pomocí řádkovací elektronové mikroskopie se zaměřením na výskyt různých typů poruch včetně zjištění potenciálních iniciačních míst,

 analýzu vnitřního povrchu ohybu neporušeného výstupku pomocí rastrovací elektronové mikroskopie se zaměřením na výskyt defektů, které by mohly mít souvislost s porušením výstupku,

 metalografickou analýzu dvou, z makroskopického pohledu, neporušených výstupků se zaměřením na případnou přítomnost trhlin nebo jiných vad,

 charakter mikrostruktury, včetně stanovení poloměru zakřivení na vnitřní ohybové ploše,

 stanovení profilu tvrdosti HV0.2 od vnitřního k vnějšímu povrchu ohybu,

30

 konečné vyhodnocení výsledků analýz a stanovení pravděpodobných příčin poškození synchronizačního kroužku.

3.1.2 Výsledky analýzy

Obr. 14 vykresluje celkový pohled na dodaný synchronizační kroužek a některé jeho části. Na obrázku je popsáno, jaké druhy analýz byly provedeny, a také na kterých konkrétních místech byly provedeny. Řádkovací elektronová mikroskopie (SEM) byla provedena pomocí mikroskopu JEOL JSM-6490LV. Metalografická analýza byla provedena po standardním zpracování vzorku včetně broušení, leštění a leptání, na invertovaném mikroskopu OLYMPUS IX 70. Následná analýza mikrotvrdosti byla provedena pomocí poloautomatického mikrotvrdoměru LECO 2000.

Obr. 14: Celkový pohled na analyzovaný synchronizační kroužek s popisem jednotlivých analýz.

3.1.3 Metalografická analýza

Dodaný vzorek pro strukturní analýzu, označený jako 3E876, byl před použitím nejprve opět vyleštěn. Jeho mikrostrukturní charakteristiky jsou uvedeny na obr. 15-17.

Tloušťka vnější nitridové vrstvy se pohybovala převážně v rozmezí mezi 15 až 25 μm.

V části této vrstvy, konkrétně v oblasti vnitřního ohybu, byly nalezeny četné trhliny (obr. 16).

1. metalografie 3. SEM analýza provedená v ohybu výstupku – dílčí metalografická analýza

2. zlomený výstupek – SEM analýza

31

V jedné části vnitřního ohybu byla pozorována trhlina i pod povrchovou nitridovou vrstvou, která sahala do hloubky asi 25 μm pod povrch nitridové vrstvy. Mikrostruktura pod povrchovou nitridovou vrstvou se skládala převážně z feritu s výskytem částic nitridu železa ve formě drobných jehlic (obr. 17). Lokální poloměr ohybu v místě výskytu trhliny byl měřen pomocí softwaru Image-Pro Analyzer a odpovídal hodnotě 105 μm.

Následně byl dodaný metalografický vzorek znovu kompletně vybroušen, vyleštěn a naleptán. Takto upravený vzorek byl označen číslem 3. Jeho mikrostrukturní znaky jsou uvedeny na obr. 18-21. Obr. 18 znázorňuje obecný pohled na ohyb. Na obr. 19 jsou nakresleny kružnice (získané pomocí softwaru Image-pro Analyzer) pro zobrazení lokálních poloměrů na vnitřní straně ohybu. Tyto poloměry jsou 130 a 210 μm v závislosti na tom, jestli se jedná o vnitřní nebo vnější stranu kroužku (menší hodnota odpovídá vnitřní straně kroužku). Větší kružnice jsou vyobrazeny proto, aby ukázaly, že větší poloměry přesahují správný poloměr skutečného povrchu. Trhlina byla nalezena na stejném místě jako v případě vzorku 3E876. V novém vzorku se trhlina dostala do hloubky 40 μm pod povrchovou nitridovou vrstvou.

Mikrostruktura pod touto vrstvou byla stejná jako v předchozím případě.

Opět se skládala z feritu s určitým podílem nitridu železa vyloučeného ve formě jehlic (obr.

20). Ve větší vzdálenosti od vnitřního ohybového povrchu byla pozorována část nerekrystalizovaných protažených zrn (obr. 21).

Pro získání informací o tvrdosti kovové matrice v oblasti ohybu byla z vnitřní ohybové plochy měřena mikrotvrdost HV 0,2. Výsledky pro vzorek 3 jsou spolu s výsledky pro další vzorky, které budou popsány níže, uvedeny na obr. 22. Je zřejmé, že těsně pod vnitřním povrchem je mikrotvrdost vzorku 3 nízká, což nepotvrzuje kladný dopad provedeného chemicko-tepelného zpracování. Byly nalezeny dvě oblasti s mikrotvrdostí o něco vyšší, ale žádná z nich nepřiléhala k povrchům. Pravděpodobně oblast s vyšší mikrotvrdostí blízko vnějšího povrchu odpovídá části nerekrystalizovaných zrn vykazujících určité deformační zpevnění.

32

Obr. 15: Mikrostrukturní charakteristika dodaného metalografického vzorku 3E876.

Obr. 16: Trhliny nalezené ve vnitřní části ohybu na dodaném metalografickém vzorku 3E876 .

ve vnější nitridové vrstvě byly početné

trhliny

33

Obr. 17: Vyobrazení mikrostruktury pod povrchovou nitridovou vrstvou u dodaného metalografického vzorku 3E876.

Obr. 18: Mikrostrukturní znaky vzorku označeného číslem 3 – celkový pohled na ohybovou část.

trhlina zasahující do hloubky

~

25 µm pod nitridovou vrstvu

34

Obr. 19: Vyobrazení lokálních poloměrů na vnitřní straně ohybu vzorku 3.

Obr. 20: Vyobrazení mikrostruktury pod povrchovou nitridovou vrstvou vzorku 3.

trhlina zasahující do hloubky

~

40 µm pod nitridovou vrstvu

35

Obr. 21: Část nerekrystalizovaných protažených zrn vzorku 3.

Obr. 22: Hodnoty naměřené mikrotvrdosti HV 0,2 pro vzorky 3, 4 a 5.

HV 0,2

Vzdálenost od vnitřního povrchu (mm) HV 0,2 vzorek 3

HV 0,2 vzorek 4 HV 0,2 vzorek 5

36

3.2 Fraktografická analýza porušené části výstupku synchronizačního kroužku

Fraktografická analýza byla provedena na vnější části zlomeného výstupku pomocí SEM. Celkový pohled na lomovou plochu je znázorněn na obr. 23-25. Hlavní část lomové plochy odpovídala únavovému lomu obsahujícímu striace. Ve středu šířky byly striace paralelní s obvodem výstupku (obr. 26). Z této skutečnosti lze odvodit, že v tomto případě došlo pravděpodobně k iniciaci únavové trhliny ve středu šířky výstupku, nebo došlo k vícenásobné iniciaci únavových trhlin. Konečné dolomení odpovídá tvárnému smykovému lomu s jamkovou morfologií, viz obrázek 27.

Mnohonásobné iniciace únavového lomu lze také odvodit z analýz, které provedl Diehl Metall Schmiedetechnik. Některé obrázky obecných pohledů na lomové plochy prezentované ve zprávách [22-24] jsou dokumentovány na obr. 28-32. Na obr. 28-31 je zřejmé, že únavové lomy byly iniciovány nejen na stranách výstupků, ale také ve středu šířky výstupku. Pouze na obr. 32 je více pravděpodobné, že iniciace únavového lomu byly pouze na stranách výstupku.

Tato informace je velmi důležitá, protože to znamená, že příčiny poškození výstupku musí být hledány podél celé jeho šířky.

Obr. 23: Celkový pohled na lomovou plochu výstupku.

37

Obr. 24: Lomová plocha výstupku.

Obr. 25: Lomová plocha výstupku.

38

Obr. 26: Viditelné striace rovnoběžné s povrchem výstupku.

Obr. 27: Konečné dolomení - smykový lom s jamkovou morfologií.

striace rovnoběžné s povrchem výstupku

konečné dolomení – smykový lom s jamkovou

morfologií

39

Obr. 28: Obecný pohled na lomovou plochu únavového lomu [22-24].

Obr. 29: Obecný pohled na lomovou plochu únavového lomu [22-24].

Obr. 30: Obecný pohled na lomovou plochu únavového lomu [22-24].

40

Obr. 31: Obecný pohled na lomovou plochu únavového lomu [22-24].

Obr. 32: Obecný pohled na lomovou plochu únavového lomu - iniciace únavového lomu byly pouze na stranách výstupku [22-24].

3.3 Analýza neporušené části ohybu synchronizačního kroužku

Z neporušeného výstupku byla šetrně odřezána vnější část, aby mohla být provedena analýza SEM vnitřního ohybu. Celkový pohled na třetí výstupek je znázorněn na obr. 33.

Je vidět, že v kořeni ohybu jsou defekty, které se podobají trhlinám. První myšlenkou bylo, že tyto vady byly výsledkem přehrnutí materiálu (vada typu přeložka), ke kterému mohlo dojít při ohýbání kroužku. Takové přehrnutí bylo dokumentováno v jedné ze zpráv [22]

a zde je znázorněno na obr. 34. Některé detaily defektů pozorovaných v kořenech ohybu jsou dokumentovány na obr. 35-37. Pro objasnění charakteru výše uvedených defektů byly připraveny čtyři metalografické vzorky z tohoto výstupku, které byly označeny jako vzorky číslo 4, 5, 6 a 7.

Mikrostrukturní charakteristiky vzorků 4 a 5 jsou uvedeny na obr. 38-42.

Vady pozorované v kořenu ohybu pomocí SEM odpovídaly velmi pravděpodobně dutinám v povrchu nitridové vrstvy (obr. 38 a 39). Kromě dutin ve vnější nitridové vrstvě byly

41

v kořenu ohybu pozorovány i trhliny. Největší trhlina byla hluboká přibližně 170 μm a byla přítomna v oblasti ostré nepravidelnosti vnitřního ohybového povrchu. Tuto nepravidelnost lze považovat za poměrně ostrý vrub, resp. mikrovrub (obr. 40 a 41). Dále byla pozorována pouze stopa přehrnutí materiálu (obr. 42).

U vzorků 4 a 5 byla měřena mikrotvrdost HV 0,2 (viz obr. 22). Z tohoto obrázku lze odvodit, že vytvrzování vyvolané nitridací bylo mnohem menší pod vnitřním ohybovým povrchem. Kovová matrice pod povrchovou nitridovou vrstvou zde nezajistila potřebnou ochranu proti iniciaci a růstu únavových trhlin.

Nejdůležitější mikrostrukturní znaky, které byly nalezeny ve vzorcích 6 a 7, jsou uvedeny na obr. 43-45. „Nejostřejší mikrovrub“ byl pozorován v oblasti, kde byla přítomna trhlina. Poloměr ostrosti tohoto mikrovrubu byl v tomto případě pouze asi 19 μm.

Mikrostruktura v blízkosti vnějšího povrchu ohybu je většinou rekrystalizována, ale stále existuje malá část nerekrystalizovaných zrn (obr. 45).

Obr. 33: Celkový pohled na třetí výstupek.

uřezaná část

střed šířky výstupku

okraj výstupku okraj výstupku

defekty – přehrnutí materiálu??

42

Obr. 34: Znázornění oblasti, kde došlo k přehrnutí materiálu [22].

Obr. 35: Detaily defektů nalezených v kořeni ohybu části neporušeného výstupku.

43

Obr. 36: Detaily defektů nalezených v kořeni ohybu části neporušeného výstupku.

Obr. 37: Detaily defektů nalezených v kořeni ohybu části neporušeného výstupku.

44

Obr. 38: Mikrostrukturní charakteristika vzorků 4 a 5 – vyobrazení dutin.

Obr. 39: Mikrostrukturní charakteristika vzorků 4 a 5 – vyobrazení dutin.

45

Obr. 40: Mikrostrukturní charakteristika vzorků 4 a 5 – vyobrazení nepravidelností v povrchu vnitřního ohybu.

Obr. 41: Mikrostrukturní charakteristika vzorků 4 a 5 – vyobrazení trhliny pod povrchem nitridové vrstvy.

trhlina zasahující do

hloubky

170 µm

46

Obr. 42: Mikrostrukturní charakteristika vzorků 4 a 5 – pohled na náznak přehrnutí materiálu.

Obr. 43: Mikrostrukturní charakteristika vzorků 6 a 7 – pozorovaný mikrovrub v místě rozvoje trhliny.

náznak přehrnutí

materiálu

47

Obr. 44: Mikrostrukturní charakteristika vzorků 6 a 7 - pozorovaný mikrovrub v místě rozvoje trhliny.

Obr. 45: Mikrostrukturní charakteristika vnějšího povrchu vzorků 6 a 7 - výskyt nerekrystalizovaných zrn pod vnějším povrchem.

vnější povrch

pohled na překrytí materiálu

48

3.4 Diskuze výsledků

Z provedených analýz a také z dodaných zpráv [22-24] lze vyvodit následující závěry:

Příčina porušení výstupků synchronizačního kroužku je nepochybně únavového charakteru, jak je uvedeno v [22-24]. Porušení může souviset také s případným přetížením a / nebo abnormálními vibracemi při provozu automobilu, jak tyto zprávy uvádějí. Existují však i určité problémy na straně materiálu synchronizačního kroužku a souvisejících technologií.

Únava je degradační mechanismus, který je velmi citlivý na jakékoliv nepravidelnosti na povrchu materiálu, které mohou působit jako koncentrátory napětí. Těchto koncentrátorů byly nalezeny minimálně dva druhy. Vnitřní povrch ohybu, kde tyto únavové trhliny vznikaly, nebyl hladký. Ve vnitřní ohybové ploše se vyskytovaly četné nepravidelnosti, které působí jako koncentrátory napětí a mohou podporovat iniciaci trhlin, a tím snížit únavovou životnost kroužků. V analyzovaném případě byl nejmenší poloměr v oblasti, kde byla trhlina iniciována, pouze 19 μm! Pro srovnání, poloměr v kořeni „V“ vrubu u tělíska pro Charpyho zkoušky rázem v ohybu je 0,25 mm, tj. 250 μm. Dalším problémem je existence materiálu, který se přehrnuje ve vnitřní ohybové ploše, velmi pravděpodobně při tváření za studena. V analyzovaném případě byla pozorována pouze stopa takového přehrnutí, ale v [22-24] bylo popsáno významné přehrnutí. Přehrnutí působí opět jako silný promotor únavové trhliny, který může výrazně snížit únavovou životnost výstupků synchronizačních kroužků. V této souvislosti je důležité zdůraznit, že velmi pravděpodobně únavové trhliny nebyly iniciovány pouze na stranách výstupku, ale také po celé šířce výstupků. Potvrdila to dokumentace uvedená v [22-24], jejíž část je na obr. 28-32.

Povrchová nitridová vrstva obsahovala místy trhliny v oblasti vnitřního ohybu.

Tyto trhliny snižují účinnost této vrstvy jako bariéry proti iniciaci únavové trhliny.

Dále, vytvrzování kovové matrice (pokud vůbec nějaké proběhlo) bylo pod vnitřním povrchem ohybu poněkud nízké. To znamená, že kovová matrice je v této části spíše měkká a má jen malou odolnost proti únavovému poškození. To souvisí již s vlastním materiálem, který představuje nelegovanou ocel, kde je pravděpodobnost významného zpevnění nitridací jen nízká.