A felületi technológiák áttekintése

SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM GYŐR

Felületi technológiák

A felületi technológiák áttekintése Bevezetés Esettanulmányok Igénybevételek Csoportosítás

A tantárgy célja • A Felületi technológiák c. tárgy átfogóan foglalkozik a felületi kezelésekkel és bevonatokkal, valamint azok alkalmazási területeivel • A tananyag feldolgozásában lényeges szerepet kapnak a szerkezeti elemek és szerszámok élettartamát növelő eljárások

• Főbb ismeretek – A felületi igénybevételek áttekintése – A felületi technológiák fajtái és alkalmazásuk – A legfontosabb felület kezelő eljárások részletes megismerése – Alkalmazási példák

2014.10.09.

Felületi technológiák - áttekintés

2

Program Hét

Tananyag

1

Esettanulmányok, felületi igénybevételek, technológiák áttekintése

2

A felületi technológiáknál használt hőforrások, felület előkészítés

3

Anyagfelvitel nélküli felületi technológiák (1)

4

Anyagfelvitel nélküli felületi technológiák (2)

5

Anyagfelvitellel járó kezelések: bevonatok

6

PVD, CVD és rokon eljárások

7

Termokémiai kezelések

8

Fémes bevonatok (Zn, Ni, …)

9

Felrakó hegesztés

10

Duplex kezelések

11

Egyéb felületi technológiák

12

Felületi rétegek vizsgálata

2014.10.09.


3

Alapfogalmak • A felületi kezelések célja – Kedvező tulajdonságokat biztosítani a felületi igénybevételekkel szemben – Esztétikai hatás elérése

• Miért kell a felületet külön kezelni? – Mert a teljes keresztmetszetre ható igénybevételek más anyagtulajdonságokat igényelnek, mint a felületi igénybevételek (kemény kéreg – szívós mag) – Ezért lokális változásokat kell elérni a felületen

• Technológiai irányelvek – – – – –

„material tayloring” – tudatos anyagtervezés „near net shape” – gyártás közel a végső alakra maximális teljesítmény – minimális költség minimális energia felhasználás környezetvédelem, újrafelhasználhatóság

2014.10.09.


4

Modern felület kezelési példák 1. Dugattyú-hengerfelület súrlódási és kopási viszonyait javító technológiák (Audi, GM) 2. Karosszéria felületkezelése (VW)

2014.10.09.


5

Példa 1: A henger-dugattyú kapcsolat tribológiai viszonyai Hagyományos hónolás:

Lokális olajzsákok képzése:

A dugattyúgyűrű mozgása kiszorítja az olajat a karcokból

Az olaj megmarad az üregekben

Dugattyúgyűrű

Dugattyúgyűrű Dugattyú haladási iránya

Érintkezés lehetséges (vegyes súrlódás)

2014.10.09.

Gyűrű

Gyűrű


Dugattyúgyűrű úszik (hidrodimamikai kenés)

6

Lézer hónolás alkalmazása • Cél: a tribológiai viszonyok javítása lézeres kezeléssel • Lézer kezelés szabályos geometriai alakzatok kialakítására – A felső holtpont közelében elhelyezkedő olajtároló terek (pl. GM) – Egész hengerfalra kiterjedő szabályos alakú olajzsákok (Forrás: www.gehring.de)

• Olajterek létrehozása a mikroszerkezet lézeres kezelésével, a grafit kiégetésével (pl. Audi)

2014.10.09.


7

A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: olajzsák méretek

2014.10.09.


8

A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: morfológia

Felső képsor: olajzsák részletei; N = 500x

A jobb oldali képen hibás kiégés figyelhető meg Alsó kép: olajzsák széle és alja; N = 2000x

A lézer sugár megolvasztja és elpárologtatja a fémet

2014.10.09.


9

A mikroszerkezet lézeres kezelése: Felület topológia • A grafit lamelláknál keletkezett bemélyedések és a felület vizsgálata tűs letapogatással (0,6x0,6 mm2 felület; 0,5 μm lépésköz; 1,440.000 pont) • Néhány szemléletes mérési eredmény: – Ra=0,1156

Rz=4,209

Rq=0,2245

• A felület alap hónolása rendkívül finom, érdességet az 1-2 mikron mélységű grafit kiégések és perem kiemelkedések jelentenek

2014.10.09.


10

A mikroszerkezet lézeres kezelése: SEM vizsgálatok • A képződmények jellegzetes alakját jól szemlélteti a BSE felvétel • A grafit lemezek széle jellegzetes domborulatot mutat

2014.10.09.


11

A hengerfelület lézeres kezelési technológiája • Futófelület megvilágítás EXCIMER-Lézerrel – Hullámhossz 308 nm (UV) – Frekvencia 300 Hz – Impulzus idő 25 ns

•

Lézer tulajdonságai – – – –

Szélesség 3,4 mm Magasság 6,5 mm Intenzitás 25 mJ/mm² 4-szeres megvilágítás

• A hengerfelület kezelése – Motorblokk forgatás – Lézer ágyú tengelyirányú mozgatása – A besugárzott területek átlapolódnak 2014.10.09.

Eredmény: Olaj fogyasztás jelentős csökkenése

Kopás mértékének csökkenése


12

Lézermegmunkáló gép az Audi motorgyárában

2014.10.09.


13

Lézer fej kiemelt állapotban

2014.10.09.


14

A berendezés fényképe

2014.10.09.


15

A gépek 3D-s modellje

2014.10.09.


16

Karosszéria korrózió elleni védelme (1)

2014.10.09.


17


2014.10.09.


18


2014.10.09.


19

Igénybevételek • Az igénybevételek csoportosítása • Felületi igénybevételek • Részletezés: – Kopás – Korrózió – Mechanikus és termikus fáradás

2014.10.09.


20

A legfontosabb igénybevételek (térfogatra és felületre hatók) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Statikus terhelés Dinamikus terhelés Fárasztó igénybevétel Kopás Korróziós hatás Hőmérsékleti hatások Egyéb igénybevételek

Hajlítás

Húzás

Csavarás

Térfogatra ható igénybevételek 2014.10.09.


21

A felületre ható igénybevételek • Igénybevételi módok: – – – – – – –

Hő Vegyi Elektrokémiai Áramló közeg Sugárzás Biológiai Szilárd testekkel érintkezés

Forgatás Szorító erő

• Főbb felületi igénybevételek: – Kopás – Korrózió és revésedés – Mechanikus és termikus kifáradás

2014.10.09.

Kopás


22

A kopás fogalma • A kopás szilárd testek felületén bekövetkező anyagveszteség, amelyet szilárd, cseppfolyós, vagy légnemű közeggel való érintkezés és relatív elmozdulás (azaz két anyag közötti interakció) okoz

2014.10.09.


23

A kopást befolyásoló tényezők • konstrukciós szempontok: – elmozduló felületek közé idegen részecskék bejutását megakadályozó, de megfelelő kenést biztosító szerkezeti kialakítás, – a felületi mechanikai terhelés és az azzal összefüggő melegedés éppen szükséges mértéken való maximalizálása, – esetenként gyorsan cserélhető és olcsó kopó betétek alkalmazása;

• anyagválasztási szempontok: – nagy keménységű és rugalmassági modulusú anyagok választása, – egymáshoz kis affinitású súrlódó anyag párok társítása;

• technológiai szempontok: – optimális (sem túl nagy, sem túl kicsi) felületi érdesség és hullámosság beállítása, – az adott feladatra előnyös felületkezelési eljárások alkalmazása;

• üzemeltetési szempontok: – felesleges üresjáratok, rezgések csökkentése, kiküszöbölése, – hűtés-kenés folyamatos biztosítása, kenőanyag előírás szerinti cseréje. 2014.10.09.


24

Kopási mechanizmusok •

•

•

•

Adhéziós vagy hegedéses kopás: egymással súrlódó - viszonylag kis sebességgel elmozduló - testek esetén, nagy felületi nyomás hatására, elsősorban fémes anyagok között, folyadékkenés vagy oxidhártya hiányában jön létre. Abrazív kopás: a keményebb felület kiálló csúcsai elmozduláskor mélyedéseket, barázdákat, karcolásokat hoznak létre a lágyabb felületben: mikroforgácsok leválasztásával, vagy ha a két súrlódó felület közé viszonylag apró szemcséjű, kemény, csiszoló hatású szennyezőanyag kerül, ami karcolva a felület(ek)et, anyaglehordást eredményez. Fáradásos kopás: a váltakozó (ciklikus) terhelés hatására a felületi réteg kifárad, mikrorepedések keletkeznek benne, amelyek növekedése a réteg lepattogzását, gödrösödését, pittingesedését, vagy a réteg felbomlását okozza. Tribokémiai kopás: a tribológiai (súrlódó-koptató) igénybevétellel egyidejűleg kémiai reakció is fellép az alap- és az ellentest között, a köztes anyag vagy a környezet hatására. 2014.10.09.


25

Korrózió és revésedés • A korrózió jellemzően a fémes szerkezeti anyagok károsodása, mely környezeti hatásra fellépő, mérhető elváltozást (méret- és tömegcsökkenést) ill. a mechanikai terhelhetőség és a felhasználhatóság romlását okozó fázishatár-reakciók folyamata. • A kémiai („száraz”) korrózió során egyszerre megy végbe az oxidáció és a korróziós közeg oxidáló komponensének redukálása • Az elektrokémiai („nedves”) korrózióhoz két „elektróda” kell: a roncsolódó, nagyobb potenciálú (elektropozitívabb) anód és a nem károsodó, kisebb potenciálú (elektronegatívabb) katód, melyek elektrolitként ható közeg révén kontaktusba kerülnek. Ennek okai: – egy szövetszerkezet két fázisának összetétel-különbsége – különböző mértékű hidegalakítást szenvedett anyagrészek energiaszintkülönbsége – szemcse és környezete közötti energiaszint-különbség – alapanyag és eltérő elektrokémiai potenciálú sérült bevonata – korróziós közeg oxigénkoncentráció-különbsége. 2014.10.09.


26

A korrózió megjelenési formái • Felületi korrózió • Behatoló (helyi) korrózió (lyukkorrózió, feszültségkorrózió) • Anyagon belüli korrózió az ún. szelektív korrózió, melynek során az anyag egyes összetevői (ötvözői) ill. fázisai, vagy szennyező elemek képezte kiválásokkal terhelt szemcsehatárai (kristályközei) "kioldódnak" • Anyagok közötti korrózió során az érintkező, kontaktusban lévő fémek közül a kevésbé nemes fém korróziós fogyása következik be.

2014.10.09.


27

Egyenletes a korrózió akkor, ha a megtámadott felületen többékevésbé egyöntetű elvékonyodást okoz. Atmoszférikus korrózió is lehet egyenletes, bár ez sokszor elszórt, apró bemaródásokkal is párosul.

2014.10.09.


28

Lyuk korrózió • Pont vagy pitting korrózió: kis átmérő, nagy lyukmélység. Tűszúrás-szerű. • Bemaródásos korrózió: a behatolási mélység kisebb, mint a bemaródás átmérője • Szivacsos korrózió: (kóboráramhatásra alakul ki) szabálytalan alakú, mélyre hatoló járatok.

2014.10.09.


29

Kristályszerkezeti korrózió • Kristályhatár menti korrózió: a folyamat a szemcsék határa mentén indul meg. • Szelektív korrózió: ha az ötvözetek egyes fázisai vagy alkotói gyorsabban oldódnak mint a többiek. 2014.10.09.


30

Korróziós kifáradás Ha a fárasztó igénybevétellel egy időben korrózió is hat a fém felületére, ezáltal a kifáradási határ kisebb lesz, korróziós kifáradás következik be. A kristályközi és a feszültségi korrózió együttes hatására keletkező repedések általában kristályközi jellegűek.

2014.10.09.


31

Korrózió •

• •

•

• •

A fémek korróziója lényegében a fém tönkremenetelét jelenti, egy kémiai, vagy elektrokémiai folyamat során, ami a fém felületéről indul ki. A leggyakrabban előforduló korróziós megjelenési formák, melyek fenyegetik az üzemek fém szerelvényeit: Savas korrózió: Elsősorban a szénsav okozza. A szén-dioxid a vízzel érintkezve szénsavat képez, és mint egy gyenge sav a fémek egyenletes korrózióját okozza. Oxigénkorrózió: Igen veszélyes korróziófajta. Ellentétben a savas korrózióval egyenletlen, helyileg támad,pontszerű lyukkorróziót okoz és gyorsan tönkreteszi a berendezéseket. A szénsav okozta korrózió jelentősen felerősödik oxigén jelenlétében, főleg magasabb hőmérsékleten. Kristályközi korrózió: Igen gyakran előfordul régi szegecselt kazánoknál, ahol a kazánvíz a repedésekbe behatol, ott a só és lúgkoncentráció olyan mértékben megnövekszik, ami már káros a fém kazánfalra nézve. Újabb kazánok esetében ez a fajta korrózió olyan helyeken lép fel, ahol gyártási hiba következtében repedések találhatók. Galván korrózió: A vas-réz problémája a kazánüzemeknél, amikor is a kicementálódott réz mellett a vas, mint szerkezeti elem oldani fog és lyukadások keletkeznek. Baktérium korrózió: A szennyiszapot és nyákot képező mikroorganizmusok szerepe különösen nagy ezen korrózió kialakulásában. A szulfátfaló baktériumok is gyakran okoznak korróziót (katód polarizáció). A korrózió fajtájára gyakran utal a víz szennyvízhez hasonló szaga. 2014.10.09.


32

Lyukkorrózió

2014.10.09.


33

Feszütségkorrózió Feszültségkorrózió A feszültségkorrózió a fémben jelenlévő feszültség és a korrozív környezet közös hatását jelenti. Az anyagban hajszálrepedések keletkeznek jelentős deformáció, illetve az anyag szemmel látható sérülése nélkül. A feszültségkorrózió jelenségét gyakran lyukkorróziós meghibásodásnak vélik. A feszültség okai A feszültségek származhatnak a terhelésből adódó feszültségkoncentrálódásból és/vagy a gyártási folyamatból (pl. hideg megmunkálás). A gyártásból visszamaradt feszültséget feszültségmentesítéssel lehet megszüntetni. • • • •

Feszültségkorróziónak kitett anyagok például: Rozsdamentes acél klórban Réz ammóniában Természetes gumi ózonban 2014.10.09.


34

2014.10.09.


35

Mechanikus és termikus fáradás • Az anyagkifáradás ciklikusan ismétlődő igénybevétel hatására létrejövő, lokális anyagszerkezet-változás nyomán keletkező mikrorepedésből indul ki, szívós repedésterjedéssel folytatódik, majd (rideg)töréssel fejeződik be. • A lokális szerkezetváltozás ill. mikrorepedés a maximális feszültség helyén, azaz rendszerint az anyag ill. az alkatrész felületén alakul ki. • Egy anyag (ill. termék) fáradásállósága annál jobb, – minél finomabb szemcséjű, – minél kevésbé tartalmaz külső makroszerkezeti bemetszéseket (éles sarkokat, hirtelen keresztmetszet-változásokat) – nem tartalmaz belső makroszerkezeti inhomogenitásokat (folytonossági hiányokat, anyagi heterogenitásokat), – minél kedvezőbb a felületi feszültségállapota (pl. húzó helyett nyomó) és kisebb a felületi érdessége

2014.10.09.


36

A felületi technológiák áttekintése •

Az alapanyag felületére kerül idegen anyag? – Nem – összetétel változás nélküli kezelés (pl. lézer sugaras edzés) – Igen – összetétel változással járó kezelés (pl. cementálás)

•

A hőmérséklet az olvadásponthoz képest milyen? – Kisebb – felület olvasztás nélküli kezelés (pl. galvanizálás) – Nagyobb – felület olvadásos kezelés (pl. elektronsugaras átolvasztás)

2014.10.09.


37

Felület kezelések csoportosítása • Hatások: – – – – – – –

Termokémiai Kémiai Elektrokémiai Elektrofizikai Fizikai Mechanikai Termomechanikai

2014.10.09.


38

A felületi technológiák áttekintése

Recommend Documents