Aby zrozumieć, na czym polega kolsteryzacja powierzchni, przyjrzyjmy się jej na przykładzie połączeń śrubowych. Ze względu na dużą liczbę zmiennych wpływających na trwałość i niezawodność takiego połączenia jego odpowiednie przygotowanie stanowi nierzadko spore wyzwanie dla projektantów. Jedną z istotniejszych jest np. zacieranie powierzchniowe i będące jego efektem klinowanie śruby, które znacznie utrudnia uzyskanie właściwego naprężenia wstępnego i stworzenie trwałego połączenia. Kwestia ta ma istotne znaczenie zwłaszcza w przypadku elementów złącznych ze stali austenitycznej, które mają skłonność do ulegania zgrzewaniu (zapiekaniu) w temperaturze pokojowej [1].

„Hartowanie“ węglem i azotem

W zapobieżeniu tego typu zjawiskom mogą pomóc procesy S3P (specjalistyczne procesy stali nierdzewnej) i wchodząca w ich skład technologia kolsteryzacji (a właściwie: kolsterisingu będącego zastrzeżoną nazwą handlową) opracowane przez firmę Bodycote. Stworzone specjalnie w celu optymalizacji właściwości połączeń śrubowych ze stali nierdzewnej, polegają na wprowadzeniu do strefy powierzchniowej detalu atomów węgla i/lub azotu. Proces ten, bazujący na dyfuzji niskotemperaturowej, powoduje obkurczenie powierzchni materiału, któremu towarzyszą duże naprężenia ściskające prowadzące do utwardzenia owej powierzchni do wartości 800 HV0,05.

Gradacyjny charakter dyfuzji atomów węgla oraz związanego z tym stopnia utwardzenia gwarantuje zachowanie ciągliwości materiału, a tym samym nie zwiększa jego kruchości. W przeciwieństwie do konwencjonalnych powłok ochronnych warstwa dyfuzyjna stanowi integralną część materiału bazowego, a tym samym nie jest podatna na pękanie, odpryski czy rozwarstwianie. Co więcej, zadane tolerancje parametrów warstwy są praktycznie niezależne od kształtu i funkcji detalu, a tym samym modyfikacja powierzchni nie wymaga analogicznej zmiany owych tolerancji.

Idealny zestaw właściwości

Ponieważ proces kolsteryzacji jest realizowany w niskiej temperaturze (<500°C), nie powoduje wytrącania się węglików, a tym samym nie wpływa negatywnie na odporność na korozję ani wytrzymałość mechaniczną materiału. Dzięki temu zapewnia elementom złącznym idealne właściwości: wysoką wytrzymałość mechaniczną i tribologiczną bez pogarszania odporności na korozję.

W procesach łączenia, w których istotną rolę odgrywa niezawodność i trwałość poszczególnych elementów złącznych, kolsteryzacja oferuje długotrwałe bezpieczeństwo połączenia, a tym samym także i nowe możliwości projektowania połączeń śrubowych na bazie komponentów ze stali szlachetnej.

Ważnym aspektem owego projektowania jest właściwe naprężenie wstępne przy zachowaniu odpowiedniego współczynnika tarcia [2]. Jeśli współczynnik ten jest zbyt wysoki, tarcie i adhezja między gwintem a materiałem powodują utratę naprężenia wstępnego, a tym samym zużycie ścierne powierzchni. Kolsteryzacja pozwala ograniczyć to zjawisko, zwiększając twardość powierzchni, a tym samym przyczyniając się do poprawy pasowania śrub.

Niezawodność potwierdzona testami

W celu zbadania właściwości połączeń śrubowych poddanych kolsteryzacji przeprowadzono testy porównawcze z użyciem kolsteryzowanych i niepowlekanych śrub, poddając je stu cyklom dokręcania „na sucho” z różnymi momentami dokręcania. Następnie każda śruba została zbadana wizualnie na obecność widocznych śladów zużycia. W testach wykorzystano śruby z łbem sześciokątnym (o średnicy zewnętrznej 1/2" – 13) oraz nakrętki ze stali kwasoodpornej V4A (ASTM F593G) o zalecanym momencie dokręcania 73 Nm. Wyniki przedstawiono w tabeli poniżej.

Jak można wyczytać z tabeli, połączenia niepoddane kolsteryzacji (S1 do S5) wykazywały ślady zużycia już przy małym momencie dokręcania. Przy momencie rzędu 147 Nm połączenie uległo zgrzaniu (zapieczeniu), a śruby nie można było wykręcić. W przeciwieństwie do nich śruby kolsteryzowane (S6 do S8) nawet przy zastosowaniu momentu dokręcania 183 Nm stanowiącego granicę ich plastyczności (min. ≈448 MPa) wykazywały jedynie niewielkie ślady uszkodzenia gwintu. Można je też było bez problemu rozłączyć i skręcić ponownie.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Rozdzielanie i łączenie

Połączenia śrubowe – na co zwracać uwagę podczas ich projektowania

Spędzają sen z powiek wielu konstruktorom maszyn, jednak w niektórych aplikacjach okazują się niezbędne. Dlatego warto wiedzieć, jakie pułapki niosą ze sobą połączenia śrubowe i jak uniknąć błędów podczas ich projektowania.

Literatura:
[1] Nutek, Inc. (2014), Design and Behavior of Bolted Joints, Bloomfield Hills, MI, USA.
[2] https://www.konstruktionspraxis.vogel.de/die-richtige-schraubensicherung-waehlen-a-378848/