Новости в термообработката и повърхностните обработки

• В зависимост от изискванията към компонентите термичните процеси могат да бъдат манипулирани така, че крайният продукт да се характеризира с различни свойства в отделните си части
  
  
• Манган-борните стомани постигат изключително висока якост след горещо формоване
  
  
• Иновативен софтуерен инструмент за симулация и прогнозиране на термоформовъчния процес позволява съкращаване на разходите за тестване и разработки с до 20%

При металообработването и производството на метални детайли се прилагат редица процеси, целящи модифициране на свойствата и характеристиките на обработвания метал и имащи за цел да го приведат в състояние, пригодно за специфична употреба или последващо третиране. Такива са процесите на повърхностна и термообработка на металите.

С методите на термообработка се подобряват якостните и механични показатели на материалите. Този тип обработка включва различни техники, които променят свойствата на метала, като те често се използват комбинирано, за да се постигнат желаните характеристики.

Повърхностната обработка е друг клас процеси, които се прилагат за повишаване на редица физични свойства и функционални характеристики. На такава обработка се подлагат изделия, при които се целят например придобиване на специфичен завършен вид, устойчивост на окисляване и химични реакции, подготовка за спояване, адхезивни свойства, твърдост, износоустойчивост, премахване на недостатъци от предходни обработки и др.

Обработка, ориентирана към конкретни крайни приложения

Тенденциите в разработването на нови металообработващи процеси все по-осезаемо се ориентират към решения за актуалните производствени нужди, каквито са постигане на по-висока производителност, ресурсна ефективност, екологосъобразност на производството и засилване на показатели, необходими за изпълнението на бъдещата функция. Нови технологии позволяват да се произвеждат точни по размери части и детайли, като същевременно се оптимизират разходите чрез значително намалено количество използван материал.

Едно такова решение е новопатентован процес на закаляване за горещо формоване, комбиниращ локално различни свойства по отношение на якост и пластичност в един монолитен детайл – в една-единствена технологична стъпка (инструмент) от горещо формована стоманена заготовка.

В автомобилостроенето невинаги е лесно да се комбинират безопасност и лекота в една конструкция. Компонентите, които са подложени на въздействието на удара при инцидент или катастрофа, трябва да предпазват водачите и пътниците от наранявания. За да се постигне това, те трябва да могат да “отблъснат” енергията на удара, като същевременно я абсорбират и намалят. Следователно те трябва да бъдат не само много здрави, но и до известна степен да се поддават на удара.

Автомобилостроителите решават този проблем чрез горещо формоване. Стоманените заготовки се формоват в специални матрици при температура от 800°C и след това се подлагат на бързо охлаждане. Постигат се стойности за якост с около 25% по-високи от най-здравите студено формовани материали. Това дава възможност да се конструират компоненти с по-тънки стени, така че да се съвместят и двете цели – безопасност и лекота на конструкцията. Друго изискване обаче също трябва да бъде съобразено. В определени области на компонента енергията на сблъсък трябва да бъде намалена. Горещо формованите компоненти, които имат висока твърдост във всяка област на метала, не притежават достатъчно пластичност, за да отговорят на това изискване.

Патентованата технология за специализирано закаляване чрез горещо формоване, която един от водещите производители на стоманени изделия създава, дава решение и на този проблем. Иновацията дава възможност за производство на горещо формовани компоненти в матрица с точно определени зони, които имат различаващи се стойности за якост или пластичност на материала – в една производствена стъпка – от специализирана за горещо формована стомана.

Един пример за това са вертикалните опори на носещата конструкция на купето. В резултат на описания специализиран процес на локализирано закаляване този компонент, намиращ се в средата на превозното средство – между покрива и пода, става толкова здрав в горните две трети от дължината си, че пътниците са напълно защитени в случай на удар. Долната трета е достатъчно пластична, че може да поеме и намали енергията на сблъсъка. Тайната на новата технология се крие в различната скорост на охлаждане в различните области на формоващата машина.

В зависимост от изискванията към компонентите производителите вече могат да манипулират термичните процеси на металообработка така, че крайният продукт да се характеризира с различни свойства в отделните си области. Тези процеси включват частично закаляване на материал, обработван чрез налягане – било то със специализирано темпериране в матрицата или в пещ за горещо формоване. Такива решения разкриват потенциал за олекотяване на конструкциите и частите в автомобилите с допълнителна оптимизация на локалните свойства.

За да се постигне такова ниво на специализация, разработването на нови технологии се простира отвъд методите на обработка и достига до производството на специални сплави. Произвеждат се легирани стомани, които са предназначени конкретно за определени видове термообработка. Манган-борните стомани например са създадени, за да се постигне изключително висока якост след горещо формоване и същевременно да се запазят добри свойства за формоване. По този начин производителите могат да си позволят да вложат изключително олекотени конструкции и да запазят релевантните параметри за якост и удароустойчивост.

За разлика от студеното формоване, свойствата на детайлите се получават главно в процеса на термична обработка и последващото охлаждане в матрицата и в по-ниска степен в процеса на формоване или модифицирано легиране. Горещо оформените части също показват еластично-пластични свойства с изключително ниска тенденция към възстановяване на първоначалната си форма, което прави възможно производството на части с изключително висока точност на размерите.

Примесът на манган и бор в стоманата придава отлични формовъчни свойства в съчетание с висока якост след крайната обработка. Производителите на такива стомани могат да се похвалят с портфолио от материали, включващо много висока якост от 500 до 2000 МРа след обработка чрез горещо формоване.

Нови концепции за защита при горещо формоване

Едно иновативно покритие значително подобрява надеждността на компонентите и процесите в индустрията и най-вече в автомобилостроенето. Това е алуминиево-силициево съединение, което се произвежда при гореща галванизация, също както стандартните покрития от алуминий и силиций.

Галванизирането представлява обработка на електропроводим метал чрез отлагането на тънък слой от друг метал с помощта на електрически ток. Технологията за галванизация позволява да се отлагат функционални покрития, чиято дебелина е само няколко микрометра. По този начин ресурсите се използват по целесъобразен и ефикасен начин. Разликата е, че при новото покритие при разтопяването към алуминия и силиция се добавя и магнезий. Тази добавка внася значителни промени в процеса на горещо формоване.

Тази технология гарантира, че по време на процеса на отгряване ще се генерира значително по-малко количество дифузен водород, който има опасност да проникне в дълбочина в материала. Това минимизира риска от образуване на пукнатини вследствие на присъствие на водород. Такъв риск възниква в случай на най-лошия сценарий, при който има комбинация от висока якост и налягане, когато нивото на съдържание на водород е критично.

Манган-борните стомани с алуминиево-силициево покритие са защитени срещу накип, който обикновено се образува по време на процеси на горещо формоване. Това удължава живота на матриците. Алуминиево-силициевото покритие също има бариерни свойства, които осигуряват защита от корозия след горещо формоване.

Тестовете, проведени при серийни производства, доказват, че съдържанието на водород в компонентите след горещо формоване се намалява с 40% или повече. Поглъщането на водород може дори да бъде намалено с до 70% при обработка чрез студено валцуване на материала. Покритието, полагано преди горещо формоване на високоякостни стомани, елиминира нуждата от влагане на допълнителни разходи в мерки за премахване на водорода.

100% пасивиране на повърхности без хром

Друг иновативен продукт, в готовност за серийно производство, притежава качества, равностойни на традиционните методи за пасивиране на базата на хром, но не съдържа хром. Изграждането на защитен пасивен слой върху метала го прави изключително устойчив на вредни влияния и корозия. Тази устойчивост на неръждаемата стомана се дължи на микроскопично тънък предпазен оксиден слой, т.нар. пасивиращ слой. Основно изискване за образуването на този хомогенен слой е чистата повърхност, която се създава в процеса на байцването. Съгласно регламента REACH, съединенията на хрома, които досега са били използвани за пасивиране на листова стомана, имат приложение за ограничен период на действие. Това кара разработващите екипи да търсят алтернативен метод за пасивиране без хром.

Един такъв продукт е нов пасивиращ агент на база на титан, който може да се използва върху ламарини за всякакво приложение. Съединението напълно съответства на регламентите на ЕС и е одобрено за полагане върху листов материал с или без покритие, влизащ в контакт с храни, което дава предпоставки тази алтернатива да се наложи като нов стандарт.

Иновативният продукт се доказва като изключително ефективен при минимизиране на окисляването и корозията при съхранение, като функционалността му е съизмерима с тази на традиционните пасивиращи продукти на основата на хром.
Придава отлични повърхностни свойства на ламарината като блясък, много добра адхезивност, омокряемост и способства за безпроблемното директно отпечатване върху метала.

За да се провери устойчивостта на покритието при контакт с различни хранителни продукти, са проведени тестове за съхранение до няколко години в допълнение към лабораторните тестове. Независимият институт SSICA в Парма е направил представителни тестове за съхранение с два продукта, които често се предлагат в консервни опаковки – пюре от нахут и нарязани на кубчета домати. При съхранение в продължение на 12 месеца резултатите от изследването не показват отклонения от стандарта, базиран на хром 311, на тестовите продукти при температура на съхранение 20°C и 37°C.
Антикорозионните характеристики и устойчивостта на оцветяване със сулфид са идентични.

Цинково-магнезиево покритие за оптимална защита на видими детайли

Досега покритията от чист цинк бяха основно средство за осигуряване на защита от корозия на компоненти, изложени на разнообразни агресивни фактори като частите на автомобилната каросерия. Две нови решения на цинково-магнезиева основа вече предлагат много по-висококачествена защита от корозия на стоманените компоненти.

Благодарение на специалните си характеристики тези покрития дават пълноценен отговор на взискателните критерии за външен вид на видимите повърхности на стоманени компоненти. Цинково-магнезиевите покрития предлагат изключително висока защита от корозия и ограничават ръждата, като качеството на действието им е особено забележимо по отсечени ръбове и пукнатини, където рисковете от корозия са особено високи.

В резултат на повишената степен на защита от корозия на цинково-магнезиевите покрития, дебелината на покриващия слой може да бъде намалена в сравнение с конвенционалните цинкови покрития с приблизително една трета. Практически това означава, че за цялостно покритие на компонентите на автомобил от среден клас се спестяват около два килограма цинк.

Друго предимство на цинково-магнезиевата защита е, че заваряването на части от каросерията на автомобила е по-лесно поради по-тънкия слой на покритието. Боята може да се нанася директно върху основното покритие, без да се изисква свързващ слой. Това спестява време и средства и щади околната среда.

Точно моделиране на процесите на топлинна обработка

Почти е невъзможно да си представим някои водещи индустрии без процесите на горещо формоване днес. Причината е, че с тези методи е възможно да се произвеждат особено сложни по форма компоненти, които същевременно са и леки. За да носи приходи едно серийно производство и за да се гарантира надеждността на крайния продукт, то трябва добре да се разбират и прецизират променливите параметри, от които той зависи.

Аналитичните инструменти за производствени процеси също представляват поле на усилено развитие. Иноватори в стоманопреработвателния бизнес инвестират в уникални моделиращи платформи, които бързо оправдават капиталовложенията. Един от лидерите в германската стоманодобивна промишленост например разработи и внедри система за моделиране и симулация на горещо формоване, която дава възможност да се възпроизведе точен модел на процесите без значителни допълнителни усилия или разходи.

Така те спестяват на клиентите си необходимостта от спирания на производствени линии за извършване на тестове.

Концернът предоставя параметрите на процеса на своите клиенти, за да могат те да преценят точно как ще протекат процесите в техните формовъчни линии и какви свойства ще притежава формованият продукт от листова стомана след това.

Този мощен инструмент за прогнозиране на формовъчния процес позволява съкращаване на разходите за тестване и разработки с до 20%.

Разработчиците комбинират моделиращата система със симулация по метода на крайните елементи. Следователно той работи, като внася постоянни корекции в симулациите и обратно – методът се усъвършенства с натрупването на модели. Това взаимодействие между теория и практика бързо дава валидни резултати. Обемът на съхраняваните данни за симулации на горещо формоване е обширен.

Автоматизирано управление на термичните процеси

При цементацията се извършва дифузно повърхностно насищане на нисковъглеродни и нисколегирани стомани с въглерод. След цементация детайлите се подлагат на закаляване и нискотемпературно отвръщане. Така се повишава твърдостта и износоустойчивостта на детайлите.

Цементацията в интегрирана пещ за охлаждане (IQ) е често срещан процес на термична обработка за производството на зъбни колела и други части. Също така маслото е най-често използваната среда за охлаждане. По време на охлаждането понякога може да се получат изкривявания и деформации на детайлите. Причините могат да бъдат няколко, включително температурни колебания.

Наблюдението на температурата на различни дълбочини и точки около детайлите може да предостави ценни данни за температурния профил на детайла през целия цикъл на нагряване и охлаждане. Не е възможно обаче да се следи температурата на детайла с регистратор на данни извън пещта.

Специални регистриращи устройства, предназначени за използване в тежки промишлени среди, дават решение на този проблем. Електрониката в тях е защитена от здрав, водоустойчив, механично обработен алуминиев корпус. Точността и надеждността на данните се гарантира с компенсация на грешки при обратната връзка и намаляване на шума. Регистраторите на данни работят с двупосочна RF телеметрия, позволяваща анализ на данни в реално време и дистанционно нулиране и изтегляне на данните. Ключът към бариерния дизайн е запечатаният корпус със собствена термична защита в блокове от висококачествена изолация, намираща се в солидна защитна обшивка.