Közlekedésmérnöki Kar EGYES LÉZERSUGARAS FELÜLETI BEVONATOK HATÁSA A GYORSPROTOTÍPUS SZERSZÁMELEMEK TRIBOLÓGIAI TULAJDONSÁGAIRA

Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki Kar Kandó Kálmán Multidiszciplináris Mőszaki Tudományok Doktori Iskola

EGYES LÉZERSUGARAS FELÜLETI BEVONATOK HATÁSA A GYORSPROTOTÍPUS SZERSZÁMELEMEK TRIBOLÓGIAI TULAJDONSÁGAIRA Doktori értekezés

Sebestyén Tamás okleveles gépészmérnök

Témavezetı: Dr. Buza Gábor

Budapest 2007

Sebestyén Tamás

Doktori értekezés (2007)

ELİSZÓ Kutatómunkámat a Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Jármőgyártás és – javítás Tanszék (BME-JJT), a Bay Zoltán Anyagtudományi és Technológiai Intézet (BAYATI), valamint a Technische Universität Wien Institut für Mikro- und Feinwerktechnik (TU-Wien IMFT) segítségével folytattam. A BAYATI CO2 lézerberendezésével végzett felületi bevonási tapasztalatai, valamint a BME lézerszinterezési kutatásai alapján született osztrák-magyar államközi kutatási egyezmény által támogatott kutatási projekthez (TéT) kapcsolódhattam, mely dolgozatom egyik alapjául szolgált. Köszönetemet szeretném kifejezni mindazoknak, akik a dolgozat elı- és elkészítésében segítségemre voltak. Elsısorban köszönöm Dr. Buza Gábor docens úrnak a BAYATI igazgatójának és Dr. Takács János professzor úrnak a BME Jármőgyártás és –javítás Tanszék vezetıjének, hogy lehetıséget

adtak

a

kutatómunka

végzéséhez,

valamint,

hogy

tudományos

iránymutatásaikkal, tanácsaikkal segítették munkámat. Köszönöm a BAYATI és a BME-JJT munkatársainak, kollégáimnak a készséget a mindenkori konzultációra, a kísérletek elıkészítésében és kiértékelésében nyújtott segítséget. Dolgozatom nem születhetett volna meg Dr. Kálazi Zoltán, Dr. Tóth Lajos, Dr. Markovits Tamás, Fábián Enikı Réka, Dr. Verı Balázs, Dr. Rácz Ilona, Takács Sándorné és Gáspár Béla közremőködése nélkül. Külön köszönöm Dr. Friedrich Franek professzor úrnak és Dr. Andreas Pauschitz úrnak, valamint az Institut für Mikro- und Feinwerktechnik munkatársainak – külön kiemelve Dr. Alexander Brandauer és Franz Prewein urak - pótolhatatlan segítségét, lehetıvé téve ismereteim elmélyítését a tribológia tudományában, illetve szükséges vizsgálataim elvégzését. Dr. Buzáné dr. Dénes Margitnak köszönöm a gondos korrektúrát. Ugyanitt fejezném ki köszönetemet a Mechroll Gépipari Betéti Társaságnak próbatesteim elıkészítéséért. Végül, de nem utolsósorban köszönöm feleségemnek, családomnak és barátaimnak a végtelen türelmet és bíztatást, ami óriási segítséget és biztos hátteret jelentett a kutatómunka végzésében és a dolgozat megírásában. Budapest, 2007. október 1. Sebestyén Tamás okleveles gépészmérnök

2

Sebestyén Tamás


TARTALOMJEGYZÉK

ELİSZÓ

2

TARTALOMJEGYZÉK

3

BEVEZETÉS

5

1

8

IRODALOMKUTATÁS

1.1 Gyorsprototípus-gyártás, gyorsgyártás 1.1.1 Gyorsprototípus-gyártás és szelektív lézerszinterezés 1.1.2 Gyorsgyártás és gyorsszerszámozás

8 8 12

1.2

13

Mőanyag fröccsöntés

1.3 Bevonat képzése lézersugaras felületkezeléssel 1.3.1 Felületmódosító eljárások célja 1.3.2 Lézersugaras felületkezelés

19 19 21

1.4

A tribológia módszertana

26

1.5

Irodalmi összefoglaló

30

2

A KUTATÁS CÉLKITŐZÉSEI

32

3

KUTATÁSI MÓDSZEREK ÉS ESZKÖZÖK, BERENDEZÉSEK

33

3.1 Az alkalmazott mérési módszerek és kísérleti berendezések 3.1.1 A bot-tárcsa elven mőködı tribométer és mérés 3.1.2 A módosított Brugger-teszt elvén mőködı tribométer és mérés

33 33 38

3.2 A vizsgálati anyag 3.2.1 A szelektív lézerszinterezéssel kialakított győrők tulajdonságai 3.2.2 A lézersugaras felrakó hegesztéssel bevont próbatestek jellemzıi 3.2.2.1 A bevonatos próbatestek elıállítása 3.2.2.2 A bevonatos próbatestek metallográfiai vizsgálata 3.2.3 A szálerısítéses mőanyag ellendarab szerkezete, tulajdonságai

42 42 44 46 51 58

4

62

TRIBOLÓGIAI VIZSGÁLATOK EREDMÉNYEI

4.1 Tribológiai vizsgálatok eredményei bot-tárcsa módszerrel 4.1.1 A bot-tárcsa kísérletek során mért kopási jellemzık 3

62 62

Sebestyén Tamás

4.1.2 4.1.3


A bot-tárcsa kísérleteknél mért súrlódási jellemzık A felületi érdesség jellemzıinek alakulása a bot-tárcsa kísérleteknél

4.2 A módosított Brugger-teszt szerint végzett mérések eredményei 4.2.1 A módosított Brugger-teszteknél mért kopási jellemzık 4.2.2 A módosított Brugger-teszteknél mért súrlódási jellemzık

64 66 69 69 75

5 A TRIBOLÓGIAI VIZSGÁLATOK EREDMÉNYEINEK ÉRTÉKELÉSE, ÁLTALÁNOSÍTHATÓ MEGÁLLAPÍTÁSOK 78 6

KÖVETKEZTETÉSEK

80

7

ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK

81

IRODALOMJEGYZÉK

82

4

Sebestyén Tamás


BEVEZETÉS Az elmúlt évtizedekben folyamatosan bıvült a kompozitok, így a nagyteljesítményő szálerısítéses mőanyagok jármőipari alkalmazása. Várható, hogy a fröccsöntött mőanyag alkatrészek felhasználásának aránya a jövıben a jármővek tömegére és az alkatrészek számára vetítve egyaránt tovább növekszik. Ma már megszokott, hogy a tervezık és a gyártók a gyorsprototípus-gyártás eszközeihez nyúlnak a gyártás- és a gyártmánytervezés hatékonyságának növelése, költségeinek csökkentése érdekében. Ez a technológia lehetıvé teszi, hogy a termék (alkatrész) már jóval a piacra kerülése (tömeggyártása) elıtt kézzelfoghatóvá váljék, illetve mechanikai, szilárdsági, ergonómiai stb. tesztek elvégzését tegye lehetıvé, így biztosítva az esetleg szükséges módosítások lehetı legkorábbi elvégzését. A teszteléshez jellemzıen egy kisebb, 2-300 darabos széria legyártása szükséges. A tervezettel belsı szerkezetében is (pl. száltartalom, száleloszlás, orientáció) megegyezı modell elıállítása üveg- vagy grafitszállal erısített mőanyagok esetében – jelenlegi mőszaki ismereteink szerint – a gyorsprototípus-gyártás eszközeivel nem, vagy csak igen nagy költséggel lehetséges. Indirekt módszer segítségével, vagyis ha a fröccsöntıszerszámot hozzuk létre például szelektív lézerszinterezéssel, akkor az elıállított szerszámban már tetszıleges belsı szerkezető (pl. szálerısítéses) mőanyag alkatrészek állíthatók elı fröccsöntéssel. A bonyolult geometriájú mőanyag fröccsöntıszerszámok gyors elıállítására a szelektív lézersugaras szinterezés a leginkább elterjedt technológia. A modell-szerszámnak természetesen megfelelı szilárdsági és kopásállósági tulajdonságokkal kell rendelkeznie ahhoz, hogy a fröccsöntési követelményeket kielégítse. A hozzáférhetı szakirodalomban a szelektív lézersugaras szinterezéssel elıállított darabok mechanikai tulajdonságairól fellelhetı ugyan kevés adat, kopási-súrlódási – összefoglaló néven tribológiai – tulajdonságaikról azonban a Friedrich Franek és Takács János professzor urak által kezdeményezett, a BME és a TU-Wien együttmőködésével elindított kutatási irányvonal eredményeként megszületett publikációkon kívül nem találtam adatokat. A fröccsöntött, szálerısítéses mőanyag alkatrészek elıállítása kapcsán az ipar részérıl egy új igény körvonalazódik, ami a gyorsprototípus-gyártást a létrehozott szérianagyság növelésével (mely könnyen akár több ezer darabos sorozatot is jelenthet) a gyorsgyártás paradigmához közelítené. Ehhez természetesen szükséges, hogy a modellszerszám - elsısorban

5

Sebestyén Tamás


kopásállóság tekintetében - egy nagyságrenddel nagyobb élettartammal rendelkezzen. Erre különösen ott van szükség, ahol az anyagáram folytán a fröccsöntési sebesség és a nyomás nagy kopást eredményez. Ez a jelenség elsısorban a szerszám szők keresztmetszeteinél, például a fúvókánál, a beömlınyílások környékén figyelhetı meg. A probléma kezelésére elvileg több megoldás is szóba jöhet. A korábbi munkáim során szerzett tapasztalatok és ismeretek, valamint a környezetemben elérhetı lehetıségek alapján a megoldást a lézersugaras felületmódosítási technológiák irányában kerestem. Az ún. egylépéses lézersugaras bevonási technológiával akár porózus szinterezett felület bevonása is megoldhatónak tőnik, ami a kopásállóság helyi növelésére is alkalmas lehet. A kopásállóság növelésére a fröccsöntés hımérsékletén is alkalmazható, hagyományos bevonóanyagok közül egy Co-bázisú, W- és Cr-karbidokkal erısített ötvözetet választottam. Vizsgálataim során az ebbıl az ötvözetbıl létrehozott bevonatot tekintettem az összehasonlítás alapjának. Újabb lehetıség kereséseként, anyagtudományi, ill. metallurgiai alapismeretekre támaszkodva, nagy bórtartalmú ötvözet (ferrobór) alkalmazhatóságát vizsgáltam. Az új bevonóanyag vizsgálatával célom a drága bevonóanyagok kiváltása volt olcsó, az alkalmazásnak megfelelı ötvözettel. A felvázolt problémakör részletekbe menı megismeréséhez, a hiányzó mőszaki ismeretek pótlására a következı kérdésekre kerestem válaszokat: -

milyen módszerekkel vizsgálható a szelektív lézerszinterezett szerszámelemek kopásállósága;

-

milyen technológiai paraméterekkel lehetséges a lézerszinterezett alapanyag lézersugaras bevonása kopásállóságot növelı ötvözettel;

-

alkalmazható-e bevonatként és milyen feltételekkel a ferrobór metallurgiai elıötvözet, illetve

-

mekkora a kialakított réteg kopásállóságot növelı hatása?

A szakirodalomban fellelt elméleti gondolatokat igyekeztem méréseimmel igazolni. A kopásvizsgálatokat kétféle módszerrel (bot-tárcsa és módosított Brugger-teszt) végeztem lézerszinterezett foszforbronzon és gyengén ötvözött acélon, illetve ezek lézersugár segítségével bevont darabjain. Az említett ferrobór ötvözetet összehasonlítottam kopás és súrlódás, valamint alkalmazhatóság szempontjából egy közismert, kopásálló bevonatként

6

Sebestyén Tamás


széles körben alkalmazott kobaltbázisú ötvözettel. Vizsgálataim a metallográfiai jellemzık megismerésére is kiterjedtek. A lézersugaras bevonási technológia ugyan nem új kelető, azonban sem a szinteranyagon végzett lézersugaras bevonásról, sem az alkalmazott ferrobór anyagról korábban nem született publikáció, ezért indokolt volt az alkalmazott anyagpárosításra vonatkozó lézersugaras bevonás megfelelı megmunkálási paramétereinek keresése. A szelektív lézersugaras szinterezés ilyen módon történı alkalmazása új lehetıséget nyithat a gyorsprototípus-gyártás felıl a gyorsgyártás irányába, ahol nemcsak néhány száz darabos széria elıállítására alkalmas szerszám készíthetı, hanem egy már akár pár ezer darabos sorozat elkészítésére képes szerszám is kialakítható egy korszerő, mindemellett kellıképpen rugalmas, „építı” technológiával. Munkámhoz három kutatási intézmény biztosította a tudományos hátteret. A szinterezett próbatesteket a BME-JJT biztosította, a lézersugaras bevonatok kialakítása a BAYATI-nál állt módomban, a tribológiai vizsgálatokhoz szükséges hátteret pedig a TU-Wien IMFT adta. A BAYATI akkreditált Materialográfiai Laboratóriumában metallográfiai vizsgálatokat végeztem az alapanyag és a felvitt réteg szerkezetének, a két réteg kapcsolódásának megismerésére, valamint a keresztmetszet keménységeloszlásának meghatározására. A próbatestek forgácsolásához a Mechroll Gépipari Betéti Társaság nyújtott segítséget.

7

Sebestyén Tamás

1 1.1 1.1.1


IRODALOMKUTATÁS Gyorsprototípus-gyártás, gyorsgyártás Gyorsprototípus-gyártás és szelektív lézerszinterezés

A korszerő gyártmánytervezésnél az alapvetı követelmények közé tartozik a gyorsaság és a kisebb költségek. Minél korábban vagyunk képesek korrekció céljából beavatkozni a tervezés folyamatába, annál olcsóbban oldható meg a szükséges változtatás, annál versenyképesebb lesz a vállalkozás, a „projekt”. Ezzel együtt a tervezés folyamata is lerövidül [1, 2], ami egyben egy teljesen új tervezési koncepciót is jelent, a hagyományoshoz képest új, ún. konkurrens tervezést (1. ábra).

1. ábra. A hagyományos és a konkurrens tervezés összehasonlítása [2] Ahhoz, hogy egy termék megfelelıségét már a tervezés korai szakaszában megállapíthassuk, esetleges hiányosságait, hibáit minél korábban felismerjük, hogy változtatni tudjunk rajta, számos vizsgálatra (szilárdsági, geometriai, ergonómiai stb.) van szükség. Ahhoz azonban,

8

Sebestyén Tamás


hogy ilyen jellegő vizsgálatokat már jóval a termék piaci megjelenése, illetve a tömegtermelés megkezdése elıtt végezhessünk, szükséges egy a végsı termékhez – elsısorban funkciójában – nagyon hasonló minta (ill. minták) létrehozása, vagyis kívánatos a modellek valódi, látható, tapintható és beépíthetı állapotú megjelenítése. A számítógépes technika viszonylag egyszerően, olcsón teszi lehetıvé egy termék háromdimenziós tervének a képernyın történı virtuális megjelenítését. A számítógépes modellek valós megjelenítése azonban már kevésbé egyszerő. Az ilyen modelleket, prototípusokat korábban leginkább tömbbıl történı anyagleválasztással, CNC marógépeken, megmunkáló-központokon, például gyorsmarással állították elı. Az utóbbi években olyan új eljárások születtek, melyek segítségével CAD tervbıl a kívánt prototípus felépíthetı (generálható) az úgynevezett gyorsprototípus-gyártás módszereivel (2. ábra). Ezek a módszerek nem olcsók, azonban gyorsaságukat, rugalmasságukat és a tervezés egészéhez képest elhanyagolható költségüket tekintve alkalmazásuk indokolttá, elfogadottá vált [3].

2. ábra. A modell elıállításának lehetıségei a gyorsprototípus-gyártásban [2]

A gyorsprototípus-gyártás egyik legelterjedtebb módja a korszerő és hatékony szelektív lézersugaras szinterezési (SLS®) folyamat. Az eljárás során vékony porréteget terítenek egy

9

Sebestyén Tamás

alaplap

felszínére.


Az

alaplap

minden

egyes

újabb

porréteg

leterítéséhez

egy

rétegvastagságnyit mozdul lefelé. A lézersugár a tömörített por felszínét pásztázza, azt helyenként megolvasztja. A tized milliméter körüli átmérıjő lézersugárfolttal megvilágított porréteg szemcséi egymással és a közvetlenül alattuk lévı anyaggal „összeolvadnak”. A gyártókamrában a port és a korábban szelektív lézerszinterezett anyagtömeg hımérsékletét valamivel olvadási hımérséklete alatt tartják, így a szinterezéshez a lézersugár energiája csak a hımérséklet kis emelésére fordítódik, tehát kis lézerteljesítmény is elegendı a berendezés mőködéséhez. A szinterezésnél két fázisátalakulás játszódik le: szilárd-folyadék és folyadékszilárd irányú. A folyamat addig ismétlıdik, amíg a teljes munkadarab fel nem épül. A feladatra jellemzıen CO2 lézerberendezést használnak 50 W körüli teljesítménnyel. A munkatér hımérsékletének a szinterpor szolidusz-hımérséklete alatt néhány fokkal tartásával minimálisra csökkenthetı a rétegenként felépülı munkadarabban a termikus gradiens nagysága, ezáltal a benne létrejövı belsı feszültség, a vetemedés és a repedés veszélye. A megfelelı szinterezési körülmények biztosítására - elsısorban a nem kívánatos oxidáció elkerülésére - a munkatér nitrogénnel töltött. A tárgyat a teljes kialakulás után a dugattyú kiemeli a munkatérbıl, melyrıl a felesleges, lézersugárral össze nem olvasztott por - szükség szerint kézi utómunkálással - egyszerően eltávolítható. A kívánt forma – az alávágások és a kinyúló részek - kialakításához egyéb megtámasztás nem szükséges, mivel azt a porágy biztosítja. A berendezés fıbb részeit a 3. ábra mutatja be. Az SLS lehetıséget nyújt arra, hogy alapvetıen finom szemcsés anyagokból funkcionális darabokat állíthassunk elı. A szelektív lézersugaras szinterezéshez rendelkezésre álló anyagok sokfélék lehetnek, a hıre lágyuló mőanyagoktól - mint pl. a nylon vagy a polisztirén – a fémeken keresztül egészen a kerámiákig. A porból lézerszineterléssel elıállított darabok szerkezeti, mechanikai jellemzıi a hagyományos porkohászati technológiákkal elıállított darabokhoz képest nagyobb homogenitást mutatnak. A sőrőség és a szilárdság – a használt anyagtól és paraméterektıl függıen - akár az öntött vagy a préselt darab 75–92 %-át is elérheti [3]. Az említett jellemzıkbıl kiindulva, a szelektív lézersugaras szinterezés kiváltképp alkalmas funkcionális prototípusok elıállítására, amelyek erısen megközelítik a tervezett végleges termékek mechanikai jellemzıit. Az ilyen modellek még azelıtt alkalmasak a tesztelésre, mielıtt a végleges termék elıállításához igazán nagymértékő anyagi befektetést igénylı szerszám legyártása szükségessé válna.

10

Sebestyén Tamás


3. ábra. A szelektív lézersugaras szinterezés folyamatának sematikus ábrája [4] A vonatkozó irodalomban nagy mennyiségő információ

áll rendelkezésünkre a

lézerszinterezett darabok mechanikai jellemzıirıl, hıstabilitásáról, méretpontosságáról és méretstabilitásáról, valamint más tulajdonságairól [5-8], azonban kevés a felületi és tribológiai jellemzıkrıl szóló információ. A lézerszinterezett darabok mechanikai szilárdsága és hıstabilitása utólagos kezeléssel, például hıkezeléssel [9], kompaktálással [10-12], fémmel vagy gyantával való átitatással javítható [8, 13, 14]. Ezek az eljárások többnyire egyenetlen keménységet eredményeznek, gyakran méretváltozást (zsugorodást) okoznak, valamint idıigényesek, körülményesek. A munkadarab szokásosnál nagyobb helyi igénybevétele, valamint az új gyorsgyártási paradigma szerint tehát szükséges lehet a munkadarab élettartamának felület-bevonással történı növelése [15, 16].

11

Sebestyén Tamás

1.1.2


Gyorsgyártás és gyorsszerszámozás

Az utóbbi években a gyorsprototípus-gyártás további fejlıdésének lehettünk tanúi. A tapasztalatok azt mutatják, hogy a gyorsprototípus-gyártás különféle hagyományos módszerei - elsısorban korlátozott termelékenységük miatt – nem alkalmasak egy pár száz darabos sorozat legyártására. Egy ökölnyi mérető alkatrész elıállítása SLS technológiával általában 5…8 óra idıt igényel. Új lehetıséget jelent, ha az adott berendezéssel a gyorsprototípus nem mint alkatrész, hanem mint az alkatrész (sorozat)gyártására szolgáló szerszám állítható elı gyorsan és költségtakarékosan. Ezt az új módszert nevezik gyorsgyártásnak, mely definíció szerint egy olyan folyamat, amelynek során a végfelhasználó számára készítenek eszközt, vagy szerszámot, gyorsprototípus-gyártására alkalmas berendezésekkel. Ilyen gyártási eljárás esetén tömeggyártással egyelıre még nem számolhatunk, azonban egy közepes mérető – akár pár ezer darabos – széria legyártása elképzelhetı, ami már egy nagyságrendnyi ugrást jelent. A gyorsgyártás tehát lényegében a gyorsszerszámozással valósítható meg, mely egy olyan eljáráson alapul, amely szerint a gyorsprototípus-gyártás során alkalmazott módszerekkel szerszámot állítanak elı. Ez direkt és indirekt eljárást egyaránt magába foglalhat. Az indirekt eljárás szerint a mintát állítják elı, majd ez alapján készítik el a szükséges szerszámot, például öntıformát vagy akár fröccsöntıszerszámot. A direkt módszer esetén magát a kívánt szerszámot állítják elı gyorsprototípus-gyártás segítségével [17]. A gyors szerszámkészítés jellemzıi a következık [18]: -

a szerszám elkészítéséhez szükséges idı jelentısen lecsökken, jellemzıen a hagyományos szerszámozás idıszükségletének egyötöde szükséges az elsı darabok elkészítéséhez;

-

a felszerszámozási költségek is kisebbek, mint hagyományos szerszámkészítés esetén, ez akár a hagyományos eljárás öt százalékánál is kevesebb lehet;

-

hátránya, hogy a kapott szerszám élettartama jóval rövidebb, mint a hagyományosé és hogy

-

az új módszerrel kialakított szerszám alkalmazásakor a hagyományosénál nagyobb mérettőrésekkel kell számolnunk.

12

Sebestyén Tamás


Komoly lehetıség van arra, hogy a gyorsprototípus-gyártás mindössze egy közbensı lépcsı legyen, igen nagy ugyanis a valószínősége annak, hogy a gyorsprototípus-gyártás egész egyszerően gyorsgyártássá alakul, ami egy merıben új gyártási paradigmát jelent. A jövıben akár odáig is eljuthatunk, hogy a vevı követelményeinek maradéktalanul megfelelı termékek születhetnek, párhuzamosan a felszerszámozási, utómunkálási és anyagköltségek drasztikus csökkenésével [19-21].

1.2

Mőanyag fröccsöntés

A fröccsöntési eljárás régóta ismert és annak ellenére, hogy a vele készített termék nem feltétlenül „high tech”, mégsem elavult. A fröccsöntés és az extrudálás a hırelágyuló polimerfeldolgozási technológiák két legfontosabb alakadási eljárása. Amíg azonban az extrudálás csak változatlan keresztmetszető terméket gyárt tetszıleges hosszúságban, addig a fröccsöntéssel tetszıleges alakú 3D alkatrészeket és termékeket gyárthatunk zárt szerszámban történı formaadással, kis viszkozitású polimerömledék nagy nyomású, gyors belövellésével, szakaszos üzemmódban. A fröccsöntés alapelve szerint a polimer ömledéket, - amelyet az olvadáspont fölé melegítve kis viszkozitású állapotba visznek, - nagy sebességgel, szők beömlı nyíláson át a zárt szerszámba fecskendezik, és ebben a zárt szerszámban a nagy nyomás alatt kihőlı polimerbıl alakul ki a tetszılegesen bonyolult formájú alkatrész, a beömlırendszertıl eltekintve gyakorlatilag hulladékmentesen, képlékeny alakítással, nagy méretpontossággal. A kis ömledék-viszkozitásra a bonyolult szerszámtér gyors és teljes kitöltése miatt van szükség. A szerszámkitöltés ideje jellemzıen a másodpercek tartományába esik. A fröccsöntés széles körben használatos, a legváltozatosabb ipari területeken: autógyártás, gépgyártás,

számítástechnika,

kommunikáció,

szerelvények

és

ipari

berendezések

gyártásánál. Tipikus fröccsöntött termék az autóiparban a lökhárító, a hőtısapka, az ajtóelemek, a lámpaszekrény és az üzemanyag-vezeték elemei. A polimer alkatrészek tulajdonság-javítása érdekében elterjedten alkalmaznak üvegszál-erısítést, ill. egyéb anyagú rövid és hosszú szálat. Az 1. táblázat néhány mőanyag fröccsöntési jellemzıjét tartalmazza, a 2. táblázat a polimer kompozitok jellemzı erısítı szálainak tulajdonságait tartalmazza.

13

Sebestyén Tamás


1. táblázat. Néhány hıre lágyuló polimer legfontosabb fröccsöntési paramétere [22] Alapanyag

Fröccsnyomás [MPa]

Fröccsöntési hımérséklet [°C]

LDPE

20-50

200-250

HDPE

60-120

250-300

PP

80-150

250-300

PVC

80-100

160-180

PS

60-150

160-240

ABS

60-120

180-200

PA-6

70-100

230-260

PMMA

45-100

210-240

2. táblázat. Polimer kompozitok erısítı szálainak jellemzı mechanikai tulajdonságai [23]

Sőrőség

Szakítószilárdság

E modulus

Olvadáspont

[g/cm3]

[MPa]

[GPa]

[°C]

Üvegszál (E- tipus)

2,55

3448

72,4

< 1725

Üvegszál (S-tipus)

2,50

4483

86,9

< 1725

Grafitszál (HS)

1,50

2759

276

3700

Grafitszál (HM)

1,50

1862

531

3700

A szálerısítéses polimer kompozitok a mőszaki célú szerkezeti anyagok legkorszerőbb családját képezik. Kialakításuk abból a felismerésbıl indult ki, hogy az alkatrészek terhelése a legritkább esetben azonos a tér minden irányában. A szálas erısítés alkalmazását mindenekelıtt az a mőszaki logika indokolja, hogy a terméknek a terhelés kitüntetett

14

Sebestyén Tamás


irányában kell kiemelkedı szilárdságot mutatnia, ezt leggyakrabban – de nem kizárólag – rendezett hosszú szál jellegő erısítıanyaggal érik el. A fröccsöntés legfontosabb gépszerkezeti eleme maga az alakadó szerszám. A fröccsöntıszerszám határolja azt a zárt üreget, amelybe nagy sebességgel és nagy nyomással a forró polimer ömledéket fröccsöntik. A fröccsöntıszerszám tehát jellemzıen közepesen hıálló, nagyszilárdságú acélból készül. A fröccsöntési ciklus kezdetén a gép záróegysége a többnyire két félbıl álló alakadó szerszámot összezárja. Ezt követıen a plasztikáló egység – amely lényegében egy főtött falú csı és a benne lévı csiga – az elızı ciklusban megömlesztett mőanyagot a hőtött szerszámba juttatja. A szerszámban a mőanyag ömledék felveszi a szerszámüreg alakját, lehől, megszilárdul, majd a szerszám nyitását követıen a készterméket a kidobótüske vagy egy robot eltávolítja a szerszámból [24]. A fröccsöntıgép fúvókájából nagy sebességgel áramlik a polimer ömledék a beömlıcsatornán keresztül a szerszámba. Ez a csatorna jellemzıen 2,5 - 5,0 mm átmérıjő, a szerszám felé bıvülı, kúpos alakú így a beledermedı polimeranyag a szerszám nyitásakor a termékkel együtt eltávolítható. A fröccsöntı berendezés fontosabb elemeit a 4. ábra mutatja.

4. ábra. A fröccsöntés folyamata [25]

Összetett – tranziens - belépési hatások jellemezhetik az úgynevezett gát környékét, ahol az ömledék a lényegi alakadó térbe lép. Ha a beömlıcsatorna közvetlenül a formaüregbe torkollna, úgy azt csak nagyon nehezen lehetne nyom nélkül eltávolítani a munkadarabról. Ennek elkerülésére a munkadarab elıtt a beömlı-keresztmetszetet a gát kiképzésével célszerő leszőkíteni. A gát nemcsak a csatornamaradék könnyő eltávolíthatóságát biztosítja,

15

Sebestyén Tamás


hanem az anyag – mivel a szők keresztmetszet az áramlást felgyorsítja – a súrlódás következtében újból felmelegszik, folyékonyabbá is válik [26]. A szerszámüregben két ellentétesen ható folyamat irányítja a nem izotermális ömledékáramlást: az ömledékanyag a fal mentén gyorsan hől, mivel a fal hımérséklete jóval kisebb, mint az ömledék hımérséklete, melynek eredményeképpen a falnál egy megdermedt réteg alakul ki. Ugyanakkor a fal mentén a feszültségi viszonyok alakulása (belsı súrlódás) jelentıs viszkozitás-növekedést eredményez, ami melegedéshez vezet [27, 28]. Az 5. ábra egy jellemzı szerszámüreg hımérséklet-változást mutat a fröccsöntési ciklus alatt. Legelıször a gát dermed meg, mert szőkebb, mint az üreg, nagyobb a fajlagoshőtıfelülete. Amikor a darab hımérséklete a polimer megszilárdulási hımérséklete alá kerül a darab a szerszámból kivehetı.

5. ábra. A fröccsöntött darab hıciklusa [25] A 6. ábra a fröccsöntési ciklusra jellemzı nyomásváltozást ábrázolja. A szerszámban a nyomás a töltés folyamán gyorsan emelkedik, amit egy állandósult érték követ. Miután a gát megszilárdul, az üregben a nyomás lecsökken és a szerszámból a fröccsöntött darab eltávolítható.

16

Sebestyén Tamás


6. ábra. A szerszámnyomás alakulása a fröccsöntési idı függvényében [25] A nyomás eloszlása a szerszámüregben a gáttól mért távolság függvényében is változik. A 7 ábra egy egyszerő geometriájú darabot mutat az annak egyes pontjaira jellemzı nyomásértékekkel.

7. ábra. A szerszámnyomás alakulása a hely függvényében [25] Világosan látható, hogy a fúvókánál jelentkezı nyomás jócskán meghaladja a szerszám többi részén jellemzı nyomásértékeket, ami azt a feltételezést támasztja alá, hogy a fúvóka kialakítására különösen figyelni kell. A gáttól távolabb a nyomás lassan emelkedik, majd gyorsabban csökken, mint a gát közelében [25].

17

Sebestyén Tamás


A fúvókán keresztül a fröccsszerszámba áramló polimer súrlódási rendszerét a szerszámban uralkodó nyomás szempontjából a következıképpen lehet jellemezni: A sőrő, viszkózus polimert nagy hımérséklető olvadékként a nála kisebb hımérséklető formaadó szerszámba fröccsöntik. A folyamat kezdetén a nyomás 40 MPa körül változik. Ekkor az ömledék sebessége és nyomása is a fúvókánál lesz maximális, hiszen ez a szerszám legkisebb keresztmetszető része. A folyamat egésze szempontjából azonban ez a nyomásérték valójában a késıbbi – az egész szerszámot jellemzı – érték alig egyötödeegynegyede. Mire a nyomás a maximális – akár 160-180 MPa-os - értéket eléri, a sebesség lecsökken, az ömledék megdermed, vagyis az eddigi dinamikus terhelés statikus igénybevétellé alakul (8. ábra).

8. ábra. A fúvókanyomás alakulása a töltési idı függvényében egy fröccsöntött hőtıfedél esetében [25] Természetesen a polimert erısítı szálak abrazív koptató hatásnak teszik ki a szerszámfalat egészen addig, amíg a szerszám teljesen meg nem telik. A fröccsöntés során az erısítı szálak orientációját - ezzel együtt a kopásban játszott szerepét - a szerszámban uralkodó áramlási viszonyok határozzák meg. A nagy hımérséklető polimer mátrix koptató hatása elenyészı a száltartalom hatásához képest, amit mőanyag fröccsöntéssel foglalkozók évtizedes tapasztalata is alátámaszt. A hıre lágyuló fröccsöntött mőanyag tárgyak mérettőréseirıl a 3. táblázat ad tájékoztatást.

18

Sebestyén Tamás


3. táblázat. Fröccsöntött mőanyag tárgyak mérettőrései [26]

Névleges méret

Hıre lágyuló fröccsöntött

[mm]

munkadarabok tőrései [mm]

1.3 1.3.1

- 6-ig

0,10…0,20

6 felett, 18-ig

0,16…0,25

18 felett, 30-ig

0,20…0,30

30 felett, 50-ig

0,30…0,50

50 felett, 80-ig

0,40…0,70

80 felett, 120-ig

0,60…0,90

120 felett, 180-ig

1,0…1,2

180 felett, 250-ig

1,2…1,5

250 felett

Megegyezés szerint

Bevonat képzése lézersugaras felületkezeléssel Felületmódosító eljárások célja

A felületmódosítási eljárások olyan tulajdonságok célorientált kialakítására irányulnak, amelyekkel a tömbanyagok eredetileg nem rendelkeznek. A felület módosításakor, vagy egy felületi bevonat létrehozásakor igen kis hozzáadott anyagmennyiséggel az alapanyaghoz képest merıben új tulajdonságok hozhatók létre, melyekkel az anyagok, alkatrészek, eszközök hasznos élettartama növelhetı, bizonyos esetekben megsokszorozható. Ezért tekintik a felületmódosító eljárásokat anyagtakarékos, környezetbarát és gazdaságos tevékenységnek. Létrehozhatók különleges tulajdonságú tömbi állapotban nem létezı, nem egyensúlyi összetételő és szerkezető (pl. amorf) felületi rétegek. Elvileg nincs akadálya egymással nem elegyedı alkotók „összeépítésének” sem. Az anyagi rendszerek tekintetében is igen széles a skála, melyek közül elsısorban fémek, intermetallikus vegyületek,

19

Sebestyén Tamás


fémoxidok, nitridek és karbidok, valamint elemi és vegyület-félvezetık, szervetlen és szerves polimerek és kombinációik említhetık [29]. A szerkezeti anyagok, alkatrészek felületmódosítása döntıen a kopásállóságot, a korrózióállóságot, a hıállóságot és a kémiai ellenállóképességet javítja, melyek a felsorolt tulajdonságok kombinálásával a hasznos élettartam növelését célozzák meg [30]. Elsı közelítésben egy felületi réteg létrehozásában a következı tényezık játszanak döntı szerepet: -

elérni kívánt eredmény (kopásállóság, hıállóság, esztétikai funkció stb.),

-

a bevonandó test alapanyaga, felületi tulajdonságai (topográfiája),

-

a kitőzött feladat teljesítésére alkalmas réteg anyaga és tulajdonságai (rétegvastagság, keménység, ár stb.),

-

a felhordáshoz alkalmas módszer (hatékonyság, üzemeltetési körülmények, rugalmasság, alkalmazási korlátok stb.).

A különféle alkalmazásokból és a felhasznált anyagi rendszerek sokféleségébıl következıen számos felületmódosító eljárást ismerünk és egyre újabbak kifejlesztésének lehetünk tanúi. A módszerek között különbséget kell tennünk aszerint, hogy a módosított felületet a munkadarab (hordozó, szubsztrátum) felületi rétegében alakítjuk ki, vagy új réteget választunk le (viszünk fel) a hordozó felületére. Az elsı esetben, amit felületkezelésnek is neveznek, a hordozó és a módosított felület összeépülésérıl általában nem kell külön gondoskodnunk. A második esetben viszont a réteg „kapcsolása” a hordozó felületére külön figyelmet igényel [29]. Az iparban és a mindennapi életben számtalan alkalmazás esetében szükséges a felületi tulajdonságok javítása az alapanyagétól eltérı, annál - adott feladat szempontjából - jobb tulajdonságokkal rendelkezı bevonat kialakítása szerszámok, szerszámelemek, eszközök felületén. A gépgyártásban és az autóiparban elsısorban megmunkáló-szerszámok [31, 32], erımővi berendezések [33], turbinaelemek [34, 35], öntı [36, 37] vagy fröccsöntıszerszámelemek [38] esetében alkalmazzák a bevonó eljárások valamelyikét. A különféle eljárásokkal létrehozható bevonatokat az elérhetı rétegvastagság szerint két csoportra lehet osztani: egy „mikro” csoportra, ami alapvetıen a nanomérető (nanométeres vastagság) rétegektıl a több tíz mikrométeres vastagságú rétegeket tartalmazza, valamint egy

20

Sebestyén Tamás


„makro” csoportra, ahol a rétegvastagság a pár száz mikronos vastagságtól a néhány milliméteres vastagságig terjed. Természetesen a két csoport között a határ szubjektív, az alkalmazások tekintetében azonban ez a csoportosítás jól definiáltan határolja el egymástól a szóba jöhetı eljárásokat. Vékony réteg leválasztására alkalmas többek között a CVD (Chemical Vapour Deposition)[31, 39 - 41] és a PACVD (Plasma-Assisted CVD)[37], a PVD (Physical Vapour Deposition, elektronsugaras PVD [42, 43], magnetron sputtering [44, 45], katódíves porlasztás [46] stb. [47, 48]) és az ionsugaras leválasztás [49], valamint a PLD - Pulsed

Laser Deposition [50-52]. A CVD eljárás esetén korlátot jelent, – túl azon, hogy többkomponenső anyagok leválasztása nehézkes -, hogy bonyolult reaktor ill. vákuumrendszerre van szükség, valamint, hogy az alkalmazott anyagok sokszor mérgezıek, korrozívak és gyúlékonyak, esetenként robbanásveszélyesek [53-55]. PVD alkalmazásakor a tapasztalt kis adhézió okozhat problémát [43]. Vastag réteget lehet létrehozni az ívfényes felszórási technikával [56-59], a HVOF (High Velocity Oxy Fuel, nagysebességő láng porszórás) technikával [60, 61], a plazmasugaras felszórással [33, 60, 61], valamint a lézersugaras bevonással. Egyes kutatási beszámolók [38] szerint a réteg alapanyaghoz való kapcsolódása tekintetében a lézersugaras megmunkálás mutatja ezek között az alkalmazások között a legjobb tulajdonságokat. Különösen a plazmasugaras felszórást lehetne a lézersugaras eljárás komoly riválisának tekinteni, de több szerzı [35, 62-64] is állítja, hogy plazmasugaras felszórásnál nagyobb a réteg leválásának a veszélye. A plazmaszórással kapott réteg porozitásának következtében ráadásul egy homogenizáló lézersugaras átolvasztására is szükség lehet [63, 65-68]. Lézersugaras megmunkálás esetében is szükséges lehet azonban olyan járulékos elıkészítı kezelés, mint például a munkadarab elımelegítése [36], vagy akár a bevonat anyagának elızetes felvitele a késıbb megmunkálandó felületre (kétlépéses technológia) [69-75]. Ezzel szemben elınyösebb az egylépéses technológia alkalmazása, hiszen sok energia megspórolható [76-83].

1.3.2

Lézersugaras felületkezelés

A lézersugaras felületkezelési eljárásokat a következıképpen csoportosíthatjuk [84]:

21

Sebestyén Tamás


- Alapanyag fázisátalakulásával járó: (vegyi összetétel változása nélkül) -

lágyítás (szilárd állapotban),

-

edzés (szilárd állapotban),

-

felület átolvasztás (olvadék állapotban).

- Alapanyag + adalékanyag alakul át: (vegyi összetétel változásával) -

réteg-ráolvasztás (csak az adalékanyag olvad meg),

-

ötvözés (az adalékanyag oldódik, az alapanyag kis része is olvadt állapotba kerül),

-

diszpergálás (az adalékanyag csak részben vagy egyáltalán nem oldódik, az alapanyag kis része olvadt állapotba kerül).

Más szerzık a réteg-ráolvasztást megkülönböztetik a felrakó hegesztés fogalmától, mely szerint a felrakó hegesztés esetében van bizonyos mértékő alapanyag-felkeveredés, rétegráolvasztásnál nincs (9. ábra). A lézersugaras felületkezelési eljárások közül munkám során a felrakó hegesztést alkalmaztam. A lézersugaras felrakó hegesztés célja egy lehetıség szerint tiszta és szilárdan tapadó réteg kialakítása a felületen. A lézersugaras felületkezeléseket kivétel nélkül jellemzi, hogy meghatározó paraméterük – a lézersugár minıségén (intenzitáseloszlás) túl – a lézersugár teljesítménye, a fókuszfolt helyzete (defókusz) és mérete, valamint a lézersugár relatív sebessége és a létrehozott sávok átfedésének mértéke a munkadarab felületén. Adott esetben ehhez járul még a felületre juttatott anyag minısége és az adagolás módja is. Az iparban a lézersugaras felrakó hegesztést különösképpen a melegalakító-szerszámgyártásban alkalmazzák, pl. mélyhúzó tüskék, matricák, süllyesztékek, formák gyártásának esetében, de az autóiparban sok helyen már CO2 lézerberendezéssel végzik szelepek és szelepülékek bevonását is [30]. A lézersugaras bevonás elınyei: -

a bevonás egy menetben elvégezhetı;

-

egyaránt alkalmas vékonyabb (0,1 mm) és vastagabb (több mm) rétegek elıállítására;

-

a porösszetétellel változtathatók a réteg jellemzıi;

-

jó kötés az alapanyaggal;

-

porozitás nincs vagy kevés.

22

Sebestyén Tamás


9. ábra. Vázlat az ötvözés, felrakó hegesztés, ráolvasztás és diszpergálás jellemzésére [30] A lézersugaras felrakó hegesztés eredménye függ a lézersugár minıségétıl és teljesítményétıl, a mozgást megvalósító eszközöktıl, a felhasznált alapanyagtól, a portól, a porfúvó berendezéstıl és a védıgáztól (10. ábra). A porbefúvatásos eljárások alapvetıen rugalmasabbak, összetett geometriájú alkatrészek, felületek is jól bevonhatók vele úgy, hogy közben könnyen kézben tartható a felkeveredés mértéke és a rétegvastagság alakulása. A rétegképzı anyagot általában por és huzal formájában is lehet adagolni. A huzal formájában való adagolás a nagy cseppekben leváló

23

Sebestyén Tamás


olvadék miatt nem terjedt el, mivel a felvitt réteg egyenlıtlenségét okozza, megnövelve az utólagos megmunkálás költségeit [85].

10. ábra. A lézersugaras bevonás technológiai paraméterrendszere [86]

24

Sebestyén Tamás


Por alkalmazása esetén is kétféleképpen lehet eljárni: vagy elıre felviszik a port a bevonandó felületre valamilyen eljárással (kétlépéses technológia), vagy közvetlenül a lézersugár által képzett olvadéktócsába fújják, így a por felvitele és a rétegképzıdés egy idıben történik (egylépéses technológia). Az oxidáció elkerülése érdekében minden esetben védıgázt alkalmaznak [86, 87]. Egy bizonyos teljesítménysőrőség átlépésekor a munkadarabbal közölt hı mennyisége túllépi az anyag hıvezetı képessége által a munkadarab belsejébe vezethetı hı mennyiségét, így annak felszíne megolvad. A képzıdı olvadékzóna a lézerteljesítménytıl, a felület és a sugár relatív sebességétıl, valamint a felületen kialakított fókuszfolt méretétıl függ. Lézersugaras felrakó hegesztés esetén – szemben a lézersugaras felületötvözéssel és a diszpergálással csak egy vékony átmeneti rétegben fogadható el az alapanyag és a létrehozandó réteg anyagának keveredése. A lézersugaras felrakó hegesztés a felületötvözéstıl és a ráolvasztástól lényegében a felkeveredés mértékében különbözik. Az adalékanyag jellemzı tulajdonságainak megtartása érdekében cél a minél kisebb mértékő keveredés az alapanyaggal [88]. Az alapanyag egy 100 µm-nél vékonyabb rétegben megolvad, aminek következtében fémes kötés keletkezik az alapanyag és a réteg között. Az alapanyag felkeveredése adott bevitt hımennyiségnél a por tömegáramával is jól kézben tartható, hiszen ha kevesebb port juttatunk a lézersugár útjába, akkor az alapanyag megolvasztására több energia jut, így az olvadéktócsa mérete is nagyobb lesz és az alapanyag mélyebben megolvadhat. A kialakított felülettel szemben általános elvárás a repedés- és porozitásmentesség valamint a minimális felkeveredés [89]. Az irodalomban leírtak alapján két szélsıséges jelenség fordulhat elı attól függıen, hogy az anyaggal közölt energia kevés vagy éppen túl sok. Ha a bevitt energia nem elég ahhoz, hogy a felvitt port teljes mennyiségében megolvassza és nem tud összefüggı réteget alkotni, akkor a rétegben jelentıs porozitás alakul ki és a réteg mechanikai tulajdonságai sem lesznek megfelelık. A szemcsék nem tapadnak eléggé egymáshoz, nem alakul ki az alapanyag és a réteg között szükséges minimális kohéziós kapcsolat, így a réteg az alapanyaghoz sem tapad megfelelıen, ezért könnyen leválik. A másik szélsıséges eset szerint, amennyiben a bevitt energia túl sok, akkor a por teljesen megolvad a felületen, sıt még az alapanyag is mélyen fölolvad, ami az alapanyag

25

Sebestyén Tamás


felkeveredéséhez vezet. A rétegben oldódó alapanyag csökkenti a réteg keménységét és rontja a felhasználás szempontjából fontos tulajdonságokat [86, 90]. A szakirodalomban talált felsorolt eljárások közül a lézertechnológia volt az egyetlen, amely kellıen vastag, homogén, porozitástól mentes réteg kialakítására alkalmas, a felhasználható anyagok (porok) széles skálájának alkalmazásával. Ugyanakkor az eljárás kellıképpen rugalmas, hiszen a megmunkálható munkadarab mérete is viszonylag nagy, a megmunkálás – védıgáz biztosítása mellett – bonyolult reaktor- vagy vákuumrendszer nélkül is megoldható, sıt az alkalmazás lokális bevonatok létrehozására kifejezetten elınyös. Az említett munkákban szinte kizárólagosan acél a jellemzı alapanyag. Acélok bevonására különösen közepes olvadáspontú kobalt- [79, 83], nikkel- [70], és vasalapú bevonatok [76, 80] valamint keményötvözetek esetlegesen karbidtartalommal (WC, SiC, Cr3C2, TiC) [82], továbbá kobalt-molibdén ötvözetek, rézötvözetek és kerámiák (pl. ZrO2) alkalmasak valamint olyan keményfémek mint a WC/Co [81, 82] vagy a WC/Ni. A Ti vagy a Nb alkalmazása a korrózióállóságot javítja [30, 36, 76, 91-93]. A felület keménységének, illetve kopásállóságának növelésére alkalmaznak még bór tartalmú bevonatokat is, ám ezek ötvözıi is jórészt drága anyagok (nikkel, króm és kobalt), ahol a bórtartalom mindössze 1-2 százalékos [77], és csak ritkán nagyobb 10 %-nál [78].

1.4

A tribológia módszertana

A kenéselmélet fejlıdése során és a gyakorlati kenéstechnikában felgyülemlett tapasztalatok alapján 1966-ban az angol mérnök egylet (ImechE) a tribológiát új tudományággá nyilvánította. A tudományág rövid megfogalmazása: a tribológia a kölcsönösen egymásra ható és egymáshoz viszonyítva elmozduló felületek tudománya és technológiája, mely felöleli az ezzel kapcsolatban álló gyakorlati intézkedéseket is. E meghatározás szerint a tribológia magába foglalja a súrlódás, a kopás és a kenés folyamatának leírását, valamint a gépelemek tribológiai tervezését [94]. A tribológia jellemzıen a fizika, a kémia, a mechanika, a gépgyártás, az anyagtudomány és a kenéstechnika interdiszciplináris tudományágait öleli fel. Feladata elsısorban a súrlódási erı és a jelentkezı kopás csökkentése megfelelı kenıanyag kiválasztásával, a súrlódási erı optimalizálásával. Jellemzıen a csapágyazások, a fogazások, a hajtások esetében

26

Sebestyén Tamás


alkalmazzák, végsı célként a várható élettartam, a megbízhatóság és az üzembiztonság növelésére. A tribológiai rendszer részben szárazon súrlódó, részben kent elemekbıl áll [95]. Egy tribológiai folyamat kellıképpen megalapozott leírásához és megértéséhez – végsı soron tribológiai szempontból igénybevett szerkezeti és gépelemek céltudatos tervezéséhez és vizsgálatához – a lehetıség szerint rendelkezésre álló információk legszélesebb körben történı figyelembevételére van szükség [95]. Egy tribológiai rendszerben anyagi szempontból négy szereplıvel kell számolnunk: alaptest (próbatest), ellendarab, kenıanyag, környezeti médium. A tribológiai vizsgálatok módszereit is ezek a szereplık határozzák meg [96]. Az elméleti tribológiai vizsgálatok a következıkhöz nyújtanak segítséget: -

a kopási probléma és mechanizmus modelljének megalkotása (alkalmas vizsgálati módszerekkel és körülményekkel);

-

a koncepció, a termék és az alapötlet igazolása;

-

mőszaki dokumentáció elkészítése;

-

idı- és költségigényes gyakorlati vizsgálatok részbeni kiváltása;

-

a fejlesztési idı és költségek csökkentése.

A DIN 50 322 –a kenıanyag vizsgálatára szolgáló - szabvány hat kategóriára szerint osztályozza a vizsgálatokat [97]: I.

Valós tesztelés: a valós használattal megegyezı körülmények között vizsgálják a teljes eredeti egységet.

II.

Próbapad: az eredeti egységet laboratóriumban vizsgálják reprodukálható, a valós használathoz hasonló körülmények között.

III.

Részegység vizsgálata: az eredeti egységbıl származó részegységek laboratóriumi vizsgálata meghatározott, a valós használathoz hasonló körülmények között.

IV.

Vizsgálat arányosan kicsinyített részegységgel: az arányosan kicsinyített részegységek laboratóriumi vizsgálata meghatározott, a módosított méretnek megfelelı körülmények között.

V.

Modell teszt egyszerősített részegységgel: a részegységhez hasonló próbatestek vizsgálata a valós használathoz hasonló körülmények között.

VI.

Modell teszt a legegyszerőbb próbatestekkel: egyszerő geometriájú próbatestek laboratóriumi vizsgálata egyszerősített, változtatható körülmények között.

27

Sebestyén Tamás


Általános érvényő kijelentésekhez nemcsak szők szakmai szempontból, de a gazdasági megfontolások alapján is ez utóbbi kategória a legalkalmasabb. Jól ábrázolja ezt a 4. táblázat. 4. táblázat. Vizsgálati rendszerek összehasonlítása [97] Valós tesztelés

Részegység

Modell teszt

tesztelése Alkalmazás

Próbatest /

Konkrét alkalmazás

Eredeti gépek vagy

Alkalmazás vagy

Alapvizsgálat,

fejlesztés

jelenség vizsgálata

Legtöbbször egyszerő Legtöbbször egyszerő

berendezések

gépelem

kontaktgeometria

Technológiai

Bizonyos korlátok

Néha lehetséges

Lehetséges

jellemzı figyelése

között lehetséges

Meghibásodás

Bizonyos korlátok

Néha lehetséges

Lehetséges

feltételének

között lehetséges

Néha lehetséges

Bizonyos korlátok

vizsgálati anyag

megismerése Alkalmazhatóság a

Lehetséges

gyakorlatban Mérési költségek Idıigény

között lehetséges Változó

Közepes vagy nagy

Kisebb vagy közepes

Nagy

Közepes

Kicsi

A valós rendszer modellezésének néhány lehetséges módját a 11. ábra mutatja néhány elıforduló alapesetre vonatkoztatva. Az említett szempontok figyelembevételével bevonatok tribológiai vizsgálatánál – elsısorban a próbatest és ellendarab viszonylagos elrendezést tekintve - jellemzıen a következı típusú vizsgálati módszerek terjedtek el: -

Bot-tárcsa (block/pin-on-ring/disk): ebben az esetben egy hasáb vagy henger alakú próbatest fut egy tárcsa vagy győrő ellendarab felszínén egy körív mentén adott normál erıvel terhelve, meghatározott sebességgel, jellemzıen egy irányban [10, 11, 37, 45, 54, 65, 70, 75, 79, 82, 98-103].

-

Golyó-tárcsa (ball-on-plate/disk): ebben az esetben egy golyó alakú próbatest fut egy tárcsa vagy lap ellendarab felszínén. Tárcsa esetén egy körív mentén egy irányban,

28

Sebestyén Tamás


lap esetében egyenes vonal mentén transzverzálisan oda-vissza történik a mozgás adott normál erıvel terhelve, meghatározott sebességgel [64, 74, 101]. A felsorolt vizsgálat-típusok közül a bot-tárcsa módszer a kedveltebb, mivel a próbatest és az ellendarab érintkezési felülete a kopás folyamán nem változik, a felületi nyomás állandó, és a sebesség is konstans. Ugyanakkor bizonyos esetek megkövetelik az alternáló mozgású vizsgálatot, és a - pontszerő érintkezési felület következtében – a felületen kialakuló nagy kezdeti nyomást [102-109].

11. ábra. A valós rendszer modellezése a tribológiai rendszer elemzésével [97]

29

Sebestyén Tamás

1.5


Irodalmi összefoglaló

Kutatásom pontosabb irányvonalának meghatározása során a gyorsprototípusok, a szálerısített mőanyagok fröccsöntése, valamint a lézersugárral létrehozott bevonatok témakörében fellelt szakirodalom feldolgozása alapján a következı ismereti hiányosságokat, kiegészítendı gondolatokat, fejlesztési lehetıségeket véltem felfedezni. Ismeretes, hogy szálerısítéses fröccsöntött mőanyag gyorsprototípusok elıállítása inverz módszer alkalmazásával is lehetséges. Az inverz módszer esetén a fröccsöntıszerszámot a gyorsprototípus-gyártás módszerével, jellemzıen szelektív lézersugaras szinterezéssel állítják elı, majd a kívánt szálerısítéses darabot ennek felhasználásával hagyományos módon, fröccsöntéssel gyártják. Ahhoz, hogy a létrehozott szerszám valóban képes legyen egy kisebb vagy egy közepes nagyságú sorozat legyártására, a szerszám várható élettartamát meg kell tudnunk becsülni. Ehhez leginkább a szerszámanyag kopási-súrlódási tulajdonságainak ismeretére lenne szükség. A lézerszinterezett darabok tribológiai jellemzıinek megismeréséhez, megfelelı vizsgálati módszert kell kidolgozni, mely a valósághoz közeli módon képes modellezni a mőködés közben fellépı terhelési, igénybevételi viszonyokat. Korábbi kutatások alapján kézenfekvınek látszott az anyagpárosítás bot-tárcsa berendezésen történı vizsgálata, amirıl kiderült, hogy a gyakorlatban csak nagyon korlátozott mértékben hasznosítható eredményeket ad. Egyes szerszámok átlagosnál lényegesen nagyobb helyi igénybevétele miatt, valamint az új gyorsgyártási paradigma szerint is szükség lehet egy a szerszám egyes lényeges részeinek élettartam-növelésére. A szerszám élettartamának növelését – különös tekintettel a gazdaságosság kérdésére – felületkezeléssel, például bevonással célszerő megoldani. Ehhez egyrészrıl megfelelı bevonó anyagra, másrészrıl a bevonó technológia ismeretére van szükség. Áttekintve a szerszámok élettartam növelési célú bevonatolási technikáit és anyagait, választásom két, egymástól lényegesen különbözı ötvözetre esett. Kísérleteim során bevonó ötvözetként ferrobórt illetve egy kobaltbázisú ötvözetet választottam, a szakirodalmi adatok alapján remélve, hogy a próbatestek felszínén a kitőzött célnak eleget tevı kemény, kopásálló réteg kialakítására lesznek alkalmasak. A kobaltbázisú ötvözet az ipari alkalmazásokban széleskörően elterjedt, viszonylag drága anyag. Ezzel szemben a ferrobór viszonylag olcsón hozzáférhetı, a metallurgiai gyakorlatban közismert elıötvözet

30

Sebestyén Tamás


nagy bórtartalommal. Az Egyesült Államok kormányzati internetes forrására hivatkozva: a kobalt ára kb. negyvenszerese a bórénak, és habár a piac mozgásainak megfelelıen komoly ingadozások figyelhetık meg árának alakulásában, az elmúlt száz évre visszatekintve a két anyag árának aránya jelentısen nem változott [110]. A bórtartalmú ötvözetekkel végzett bevonás persze nem új kelető, azonban eddig csak kis bórtartalmú bevonatokkal dolgoztak [39, 46, 77, 111-115]. Ezekben az ötvözetekben nem a bóré a domináns szerep a tulajdonságok

meghatározása

szempontjából.

Az

alkalmazott

felviteli

technológia

tekintetében a CVD, PVD technikák, illetve plazmával vagy ívvel történı felszórás az elterjedt [10, 116-125]. Mint minden hagyományos vagy már annak mondható technológiának, ezeknek is ismertek elınyei, hátrányai, korlátai. Korábban szerzett tapasztalataim és szakirodalmi ismereteim alapján ezektıl lényegesen eltérı technológiát választottam, a poradagolásos lézersugaras felületötvözést. Választásom a lézersugaras technológiát illetıen az alábbi indokra vezethetı vissza: a technológia rugalmassága, a lézersugár jó kezelhetısége, szabályozhatósága, valamint hogy a BAYATI háromdimenziós megmunkálásra alkalmas lézerberendezése kísérleteimhez a rendelkezésemre állt és a korábbi munkáim során szerzett tapasztalatok is ezt a módszert tették indokolttá. Sajátos feladatként kell kezelni a lézerszinterezett darabok bevonását felületötvözésnél, hiszen szerkezetük az elıállítási technológia miatt alapvetıen porózus. A szakirodalomban fellelt kutatások alapján általában a cél az enyémmel ellenkezı volt: porózus réteg kialakítása a felszínen (lásd implantátumok kapcsolódása testszövetekhez) [41, 125]. Amennyiben szükséges, a porózus felületek bevonására jellemzıen CVD, PVD, galván és más leválasztásos eljárások használatosak a keménység és kopásállóság növelésére [8, 10, 40, 126].

Lézersugaras

felületkezelést

nem

végeznek.

Porózus

anyagok

lézersugaras

felületkezelése inkább csak felületi átolvasztásra szorítkozik [67, 68, 127-131]. A felvázolt tények ismerete, valamint az észlelt hiányosságok tették számomra indokolttá, hogy feltárjam a tribológia szinterezett próbatestek vizsgálatára szolgáló módszereit. A mőszaki haladás követelményeihez igazodva kerestem további olyan poradagolássos lézersugaras felületötvözési, -bevonási technológiákat, melyekkel a szinterezett, porózus mőanyag fröccsöntı szerszámok élettartama növelhetı. Ezzel párhuzamosan hangsúlyt fektettem a kialakított rétegek tulajdonságainak megismerésére.

31

Sebestyén Tamás

2


A KUTATÁS CÉLKITŐZÉSEI

Disszertációmban bemutatott kutatásom két pilléren nyugszik: egyrészt egy szelektív lézersugaras szinterezéssel elıállított prototípus szerszámként alkalmazni kívánt anyag (szerszámelem) tribológiai vizsgálatán, másrészt ugyanennek az anyagnak a kopásállóságát növelı bevonatok létrehozásán, illetve a bevonatok – elsısorban kopási-súrlódási tulajdonságait felfedni hivatott tribológiai vizsgálatán. Alapvetı célom tehát gyorsprototípusgyártással

létrehozott

szerszámelemek

élettartamának

növelése,

használhatóságának

kiterjesztése lézersugaras bevonatolás, felrakó hegesztés segítségével. A szakirodalom áttekintése után jogosnak látszott felvetni a kérdést, milyen lehetıségekkel és korlátokkal jellemezhetı a szelektív lézersugaras szinterezéssel elıállított gyorsprototípus szerszámok alkalmazása, valamint, hogy az így elıállított próbatesteken milyen módon hozható létre kopásálló bevonat. Meg kívántam határozni, hogy a létrehozott bevonatnak milyen mértékő élettartam növelı hatása van. Ennek megállapítására kopásálló bevonatot hoztam létre lézersugarasan szinterezett próbatesteken és acél referencia alapanyagon. A bevonatos darabokat szélsıséges koptató igénybevételnek tettem ki. Munkámban a következı kérdésekre kerestem a választ: -

Milyen vizsgáló módszerrel lehet a gyakorlat szempontjából hasznos összehasonlító adatokat nyerni a szálerısítéses mőanyag koptató igénybevételét jellemzı tribológiai viszonyok modellezéséhez?

-

Hogyan növelhetı a lézerszinterezéssel elıállított szerszám kopásállósága, ezáltal élettartama, valamint a vele legyártható alkatrészek számára?

-

Létre lehet-e hozni porózus fémtest felületén, tömör, kopásálló réteget lézersugaras felrakóhegessztéssel?

-

Hogyan csökkenthetık a kopásálló réteg elıállítási költségei?

-

Milyen mértékben növeli egy porózus, lézersugarasan szinterezett szerszám felületének kopásállóságát a kialakított réteg?

32

Sebestyén Tamás

3 3.1 3.1.1


KUTATÁSI MÓDSZEREK ÉS ESZKÖZÖK, BERENDEZÉSEK Az alkalmazott mérési módszerek és kísérleti berendezések A bot-tárcsa elven mőködı tribométer és mérés

Vizsgálataim célja - a BME-JJT és a TU-Wien IMFT együttmőködésében – a szelektív lézerszinterezéssel elıállított szerszámelemek tribológiai tulajdonságainak és koptató igénybevétellel szembeni megbízhatóságának megállapítása volt. A kutatási eredmények és a nyert információk alapul szolgálhatnak mőanyag fröccsöntı gyorsprototípus szerszámok, illetve szerszámelemek tervezéséhez és gyártásához. A lézerszinterezett szerszámelemek súrlódási és kopási jellemzıinek meghatározásához a TU-Wien IMFT nagy hımérséklető bot-tárcsa elven mőködı laboratóriumi tribométerét használtam. A berendezést és a mérési elvet a 12. és a 13. ábrák mutatják [132].

12. ábra. Nagy hımérséklető bot-tárcsa tribométer elrendezés fotója A bot-tárcsa elven mőködı tribométeren a próbatest a berendezés álló részéhez rögzített, a koptató ellendarab pedig vele szemben – adott normál erıvel a próbatest felületéhez nyomva – forog. Ennek a relatív elmozdulásnak és a felületeket egymáshoz szorító normál erınek a következményeként, a súrlódási erı hatására a szabadon elforduló próbatesttartó a tengelye körül elfordulva egy rögzített, de rugalmas hasáb alakú torziós elemnek nyomódik. A hasábra

33

Sebestyén Tamás


rögzített nyúlásmérı bélyeg deformációja alapján detektálható a súrlódási erıvel arányos nyomaték, amibıl pedig a súrlódási erı – a felvett kalibrációs görbe alapján - már számítható.

13. ábra. A nagy hımérséklető bot-tárcsa elven mőködı tribométer szerkezeti elrendezésének vázlata A bot-tárcsa tribométer mérési tartománya: - normál erı: 0…1500 N - fordulatszám (a koptatási sebesség a próbatest átmérıjétıl függ): 2…25 1/s - hımérséklet: szobahımérséklettıl kb. 1000 °C-ig. A kialakuló felületi nyomás konstans terhelı erı mellett az érintkezési felület nagyságának a függvénye. A próbatest és az ellendarab befogása az alkalmazáshoz módosított, a szinterezett próbatest a felsı tartóra rögzített, melynek forgási sebessége szabályozható. Ezzel szemben, az alsó félre kerül az ellendarab, a szálerısítéses mőanyag, melybıl 3 darab bot került fix befogással egy tárcsára ezzel is növelve a szálak szántó hatását. A botok a középponttól azonos távolságban, egymáshoz képest 120°-ra helyezkedtek el, gyakorlatilag egy körvonalon futva, azonos nyomon koptatva a próbatestet. A tárcsa az egyenletes teherelosztás érdekében egy csapágygolyóra támaszkodott. Ezen a csapágygolyón keresztül lehetett ráadni a terhelı erıt

34

Sebestyén Tamás


egy kar segítségével, ami az emelı elv alapján 5:1 arányban bizotsította a normál erıt a szabad végén ráakasztott tömeg függvényében. Az elrendezés (14. ábra) elınye, hogy az érintkezı felület nagysága a kísérlet során elvileg nem változik.

14. ábra. A próbatest és az ellendarab elrendezése a mérésnél Az elektromosan főtött kemencetér akár 800-1000 °C közötti hımérsékleten végzett kísérletekhez is megfelelı körülményeket biztosít. A szinterezett próbatestet és a mőanyag botokat tartó készülék a 15. ábrán látható.

15. ábra. Próbatest és ellendarab-tartó mérés utáni állapota Laboratóriumi vizsgálataim során a valós terhelési körülményeket próbáltam modellezni a fröccsöntéskor fellépı nyomás, hımérséklet és súrlódási sebesség közelítı értékeinek beállításával. Mint ismeretes, a szálerısítéses mőanyagok fröccsöntése erıteljes, fıként abrazív koptató igénybevételnek teszi ki a formát [133, 134]. Az általam választott terhelés

35

Sebestyén Tamás


nagyobb volt, mint az általában a hagyományos módon szinterezett fémek és fröccsöntött polimer siklócsapágyak tribológiai vizsgálatainál megszokott [63, 135-137]. Kísérleteim során három független változóval közelítettem a fröccsöntés valós körülményeit. Beállításaimat egyrészrıl a fröccsöntés valós gépadatai, másrészrıl a mőanyag ellendarabok (koptató elemek) teljes tönkremenetele korlátozta. Ezért a következı beállításokat alkalmaztam: - normál erı: 100… 1500 N (fajlagos terhelıerı: 2,5…37,5 N/mm2 ), - sebesség: 0,016 … 0,048 m/s, - hımérséklet: 23°C (szobahımérséklet)… 180°C. Az egyes kísérletek idıtartama 20...60 perc volt. Kísérleteim során kenıanyagot nem használtam. A levegı relatív páratartalma körülbelül 60 % volt.

Az egyes kísérletek elıtt a próbatestek felszínét ultrahangos tisztítóberendezés segítségével Castrol Clenvex AS40® oldatban tisztítottam meg az esetleges szennyezıdésektıl, valamint minden egyes vizsgálat elıtt mikrométerrel megmértem a próbatestek geometriáját, egy Hommelwerke LV 50 (TKL 300/155 Tastn.-R.-5 µm) típusú tős tapintó érdességmérıvel pedig a felületi érdességét. Kísérleteim során a súrlódási erıt (FN) és a vizsgált darabok (szinterezett győrő és szálerısítéses bot) együttes kopását mértem. A súrlódási erı változását egy a tribométerhez erısített, kalibrált nyúlásmérı bélyeg mérte. A szinterezett darab és az ellendarab együttes kopását egy Hottinger Baldwin Messtechnik (HBM) márkájú, indukciós elven mőködı útszenzorral követtem. A szenzor rezonancia-frekvenciáját a vasmag elmozdulása elhangolja, és egy frekvencia-feszültség váltó az úttal arányos feszültségértéket ad. A szenzor 400 µm/V pontossággal mért. A kísérletek után szintén mikrométer segítségével (0,005 mm pontossággal) mértem meg a kopott győrő magasságát, valamint a kopott botok hosszát. A győrő kopását annak köríve mentén, egymástól 90o-ra négy ponton mért érték átlagaként határoztam meg. A bot kopásaként feltüntetett adat az egyidejőleg befogott három bot egyenként mért értékeinek átlaga. Egy-egy beállítás mellett lehetıség szerint három kísérletet végeztem el. Az indukciós

36

Sebestyén Tamás


útszenzorral a kísérletek során és mikrométerrel a kísérletek után mért adatok a polimer mátrix plasztikus deformációjának következtében nem összevethetık, ezért az eredmények értékelésekor csak a mikrométeres méréseket vettem figyelembe. A mőanyag ellendarab kopási értékeit illetıen a következı megjegyzések szükségesek: adott terhelési beállítás mellett a mőanyag mátrix, a poliamid-imid – a kemencetér és a súrlódási hı hatására – elkezdett meglágyulni. Ezáltal a mért kopási adat a valós kopásból és a plasztikus deformációból tevıdik össze. Természetesen minél nagyobb a súrlódó felület hımérséklete, annál nagyobb a plasztikus deformáció mértéke az ellendarabon mért kopásértékben. Számomra azonban elsısorban a szinterezett fél tribológiai tulajdonságainak megismerése volt a cél, ezért az ellendarab kopását behatóbban nem vizsgáltam. A felületek között kialakult súrlódási együtthatót a mért súrlódási erı és a normál terhelı erı hányadosaként – az Amontons-tól származó, Coulombról elnevezett összefüggéssel számítottam:

µ=

FS FN

[96]

Az elsı kísérletsorozatomban alkalmazott bot-tárcsa tribométerrel végzett vizsgálatok nem váltották be teljesen a hozzájuk főzött reményt. A felmerült problémákat a következıképpen lehet összefoglalni: •

Az

alkalmazott

bot-tárcsa

elrendezés

az

általam

vizsgálni

kívánt

anyagpárosításnál az adott vizsgálati körülmények mellett nem volt alkalmas jól definiált és mérhetı kopási nyomok kialakítására. •

A kemencetér kísérleti hımérsékletre történı felfőtése hosszú idıt vett igénybe, és a nagy hımérsékleten végzett kísérletekben a bizonytalansági tényezık száma megnıtt, elsısorban az ellendarab polimer mátrixanyaga kilágyulásának és plasztikus deformációjának következtében.

•

Nem volt szerencsés a három bot alkalmazása sem, mivel bizonytalan volt a botok felfekvése a koptatandó felületen. Ez elsısorban akkor vált kritikussá, amikor nagyobb terhelési tartományokban a mőanyag ellendarabok kilágyultak. A bottárcsa elrendezéső modellnél elvileg az érintkezı felület nagysága a kísérlet során nem változik, a gyakorlatban azonban a rudak nem teljes felületükkel feküdtek fel

37

Sebestyén Tamás


a koptatandó felületen, így elıbb-utóbb egy olyan járulékos kopási vállfelület alakult ki, ahol a kopás során kialakult – a próbatest palástjával érintkezı - fal folyamatosan nıtt. Ezeket a problémákat jól ábrázolja a 16. ábra:

16. ábra. A nagy nyomás és hımérséklet hatására kopott és deformálódott botok

3.1.2

A módosított Brugger-teszt elvén mőködı tribométer és mérés

A bot-tárcsa tribométer alkalmazása során szerzett tapasztalatok alapján arra a következtetésre jutottam, hogy az alkalmazott vizsgálati módszer tekintetében célszerő lenne áttérni egy olyan tribométer használatára, ahol a próbatest és az ellendarab másféle elrendezésben van. A feladatra alkalmasnak mutatkozott egy siklócsapágyak vizsgálatára szolgáló tribométer, amelyet átalakítva, próbatesteimet a Brugger-tesztekhez hasonló módon vizsgálhattam [132]. A bevonatos próbatestek kopási és súrlódási tulajdonságait a TU-Wien IMFT Brugger-teszt elvén mőködı, módosított tribométerén vizsgáltam. A berendezés elvi kialakítását és nézeti képét a 17. és a 18. ábrák mutatják.

38

Sebestyén Tamás


17. ábra. A Brugger-teszt elvén mőködı módosított tribométer nézeti képe

18. ábra. A Brugger-teszt elvén mőködı módosított tribométer sematikus ábrája A Brugger tesztek során két egymásra merıleges tengelyő hengeres test kopásának alakulását vizsgálják. A Brugger-teszt elvén mőködı módosított tribométeren az álló hengeres próbatest és a rá merıleges tengelyő, forgó ellendarab kopását és súrlódási viszonyait vizsgáltam. Az ellendarab a tribométer motorja által hajtott tengelyre rögzített, az ellendarabbal szemben egy 10:1 arányú karon fixen ül a próbatest. A kar szabad végén terhelhetı, ami a próbatestet és ellendarabot egymáshoz szorító normál erıt biztosítja. Ahhoz, hogy próbatesteimet adaptálni tudjam a siklócsapágyak vizsgálatára épített tribométerre, egy speciális befogó elemre volt szükség. Ez az elem úgy lett kialakítva, hogy a hengeres próbatestet fixen fogja, lehetıvé téve annak palástfelületéhez való hozzáférést az ellendarabbal. Ezzel szemben, a próbatestre

39

Sebestyén Tamás


merıleges forgástengellyel forog a koptató ellendarab (szintén hengeres geometriájú), esetemben a szálerısítéses polimer. A befogás módja a 19. ábrán látható.

19. ábra. A próbatest befogásának módja A Brugger-teszt elvén mőködı módosított tribométer alkalmazásának jellemzıi: •

A kopás mértékének egzaktabb mérése lehetséges. A méréseket zavaró rezonancia hatása kisebb (alacsonyabb zajszint), tehát a méréssel pontosabb súrlódási együttható értékek nyerhetık.

•

Nagyobb koptatási sebesség állítható be, mint a bot-tárcsa berendezésnél, ezáltal gyorsított tesztként jelentısen csökkent a kísérletekhez szükséges idı, ugyanakkor a szobahımérsékleten végzett kísérletek során kialakult kopás mértéke is nagyobb volt.

•

A berendezés kialakításából következıen (pontszerő érintkezési felület, nyomásra érzékeny fólia lenyomatának nagysága alapján mérve) a kopás során az érintkezési felület folyamatosan változik (növekszik), ezért a fajlagos nyomás is pillanatról pillanatra másodfokú függvényként csökken. A kísérleti eredmények természetesen ennek ellenére összehasonlíthatók egymással, különös tekintettel arra, hogy a súrlódási munka jól definiálható. A tribológiában a – jellemzıen siklócsapágyakban alkalmazott - poliamidok terhelhetıségét az ún. pv értékkel jellemzik. A pv érték a nyomás (p) és a sebesség (v) szorzataként adódik [138]. A Brugger-teszt elvén mőködı módosított tribométer használatával elkerülhetetlen, hogy a pv érték a kopási folyamat során ne változzon, hiszen az érintkezési felület is folyamatosan változik (növekszik). Így a pv érték a kísérlet kezdeti állapotában – terheléstıl

40

Sebestyén Tamás


függıen – körülbelül 10-17 N/mm2*(m/s) értékrıl indul, és a kopási folyamat során folyamatosan csökkenve végül a 4 és 6 N/mm2*m/s közötti értéket éri el (20. ábra). •

A fixen befogott próbatesttel szemben forgó szálerısítéses polimer felületének lehetısége van pillanatnyi relaxációra (regenerálódásra), mivel a forgás miatt nincs állandó kontaktusban a próbatesttel, így a fém felületét egy relatíve megújult, hőlt mőanyag felület koptatja.

20. ábra. A pv érték jellemzı alakulása az idı függvényében A tribométer lehetıséget nyújt a normál erı és az ébredı súrlódási erı mérésére. A pillanatnyi normál erırıl a terhelı karra erısített nyúlásmérı bélyeg ad információt. Az ébredı súrlódási nyomatékot egy - a bot-tárcsa tribométeréhez hasonló módon elhelyezett – nyúlásmérı bélyeg detektálja. A súrlódási erı a súrlódási nyomatékból a kalibrációs görbe alapján számítható. A Brugger-teszt elvén mőködı módosított tribométer alkalmazási határai: - terhelhetıség (normál erı): 0…1000 N; - fordulatszám: 0…500 1/s (a koptatási sebesség az ellendarab átmérıjétıl függ). A kísérletekhez a változókat is az elızı kísérletek, a vizsgáló berendezés lehetıségeinek, valamint a modellezés követelményeinek megfelelıen választottam:

41

Sebestyén Tamás


- normál erı: 50; 60; 72; 84; 97; 110 N; - sebesség: 0,15; 0,30; 0,45; 0,60; 0,75; 0,90, 1,2 m/s; - hımérséklet: szobahımérséklet (23°C). Az egyes kísérletek idıtartama 5 perc volt. A vizsgálatok során továbbra sem használtam kenıanyagot. A levegı relatív páratartalma körülbelül 60 % volt. A kísérletek elıtt megmértem a próbatestek geometriáját, illetve felületi érdességét. A bevonatos próbatestek köszörülése átlagosan 0,6–0,7 µm-es Ra felületi érdességet adott. Természetesen ezeknek a daraboknak a felületét is Castrol Clenvex AS40®-nel tisztítottam, zsírtalanítottam. A mőanyag ellendarabok palástját esztergálással készítettem elı. A nyúlásmérı bélyegeken mért erı értékeket egy Spider 8 600Hz erısítın keresztül egy Catman 3.0 verziójú szoftver segítségével győjtöttem, majd szintén számítógép segítségével értékeltem. A kopást optikai úton, mikroszkóp segítségével mértem meg, a kopási ellipszoid területét pedig közelítı számítással határoztam meg a Brugger-tesztekre elıírt szabványnak megfelelıen [139].

3.2 3.2.1

A vizsgálati anyag A szelektív lézerszinterezéssel kialakított győrők tulajdonságai

Vizsgálataim elsı felében próbatestként Ni-ötvözéső foszforbronz-porból (EOSINT M Cu 3201) CO2 lézersugárral szinterezett győrőket alkalmaztam. A gyorsprototípus-gyártók körében ennek a - próbatestek alapanyagául szolgáló - ötvözetnek az alkalmazása széles körben elterjedt, ezért esett az én választásom is erre az anyagra. A szelektív lézerszinterezéssel létrehozott darabokat a BME-JJT bocsátotta rendelkezésemre. Az EOSINT M Cu 3201 márkanevő por össszetételét a gyártó nem publikálja. Az energiadiszperz mikroelemzés (EDAX) alapján az EOSINT M Cu 3201 ötvözet összetevıi a következık voltak (21. ábra):

42

Sebestyén Tamás


21. ábra. Szinterezett próbatest alapanyagának EDAX-os felvétele A szinterezés alapanyagául 50 µm átlagos szemcsemérető por szolgált. A győrők geometriája (külsı átmérı 27 mm, belsı átmérı 14 mm, magasság 20 mm) a kísérleti berendezés kívánalmainak megfelelıen került kialakításra. A porozitás a próbatestek teljes keresztmetszetében iránytól függetlenül állandó, értéke pedig 20-25 % között mozgott. A 22. ábrán jól megfigyelhetı a szinterezett fém szemcsék részleges megolvadása és összenövése. Az elektronmikroszkópos felvétel kiváló képet nyújt arról, hogy a lézerszinterezés során egyes szemcsék nagyobb deformáció nélkül tartották meg gömb alakjukat.

22. ábra. Szinterezett próbatest eredeti felületének elektronmikroszkópos felvétele

43

Sebestyén Tamás


A súrlódó felületek tribológiai vizsgálatához a próbatestek felületét esztergálással készítettem elı és P 40 W minıségő csiszolópapírral finomítottam, melynek következtében a felület kopott, elkenıdött. A próbatestek elıkészített felületén közel 130±2 HV0,5 keménység volt mérhetı [140, 141]. Az elıkészített állapotot mutatja a 23. ábra.

23. ábra. Szinterezett próbatest elıkészített (csiszolt) felületének elektronmikroszkópos felvétele 3.2.2

A lézersugaras felrakó hegesztéssel bevont próbatestek jellemzıi

A lézersugaras felrakó hegesztés során jogosnak látszott egy viszonylag olcsó, relatív könnyen hozzáférhetı anyaggal felvetetni a versenyt a már jól bevált – kereskedelmi forgalomban beszerezhetı – kobaltbázisú ötvözettel szemben. Így esett a választásom a vaskohászatból ismert, nagy bórtartalmú FeB metallurgiai elıötvözetre. Lehetıségem adódott a kétféle bevonat összevetésére két különbözı szubsztrátumon, valamint a bevonatos próbatesteknek a bevonat nélküli szinterezett darabokkal szembeni minısítésére is. A kobaltbázisú ötvözet összetétele (w %): C 0,76 / Mn 0,31 / Fe 3,13 / Si 2,48 / Ni 13,13 / Cr 19,23 / W 7,75 / B 1,79 / Co Bal. A vasbázisú FeB ötvözet összetétele (w %): B 19 / Si 2,11 / C 0,44 / Fe Bal.

44

Sebestyén Tamás


A ferrobór a vas és a bór kétalkotós ötvözeteként is vizsgálható, melynek bórtartalma 17,5 és 20 % között változik. Ez az elıötvözet az acél és más vasalapú ötvözetek olcsó adalékanyaga, általában gyengén ötvözött acélok edzhetıségének javítására használják [142, 143]. Az FeB ötvözet a kísérletek elıtt 40-50 mm átmérıjő rögök formájában állt rendelkezésre, amit ırléssel aprítottam, majd szitákkal osztályoztam, hogy a poradagoló számára kedvezı mérető - 45…75 µm átmérıjő - szemcséket kapjak. A kísérletek következı fázisát megalapozó elıkísérletek során összesen öt különféle próbatestet vizsgáltam, ezek egyrészrıl a már vizsgált szinterezett, bevonat nélküli, másrészrıl lézersugárral bevont próbatestek voltak. A következı bevonatos próbatesteket vizsgáltam: -

szinterezett alapú próbatest kobaltbázisú lézersugaras bevonattal,

-

szinterezett alapú próbatest vasbázisú (FeB) lézersugaras bevonattal,

-

acél alapú próbatest kobaltbázisú lézersugaras bevonattal,

-

acél alapú próbatest vasbázisú (FeB) lézersugaras bevonattal.

A bevonatos próbatestek alapjául tehát a már korábban is használt szinterezett foszforbronz valamint gyengén ötvözött acél szolgált. A 9SMn28 (DIN 1651-88) hıkezeletlen acél összetétele (w %): C 0,12 / Si 0,02 / Mn 1,18 / P 0,009 / S 0,285 / Fe Bal. Kísérleteim szempontjából a bórt kell a vas fontos ötvözıjének tekintenem, ezért át kellett tekinteni a Fe-B kétkomponenső fázisdiagramját [144]. A 19 % B tartalom esetén a FeB fázis mennyisége a meghatározó. Lézersugaras felületötvözés során, az ötvözet vassal történı hígulása esetén az Fe2B fázis megjelenésével és mennyiségének növekedésével kell számolni. Az ötvözet bórtartalmának 8,5 % alá csökkenése esetén már a ferrit fázis is megjelenik. A vas-bór egyensúlyi fázisdiagram (24. ábra) két eutektikum képzıdésének lehetıségét mutatja [145], melyek közül esetünkben a γ-Fe és a Fe2B 1147 °C-on képzıdı, kb. 4 % B tartalmú eutektikum kialakulásával számolhatunk.

45

Sebestyén Tamás


24. ábra. A vas-bór fázisdiagram [145] 3.2.2.1 A bevonatos próbatestek elıállítása Lézersugaras bevonásnál a bevonat anyagát a megmunkálandó felületre kell juttatni. Ez egyvagy kétlépéses technikával oldható meg. Kísérleteimhez az egylépéses technikát választottam. Ennek alkalmazására jellemzı, hogy a port a lézersugár által megolvasztott tócsába fújják, a port vivı gázáram egyben a védıgáz funkcióját is ellátja (25. ábra).

25. ábra. Lézersugaras felrakó hegesztés egylépéses technikával

46

Sebestyén Tamás


A tíz mikrométeres nagyságrendbe tartozó porszemcsék már a lézersugáron való áthaladás közben részben megolvadnak. Nem szükséges, hogy az olvadéktócsába már megolvadt szemcsék csapódjanak be, mert a teljes megolvadás és ötvözés úgyis a tócsában következik be. Lényeges viszont, hogy az alapanyag egy vékony rétegben megolvadjon, mert a beérkezı szemcsék csak ilyenkor tudnak megfelelıen erıs kötést kialakítani a bevonandó fémmel. A lézersugár teljesítményének szabályozhatósága még bonyolultabb térbeli alakzatok esetében is lehetıvé teszi a felületi jellemzık pontról-pontra történı alakítását. A lézerteljesítmény és a pormennyisség megfelelı beállításával egyenletes, az alapanyaghoz erıs kohézióval kötıdı felületet kaptam. A bevonatos próbatestek elıkészítéséhez, a bevonatok felviteléhez a BAYATI 5 kW-os TRUMPF TLC 105 márkájú, öttengelyes, repülıoptikával ellátott, modulrendszerő CO2 lézerberendezését használtam. A lézerrendszer kiépítése a feladatokhoz igazodóan szabadon módosítható. A 26. ábra a teljes, hattengelyes kiépítést szemlélteti. A berendezés teljesítményét 1 %-os lépésekben lehet szabályozni 50 W-tól egészen 5000 Wig. Üzemállapota lehet folyamatos vagy impulzus a 100 Hz-tıl 100 kHz-ig terjedı frekvenciatartományban.

A megmunkálás tere: X tengely: 0 ... 1250 mm, Y tengely: 0 ... 1000 mm, Z tengely: 0 ... 400 mm. A szögtengelyek igénybevétele szőkítheti, illetve bıvítheti a megmunkálási tartományt. Ebben az esetben az X tengely maximális hossza 850 illetve 1550 mm, az Y tengely hossza pedig 600 illetve 1300 mm lesz, figylembevéve, hogy általában térbeli megmunkálásnál szőkül, síkmegmunkálásnál pedig bıvül a rendelkezésre álló tér. Forgástengelyek: B tengely: Y tengely körül -120 ... +120° tartományban, C tengely: Z tengely körül többszöri körbeforgási lehetıséggel.

47

Sebestyén Tamás


26. ábra. A háromdimenziós megmunkálásra alkalmas TLC 105 lézercella teljes kiépítésben [146] A repülıoptika alá betehetı legmagasabb megmunkálandó munkadarab: 1200 mm. A lineáris tengelyek (X, Y, Z) mozgási sebessége 1 ... 50000 mm/perc. A forgótengelyek (B, C) mozgási sebessége 0,001 ... 60 fordulat/perc. A lineáris tengelyek maximális gyorsulása 4 m/s2. A forgótengelyek maximális gyorsulása: B tengely: 100 fordulat/s2, C tengely: 50 fordulat/s2. A legkisebb programozható mozgási távolság 0,01 mm. Pozicionálási eltérés a teljes megmunkálási tartományban maximum ± 0,01 mm [092].

A bevonáshoz optimálisnak látszott a hengeres geometriájú próbatest forgatótengelyhez történı rögzítése, mivel így a por szórása a lézerfej álló helyzetében történhetett. A porszórást egy speciális fejjel végeztem, mely egy Sultzer Metco Twin 10 típusú

48

Sebestyén Tamás


poradagolóhoz csatlakozott. A készülék, amely a por mennyiségének, a védıgáz pontos adagolására és a por főtésére is alkalmas, lehetıvé teszi a szemcsék összetapadásának elkerülését. A cél egy összefüggı, egyenletes, homogén felület kialakítása volt. A próbatesteket egy forgatótengelyre

fogva

8 mm

hosszon

vontam

be.

A

forgatótengely

sebessége

5,55 fordulat/min volt, ami 500 mm/min kerületi sebességet biztosított. A lézeres megmunkálófej a bevonandó próbatest fölött, a forgástengellyel párhuzamosan állandó 8 mm/min-es relatív sebességgel haladt a felülettıl olyan távolságban, hogy a megmunkálási síkban 2 mm átmérıjő fókuszfoltot biztosítson. A port 2 l/min mennyiségő gáz szállította, a védıgáz felületre jutó mennyiségét 8 l/min-re állítottam be. Az így elıkészített próbatestek köszörülés után kerültek tribológiai vizsgálatra, így biztosítva az azonos vizsgálati körülményeket. A bevonatos próbatestek elıállításához alkalmazott kísérleti beállításokat - melyeket egyrészt korábbi tapasztalataimra, másrészt a szemrevételezéses és a metallográfiai (27-37. ábraa) vizsgálati eredményekre alapoztam - az 5. táblázat foglalja össze. 5. táblázat. A lézersugaras felrakó hegesztés paraméterei 1.

2.

3.

4.

5.

6.

Kísérleti beállítás Vasbázisú bevonat acél alapon Lézerteljesítmény: P = 30 % (1500 W) Pormennyiség: m = 14,13 g/min Axiális sebesség: v = 6 mm/min Vasbázisú bevonat acél alapon Lézerteljesítmény: P = 15 % (750 W) Pormennyiség: m = 4,88 g/min Axiális sebesség: v = 12 mm/min Vasbázisú bevonat acél alapon Lézerteljesítmény: P = 15 % (750 W) Pormennyiség: m = 7,8 g/min Axiális sebesség: v = 10 mm/min Kobaltbázisú bevonat acél alapon Lézerteljesítmény: P = 15 % (750 W) Pormennyiség: m = 7,8 g/min Axiális sebesség: v = 10 mm/min Vasbázisú bevonat acél alapon Lézerteljesítmény: P = 15 % (750 W) Pormennyiség: m = 9,75 g/min Axiális sebesség: v = 8mm/min Kobaltbázisú bevonat acél alapon Lézerteljesítmény: P = 15 % (750 W) Pormennyiség: m = 9,75 g/min Axiális sebesség: v = 8 mm/min

Észrevétel Nem megfelelı, réteghiányos felület

Nem megfelelı, réteghiányos felület



Megfelelı bevonat

Megfelelı bevonat

49

Sebestyén Tamás

7.

8.

9.

10.


Kísérleti beállítás Kobaltbázisú bevonat szinterezett alapon Lézerteljesítmény: P = 15 % (750 W) Pormennyiség: m = 9,75 g/min Axiális sebesség: v = 8 mm/min Vasbázisú bevonat szinterezett alapon Lézerteljesítmény: P = 15 % (750 W) Pormennyiség: m = 9,75 g/min Axiális sebesség: v = 8 mm/min Kobaltbázisú bevonat szinterezett alapon 1. réteg: Lézerteljesítmény: P = 15 % (750 W) Pormennyiség: m = 9,75 g/min Axiális sebesség: v = 8 mm/min 2. réteg: Lézerteljesítmény: P = 20% (1000 W) Vasbázisú bevonat szinterezett alapon 1. réteg: Lézerteljesítmény: P = 15 % (750 W) Pormennyiség: m = 9,75 g/min Axiális sebesség: v = 8 mm/min 2. réteg: Lézerteljesítmény: P = 20 % (1000 W)

Észrevétel Nem megfelelı, réteghiányos felület


Megfelelı bevonat

Megfelelı bevonat

27. ábra. Kobaltbázisú bevonattal ellátott szinterezett próbatest keresztmetszeti képe [147]

28. ábra. Vasbázisú bevonattal ellátott szinterezett próbatest keresztmetszeti képe [147]

50

Sebestyén Tamás


3.2.2.2 A bevonatos próbatestek metallográfiai vizsgálata A következı ábrák (29-33. ábra) a vasbázisú bevonattal ellátott tömbi acél próbatest keresztmetszeti képeit mutatják. A 29. ábrán az acél alapanyag és a vasbázisú bevonat határa látható. A lézersugaras kezelés hatására az olvadék alatt az acél α−γ−α fázisátalakuláson esett át. Kis karbontartalma következtében a hagyományos értelemben vett martenzit szövetelem nem várható, de a gyorshőtésre jellemzı tős szerkezet egyértelmően felismerhetı. Részleges megolvadásra utal az alapanyag és a bevonat közötti határ hullámossága, ami eredetileg a metszeti képen egyenes vonal lenne. A lézersugaras megmunkálás során részlegesen megolvadt alapanyag Fe-tartalma a réteg és az alapanyag határán a rétegben dúsult. A rétegben tehát az alapanyag-réteg határtól kiindulva az Fe-tartalom csökken, a bórtartalom pedig értelemszerően nı. Ezért a határhoz közel α-Fe és Fe2B eutektikuma, illetve Fe2B fázis található. A határtól távolabb esı részen már megjelenik az FeB fázis is.

29. ábra. Vasbázisú ötvözettel bevont tömbi acél próbatest keresztmetszeti képe A nagy B-tartalmú réteg metszeti metallográfiai képén (30. ábra) elfajult eutektikus és primer FeB szövetelemeket láthatunk.

51

Sebestyén Tamás


30. ábra. Vasbázisú ötvözettel bevont tömbi acél próbatest keresztmetszeti képe (réteg) Az elızıekhez hasonló szövetszerkezeti jelenségeket láthatunk a 31. ábrán azzal a különbséggel, hogy a különbözı Fe- ill. B-tartalmú anyagrészek a kialakult szövetszerkezeti viszonyok miatt jobban elkülönülnek egymástól. Az átmeneti zóna, ami kb. 40-50 µm vastagságú, α-Fe és Fe2B fázisokkal jellemezhetı. A keménységi viszonyok alakulását a keresztmetszetben kiválóan szemlélteti a 32. ábra, amin a Vickers-keménységmérési lenyomatok is láthatók.

31. ábra. Vasbázisú ötvözettel bevont tömbi acél próbatest keresztmetszeti képe (átmeneti zóna) [148]

52

Sebestyén Tamás


32. ábra Vasbázisú ötvözettel bevont tömbi acél próbatest keresztmetszeti képe (átmeneti zóna)

A 33. ábra acél alapanyagra felvitt kobaltbázisú réteg keresztmetszeti képét mutatja. A lézersugár segítségével létrehozott réteg szilárdoldat típusú. Itt is megfigyelhetı az alapanyag részleges megolvadása és az ennek következtében kialakult vékony átmeneti réteg. A szilárdoldat típusú mátrixban a felrakott réteg összetételébıl következıen intermetallikus fázisok (karbid, borid és szilicid) finom eloszlása található, melyek szemcsemérete kicsiny.

33. ábra. Kobaltbázisú ötvözettel bevont tömbi acél próbatest keresztmetszeti képe (átmeneti zóna) A következı néhány ábra (34-37. ábra) a vasbázisú és kobaltbázisú bevonattal ellátott szinterezett foszforbronz próbatest keresztmetszeti felvételeit mutatja.

53

Sebestyén Tamás


34. ábra. Vasbázisú ötvözettel bevont szinterezett foszforbronz próbatest keresztmetszeti képe (réteg)

35. ábra. Vasbázisú ötvözettel bevont szinterezett foszforbronz próbatest keresztmetszeti képe (réteg) A szilárdoldat típusú bevonat a foszforbronz buborékaival terhelt. A mikrokeménységi lenyomatok alapján jól látható az alapanyagétól lényegesen eltérı keménység (36. ábra). A beolvadási szituáció az elızıekkel megegyezı.

54

Sebestyén Tamás


36. ábra. Kobaltbázisú ötvözettel bevont szinterezett foszforbronz próbatest keresztmetszeti képe (réteg)

37. ábra. Kobaltbázisú ötvözettel bevont szinterezett foszforbronz próbatest keresztmetszeti képe (réteg) A keresztmetszeti felvételek tanúsága szerint foszforbronz alapanyagon mindkét réteg jellegében nagy hasonlóságot mutatva - dendritesen kristályosodott. A legszembetőnıbbek a rétegbe „fagyott” buborékok voltak, amelyeket egyértelmően és kizárólag a szinterezett próbatestek bevonásánál tapasztaltam, elsısorban a réteghatár közelében. Ezek a buborékok annak következményeként alakulhattak ki, hogy a lézersugaras felületkezelés hatására a szinterezett alapanyag legfelsı rétege megolvadt és a porozitások buborékként összeállva a 55

Sebestyén Tamás


felszín felé törtek a kisebb viszkozitású olvadékfürdıben. Ez a folyamat mindaddig mőködött, amíg a marginálisan olvadt felszín és bevonat újra meg nem szilárdult. Várakozásaim szerint a vasborid bevonatnak - elsısorban nagy bórtartalma miatt - amorf, üveges szerkezetet kellett volna alkotnia. Annak, hogy ez nem teljesült, több oka lehet, elsısorban az hogy az alapanyag – méreténél fogva - kis hıkapacitása és a sávos felületkezelés, a sávok elkerülhetetlen egymásmellettiségébıl adódó „extra” hımennyiség hatása a szükségesnél lassúbb hőlési sebességet eredményezett. Feltehetıen ennél lényegesen nagyobb szerepe van annak, hogy az olvadék jól nedvesíti az alatta lévı kristályos állapotú anyagot, ami az epitaxiális kristályosodást segíti elı. Ezt az elvégzett röntgen-diffrakciós vizsgálat is megerısítette, ahol a jelentkezı csúcsok egyértelmően kristályos anyagot jeleznek a rétegben (38. ábra).

38. ábra. A ferrobórral bevont felület röntgen-diffrakciós vizsgálatának eredménye

Annak ellenére, hogy a próbatestek maratott metszeti csiszolatához fénymikroszkópos vizsgálati eredményei szerint többffázisú szövetszerkezet jelenléte feltételezhetı a rétegben, a diffrakciós felvételeken nagyon kevés reflexiós csúcs található. Az alapvonal egyenletessége arra utal, hogy a vizsgált anyag nem amorf. Valószínő, hogy a lézersugaras

56

Sebestyén Tamás


kezelés során, a nagy termikus gradiens következtében erısen irányított kristályosodás zajlott le, ami számos reflexiós csúcs elmaradását eredményezte. A röntgen-diffrakciós mérés során a Cu K alfa sugárzás (λ = 0,15419 nm) körülbelül 10 µm mélységig hatol be Fe-alapú minták esetében. A keménység keresztmetszet szerinti eloszlása az egyes anyagpárok esetében jól mutatja a réteghatárokat és az átmeneti zónákat. Megfigyelhetı az is, hogy míg a kobaltbázisú bevonat keménysége 700–800 HV0,2, addig szinterezett alapanyag esetében a FeB bevonat keménysége 1200 HV0,2 fölötti értékeket is mutatott (39. és 40. ábra).

39. ábra. Bevonatok keresztmetszeti keménysége acél próbatesten

40. ábra. Bevonatok keresztmetszeti keménysége szinterezett próbatesten 57

Sebestyén Tamás


A kobalt alapú bevonat keménysége acél alapanyag bevonása esetén nem változott jelentısen, a FeB bevonat keménysége azonban megközelítette az 1500 HV0,2-s értéket. Az átmeneti zónában valószínőleg a bór nagy olvadáspontjának köszönhetıen kialakult bórkarbid szemcsék jelenléte miatt lehet az átlagos keménység 850 HV0,2 körül acél alapanyag esetében. Az alapanyag szívósságát nem befolyásolja nagymértékben a közvetlenül az olvadási határ alatt martenzitesen átalakult, majd megeresztıdött alapanyag, mely a réteg alatt durva tős szerkezető. Az anyag belseje felé finomabb tős bainit látható, ami alatt már az alapanyag eredeti ferrit-perlites szemcséi vehetık ki (29. ábra). Szinterezett próbatestek esetében nagyobb felkeveredés figyelhetı meg az átmeneti zónában, ami a keménység fokozatosabb átmenetében tükrözıdik. A szinterezett próbatestek felületkezelése során tapasztalt nagyobb mértékő felkeveredés valószínőleg a foszforbronz alapanyag kisebb olvadáspontjának következménye.

3.2.3

A szálerısítéses mőanyag ellendarab szerkezete, tulajdonságai

Kísérleteimhez üveg-, illetve karbonszállal erısített mőanyagot választottam, ahol a kemény szálak szántó, abrazív koptató hatása erıteljes. Kezdetben üvegszállal erısített poliamidimiddel, majd poliéter-éterketon (PEEK), illetve polifenilén-szulfid (PPS) típusú ún. nagyteljesítményő mőszaki mőanyagokkal végeztem a vizsgálatokat, különféle típusú erısítı szálakkal. A 41. ábra világosan mutatja, hogy ezek a mőanyagfajták döntıen nagy olvadáspontú, nagy terhelhetıségő, ugyanakkor drága anyagok (az egyenlıszárú háromszög jobb felsı részén helyezkednek el). Célszerőnek látszott összevetni az említett mőanyagok hatását, azért hogy a kísérletek során lehetıleg minél agresszívabb igénybevételnek tehessem ki a szinterezett, illetve bevonatos darabokat. Az összevetés eredményeként ellendarabnak azt az anyagot választottam, amely a vizsgált próbatesteken a legmarkánsabb kopást eredményezte.

58

Sebestyén Tamás


41. ábra. A mőanyagok egy lehetséges osztályozása teljesítmény, ár illetve alapszerkezet szerint [24]

A bot-tárcsa elrendezéső kísérletekben az ellendarab üvegszállal erısített poliamid-imid volt. Az erısítı szálak átmérıje ~0,01 mm, hosszuk 0,25-0,35 mm volt. A mátrixban az üvegszál ~10-15 térfogatszázalékban és ~40 tömegszázalékban volt jelen. Az ellendarab, vagyis a bot 15 mm hosszú, 5 mm átmérıjő henger volt. Az erısítı üvegszálak orientációja a köpeny mentén azzal párhuzamos, középsı részén többségében véletlenszerő elhelyezkedést mutatott, ahogy azt a 42. ábra is mutatja. A poliamid-imid aktív – súrlódó – felületét esztergálással készítettem elı. A megmunkált felület érdessége a mérések szerint Ra = 4– 6 µm volt.

42. ábra. Az üvegszállal erısített ellendarab keresztmetszeti képe 59

Sebestyén Tamás


A módosított Brugger-teszt alapján végzett kísérletek ellendarabjaként háromféle nagyteljesítményő szálerısítéses mőanyagot használtam: - KRECA CHOP M-107T:

polifenilén-szulfid (PPS) 30 % karbonszállal,

- DSM KETRON PEEK–GF 30:

poliéter-éterketon (PEEK) 30 % üvegszállal,

- DSM PEEK–CF:

poliéter-éterketon (PEEK) 70 % karbonszállal (45° ply).

Ezeknek az anyagoknak a szálirányítottsága a ply kivételével véletlenszerő elrendezıdést mutatott. A polimer ellendarabok esztergálás után kerültek tribológiai vizsgálatra, így biztosítva az azonos vizsgálati körülményeket. Az esztergálás a megmunkált koptató felületen Ra = 1–2 µm érdességet eredményezett. Az elıkísérletek alapján a három, az ipari alkalmazásokban közkedvelt és elterjedt mőanyagtípus közül a KRECA CHOP M-107T márkanevet viselı koptató hatása volt a legjelentısebb, ezért a vizsgálatok súlypontját képezı részét az ebbıl az anyagból készült ellendarabokkal végeztem. A KRECA CHOP M-107T mátrixelemeként alkalmazott PPS alkalmazási területe elsısorban a légi közlekedés, a nukleáris-, a vegyi-, az elektromos- és az autóipar, ahol fogaskerekek, szivattyúelemek, tömítések, szelepülékek, csúszóelemek, elosztódugattyúk és készülékrészek formájában jelenik meg. A PPS fı tulajdonságai a következık: -

nagy mechanikai szilárdság, merevség és keménység;

-

magas felsı alkalmazhatósági hımérséklethatár (200-250 ºC);

-

kiváló vegyszerállóság;

-

jó folyási szilárdság nagy hımérsékleten is;

-

kiváló kopásállóság különbözı üzemi körülmények között;

-

nagy méretstabilitás;

-

tartós lángellenállás és kevés füstképzıdés tőz esetén;

-

jó elektromos szigetelési tulajdonságok és kedvezı dielektromos viselkedés [149]

A PPS-mátrix adalékanyaga Kreka Chop szál. A japán Kureha Carbon Fiber cég - mely a világon elsıként fejlesztett ki szurokalapú karbonszálat - tájékoztatása szerint a Kreca Chop aprított szál (sörte), amelynek jellemzıje a nagy szilárdság, jó kopás-, hı- és korrózióállóság. A szurokalapú szénszálak kiváló tulajdonságokkal rendelkeznek: kis tömeg, nagy szilárdság, kopásállóság és elektromos vezetés, valamint kiváló ár-teljesítmény viszony. A Kreca Chop

60

Sebestyén Tamás


alkalmazható különbözı szénszál-erısítéső kompozitok összetevıjeként, pl. CFRC (karbonszálas beton), CFRP (karbonszálas mőanyag) és CFRR (karbonszálas gumi), fontos helyettesítıje az azbesztnek fékbetétekben és tömítésekben is. Sok helyen alkalmazzák az autó- és gépgyártásban, az építıiparban, az energiaszektorban és az optoakusztikus eszközök gyártásában is [150].

61

Sebestyén Tamás

4 4.1 4.1.1


TRIBOLÓGIAI VIZSGÁLATOK EREDMÉNYEI Tribológiai vizsgálatok eredményei bot-tárcsa módszerrel A bot-tárcsa kísérletek során mért kopási jellemzık

A bot-tárcsa vizsgálatok során a kezeletlen szinterezett foszforbronz próbatestek üvegszállal erısített poliamid-imiddel szembeni kopását vizsgáltam. A kopás mértékét kétféle módon mértem. Egy indukciós útszenzorral a próbatest és az ellendarab együttes kopását mértem a koptatás ideje alatt, megismerve ezáltal a kopási folyamat idıbeni változását. Az egyes darabok koptatás elıtti és utáni geometriáját – így a szinterezett próbatesten, valamint a szálerısítéses mőanyag ellendarabon bekövetkezı kopást – pedig mikrométerrel tudtam mérni. Mivel a mőanyag ellendarabok kopása jóval nagyobb volt, mint a szinterezett foszforbronz daraboké, ráadásul a mőanyag ellendarabok plasztikus deformációja is erısen befolyásolta a méretváltozást, az együttes kopás mérése valójában csak csekély mértékben járult hozzá a foszforbronz kopási folyamatának megértéséhez. Természetesen több hasznosítható információt nyújtott a próbatestek és az ellendarabok külön-külön történı mikrométeres mérése. A próbatest kopásának meghatározása azonban még így is igen nehéznek bizonyult, annak meglehetısen kis mértéke miatt. Nem fedezhetı fel összefüggés a bot-tárcsa tribométerrel meghatározott mérési eredmények és a vizsgálati anyagok kopása, illetve a vizsgálati körülmények között. Ez a hagyományos mérési módszer a kitőzött feladat végrehajtására, a cél elérésére tehát nem alkalmas (43. ábra).

43. ábra. A kezeletlen szinterezett foszforbronz próbatestek kopásának alakulása

62

Sebestyén Tamás


A koptatási sebesség és a kísérlet idıtartama alapján a koptatási utak hossza 28,8 és 172,8 m között változott. Mivel a tőrés a kialakítandó darab méretétıl függ (3 táblázat), a munkadarab mérete pedig a koptatási út hosszával függ össze, a létrehozható sorozatnagyság is a darab méretének a függvénye. Feltételezésem szerint 6 mm-esnél kisebb alkatrész fröccsöntése a szinterezett szerszám felületi érdessége miatt nem ésszerő. A koptatás során megtett legrövidebb út: 28,8 m azaz 28800 mm volt. A koptatás során keletkezett legnagyobb kopás 0,26 mm volt. A 6 mm-es fröccsöntött munkadarab legszigorúbb tőrése 0,16 mm, az ugyanehhez a tőrésmezıhöz tartozó legnagyobb munkadarab hossza pedig 18 mm. Figyelembe véve, hogy a kopási úthossz a darab – adott tőréshez tartozó legnagyobb hosszának 28800 / 18 = 1600-szorosa, kizárólag az úthosszból számítva a fröccsönthetı darabszám 1600 lenne. Ebbıl azonban nem derül ki, hogy valójában hogyan alakult a kopás és a mérettőrés viszonya, a szerszám ugyanis csak addig használható, amíg a vele elıállított munkadarabok mérete az elıírt tőréshatáron belül marad. A teljes kopást elosztva a fröccsöntés tengelyével megegyezı irányban megkapott darabszámmal megkapjuk a kopás fröccsöntési ciklusonkénti nagyságát. A tőrést ezzel a ciklusonkénti kopással elosztva adódik a valódi elméleti fröccsönthetı darabszám. Számításomban a következı rövidítéseket és definíciókat használtam: s: koptatási út

t: tőrés

l: munkadarab hossza

wt: teljes kopás

nx: ciklusszám (x)

ny: ciklusszám (y)

A fröccsöntés irányában: nx =

s 28800mm = = 1600 . l 18mm

A tőrés és a kopás viszonyában:

t =

wt n nx

amibıl ny kifejezésével:

63

y

,

Sebestyén Tamás


ny =

t 0,16mm nx = 1600 = 984,6 , wt 0,26mm

azaz 984 darab. 250 mm-nél nagyobb darabbal számolva – a fenti számítás analógiáját követve – az eredmény 664 darab lesz. A 6. táblázat ezt a - tribológiai kísérletekbıl származó legnagyobb kopás figyelembevételével – becsült fröccsöntési sorozatnagyságot mutatja. Számításomban igyekeztem a legszigorúbb, legelınytelenebb feltételekkel megbecsülni, és ezáltal minimum értéke felıl közelíteni az adott körülmények között elvégezhetı fröccsöntési ciklusok számát. 6. táblázat. A fröccsöntött munkadarab mérete alapján feltételezett legkisebb fröccsönthetı darabszám

A legkedvezıtlenebb kopás esetében elméletileg legyártható darabsszám 4.1.2

A fröccsöntött munkadarab névleges mérete: 6-18 mm

A fröccsöntött munkadarab névleges mérete: 250 mm felett

Tőrés: 0,16 – 0,25 mm

Tőrés: 1,5 mm felett

984 darab

664 darab

A bot-tárcsa kísérleteknél mért súrlódási jellemzık

A fajlagos nyomóerı, a hımérséklet és a két anyag relatív sebességének függvényében határoztam meg a súrlódási együttható nagyságát, illetve változását (44-47. ábrák). A 44. ábra stabil súrlódási együttható értékeket mutat a 0,15 és 0,20 közötti sávban. Szobahımérsékleten végzett mérés esetén a fajlagos nyomóerı függvényében a súrlódási együttható enyhén növekvı tendenciája figyelhetı meg. Az együttható értéke a 20 N/mm2 értéket elérve konstans 0,20-as értéket vesz fel. Emelt hımérsékleten (80 °C) hasonló terhelési körülmények mellett, a súrlódási együttható 0,10 körüli értékrıl indul kisebb fajlagos nyomóerı mellett. Azonban a fajlagos nyomóerı elérve a 20 N/mm2–t a már megfigyelt konstans 0,20-as értéket veszi fel (45. ábra). Nagyobb sebességnél (47. ábra) is a már tapasztalt 0,15 és 0,20 közötti sáv jellemzi a súrlódási együtthatót. Az eddig megfigyelt 20 N/mm2-es korlát itt nem tapasztalható, amit az magyarázhat, hogy a rendszer már alacsonyabb terhelés mellett a plasztikus zónában jár. A sebesség változásának nem volt

64

Sebestyén Tamás


egyéb járulékos hatása a súrlódási együttható alakulására a vizsgált határokon belül, amit már a 46. ábra is alátámaszt. Általános magyarázat lehet a tapasztalt jelenségre nézve, hogy 20 N/mm2-es terhelésig a szálerısítéses mőanyag az elasztikus zónában van, ahol a valós érintkezési felület dominál. 20 N/mm2 fölött eléri a plasztikus zónát, ahol a plasztikus deformáció hatására az érintkezési felület nagysága megnı, ezáltal a nyomóerı effektív nem változik, nominálisan azonban csökken a fajlagos nyomóerı.

44. ábra. A súrlódási együttható értékei a fajlagos nyomóerı változása esetén 0,016 m/s-os sebesség esetén 23 °C-on, kezeletlen szinterezett foszforbronz próbatest üvegszállal erısített poliamid-imiddel szembeni koptatása során

45. ábra. A súrlódási együttható értékei a fajlagos nyomóerı változása esetén 0,016 m/s és 80 °C esetén, kezeletlen szinterezett foszforbronz próbatest üvegszállal erısített poliamidimiddel szembeni koptatása során

65

Sebestyén Tamás


46. ábra. A súrlódási együttható értékei a fajlagos nyomóerı változása esetén különbözı súrlódási sebességeknél 180 °C-on, kezeletlen szinterezett foszforbronz próbatest üvegszállal erısített poliamid-imiddel szembeni koptatása során

47. ábra. A súrlódási együttható értékei a fajlagos nyomóerı változása esetén 0,048 m/s és 23 °C mellett, kezeletlen szinterezett foszforbronz próbatest üvegszállal erısített poliamidimiddel szembeni koptatása során

4.1.3

A felületi érdesség jellemzıinek alakulása a bot-tárcsa kísérleteknél

A vizsgálati eredmények alapján arra kívántam számszerősíthetı információhoz jutni, hogy milyen módon változik majd a szinterezett foszforbronzból készült fröccsszerszám formaadó felülete

üzemi

körülmények

között.

A

felületi

jellemzık

változását

elıször

szemrevételezéssel értékeltem, majd egy Hommelwerke LV 50 (TKL 300/155 Tastn.-R.5 µm) típusú tős tapintó érdességmérıvel Ra értékeket mértem. Az érdességet a vizsgálati anyag felületének 2,5 mm hosszúságú szakaszán mértem. A szinterezett próbatestek átlagos felületi érdességét az eredeti felületen a 48. ábra mutatja.

66

Sebestyén Tamás


48. ábra. Az elıkészítetlen lézerszinterezett próbatest felületének jellemzı érdességértékei A nagy Ra érték a szinterezett felület porozitásainak egyenetlenségét, az összeolvadt részecskéket, a felület kiálló részeit mutatja. A koptatási kísérletekre elıkészített csiszolt felszín a 49. ábrán látható. Állandósult kopás mellett a felület simábbá válik, az Rz érték pedig csupán a mély pórusok miatt marad nagy (50. ábra). A mérési eredmények szerint az eredeti szinterezett felszín felületi érdessége Ra=10…15 µm volt, P 40 W minıségő csiszolópapírral finomítva ez az érték 1…2 µm-re csökkent, ami a koptatás hatására már jelentısen nem csökkent (0,5…1 µm).

49. ábra. A elıkészített (csiszolt) próbatest felületi érdesség értékei 67

Sebestyén Tamás


50. ábra. Egy jellemzı példa a koptatott felület érdességének alakulására a vizsgálat után A felületi érdességmérések eredményei világosan tükrözik, hogy a szálerısítéses polimer és szinterezett foszforbronz relációban jellemzıen az abráziós kopás mechanizmusa érvényesül. A szinterezett foszforbronz felületének csiszolása jelentısen csökkentette a felület érdességét, növelte a mérés pontosságát, hiszen garantáltan azonosan elıkészített kiinduló állapotot eredményezett, amit a mérések szórása is igazolt. A szálerısített polimer koptató hatására a próbatestek felületi érdessége tovább csökkent. Ezt jól szemlélteti az 51. ábra, ahol a kép jobb oldalán egyértelmően felismerhetık a csiszolás karcai, amik a kopott felületen már nem léteznek. Jól megfigyelhetı a felszín tömörsége, valamint az, hogy anyaglerakódás a szinterezett foszforbronz felszínén, vagyis anyagvándorlás az ellendarab felıl nem történt.

51. ábra. A koptatott és a csiszolással elıkészített szinterezett felszín határa a vizsgált felületen

68

Sebestyén Tamás

4.2 4.2.1


A módosított Brugger-teszt szerint végzett mérések eredményei A módosított Brugger-teszteknél mért kopási jellemzık

A kísérletek következı szakaszában a kopás mértékét - a Brugger-tesztek kiértékelésének módszerét követve - a próbatesten keletkezett kopási nyom felületének méretével jellemeztem. Az 52-55. ábrák a kopás mértékét mutatják különféle alapanyagok, bevonatok és alkalmazott ellendarabok esetében. Ezeken a diagrammokon látható a szinterezett és az acél próbatestek tendenciózus hasonlósága. Ezért és gazdaságossági okok miatt is megalapozottnak láttam az acél alapú próbatestek vizsgálatát a szerszámanyagok és bevonatok tulajdonságának összehasonlító vizsgálatában. Ugyanakkor a diagrammok alapján látható az is, hogy a KRECA CHOP M-107T márkanevő karbonszállal erısített polifenilénszulfid ellendarabbal végzett kísérletekben mért kopás mértéke azonos körülmények között nagyobb volt. Ez alapján indokoltnak láttam a kísérleteket ezzel az ellendarabbal végezni, nem utolsósorban azzal a céllal, hogy a hatékonyságot növeljem és a mérési bizonytalanságot csökkentsem. A kísérletekben szereplı anyagpárosítások és vizsgálati körülmények mellett kialakuló kopást a súrlódási munka függvényében jellemeztem. A súrlódási munkát a súrlódási erı és a megtett út szorzatával jellemzem, így összevethetık egymással az eltérı sebességgel és eltérı idıtartammal végzett kísérletek eredményei. Az 52. és 53. ábrák a szálerısítéses PPS és a szálerısítéses PEEK koptató tulajdonságait mutatják. A görbék alapján megállapítható, hogy mindkét bevonat jelentısen javította a szinterezett próbatestek kopásállóságát. Az 52. ábra alapján – azonos súrlódási munka esetén – a kezeletlen próbatesten jelentkezı kopás körülbelül négyszerese a bevonatos próbatestekének. A bevonatos próbatestek görbéi a tengely skálázási arányai miatt nem különíthetık el, a görbesereg azonban egyértelmően mutatja az anyagpárok viselkedését. Megfigyelhetı, hogy azonos súrlódási munka mellett a PPS koptató hatása megközelítıleg 25 %-kal nagyobb, mint a PEEK által okozott kopás.

69

Sebestyén Tamás


52. ábra. Különféle bevonatú és bevonat nélküli szinterezett próbatestek kopásértékei a súrlódási munka függvényében, az ellendarab szálerısítéses PPS

53. ábra. Különféle bevonatú és bevonat nélküli szinterezett próbatestek kopásértékei a súrlódási munka függvényében, az ellendarab szálerısítéses PEEK

Az 54. és 55. ábrákon acél alapanyag esetében is az elızı diagrammokon – a szinterezett darabok esetében – érvényesülı tendencia tükrözıdik.

70

Sebestyén Tamás


54. ábra. Különféle bevonatú acél próbatestek kopásértékei a súrlódási munka függvényében, az ellendarab szálerısítéses PPS

55. ábra. Különféle bevonatú acél próbatestek kopásértékei a súrlódási munka függvényében, az ellendarab szálerısítéses PEEK A bevonatos acél próbatestek kopási jellemzıi nagyságrendileg megegyeznek a bevonatos lézersugárral szinterezett próbatestek kopási jellemzıivel. Az 56. ábrán a Co-bázisú bevonat kopását a súrlódási munka függvényében ábrázoltam. Növekvı súrlódási munka esetén a kopás mértéke is növekszik. Ugyanez a tendencia figyelhetı meg a Fe-bázisú bevonat esetében is (57. ábra). Szembetőnı azonban, hogy 71

Sebestyén Tamás


kísérleteimben a Co-bázisú ötvözet jobban ellenállt a koptatásnak. Kisebb terhelési tartományban az eltérés nem jelentıs. A diagrammokon feltüntettem a mérési pontok értékének standard hibáját is.

56. ábra. Kobaltbázisú bevonatos acél próbatestek kopásértékei a a súrlódási munka függvényében, az ellendarab szálerısítéses PPS

57. ábra. Vasbázisú bevonatos acél próbatestek kopásértékei a súrlódási munka függvényében, az ellendarab szálerısítéses PPS

A fúvóka élettartamának becsléséhez továbbra is feltételezem, hogy a fröccsöntött munkadarab legalább l = 6 mm-es névleges mérettel rendelkezik (3. táblázat). A vizsgált bevonatot kizárólag a fúvóka felületén alkalmaznám.

72

Sebestyén Tamás


Számításomban a következı rövidítéseket és definíciókat használtam:

s: koptatási út

Amodell: a modellezett kopási felület

l: a fúvóka hossza

Vmodell : a modellezett kopási térfogat

d: a fúvóka átmérıje

n1: a tőrés szerint becsült darabszám

h: rétegvastagság

n2: a kopási út alapján becsült darabszám

t: tőrés

Vvalóskopás: a tőrés alapján megengedhetı kopadék maximális mennyisége

Aréteg: kopási felület

N: a maximális legyártható darabszám

Vréteg: a felvitt réteg térfogata

A fúvóka feltételezett hossza egy l = 6 mm-es névleges mérettel rendelkezı munkadarab esetén: maximum 6 mm. A fúvóka átmérıje egy l = 6 mm-es névleges mérettel rendelkezı munkadarab esetén legyen az átmérı 1/10-e: d = 0,6 mm. A metallográfiai vizsgálat alapján a rétegvastagság: h = 0,6 mm. Ekkor a felrakott réteg összes mennyisége: Vréteg = 13,572 mm3. Az elvégzett kísérletek eredményei szerint a lézersugarasan szinterezett foszforbronz alapanyagon létrehozott vasbázisú bevonaton kialakított kopási nyom (ellipszoid) maximális felülete: Aréteg=10,65 mm2.Ez az alkalmazott legnagyobb terhelés mellett (110 N és 1,2 m/s) adódott. Geometriai okokból ehhez a darabhoz tartozik a legnagyobb kopott térfogat. Mivel a koptatott és a kopó próbatest geometriája, valamint a kopott térfogat Brugger-eljárás szerint mért kopási ellipszoid mérete ismert – feltételezve, hogy az érintkezı testek minimális mértékben deformálódtak – iteratív úton 3D-s ábrázolás (Solid Edge szoftver) segítségével az alaptest kopási térfogata meghatározható. A fentebb említett maximális terhelés mellett az Aréteg=10,65 mm2-es kopási ellipszoidhoz legközelebb esı Amodell=10,577 mm2-es ellipszoidhoz tartozó kopott térfogat nagysága Vmodell=0,549 mm3 volt.

73

Sebestyén Tamás


58. ábra. A kopott térfogat Solid Edge szoftver segítségével megalkotott paraméteres geometriai modellje

A maximálisan 6 mm-es fröccsöntött darabhoz tartozó tőrés nagysága t = 0,16 mm. A fúvóka kopása során ez az érték határozza meg az élettartamát. Az egyenletes kopási folyamat során 2,594 mm3 mennyiségő kopadék termelıdik. Ebben a mennyiségben az említett kísérlet során termelıdött becsült (modellezett) kopadék mennyiség n1 =

Vvalóskopás Vmod ell

=

2,594mm³ = 4,724 0,549mm³

vagyis 4,724-szer van meg. A kérdés csak az, hány darab fröccsöntésének felel meg egy kísérlet. Mivel az egyes kísérletek 5 min, azaz 300 s hosszan tartottak, az ezidı alatt megtett út hossza s = v ⋅ t = 1,2

m ⋅ 300 s = 360m s

Ezt az utat és a fúvóka hosszát tekintve, a kísérleti út hosszát elosztva a fúvóka hosszával n2 =

s 360m = = 60000 darab l 0,006m

fröccsöntését jelentené. Ráadásul ezt az elızıleg a megengedett tőrésbıl számított értékkel megszorozva:

N = n1 ⋅ n2 = 60000 ⋅ 4,724 = 283464 darab fröccsöntött alkatrész elıállítását jelentené.

74

Sebestyén Tamás


Ez a szám természetesen nem veszi figyelembe, hogy a kísérlet során a fajlagos terhelés folymatosan változik, de még akár egy 10-es biztonsági tényezıvel számolva is bıven teljesíthetı egy többezres sorozat fröccsöntése. Ráadásul nagyobb darabok, és ezért nagyobb átmérık mellett a tőrésmezı változásával az élettartam tovább nı. Ugyanakkor az sem elhanyagolandó tény, hogy a kísérleteket szilárd halmazállapotú mőanyag ellendarabbal végeztem, míg a valóságban a mőanyag fröccsöntés az anyag folyékony halmazállapotában történik. Ez végsı soron azt jelenti, hogy a fröccsönthetı darabok számát a fröccsöntı szerszám, és nem a bevonatos fúvóka élettartama határozza meg.

4.2.2

A módosított Brugger-teszteknél mért súrlódási jellemzık

Az 59. ábra tanúsága szerint kobaltbázisú bevonatú acél próbatesten 0,6 m/s-ig a súrlódási együttható 0,25 körüli, közel állandó értéken mozog. Ezt a sebességértéket átlépve látszólag a normál erıtıl függetlenül csökkenni kezd. Megjegyzendı az is, hogy kis normál erı (50 N) mellett az együttható értéke csaknem állandó (kevésbé ingadozik).

59. ábra. Kobaltbázisú bevonatos acél próbatestek súrlódási együttható értékei különbözı normál erık és változtatott sebességek esetén, az ellendarab szálerısítéses PPS

75

Sebestyén Tamás


A FeB bevonat koptatásakor kapott súrlódási együttható értéke is 0,25 körül alakult (60. ábra). Az érték maximuma 0,30, minimuma valamivel 0,20 alatt volt.

60. ábra. Kobaltbázisú bevonatos acél próbatestek súrlódási együttható értékei különbözı normál erık és változtatott sebességek esetén, az ellendarab szálerısítéses PPS

A nagyobb sebességtartományban itt is jól megfigyelhetı a már korábban észlelt normál erıtıl függı szórás. Világosan látható az is, hogy a normál erıre érzéketlenül, egy sávban mozognak a súrlódási együttható értékei. A vasbázisú ötvözet súrlódási együttható görbéiben is megfigyelhetı egy határozott törés 0,45 m/s-nál, a görbék azonban nem távolodnak el egymástól olyan mértékben, mint azt a Co-bázisú bevonat esetében. Ezt az erıtıl – és jórészt a sebességtıl is - független súrlódási viselkedést a 61. és a 62. ábrák mutatják be. A diagrammok értékelésénél figyelemre méltó, hogy a súrlódási együttható tengelyének minden ábrán azonos skálabeosztása miatt nem tükrözıdik a görbék trend jellege, mert az értékek viszonylag szők határok közötti változnak. Jól látható azonban a súrlódási viszonyok különbsége, ami abban nyilvánul meg, hogy a mért értékek mely adattartományban (sávban) változnak. Itt is feltüntettem a diagrammokban a mérési pontok értékének standard hibáját. 0,4 illetve 0,6 m/s fölött megfigyelhetı a súrlódási együttható tendenciózus csökkenése. Ez lehet annak a következménye, hogy a megnövekedett sebesség miatt az érintkezési felület hımérséklete megnıtt, a nagyobb hımérséklet pedig a mőanyag felszínének kilágyulását okozza. A kilágyult anyag kenıanyagként szolgálhat a két test között, ami a súrlódási együttható csökkenését eredményezi. 76

Sebestyén Tamás


61. ábra. Vasbázisú bevonatos acél próbatestek súrlódási együttható értékei különbözı normál erık és változtatott sebességek esetén, az ellendarab szálerısítéses PPS

62. ábra. Vasbázisú bevonatos acél próbatestek súrlódási együttható értékei különbözı normál erık és változtatott sebességek esetén, az ellendarab szálerısítéses PPS

77

Sebestyén Tamás

5

A

TRIBOLÓGIAI


VIZSGÁLATOK

EREDMÉNYEINEK

ÉRTÉKELÉSE, ÁLTALÁNOSÍTHATÓ MEGÁLLAPÍTÁSOK A bot-tárcsa elven végzett tribológiai vizsgálatokra vonatkozóan, a vizsgált terhelési tartományban a következı megállapítások tehetık: -

A jellemzı koptató mechanizmus a várakozásoknak megfelelıen abrazív, leginkább az üvegszálak „szántó” hatásának következményeként. A kopott felszínen kitöredezettség, pittingesedés nem tapasztalható. Megfigyeléseim szerint a lézerszinterezett próbatestek kopásának mértéke – az összes bot-tárcsa kísérletet tekintve - kicsi, a vizsgálati körülmények esetén maximálisan 0,26 mm.

-

A fröccsöntött mőanyag munkadarabokra vonatkozó mérettőrés szerint a munkadarab mérete alapján számított legkisebb elméleti fröccsönthetı darabszám 664 darab (250 mm fölötti névleges méret esetén) és 984 darab (6-18 mm névleges méret esetén) közé esik.

-

A súrlódási együttható értéke méréseim szerint 0,1 és 0,2 között változott. Szobahımérséklet és 80°C között az együttható értéke enyhén növekszik a növekvı normál erıvel, 80°C felett azonban a µ értéke kisebb ütemben emelkedik ill. állandósul. Nagyobb hımérsékleten - 150–180°C körül - a súrlódási együttható értéke - feltehetıleg a mátrix részleges megolvadásának következtében - növekvı normál erı mellett csökken. Méréseim szerint a sebesség nem volt hatással a súrlódási együttható alakulására.

-

A lézerszinterezett darabok felületi érdessége – amennyiben felületük elı lett készítve nem változott jelentısen. Ez annyit jelent, hogy az Ra értéke 1 és 2 µm között változott. Elıkészítés nélkül a felületi jellemzık változása jelentıs volt: az Ra értéke 10–14 µm-rıl 10 µm alá csökkent. Elıkészítés nélküli próbatestek esetén tapasztalható, hogy a koptatás során a mőanyag mátrix anyaga hajlamos volt a szinterezett felületre tapadni.

A módosított Brugger-teszt szerint végzett vizsgálatok eredményei alapján az alábbi összefüggések állapíthatók meg: -

A diagrammok alapján egyértelmően kijelenthetı, hogy mind a kobaltbázisú, mind a vasbázisú bevonatok jelentısen javítják a próbatestek kopásállóságát. Kísérleti körülményeim között a bevonat alkalmazásával az alapanyagtól függetlenül (szinterezett foszforbronz, illetve acél) nıtt a felületek kopásállósága, jó közelítéssel 4-5-szörösére. 78

Sebestyén Tamás

-


A kopás mértéke a növekvı súrlódási munkával nıtt. Azonos terhelés mellett a kobaltbázisú bevonat kopásállósága megközelítıleg 25 %-kal volt jobb a vasbázisú bevonat kopásállóságánál. Különbség a növekedés mértékében 2500 J feletti súrlódási munkánál tapasztalható: a vasbázisú bevonat kopásának növekedési sebessége a súrlódási munka függvényében több mint másfélszerese a kobaltbázisú bevonat növekedési sebességének.

-

A fröccsöntött mőanyag munkadarabokra vonatkozó mérettőrés szerint a munkadarab mérete és adott fúvókaméret alapján számított legkisebb elméleti fröccsönthetı darabszám 283464 darab. Ez a becsült érték a munkadarab méretének és a fúvóka átmérıjének növelésével tovább emelhetı.

-

A súrlódási együttható jellemzıen 0,2 és 0,3 értékek között változott. Megfigyelhetı, hogy - kifejezetten nagyobb nyomóerınél, 50N fölött - az együttható értéke nagyobb szórást mutat mindkét bevonat esetében 0,6 m/s-os sebesség fölött. A mérési adatok nagy szórása valószínőleg annak tudható be, hogy - nagyobb nyomás és nagyobb sebesség együttes hatása esetén - a futás bizonytalanná válik. Ez azt jelenti, hogy körülbelül 2500 J súrlódási munka fölött a hımérsékletváltozás következtében megváltoznak a súrlódási viszonyok. A kezdetben szárazsúrlódás részlegesen vagy egészben folyadéksúrlódássá alakul, ami a két anyag közötti bizonytalan futáshoz is vezet. Csak a normál erıt tekintve azonban kijelenthetı, hogy a vizsgált bevonatok súrlódási tényezıje a vizsgált terhelési tartományban (pv = 4…17 (N/mm2)*(m/s)) független az alkalmazott normál erı nagyságától.

79

Sebestyén Tamás

6


KÖVETKEZTETÉSEK

A szálerısítéses mőanyag fröccsöntésre alkalmas, szelektív lézersugaras szinterezéssel létrehozott

szerszámanyag

erıs

koptató

hatásnak

kitett

felületét

lézersugaras

felrakóhegesztéssel módosítottam. Célom az volt, hogy a gyorsprototípus-gyártással készült szerszámokban a kopásállóság növelésével a jelenleginél lényegesen több fröccsöntött mőanyag alkatrészt lehessen készíteni. A velük gyártott alkatrészek szerkezetileg is azonosak lesznek a tervezett elemmel és már nullszériás tesztelésekre is alkalmasak. Az eljárás gyorsabbá és hatékonyabbá teszi a tervezés folyamatát, megkönnyítve a gyártmány- és szerszámtervezık munkáját. 1., Lézersugaras felrakó hegesztéssel, egylépéses technológiával összefüggı, homogén réteget hoztam létre mind tömbi acél, mind szelektív lézerszinterezett – éppen ezért porózus foszforbronz alapanyagon. Lézersugaras bevonatként ferrobór metallurgiai elıötvözetet és kobaltbázisú ötvözetet alkalmaztam, melyek tribológiai tulajdonságaikban nagy hasonlóságot mutattak. Gazdasági alapon megfontolandó a drága kobaltbázisú ötvözet olcsóbb, könnyen hozzáférhetı ferrobórral való kiváltása. Az optimális technológiai adatokkal létrehozott bevonatok kopásállósági jellemzıi az alapanyagtól függetlennek bizonyultak. 2., A módosított Brugger-teszt szerint végzett kopásvizsgálatok megfelelınek mutatkoztak a szelektív

lézerszinterezett,

illetve

bevonatos

próbatestek

kopásállóságának

összehasonlítására. A henger-henger elrendezéső triboteszterrel alkalmazható terhelıerı és az ellendarabként választott nagyteljesítményő szálerısítéses – jármőiparban széleskörően alkalmazott – polimer kellıen nagy kopást eredményezett ahhoz, hogy a bevonatok kopási tulajdonságai a vizsgálati eredmények alapján jól elkülönüljenek egymástól. 3., A szerszám anyagának élettartama növelhetı volt lézersugárral szinterezett foszforbronz lokális

felületi

lézersugaras

bevonásával.

A

hosszabb

élettartamot

eredményezı

felületkezelés nemcsak a nagyobb helyi igénybevételeknek áll ellen, de adott szerszámmal nagyobb darabszámú sorozat legyártását is lehetıvé teszi. Ezzel lehetıvé válhat egy szinte utópisztikus –a gyorsprototípus-gyártás felıl a gyorsgyártás irányába mutató - tendencia közelítése, ahol a gyorsgyártással létrehozott szerszám teljes értékő alkatrészek elıállítására fröccsöntésére – is képes lehet.

80

Sebestyén Tamás

7


ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK 1. TÉZIS: Szelektív lézerszinterezett porózus foszforbronz (EOSINT M Cu 3201)

felületén elsıként hoztam létre több rétegő, homogén, kemény, erıs koptató igénybevételnek ellenálló, kopásálló ferrobór réteget a lézersugaras felrakó

hegesztés technológiájával [147]. 2. TÉZIS: Meghatároztam a kopásálló ferrobór rétegek egylépéses lézersugaras

felszórási technológiája legfontosabb befolyásoló jellemzıinek értékét (fajlagos porbevitel, pásztázási sebesség, fajlagos lézerteljesítmény, védıgáz minıség és mennyiség). Kísérleti úton igazoltam a tömör réteg kialakításához szükséges

technológiai adatok helyességét. Azonos geometriai körülmények esetén tömör, gyengén ötvözött acél egy rétegben (750 W lézerteljesítmény, 500 mm/min sebesség, 9,75 g/min adagolt pormennyiség), szelektív lézerszinterezett porózus foszforbronz (EOSINT M Cu 3201) két rétegben vonható be (500 mm/min sebesség, 9,75 g/min adagolt pormennyiség, 1. réteg: 750 W, 2. réteg: 1000 W lézerteljesítmény) [147]. 3. TÉZIS: Az azonos geometriai körülmények között elıállított felületi ferrobór

rétegek - helyes (optimális) lézersugaras rétegfelviteli technológia esetén – gyengén ötvözött tömör szerszámacél anyagon már az elsı, szelektív lézerszinterezett porózus foszforbronz anyagon a második létrehozott réteg – az alapanyagétól független

metallográfiai és tribológiai tulajdonságokat mutatnak a vizsgálati tartományban (pv = 4…17 (N/mm2)*(m/s)) [148]. 4. TÉZIS: A módosított Brugger-teszt mérési adatai szerint a lézersugaras kezeléssel

létrehozott ferrobór réteg szálerısítéses PPS és PEEK mőanyagokkal szembeni kopásának mértéke a vizsgálati tartományban (pv = 4…17 (N/mm2)*(m/s)) egyötöde a szelektív lézerszinterezett foszforbronz alapanyagénak [148]. 5. TÉZIS: A Co-bázisú felületbevonó anyag (C 0,76 / Mn 0,31 / Fe 3,13 / Si 2,48 / Ni 13,13 / Cr 19,23 / W 7,75 / B 1,79 / Co Bal.) kopásállósága – azonos geometriai viszonyok és optimális lézersugaras rétegfelviteli technológia esetén, azonos vizsgálati tartományon (pv = 4…17 (N/mm2)*(m/s)) belül - legfeljebb 50 %-kal

nagyobb, mint a ferrobóré (B 19 / Si 2,11 / C 0,44 / Fe Bal.), de ára legalább egy nagyságrenddel nagyobb. FeB bevonat alkalmazásával lehetıvé válik drágább (pl. kobaltbázisú) rétegképzı anyagok kiváltása [148].

81

Sebestyén Tamás


IRODALOMJEGYZÉK [1]

Hague, R. (2000): Conference Report, The 8th International Conference on Rapid Prototyping, June 12 & 13, Japan, Japanese Society of Die and Mold Technology (Japan)

&

University

of

Dayton

Research

Institute

(USA)

http://www.lboro.ac.uk/departments/mm/research/rapidmanufacturing/consortium/confsyn/Japan2000.pdf (2004. június 12.) [2]

Takács J. - Pap G.- Kálazi Z. - Bán T. (1995): Rapid Prototyping of Laminated Structure with the Use of CO2 Laser. Advanced Manufacturing and Repair Technologies in Vehicle Industry, 12. International Colloquium, BME, Balatonfüred : 92-95

[3]

den

Ouden,

A.

(2004):

Homepage,

Eindhoven

–

Nederland,

http://www.denouden.demon.nl/capsel/rapprod4.htm (2004. június 12.) [4]

Helsinki University of Technology http://www.cs.hut.fi/~ado/rp/subsection3_6_3.html (2004. március 4.)

[5]

Wiesner, P. - Eckstein, M. - Son, T. (1997): Rapid Metal Prototyping Using Laser Radiation, Proceedings of the LANE ’97, Meisenbach Bamberg : 555-559

[6]

Seitz, S. - van de Crommert, S. - Esser, K. J. (1997): New Materials for New Applications in SLS Selective Laser Sintering, Proceedings of the LANE ’97, Meisenbach Bamberg : 623-628

[7]

Coremans, A. - Groot, D. (1997): Residual Stresses and Thermal Stability of Laser Beam Sintered Metal Parts, Proceedings of the LANE ’97, Meisenbach Bamberg : 577-588

[8]

Khaing, M.W. et al. (2001): Direct metal laser sintering for rapid tooling: processing and characterisation of EOS parts, Journal of Materials Processing Technology, Volume 113, Issues 1-3 : 269-272

[9]

Simchi, A. et al. (2003): On the development of direct metal laser sintering for rapid tooling, Journal of Materials Processing Technology 141 : 319-328

[10]

Kazior, J. et al. (2002): Thermochemical treatment of Fe-Cr-Mo alloys, Surface and Coatings Technology 151-152 : 333-337

82

Sebestyén Tamás

[11]


Campos, M. et al. (2004): Surface assessment in low alloyed Cr-Mo sinterted steels after heat and thermochemical treatment, Surface and Coatings Technology 182 : 351-362

[12]

Slocombe, A. et al. (2001): Selective laser sintering of TiC-Al2O3 composite with self-propagating high-temperature, Journal of Materials Processing Technology 118 : 173-178

[13]

Dück, J. et al. (2004): Infiltration as post-processing of laser sintered metal parts, Powder Technology 145 : 62-68

[14]

Rossi, S. et al. (2004): Improvement of surface finishing and corrosion resistance of prototypes produced by direct metal laser sintering, Journal of Materials Processing Technology 148 : 301-309

[15]

Zhang, H. et al. (2001): Rapid hard tooling by plasma spraying for injection molding and sheet metal forming, Thin Solid Films, v 390, n 1-2 : 7-12

[16]

Himmer, T. - Beyer, E. (2002): New developments in surface technology and prototyping, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, v 4831 : 468-474

[17]

Castle Island’s Worldwide Guide to Rapid Prototyping, Castle Island Co. (19 Pondview

Road

Arlington,

MA

02474

U.S.A.,

2004

http://home.att.net/~castleisland/acro.htm (2004. június 12.) [18]

Efunda – Engineering Fundamentals, eFunda , Inc. P.O.Box 64400 Sunnyvale, CA 94088,

2004

http://www.efunda.com/processes/rapid_prototyping/rt.cfm

(2004.

március 8.) [19]

http://idesign.arch.gatech.edu (2004. március 8.)

[20]

DMLS moves from rapid tooling to rapid manufacturing, MPR September 2001, www.metal-powder.net

[21]

Ferreira, J.C. (2004): Rapid tooling of die DMLS inserts for shoot-squeeze moulding (DISA) system, Journal of Materials Processing Technology 155-156 : 1111-1117

[22]

Czikovszky T. – Nagy P. - Gaál J. (2000): A polimertechnika alapjai, Mőegyetemi Kiadó, Budapest, ISBN 963000000 : 107, 237-255

83

Sebestyén Tamás

[23]


Konczos G. - Bársony I. -Deák P. (1998): Introduction to Materials Science and Technology, Textbook of the Technical University of Budapest for Ph.D. Students in Physics : 7-12

[24]

Dunai A. - Macskási L. (2003): Mőanyagok fröccsöntése, Lexica KFT. Budapest, ISBN 963 206 550 6

[25]

Tutorial on Polymer Composite Molding, Intelligent Systems Laboratory, Michigan State University, 1999 http://islnotes.cps.msu.edu/trp/inj/int_what.html (2004. június 12.)

[26]

Sors L. – Bardócz L. - Radnóti I. (1977): Mőanyagalakító szerszámok, Mőszaki Könyvkiadó. Budapest. ISBN 963 10 1698 6

[27]

Yesilata, B. (2002): Viscous Heating Effects in Viscoelastic Flow between Rotating Parallel-Disks, Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences, 26 : 503511

[28]

Gutowski, T. (2002): Injection Molding – Handouts, Massachusetts Institute of Technology,

(http://www.mit.edu/afs/athena/course/2/2.008/www/handouts/

injection_molding.pdf) (2004. július 31.) [29]

Bertóti I. (1997): Felületvizsgálat röntgen-fotoelektron spektroszkópiával (XPS – ESCA) Doktori tanfolyami jegyzet, MTA Szervetlenkémiai Kutatólaboratórium Bp. : 4-7

[30]

Beyer, E - Wissenbach, K. (1998): Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, ISBN 3-540-63224-7.

[31]

Holzschuh, H. (2004): Deposition of Ti-B-N (single and multilayer) and Zr-B-N coatings by chemical vapor deposition techniques on cutting tools, Thin Solid Films, 469-470 : 92-98

[32]

Zhang, S. et al. (2003): Recent advances of superhard nanocomposite coatings: a review, Surface and Coatings Technology 167 : 113-119

[33]

Mann, B.S. et al. (2000): High temperature friction and wear characteristics of various coating materials for steam valve spindle application, Wear 240 : 223-230

[34]

Kathuria, Y.P. (2000): Some aspects of laser surface cladding in the turbine industry, Surface and Coatings Technology 132 : 262-269

[35]

Shepeleva, L. et al. (2000): Laser cladding of turbine blades, Surface and Coatings Technology 125 : 45-48

84

Sebestyén Tamás

[36]


Jiang, W. - Molian, P. (2001): Nanocrystalline TiC powder alloying and glazing of H13 steel using a CO2 laser for improved life of die-casting dies, Surface and Coatings Technology, Volume 135, Issues 2-3 : 139-149

[37]

Pfohl, C. et al. (1999): Applications of wear-resistant PACVD coatings in aluminium diecasting: economical and ecological aspects, Surface and Coatings Technology 112 : 347-350

[38]

Hjörnhede, A. et al. (2004): Adhesion testing of thermally sprayed and laser deposited coatings, Surface and Coatings Technology 184 : 208-218

[39]

Kalss,

W.

et

al.

trisdimethylaminoboran

(1998):

Deposition

by hot-filament

and

of

B---C---N

microwave

coatings

plasma

from

activation,

International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Volume 16, Issue 3 : 233-241 [40]

Choy, K.L. (2003): Chemical vapour deposition of coatings, Progress in Materials Science, Volume 48, Issue 2 : 57-170

[41]

Eleıd A. (2003): Mechanische Belastbarkeit der DLC-Beschichtungen, Tribologie und Schmierungstechnik, 50. Jahrgang, 2/2003 : 27-33

[42]

Harris, K.D. et al. (2001): Porous thin films for thermal barrier coatings, Surface and Coatings Technology, Volume 138, Issues 2-3 : 185-191

[43]

Wolfe, D.E. et al. (2003): Synthesis and characterization of multilayered TiC/TiB2 coatings deposited by ion beam assisted, eelectron beam-physical vapor deposition (EB-PVD), Surface and Coatings Technology 165 : 8-25

[44]

Wang, J. et al. (2001): Structure and tribological properties of MoSx coatings prepared by bipolar DC magnetron sputtering, Surface and Coatings Technology 139 : 143-152

[45]

Guruz, M.U. et al. (2002): Synthesis and characterization of single and multilayer boron nitride and boron carbide thin films grown by magnetron sputtering of boron carbide, Thin Solid Films 414 : 129-135

[46]

Krannich, G. et al. (1997): Formation of cubic boron nitride thin films by reactive cathodic arc evaporation, Diamond and Related Materials 6 : 1005-1009

[47]

Mitterer, C. (1997): Borides in Thin Film Technology, Journal of Solid State Chemistry, Volume 133, Issue 1 : 279-291

85

Sebestyén Tamás

[48]


Jankowski, A.F. (1995): Metallic multilayers at the nanoscale, Nanostructured Materials, Vol. 6 : 179-190

[49]

He, J.L. et al. (2001): Improved anti-wear performance of nanostructured titanium boron nitride coatings, Wear 249 : 498-502

[50]

Cole, D. ta al. (1997): Pulsed laser deposition of Fe thin film sin UHV, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 165 : 246-249

[51]

Cazzanelli, M. et al. (1999): Pulsed laser deposited GaN thin ffilms, Materials Science and Engineering B59 : 98-103

[52]

de Possada, E. et al. (2003): Pulsed laser deposition of ZnO and MN-doped ZnO thin-films, Applied Surface Science, 208-209 : 589-593

[53]

Badzian, A. (2001): Diamond challenged by hard materials: a reflection on developments in the last decades, Materials Chemistry and Physics 72 : 110-113

[54]

Eleıd A. et al. (2002): Gyémánt es hidrogénezett amorf karbon tribológiai bevonatok, GÉP, LIII. évfolyam, 8-9. szám : 55-58

[55]

Eleıd A. et al. (2000): Numerical and experimental investigations of diamond/DLC friction under atomic hydrogen, Proceedings 7th International Conference on Tribology, 4-5th Sept. 2000 : 322-325

[56]

Pokhmurska, H. et al. (2002): Tribological properties of arc sprayed coatings obtained from FeCrB and FeCr-based powder wires, Surface and Coatings Technology 151-152 : 490-494

[57]

Liu, X. et al. (1997): Study of the tribological behavior of an Ni electron brush plating layer on a base of an Arc sprayed coating, Wear 211 : 151-155

[58]

Liu, G. et al. (2001): Quantitative characteristics of FeCrAl films deposited by arc and high-velocity arc spraying, Materials Characterization 46 : 99-104

[59]

Jandin, G. et al. (2003): Correlations between operating conditions, microstructure and mechanical properties of twin wire arc sprayed steel coatings, Materials Science and Engineering, A349 : 298-305

[60]

Uetz, H. (1986): Abrasion und Erosion, Carl Hanser Verlag München Wien, ISBN 3446-14215-0

[61]

Miguel, J.M. et al. (2003): Tribological study of NiCrBSi coating obtained by different processes, Tribology International 36 : 181-187

86

Sebestyén Tamás

[62]


Sordelet, D.J. et al. (1998): Abrasive wear behavior of Al-Cu-Fe quasicrystalline composite coatings, Materials Science and Engineering, A255 : 54-65

[63]

Pokhmurska, A. et al. (2000): Microstructure and properties of laser treated and arc sprayed and plasma sprayed coatings, Surface and Coatings Technology 125 : 415418

[64]

Steinhäuser, S. et al. (2000): Plasma-sprayed wear-resistant coatings with respect to ecological aspects, Surface and Coatings Technology 131 : 365-371

[65]

Fu, Y. et al. (1997): Wear behaviour of laser-trated plasma-sprayed ZrO2 coatings, Wear 210 : 157-164

[66]

Gadag, S.P. et al. (1995): Effect of laser processing parameters on the structure of ductile iron, Materials Science and Engineering A 196 : 145-151

[67]

Triantafyllidis, D. et al. (2003): Mechanisms of porosity formation along the solid/liquid interface during laser melting of ceramics, Applied Surface Science, Volumes 208-209 : 458-462

[68]

Almeida, A. et al. (2001): Structure and properties of Al–Nb alloys produced by laser surface alloying, Materials Science and Engineering A, Volume 303, Issues 1-2 : 273280

[69]

Senthil Selvan, J. et al. (1999): Laser boronising of Ti-6Al-4V as a result of laser alloying with pre-placed BN, Materials Science and Engineering A260 : 178-187

[70]

Wang, P. Z. et al. (1996): Cemented carbide reinforced nickel-based alloy coating by laser cladding and the wear characteristics, Materials & Design, Volume 17, Issues 56 : 289-296

[71]

Zum Gahr, K.-H. et al. (1995): Friction and wear reduction of Al2O3 ceramics by laser-induced surface alloying, Wear 181-183 : 118-128

[72]

Song, W. et al. (1996): Effect of Ni content on cracking susceptibility and microstructure of laser-clad Fe-Cr-Ni-B-Si, Surface and Coatings Technology 80 : 279-282

[73]

Wang, K.L. et al. (1997): Effect of laser surface cladding of seria on the wear and corrosion of nickel-based alloys, Surface and Coatings Technology 96 : 267-271

[74]

Mridha, S. et al. (1997): Metal matrix composite layer formation with 3 µm SiCp powder on IMI318 titanium alloy surfaces through laser treatment, Journal of Materials Processing Technology 63 : 432-437

87

Sebestyén Tamás

[75]


Chong, P.H. et al. (2001): Microstructure and wear properties of laser surfacecladded Mo-WC MMC on AA6061 aluminium alloy, Surface and Coatings Technology 145 : 51-59

[76]

Pinkerton, A.J.- Li, L. (2003): The effect of laser pulse width on multiple-layer 316L steel clad microstructure and surface finish, Applied Surface Science, Volumes 208-209 : 411-416

[77]

Conde, A. et al. (2002): Cladding of Ni-Cr-B-Si coatings with a high power diode laser, Materials Science and Engineering A, v 334, n 1-2 : 233-238

[78]

Wu, X. - Hong, Y. (2001): Fe-based thick amorphous-alloy coating by laser cladding, Surface and Coatings Technology 141 : 141-144

[79]

So, H. et al. (1996): Wear behaviours of laser-clad stellite alloy 6, Wear192 : 78-84

[80]

Wu, X. (1999): Rapidly solidified nonequilibrium microstructure and phase transformation of laser-synthesized iron-based alloy coating, Surface and Coatings Technology 115 : 153-162

[81]

Przybulowicz, J. et al. (2001): Structure of laser cladded tungsten carbide composite coatings, Journal of Materials Processing Technology 109 : 154-160

[82]

Majumdar, J.D. et al. (2003): Laser composite surfacing of a magnesium alloy with silicon carbide, Composite Science and Technology 63 : 771-778

[83]

Kreutz, E.W. et al. (1995): Rapid prototyping with CO2 laser radiation, Applied Surface Science 86 : 310-316

[84]

Takács J. (1993): CO2 lézeres megmunkálások – Lézeres felületkezelések, Oktatási segédlet, BME, Gépipari Technológia Tanszék, Bp.

[85]

Takács J. (szerk.) (2004): Korszerő technológiák a felületi tulajdonságok alakításában, Mőegyetemi Kiadó. Budapest, ISBN 963 420 789 8

[86]

Markovits T. (1999): Lézeres stellitezési technológia kidolgozása. Diplomamunka. BME.

[87]

Pantelis, D.I. et al. (2000): Wear Behaviour of Cermet Coatings on Steel Formed by Three Different Surface Treatment Techniques, Surface Modification Technologies XIV, Proceedings of the Fourteenth International Conference on Surface Modification technologies held in Paris, France September 11-13, ISBN 0-87170733-0 : 604-612

88

Sebestyén Tamás

[88]


Steen, W.M. et al. (1993): Alloy system analysis by laser cladding, LIA (Laser Institute of America), v 75 : 278-287

[89]

Yuan-Fu, L. et al. (2002): Microstructure and wear resistance of laser clad Ti5Si3/ (NiTi2+β+Ti5Si3) composite coating, Cailiao Kexue yu Gongyi/Material Science and Technology, v 10, n 4 : 337-340

[90]

Rosso, M. et al. (2000): Properties and Applications of Coatings Deposited by Laser Beam, Surface Modification Technologies XIV, Proceedings of the Fourteenth International Conference on Surface Modification technologies held in Paris, France September 11-13, ISBN 0-87170-733-0 : 324-332

[91]

Liu, C. A. et al. (1983): Effect of laser -processing parameters on the formation and properties of a stellite hardfacing coating, Thin Solid Films, Volume 107, Issue 3 : 51-257

[92]

Fishman, M. et al. (1995): Laser cladding and alloying for refurbishing worn machine parts and improving their surface properties, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, v 2426 : 181-187

[93]

Colaco, R.-Vilar, R. (2003): Development of new coating materials using a laser rapid-alloy-prototyping-technique, Materials Science Forum, v 414-415 : 57-62

[94]

Valasek I. (2002): A tribológia alapjai, Budapest, Tribotechnik Kft. ISBN 963 008688 3

[95]

Tribologie,

Konstruktive

Richtlinien

zur

Reibungs-,

Verschleiß-

und

Schmierungstechnik – Schriftenreihe des Wirtschaftsförderungsinstitutes, 5m – 01.96 [96]

Fleischer, G. et al. (1980): Verschleiß und Zuverlässsigkeit, VEB Verlag Technik, Berlin

[97]

Lubricant testing focussing on machanico-dynamical tests, Klüber Lubrication München KG, 3 e Edition 12.95

[98]

Gilmore, R. et al. (1998): Low-friction TiN-MoS2 coatings produced by dc magnetron co-deposition, Surface and Coating Technology 108-109 : 345-351

[99]

Harris, S.J. et al. (2002): Surface feature variations observed in 52100 steel sliding against a thin boron carbide coating, Wear 249 : 1004-1013

[100] Rebholz, C et al. (1999): Structure, mechanical and tribological properties of sputtered TiAlBN thin films, Surface and Coating Technology 113 : 126-133

89

Sebestyén Tamás


[101] Stolarski, T.A. et al. (2001): The effect of spraying distance on wear resistance of molybdenum coatings, Wear 249 : 1096-1102 [102] Keresztes R.et al. (2002): Mőszaki mőanyagok dinamikus tribológiai vizsgálata, II. Eredmények és következtetések, Mőanyag és Gumi 39. évfolyam, 12. szám : 393-399 [103] Kalácska G. - De Baets, P. (2002): Tribological Research of Up-to Date, Environment-Friendly Self-Lubricating Materials: Correlation Between Large Scale and Small Scale Tribotesting, Gépészet 2002 : 194-198 [104] Tan, Y.H. - Doong, J.L. (1991):Wear behaviour and microstructure of laserprocessed low carbon steel with chromium, Wear, V 145, n 1 : 43-60 [105] De Mello, J.D.B. - Hutchings, I.M. (2001): Surface Durability of Steam Oxidised Sintered Iron: Effect of Surface Topography, Plenary and Session Key Papers from the 2nd World Tribology Congress Vienna, Austria 3-7 September, Österreichische Tribologische Gesellschaft – ÖTG, ISBN 3-901657-07-X : 105-111 [106] Franek, F. et al. (1999): Mechanisch-Dynamische Prüfungen Tribotechnischer Funktionsschichten, Einsatz und Charakterisierung Technischer Oberflächen für Tribologische

Anwendungen,

Vortragsunterlagen

Symposium

1999

der

Österreichischen Tribologischen Gesellschaft Wien 2. Dezember, ISBN 3-90165704-5 . 75-90 [107] Roy, M. et al. (2002): Influence of Counter Material on Elevated Temperature Wear of Thermal Sprayed Nanocrystalline Cr3C2-25(Ni20Cr)-Coating, Wechselwirkung Oberfläche / Schmierstoff, Vortragsunterlagen Symposium 2002 der Österreichischen Tribologischen Gesellschaft Wien 29. November, ISBN 3-901657-11-8 : 133-144 [108] Bieringer, H. et al. (2002): Tribologische Polymer-Werkstoffe in Spezieller Umgebung

(Vakuum),

Vortragsunterlagen

Wechselwirkung

Symposium

2002

der

Oberfläche

/

Schmierstoff,

Österreichischen

Tribologischen

Gesellschaft Wien 29. November, ISBN 3-901657-11-8 : 121-131 [109] Pauschitz, A. et al. (2002): Tribologische Untersuchungen Biologisch Verträglicher Schmierstoffe, Wechselwirkung Oberfläche / Schmierstoff, Vortragsunterlagen Symposium 2002 der Österreichischen Tribologischen Gesellschaft Wien 29. November, ISBN 3-901657-11-8 : 87-110

90

Sebestyén Tamás


[110] U.S. Department of Interior, U.S. Geological Survey, Mineral Resources Program, 913

National

Center

Reston

VA

20192

USA,

http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/metal_prices (2005. február 23.) [111] Jankowski, A. F. - Hayes, J. P. (1998): Chemical bonding in hard boron---hexagonal boron nitride multilayers, Diamond and Related Materials, Volume 7, Issues 2-5 : 380-384 [112] Grinberg, E.M. et al. (1991): Properties of Fe-C-B powder materials, Stal', n 11 : 75-77 [113] Pan, Q.Y. et al. (1997): Wide-band laser cladding: wear and corrosion resistance of a Ni-based alloy, Acta Metallurgica Sinica (English Letters), v 10, n 5 : 445-452 [114] Postnikov, V.S. et al. (1993): Laser alloying of corrosion-resistant powder steel ZhGr1Kh3N12R, Elektronnaya Obrabotka Materialov, n 5 : 16-19 [115] Astashkevich, B.M. et al. (1996): Restoration of cam shafts of diesel engines using laser processing, Metallovedenie i Termicheskaya Obrabotka Metallov, n 12 : 14-16 [116] Lamaze, G. P. et al. (1994): Analysis of cubic boron nitride thin films by neutron depth profiling, Diamond and Related Materials, Volume 3, Issues 4-6 : 728-731 [117] Mitterer, C. et al. (1991): Sputter deposition of wear-resistant coatings within the system Zr---B---N, Materials Science and Engineering A, Volume 140 : 670-675 [118] Borisova, A.L. et al. (2000): Arc Sprayed Coatings of Ferroalloy-Base Flux-Cored Wires, Proceedings of the International Thermal Spray Conference : 705-708 [119] Yashcheritsyn, P.I. et al. (1997): Wear resistance of coatings produced by electromagnetic surfacing, Trenie i Iznos, v 18, n 1 : 97-101 [120] Dallaire, S. et al. (1992): Synthesis and deposition of TiB2-containing materials by arc spraying, Surface & Coatings Technology, v 50, n 3 : 241-248 [121] Tilipalov, V.N. et al. (2002): Structure and properties of diamond-like boron layers on disc steel instrument, Metallovedenie i Termicheskaya Obrabotka Metallov, n 10 : 27-28 [122] Salak, A. et al. (2001): Manganese assisted pack boriding of sintered steels, International Journal of Powder Metallurgy (Princeton, New Jersey), v 37, n 4 : 53-60 [123] Artinger I. et al. (1990): Local alloying of tool steels, Key Engineering Materials, v 46-47 : 209-221

91

Sebestyén Tamás


[124] Bell, T. (1991): Surface treatment and coating of PM components, Powder Metallurgy, v 34, n 4 : 253-258 [125] Ilyuschenko, A.Ph. et al. (2002): Laser processing of ZrO2 coatings, Materials and Manufacturing Processes, v 17, n 2 : 157-167 [126] Meyer, S. F. et al. (1980): R.F. magnetron sputtering of thick platinum coatings on glass microspheres, Thin Solid Films, Volume 72, Issue 2 : 373-378 [127] Mahank, T.A. et al. (1998): Laser glazing of plasma sprayed Ni-Cr-Al-Y alloy, Materials and Manufacturing Processes, v 13, n 6 : 829-839 [128] Balits'kii, O.I. et al. (1991): Laser treatment of plasma coatings, Soviet Materials Science (English Translation of Fiziko-Khimicheskaya Mekhanika Materialov), v 27, n 1 : 51-55 [129] Khanna, A.S. et al. (1992): Effect of stainless steel plasma coating and laser treatment of the oxidation resistance of mild steel, Corrosion Science, v 33, n 6 : 949958 [130] Nowotny, S. et al. (1997): Laser surface cladding of aluminum with oxide ceramics, Laser Institute of America, Proceedings, v 83, n 2 : 37-44 [131] Fernández, J.E. et al. (2000): WC-Co Plasma sprayed Coatings Partially Re-fused with Laser, Surface Modification Technologies XIV, Proceedings of the Fourteenth International Conference on Surface Modification technologies held in Paris, France September 11-13, , ISBN 0-87170-733-0 : 333-337 [132] Petrides, M. et al. (2001): Influence of Model Tests on the Selections of Lubricants for Gears in Dental Instruments, Plenary and Session Key Papers from the 2nd World Tribology Congress Vienna, Austria 3-7 September, Österreichische Tribologische Gesellschaft – ÖTG, ISBN 3-901657-07-X : 211–214 [133] Friedrich, K. et al. (2001): FE Micro-Analysis and Experimental Studies of the Wear Behaviour of Polymer Composites Subjected to a Sliding Steel Ball, Plenary and Session Key Papers from the 2nd World Tribology Congress Vienna, Austria 3-7 September, Österreichische Tribologische Gesellschaft – ÖTG, ISBN 3-901657-07X : 85–88 [134] Pogosian, A. et al. (2001): Self-Lubricating Mechanism of Polymer-Based Composites with Mineral Fillers, Plenary and Session Key Papers from the 2nd World

92

Sebestyén Tamás


Tribology Congress Vienna, Austria 3-7 September, Österreichische Tribologische Gesellschaft – ÖTG, ISBN 3-901657-07-X : 101–104 [135] Kragelski, I.V. et al. (1983): Grundlagen der Berechnung von Reibung und Verschleiß, Carl Hanser Verlag München Wien, ISBN 3-446-13619-3 [136] Czichos, H. (1978): Tribology – a systems approach to the science and technology of friction, lubrication and wear, Tribology Series 1, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam-Oxford-New York, ISBN 0-444-41676-5 [137] Friesenbichler, W. et al. (2001): Wear Testing Apparatus with Integrated Measuring Technology for Measuring the Abrasive / Corrosive Wear on Steels for Plastic Molds, Plenary and Session Key Papers from the 2nd World Tribology Congress Vienna, Austria 3-7 September, Österreichische Tribologische Gesellschaft – ÖTG, ISBN 3901657-07-X : 381-384 [138] Lubbinge, H. (1999): On The Lubrication of Mechanical Face Seals, FEBO druk B.V., Enschede, ISBN 90-3651240-9: 113 [139] Prüfung

von

Schmierstoffen,

Prüfung

im

Mischreibungsgebiet

mit

dem

Schmierstoffprüfgerät nach Brugger, Teil 2. Verfahren für Schmieröle, DIN 51347-2 [140] Szabó O. (2000): Tribological Characteristics of Honing and Microfinishing, Proceedings 7th International Conference on Tribology, 4-5th Sept. 2000 : 394-397 [141] Szabó O. (2000): The main Cutting and Tribological Characteristics of Abrasive Fine Machinings, Proceedings 7th International Conference on Tribology, 4-5th Sept. 2000 : 390-393 [142] 1997

Reade

Advanced

Materials,

http://www.reade.com/Prodducts/

Ferro_Alloys/ferro_boron.html (2004. május 27.) [143] Ferroalloys & Alloying Additives Online Handbook – Boron, 2002, Shieldalloy Metallurgical

Corporation,

http://www.shieldalloy.com/boronpage.html

(2004.

szeptember 6.) [144] ASM Handbook Volume 03 (1992): Alloy Phase Diagrams, ASM International, ISBN 0-87170-381-5 [145] Verı J. - Káldor M. (1977): Fémtan, Tankönyvkiadó Budapest [146] Sebestyén T. (1998): Acélok felületi edzése rezgetett lézersugárral, Diplomamunka, BME

93

Sebestyén Tamás


[147] Sebestyén T. et al. (2001): Wear Resistance Improvement of Selected-Laser-Sintered Tools by Laser Surface Treatment, Laser Assisted Net Shape Engineering 3 – Proceedings of the 3rd LANE 2001 Erlangen, Germany, August 28–31, ISBN 387525-154-7 : 439-446 [148] Sebestyén T. et al. (2002): Formation of Highly Boron-Alloyed Surface Layer by Laser Beam, Gépészet 2002, Budapest, Hungary, May 30-31 [149] Techtron HPV PPS, Teraglobus Kft., 2003 http://www.teraglobus.hu/techtron.html (2004. június 12.) [150] Kureha Carbon Fiber – Kreca, Kureha Chemical Industry Co. Ltd., 94.9.30:1 M

94

Közlekedésmérnöki Kar EGYES LÉZERSUGARAS FELÜLETI BEVONATOK HATÁSA A GYORSPROTOTÍPUS SZERSZÁMELEMEK TRIBOLÓGIAI TULAJDONSÁGAIRA

Recommend Documents