Lehet-e a fémhab köszörűanyag?

Lehet-e a fémhab köszörűanyag? Szintaktikus fémhabok ipari alkalmazása

TDK dolgozat

Keresztes Zoltán Ladányi-Pára Gergely

Konzulens:

Budapest, 2015

Katona Bálint doktorandusz


TDK dolgozat

Összefoglalás Az ember a kezdetek óta meríti ötleteit az őt körülölelő természetből. Épp így van ez a fémhabok esetében is, amelyek felépítésüket tekintve sok esetben hasonlítanak a csonthoz, korallokhoz. A fémhabok úgynevezett celluláris anyagok, amelyeknél egy alap mátrixban cellás szerkezetet alakítunk ki. Gyártás során széles skálán változtathatjuk az anyagösszetevőket, belső szerkezetet úgy, hogy az a felhasználás során kialakuló igénybevételnek leginkább ellenálljon. Szerkezetét tekintve megkülönbözetünk nyílt és zárt cellás fémhabokat, melyeknél a különbség a belső struktúra kialakításából ered. Zárt cellás esetben ha a cellák formája, mérete és egymáshoz viszonyított elhelyezkedése nagyjából hasonló, szintaktikus fémhabokról beszélünk. A cellás anyagokkal a negyvenes évektől kezdtek foglalkozni és azóta folyamatosan fejlődnek, mivel azoknak kimagasló fajlagos mechanikai tulajdonságaik vannak. A jelenleg használt szintaktikus fémhabok legnagyobb részénél alumínium a mátrix, míg az erősítő anyag az alumínium olvadáspontjánál magasabb olvadáspontú anyag. Dolgozatunkban alumínium mátrixba ágyazott, nikkellel bevont üveggömbhéjakkal végeztük a vizsgálatainkat. Ezek a vizsgálatok két részből állnak. A próbatestek kimunkálása után a főbb fizikai és mechanikai tulajdonságokat mértük. Csiszolatokat gyártottunk és fémmikroszkóppal készített képeken térkitöltésti tényezőt számoltunk, illetve a további vizsgálatok után kialakult szerkezetet elemeztük, majd meghatároztuk a keménységét. A képek és 3D modell segítségével kétféleképpen számolt sűrűséget összevetettük az alumínium sűrűségével. Ezután a szintaktikus fémhabok jellemző igénybevételének megfelelően nyomóvizsgálatot végeztünk különböző karcsúságú próbatesteken szoba-és emelthőmérsékleten. Az egyes zömítési eredményeket feszültség-alakváltozás görbén ábrázoltunk, majd következtetéseket vontunk le a felhasználhatóságról. A második részben újszerű felhasználási területek után kutatva köszörűanyagként alkalmaztuk a munkadarabot, amelyhez laboratóriumi vizsgálataink eredményeit vettük figyelembe. Segítséget kaptunk a magyar Granit cégtől, ahol biztosítottak számunkra megmunkálandó anyagot, illetve köszörűgépet. Az eredmények kiértékelésében a helyi etalonokat használtuk. Összehasonlíthatóság érdekében egy fémek megmunkálására használt munkadarabot is köszörültünk a szintaktikus fémhabbal. Végül az eredményrészben összefoglaljuk, hogy a szintaktikus fémhabok, mint köszörűanyagok szerkezetükből fakadóan kiváló megmunkáló anyagok. A köszörülést leginkább befolyásoló tényezők –hőmérséklet, felületi minőség, kopás – figyelembevételével megállapítottuk, hogy az alumínium ötvözetek nem megfelelőek erre a célra, mint mátrix anyag. Továbbá célul tűztük ki, hogy más fajta és nagyobb átmérőjű kerámia erősítőanyagokból fogunk szintaktikus fémhabot gyártani, amelyekkel javítani tudjuk az ipari köszörülést.

2


TDK dolgozat

Abstract The human race draws its ideas since the beginning from the nature. So the situation is the same if we talk about metal foams, that have the similar structure as the bones, coralls in many cases. The metal foams are so-called cellular, associated materials. We ingest the strenghtening material to the interior of the basic matrix with varied methods (pressure infiltration, gasification). We can variate the material components, interior structure in a wide spectrum, so we can reach the needed ability to withstand the stress caused by the usage. We can differentiate two types of builds: open and closed – cell metal foams, where the difference comes from the shaping of the inner structure. By the closed-cell, when the form, the size of the cells, and the relative location similar we talk about syntactic metal foams. Scientists had been researching the cell-materials since the ’40s, and they are developing ever since, bacause of the excellent specific mechanical properties. Nowadays the matrix is mostly aluminium, and the melting point of the strenghtening material must be over the melting point of the aluminium. In our dissertation we made our examinations with nickel-coated, embedded glassorb-shells in aluminium matrix. These examinations can be separated into two pieces. We measured the simple properties after the recess of the appropriate specimens. We made grinding, then we defined the wall thickness, and the square duty cycle with lightmicroscope. We defined the density in two different ways and hardness of the metal-foam. With the help of the pictures and the 3D modell we calculated the density in two different ways, and we compared it to the aluminium density. After that we made pressure test with different slenderd specimens on room and raised temperature properly to the specific stress tolerance of the syntactic metal foam. To the application we used our lab investigation results. With the help of a hungarian company, called Granit we planed some potential fixing method and geometries for our syntactic metalfoam as grinding material. By the evaluation we used local benchmarks. We ground a workpiece used-to metal processing with our syntactic metalfoam in favor of the comparability. At the end we summerize that the syntactic metal-foams in their structure are excellent grinding materials. Taking into account the most importand grinding factors – temperature, surface finish, abrasion- we found that the aluminium-alloys are not appropriate for our goal, are not appropriate as matrix-material. We object to provide that we will produce sytactic metal-foam with bigger grain size and with ceramic reinforcement, with the help of it we will improve the industrial grinding.

3


TDK dolgozat

Alulírott Keresztes Zoltán és Ladányi-Pára Gergely kijelentjük, hogy ezt a dolgozatot magunk készítettük, és abban csak a megadott forrásokat használtuk fel. Dolgozatunkban minden olyan részt, amelyet szó szerint, azonos tartalommal vagy fordítással átvettünk, a forrás megadásával egyértelműen megjelöltük.

Budapest, 2015. szeptember 26.

……………………………………… Keresztes Zoltán

……………………………………… Ladányi-Pára Gergely

4


TDK dolgozat

Tartalomjegyzék 1 Irodalmi áttekintés ....................................................................................................... 8 1.1 Szerkezeti anyagok ................................................................................................. 8 1.2 Tulajdonságok ......................................................................................................... 9 1.3 Előállítás ............................................................................................................... 10 1.4 Felhasználás .......................................................................................................... 10 1.5 Vizsgálatok ........................................................................................................... 11 1.6 Köszörülés ............................................................................................................ 13 1.6.1 Köszörülés fajtái ............................................................................................ 14 1.6.2 A köszörülés gépei ......................................................................................... 16 1.6.3 A köszörülés szerszámai ................................................................................ 18 2 Kitűzött célok ............................................................................................................. 20 3 Kísérleti munka .......................................................................................................... 21 3.1 Felület előkészítés és vizsgálat ............................................................................. 21 3.2 Térkitöltés és sűrűség............................................................................................ 22 3.3 Keménységmérés .................................................................................................. 24 3.4 Nyomóvizsgálat .................................................................................................... 27 3.4.1 Nyomóvizsgálat 20°C-on............................................................................... 29 3.4.2 Nyomóvizsgálat 100°C-on............................................................................. 37 3.5 Kísérleti munka összefoglalása ............................................................................. 42 3.6 A fémhab köszörűkorongként való vizsgálata ...................................................... 43 3.6.1 Használt eszközök bemutatása....................................................................... 43 3.6.2 Roncsolatlan felületű korong vizsgálata ........................................................ 45 3.6.3 Roncsolatlan felületű korong vizsgálata keményebb anyagon ...................... 46 3.6.4 Roncsolódott felületű korong vizsgálata........................................................ 48 3.6.5 Elektronmikroszkópos vizsgálatok ................................................................ 48 3.7 Következtetések .................................................................................................... 51 4 A jövő .......................................................................................................................... 52 5 Köszönetnyilvánítás ................................................................................................... 53 6 Forrásjegyzék ............................................................................................................. 54 6.1 Irodalomjegyzék ................................................................................................... 54 6.2 Ábrajegyzék .......................................................................................................... 56 6.2.1 Internetről és könyvekből kiemelt képek ....................................................... 56 6.2.2 Sajátkészítésű képek ...................................................................................... 57

5


TDK dolgozat

Témaspecifikus kifejezések

abrazív infiltrálás izotrop

koptató hatású fémhabok gyártásának egyik módja térbeli iránytól való független tulajdonság befoglaló mátrixból és erősítőanyagból álló, az kompozit igénybevételhez gyártott társított anyag oxidásványok közé tartozó ásványfaj, kémiai néven korund alumínium oxid porózus pórusos, lyukacsos szerkezetű felületkezelési eljárásokhoz használt, természetes, állati sellak eredetű gyanta szegmensbetét a teljes geometriát kiadó rész egysége a munkadarab mozgását segítő speciális geometriájú támasztóharang test transzkrisztallin a krisztallitokon keresztülmenő

6


TDK dolgozat

Bevezetés A természet és a technológia közötti szoros kapcsolat megkérdőjelezhetetlen. Az ember létezésétől kezdve alapozza találmányait a körülötte lévő élő – és élettelen szerkezetekre. Ezen tényezők védelme és folyamatos felfedezése kétségtelenné teszi, hogy a jövőben az említett kettős kötődése még szorosabb lesz. Gondoljunk Daidaloszra, aki a madarak szárnyát utánozva elkészítette az első kétes létezésű repülésre alkalmas eszközt. A vadászrepülők ragadozómadár-szerű áramvonalas alakján szintén megfigyelhető a természethez való visszanyúlás. Miért ne alkalmazhatnánk a geometrián és felépítésen kívül a „jól bevált” vázszerkezetet is? A fémhabok a csonthoz, a fához, a korallokhoz hasonló szerkezetű cellás anyagok. Kis sűrűségűek, jó mechanikai tulajdonságúak, jó csillapító képességűek. Megkülönböztetünk nyílt és zárt cellás fémhabokat, A zárt cellás csoporton belül külön vesszük a szintaktikus habokat, amikben az üregek mérete, formája és egymáshoz viszonyított elhelyezkedése közel azonos. Ezen anyagok szívóssága, szilárdsága, vezetőképessége az alapfémhez áll közelebb, sűrűségük azonban akár 60-70%-kal kisebb lehet annál. A fémhabokkal először egyetemi laborgyakorlat alatt találkoztunk, ahol olyan anyagként körvonalazódott bennünk, ami a polimerek és a fémek közötti teret ki tudná tölteni. Majd a köszörűanyagokat is megismerve érdekessé vált számunkra a kettő téma közötti kapcsolat. Dolgozatunk felépítése az irodalmi áttekintésen alapszik. Ezt követően egyszerűbb mechanikai vizsgálatokat végezünk üveggömbhéjakkal erősített alumínium mátrixú szintaktikus fémhab próbatestünket. A meglévő próbatestünkből 4 különböző geometriájú mintát forgácsoltunk. Először egy téglatestet munkáltunk ki, amelynek szerkezetét fémmikroszkóppal elemeztünk. Majd szintén egy hasonló geometrián keménységet mértünk. A harmadik darabból több hasábot martunk. Ezeken nyomóvizsgálatot végeztünk különböző hőmérsékleteken. Az eredményekből következtettünk egy újszerű felhasználási területen való alkalmazhatóságra. Ez a terület a köszörülés, ahol az üveggömbhéjak anyagleválasztó hatását használtuk ki. Ehhez külön készítettünk köszörűkorong próbatesteket. Szakirodalmak, egyetemi szakemberek és külsős cég segítségével egy köszörűkorongot munkáltunk ki, amelyet ipari körülmények között a gyakorlatban is alkalmaztunk. A sikerességéről és az előbb említett vizsgálati eredményekről szól dolgozatunk.

7


TDK dolgozat

1 Irodalmi áttekintés 1.1 Szerkezeti anyagok Az ember építményeiben, szerkezeteiben törekszik lemásolni a természetben jelenlévő elemeket. Ennek magyarázata egyszerű, ezek a szerkezetek több millió éve fennmaradtak kisebb változásokkal. Ezek a változások is tulajdonságainak folyamatos fejlődését jelentik, törekedve az egyszerűségre, tökéletességre. Vegyük példának az állatok országának fejlettebb jellemző vázszerkezetet, a csontot (1. ábra). A csont speciális támasztószövet, melynél mechanikai szempontból két részt különíthetünk el. A külső, keményebb rész véd, takarja és felveszi a terhelést. Majd ezt tovább adja a belső, szivacsos állománynak, ami rendkívül jó energiaelnyelő tulajdonsággal bír, ugyanakkor szivacsos szerkezete miatt könnyű [1]. Hasonló elrendezésű a korallok váza, a fák törzse, amely szintén sok éven át fejlődött ki. Látva a fentebb említett példák 1. ábra Csont sikeres fennmaradását és fejlődését az 1940-es években megjelentek az első cellás anyagok (2. ábra). Mára számos csoportjuk fejlődött ki úgy, mint a nyílt- és zárt cellás habok. De az alapanyagot tekintve is megkülönböztetünk polimerhabokat, fémhabokat. További osztályozási lehetőség a belső szerkezeti struktúra megvalósításának módja (3. ábra).

2. ábra Fémhab

8


TDK dolgozat

3. ábra Fémhabok csoportosítása A habok felépítésére általánosan igaz, hogy állnak egy befoglaló mátrixból és egy befoglalt erősítő anyagból. Tehát speciális kompozitok. Amennyiben az említett erősítő anyagok zártak, üregesek, közel azonos formájúak és egymáshoz viszonyított elhelyezkedésük hasonló, továbbá a mátrix anyag fémes, szintaktikus fémhabokról beszélünk [2]. Legelőnyösebb tulajdonságuk, hogy összetételük tervszerűen módosítható az igénybevétel(ek) fajtájához mérten. A mátrix anyagminőségének, a töltőanyag mennyiségének, elhelyezésének és anyagának változtatásával kiváló fajlagos mechanikai tulajdonságokat érhetünk el úgy, hogy a sűrűséget csökkentjük. A másfajta cellás vagy porózus anyagokkal ellentétben a szintaktikus fémhabok tulajdonságai izotropok [2][13]. Az általunk vizsgált anyag mátrixa AlSi12, amiben a könnyebb kapcsolódást segítő nikkellel bevont üveggömbhéjak, mint töltőanyagok helyezkednek el viszonylag rendezett állapotban. A pontosabb meghatározás érdekében elektronmikroszkóppal meghatároztuk az összetevőket.

1.2 Tulajdonságok Általános tulajdonságok az izotropia, a kiváló fajlagos mechanikai tulajdonságok és a kis sűrűség. Mivel zárt cellákat tartalmaznak kiválóan szigetelik a vizet, a zajt, a hőt. Szivacsos szerkezetüknek köszönhetően rendkívül jól nyelik el az energiát, tehát jó csillapítóképességűek [2][11]. Az általunk használt szintaktikus fémhab mátrixa alumínium. Az alumínium egy felületen középpontos köbös kristályrácsú könnyűfém. Kristályszerkezetének köszönhetően több csúszási síkkal rendelkezik, ezért kiválóan alakítható képlékenyen. Sűrűsége 2700 kg/m3, ami az acél és a polimer között helyezkedik el. Olvadáspontja szintén köztes érték, 660°C, ez viszonylag alacsonynak számít a fémek között. Kiválóan vezeti a villamosáramot és a hőt. Felületi oxidrétegének köszönhetően korrózióálló. Nem mágnesezhető. Mechanikai tulajdonságait tekintve kis szilárdságú, ami ötvözéssel, alakítással és mint láthatjuk társítással jól módosítható. Kis sűrűsége, kémiai ellenállóképessége, vezetőképessége és jó alakíthatósága miatt a légtechnika, autóipar és hadipar alkalmazza elsősorban burkoláshoz, elektromos rendszerekhez [14][15].

9


TDK dolgozat

Az említett gyengébb mechanikai tulajdonságok fajlagosan növelhetőek, ha az alumíniumot mátrixnak használva üveggömbhéjakat helyezünk bele erősítőként. Az üveg olyan kerámia, aminek sűrűsége 2500 kg/m3, tehát hasonló mint az alumínium. Azonban kopásálló, nagy szilárdságú és olvadáspontja kb 1200°C. A kompozit előállítása, azaz a két anyag társítása nyomásos infiltrálással történik [16].

1.3 Előállítás Az elmúlt 10-15 évben számos technológiát fejlesztettek ki a szintaktikus fémhabok gyártására, de ezek közül csak párat, főleg a nyomásos infiltrálást és a keveréses eljárást alkalmazzák manapság. Ennek oka, hogy gyártás során homogénebb szerkezet alakul ki, amelynek térkitöltése nagyobb. Az infiltrálás elvi vázlatát a (4. ábra) mutatja. Lényegében egy vákuum és túlnyomás alá helyezhető kemence, amelyben így rendkívül nagy nyomáskülönbség hozható létre. A kemencébe helyezünk úgynevezett befenekelt kannát, ami az üveggömbhéjakat tartalmazza. Az elhelyezés után erre a kannára terítettünk Al2O3 paplant, mint a külső tértől teljesen elválasztó réteg. Erre a rétegre került rá az alumínium ötvözetünk kiöntött előgyártmány formában. Ezután lezártuk a kemencét és vákuum alá helyeztük, majd fűtöttük. A mátrixnak megfelelő hőmérsékleten az 4. ábra Nyomásos ifiltrálás alumínium megolvadt, így elzárta a gömbhéjakat a kemence terétől és megőrizte a gömbhéjak terében uralkodó vákuumot. Eztán szelepek segítségével megszűntetjük a vákuumot és túlnyomást adunk a rednszerre. A gömbhéjakat tartalmazó kannában uralkodó vákuum és a túlnyomás hatására a olvadt alumínium átnyomódott a paplanon a gömbhéjak közé. A nyomást fenntartva hűlni hagytuk a rendszert, majd a kemence kinyitása után vízbe dobva hűtöttük tovább [9][3][12].

1.4 Felhasználás A szintaktikus fémhabok felhasználása még kiforratlan. Rendkívül sok olyan terület van, ahol elméletileg kiválóan alkalmazhatóak. Erre jó példa a jelen dolgozat témája, azaz a fémhabok, mint köszörűanyagok. Feltételezzük, hogy a köszörülés során fellépő koptató hatás az üveggömbhéjakat megtörik és így egy éles töretfelület alakul ki. Ez a felület pedig a megmunkálandó munkadarabot kiválóan köszörüli. Legáltalánosabb, egyben legfőbb tulajdonságai a kis sűrűség, jó mechanikai tulajdonságok és a kiváló energiaelnyelő - és csillapító képessége. Esetünkben alumínium mátrixról beszélve hozzá tartozik a kémiai vegyszerállósága, a korrózióállósága. Ezen tulajdonságok miatt elsődleges felhasználója a légtechnika. 10


TDK dolgozat

Továbbá energiaelnyelő képességét felhasználva az autók lökhárítójánál és a hadiipar tankjainál, mint külső burok alkalmazzák. Légtechnika, autóipar Építészet és konstrukciók Elektronika, kábelezés

15%

Csomagolás Egyéb

27%

13%

21%

24%

5. ábra Felhasználás

1.5 Vizsgálatok A vizsgálatokhoz elkészített próbatesteket a tanszéken nyomásos infiltrálással előállított tégelyt használtuk (6. ábra). Ebből 3 darab különböző magasságú lemezt vágtunk ki. A vágásnál probléma lépett fel, mivel az alumíniumot ugyan könnyű megmunkálni, de az üveggömbhéjak kopásállósága miatt az ipari szalagfűrész (7. ábra) nem volt hatásos. Ez után körfűrészt használtunk (8. ábra), ami szintén nem volt alkalmas a feladatra. Végül egy régebbi excentrikus fűrészgéppel (9. ábra) sikerült kimunkálni a tervezett próbadarabokat. 6. ábra 3D modell a munkadarabról

11


TDK dolgozat

7. ábra Szalagfűrész

8. ábra Körfűrész

9. ábra Excentrikus fűrész Ezek 10-, 15-, 20- mm magasak voltak. A kész lemezeket fűrészlapokkal szeleteltük fel a hengeres próbatesteknek megfelelő átmérőjű részekre. Az említett hengeres mintákat forgácsolással alakítottuk ki, majd nyomóvizsgálatnak vetettük alá őket két különböző hőmérsékleten. Egyik részüket szobahőmérsékleten, míg a fennmaradó darabokat a nyomógépre szerelt fűtőtesttel magasabb hőmérsékleten is zömítettük. Továbbá fontosnak tartottuk, hogy a kapott görbéket hasonló vizsgálati körülmények között össze tudjuk vetni azonos geometriájú alumínium ötvözetű próbatesteken végzett nyomóvizsgálati eredményekkel. A tégely fennmaradó részéből kimunkáltunk egy kisebb egységet, aminek egyik részén keménységmérést hajtottunk végre. A másikat műgyantába ágyaztuk, és különböző szemcseméretű csiszoló- és polírozó korongokkal csiszolatot készítettünk belőle.

12


TDK dolgozat

10. ábra Munkadarabok A szintaktikus fémhabok nyomóvizsgálatával és porozitásával több neves kutató és csoportja is foglalkozott. Wu és társai technikai tisztaságú alumínium mátrixú szintaktikus fémhabokat állítottak elő infiltrálással. A töltőanyagok 92-150 mikrométer átmérőjűek voltak. Vizsgálataik kimutatták, hogy porozitás csökkentésével (150 μm  92 μm), vagyis a sűrűség növelésével a szintaktikus fémhabok nyomószilárdsága (a diagramon megjelenő első feszültségcsúcs) majdnem duplájára nőtt. A tömörödésig tartó alakváltozás 40-50% volt. Megállapították, hogy a feszültségi csúcs a porozitás csökkentésével és a kerámiatartalom növelésével növelhető [2][4]. Rohatgi és társai szintén nyomásos infiltrálással állítottak elő 45-250 mikrométer átmérőjű kerámia gömbhéjakat tartalmazó szintaktikus fémhabokat. Mátrix anyaguk Sial ötvözött Al volt. Vizsgálataik során megállapították, hogy a mikrogömbhéjak növelésével az infiltráció mértéke javult. Hasonló javulást értek el az infiltrációs nyomás növelésével. Az emelt hőmérséklet hatására az olvadék viszkozitása csökkent, így könnyebben hatolt be a gömbhéjak közé. Vizsgálták továbbá, hogy a térkitöltési tényező növelése hogy befolyásolja az energia elnyelést. Azt tapasztalták, hogy az elnyelt energia mértéke nőtt a térkitöltési tényezővel arányosan [5][6]. Palmer és társai szintén szintaktikus fémhabokon végeztek kísérleteket. Háromféle mátrixanyagot alkalmaztak, mind alumínium ötvözet. Az erősítőanyag átmérője 45-270 mikrométeres tartományba esett. Sem képeken jól látható volt, hogy a nagyobb átmérőjű héjak falai tartalmaztak porozitást. Ezek a vékony falszerű porozitások feszültséggyűjtő helyekkel társulva kisebb feszültségen okozták a gömbhéjak törését. Megállapították, hogy 50%-os alakváltozásnál jóval a jelölt érték előtt eltörtek a munkadarabok, viszont a töredékek együtt maradtak. Továbbá megfigyelték, hogy az első törések a nyomószilárdságnál jelentek meg. A csúcsfeszültség pedig az átlagos átmérő növekedésével csökkent [2].

1.6 Köszörülés Szinte az emberi elmével, és értelemmel egyidős a vágy arra, hogy az elkészült tárgyainkat még használhatóbbá esetleg kelendőbbé tegyük valamilyen módszer által. Az 13


TDK dolgozat

11. ábra Köszörülés őskorban készült fegyverek nyelét, sokszor magát a fegyvert is sok-sok nagyoló megmunkálás (méretre hasogatás, szakítás) után még egy picit “finomhangolta” ősünk, így készítette el a használati tárgyait. Majd az ember fejlődésével, a fém tárgyak előtérbe kerülésével még komolyabb teljesítményigényű köszörülésekre volt szükség, amelyekhez már gépeket is használni kellett, azonban az alapelv, az őskorból magunkkal hozott használhatóság, és a szépérzék iránti vágy mindmáig megmaradt. A köszörülés modern megfogalmazás szerint szabálytalan élgeometriájú szerszámmal végzett forgácsolás, amellyel nagy pontosságú, sima, sőt tükrös felületeket lehet előállítani, főleg befejező megmunkálás, de néhány nagyteljesítményű köszörűgép alkalmas előkészítő vagy nagyoló műveletekhez is (11. ábra). Köszörüléssel sokféle felület megmunkálható (hengeres, sík, kúpos, alakos). Pontossága: IT6-7 (A tűrésmező nagyságok mérettől független jellemzésére bevezették a következő jelöléseket: IT 1 … IT 22 (International Tolerance), a számok csak tűrésmező nagyságra utalnak, de nem konkrét értékekre. Ezek az osztályok a legyárthatóság nehézségét hivatottak értékelni, pl. IT10es tűrések könnyen legyárthatóak, de az IT 5ös osztály már nagy odafigyelést és pontos gépet igényel.), az átlagos érdesség: Ra = 0,16-1,25µm. Köszörülni kéziszerszámokkal és köszörűgépeken (szerszámgépekkel) lehet [20][21]. A kéziszerszámokkal való köszörülés mindig nagyoló jellegű megmunkálás, különösebb pontosságot és felületi minőséget nem lehet elvárni. A kéziszerszámok közé sorolhatók az asztali vagy állványos köszörűk és a kézi köszörűk, csiszolók.

1.6.1 Köszörülés fajtái Valamennyi köszörülési módszer alkalmazásakor a szerszám végzi a forgácsolómozgást, mintegy 30m/s sebességgel. A nagy sebességű köszörülés tartománya 50–80m/s, az ultrasebességűé 100–300 m/s. A köszörűgépeken általában a munkadarab is végez valamilyen mozgást. Oldalelőtolásos palástköszörülés Az oldalelőtolásos palástköszörülés tengelyek köszörülésére való. A fogásvétel történhet löketenként, kettőslöketenként. Készreköszörüléskor az utolsó néhány löketet fogásvétel nélkül szokás elvégezni, ezt hívják kiszikráztatásnak (12. ábra). Beszúró palástköszörülés

14


TDK dolgozat

Ezt a módszert általában kis hosszúságú forgástestek köszörülésekor alkalmazzák. Oldalelőtolás nincs, legfeljebb 1–3mmes oszcilláció. Beszúró palástköszörüléssel lépcsős tengelyek vállainak a köszörülését is el lehet végezni (13. ábra). Csúcs nélküli köszörülés Csúcs nélküli köszörüléssel több méter hosszú rudak is köszörülhetők. A munkamódszer általában áteresztő jellegű de lehet beszúró is. Az áteresztő módszerhez a támasztókorongot 2–6°kal megdöntik, így a munkadarab előre tud haladni a vezetősínen, lehetővé téve a teljes vagy tetszőleges hosszon való köszörülést. Beszúró eljárás alkalmazásakor a támasztókorong nincs megdöntve. Rendkívül nagy termelékenységű és alacsony mellékidejű megmunkálási módszer (14. ábra). Furatköszörülés Vékonyfalú munkadarabok – például gördülőcsapágygyűrűk – megmunkálásához az ún. csúszósarus eljárást használják. A munkadarab forgatását mágneses támasztóharang végzi. Csúszósaru nélküli eljárás alkalmazásakor a munkadarabot mereven fogják be, például tokmányba. A köszörülést mindig előtolással végzik (15. ábra). Síkköszörülés A síkköszörülés a köszörűkorong palástjával vagy homlokfelületével végezhető. A korongpalásttal végzett síkköszörülés lassú, kis termelékenységű, de pontos eljárás. A koronghomlokkal végzett síkköszörülés nagy termelékenységű módszer, minden löket vagy kettőslöket után lehet fogást venni, oldalirányú előtolás nincs. Kis teljesítményű gépeken a korong fazék alakú, nagy teljesítményű gépeken szegmensbetétes. A nagy teljesítményű síkköszörű gépek a keményfémlapkás homlokmarásnak megfelelő anyagleválasztási sebességgel is képesek dolgozni (16. ábra).

15


TDK dolgozat

12. ábra Oldalelőtolásos palástköszörülés

13. ábra Beszúró palástköszörülés

14. ábra Csúcs nélküli köszörülés

15. ábra Furetköszörülés

16. ábra Síkköszörülés

1.6.2 A köszörülés gépei Egyetemes palástköszörűgépek Az egyetemes palástköszörűgépek a legsokoldalúbban használható köszörűgépek. A forgácsoló főmozgást a pontosan csapágyazott köszörűorsóra szerelt köszörűkorong végzi. A munkadarabot tokmányba, csúcsok közé, vagy patronba lehet befogni, amit külön hajtómű forgat. Oldalirányú előtolással végzett köszörüléskor a gépasztal a köszörűkorong tengelyvonalával párhuzamos alternáló mozgást végez, ami gépasztal szögben elállítása esetén lehetővé teszi kúpok köszörülését. Az asztal mozgatását általában hidraulikus rendszer biztosítja. A gépasztal mozgási úthosszát – a lökethosszt – állítható ütközőkkel lehet szabályozni. Az egyetemes palástköszörűgépeken hengeres, kúpos, alakos külsőbelső forgásfelületek és sík homlokfelületek köszörülhetők (17. ábra). Csúcs nélküli köszörűgépek Az ilyen típusú gépeken a munkadarab a köszörű és a továbbító korong között helyezkedik el, alulról támasztóléc vezeti, illetve támasztja meg. A darab a forgómozgást a finom szemcsézet gumi vagy bakelitkötésű továbbító korongról kapja súrlódás révén. 16


TDK dolgozat

A köszörűkorong kerületi sebessége 25–30 m/s, a továbbító korongé 0,15–1,15 m/s. A munkadarab a továbbító korong kerületi sebességét veszi fel, forgásiránya a köszörűkorongéval ellentétes. A továbbító korong a köszörűkorong tengelyéhez viszonyítva a vízszintes síkban ferdére állítható. Áteresztő köszörüléskor így a munkadarab forgómozgása mellett tengely irányú előtolási sebességet kap (18. ábra). Furatköszörűgépek A furatköszörűgépek szerkezeti felépítése hasonló az egyetemes palástköszörűgépekéhez. Alkalmasak hengeres, kúpos és beszúró köszörüléssel lépcsős vagy alakos felületek megmunkálására is. Fazék alakú koronggal homlokfelületek is köszörülhetők. A furatköszörűgépeket nagy fordulatszámú, pneumatikus vagy hidraulikus orsóhajtással gyártják. A kis átmérőjű furatok megmunkálásához kedvező (kb. 20 m/s) kerületi sebességet 30 000–150000 1/min orsófordulattal lehet biztosítani. A munkadarabot tokmányba vagy patronba lehet fogni (19. ábra). Síkköszörűgépek A síkköszörűgépekkel korongpalásttal vagy koronghomlokkal végzett megmunkálást lehet végezni. A korongpalásttal végzett köszörülésre alkalmas gépen akkor köszörülnek, ha a munkadarab deformálódását, káros felmelegedését el kell kerülni. Korongpalásttal végzett köszörüléskor ugyanis a kis érintkezési felület miatt kicsi a forgácsoló erő, a forgácsoló teljesítmény és az ezzel arányos forgácsolási hő.Koronghomlokkal végzett köszörüléskor nagy forgácsteljesítmény érhető el, de ezzel együtt nagyok az erő és hőhatások. A síkköszörűgépek kétféle asztallal készülnek: hossz és körasztallal. A hosszasztal egyenes vonalú, alternáló, a körasztal folyamatos körmozgást végez. A munkadarabot leggyakrabban elektromágneses felfogólap rögzíti az asztalhoz. Előnyük a gyors rögzítés és az, hogy egyidejűleg több munkadarabot is fel lehet fogni. Elterjedt még a szögben elfordítható mágnesasztal (szinuszasztal) is, amivel tetszőleges szögben lehet köszörülni. A munkadarabot lehet rögzíteni satuval is, amely mágnesre is helyezhető. Ezáltal lehetőség van akár a munkadarab szögben történő megmunkálására, akár merőleges oldalak készítésére (20. ábra) [22].

17


TDK dolgozat

18. ábra Csúcs nélküli palástköszörűgép

17. ábra Egyetemes palástköszörűgép

20. ábra Síkköszörűgép

19. ábra Furatköszörűgép

1.6.3 A köszörülés szerszámai A köszörűszerszámok külsőre korong alakú szabályos forgástestek, valójában szabálytalan élgeometriájú, sokélű szerszámok, amelyek a forgácsolást nagy sebességű karcolással végzik. A köszörűszerszámok legjellegzetesebb paraméterei: szemcseanyag, szemcsenagyság, kötőanyag, kötéskeménység, tömörség, alak és főméretek. Hagyományos szemcseanyag a korund és a szilíciumkarbid, szuperkemény anyag a köbös bórnitridés a műgyémánt. ● A korundnak sok változata van. A nemes elektrokorund 99% Al2O3tartalmú, amely edzett szerkezeti és ötvözött acélok köszörülésére való, de lágyacélokhoz is kiválóan alkalmas. A 95% Al2O3t tartalmú normál korund csak lágyacélok köszörülésére alkalmas. A rózsaszínű rubinkorund fogazatok és profilok köszörülésére kedvező, mert kevésbé kopik, mint az előzőek. A cirkonkorundnak a hőállósága kiváló. A pálcakorund Al2O3porból zsugorítással készül, amelyet bakelit kötőanyaggal fognak össze. A pálcakorund nagy teljesítményű tisztítóköszörüléshez használható. ● A szilíciumkarbid szemcse keményebb és élesebb, mint a korund. A szilíciumkarbid rideg anyagok (például öntöttvas, keménybronz), de nagyon lágy anyagok (rozsdamentes acél, színesfémek, gumi) köszörülésére is alkalmas.

18


TDK dolgozat

● Az igen kemény köbös bórnitrid edzett gyorsacélok és szerszámacélok megmunkálására alkalmas. ● A műgyémánt keményfémek és egyéb nem vasfémek, valamint nagyon kemény más anyagok köszörüléséhez való szerszámanyag. A szabálytalan alakú szemcséket aprítással készítik, majd szitálással osztályozzák. A köszörűszemcséket kötőanyag fogja össze megfelelő szilárdságú, forgácsolásra alkalmas szerszámmá. A leggyakoribb kötőanyagok: kerámia, műgyanta (bakelit), gumi, fém, vízüveg, magnézium, sellak. A köszörűszerszámok keménységén azt az erőt értik, amellyel a kötőanyag ellenáll a szemcséket kitörő forgácsolóerőnek, tehát nem azonos az abrazív szemcsék tényleges keménységével. A szerszám keménysége akkor ideális, ha a kötőanyag csak az éles szemcséket tartja fogva, az elkopott, életlen szemcséket pedig elengedi (önélezés). A köszörűkorongok fontos és jellemző tulajdonsága önélező képességük. Ennek ellenére a korongokat időnként fel kell újítani. A korongszabályozást gyémánttal, gyémántceruzával és gyémántgörgővel végzik, nagyobb szemcsemennyiség eltávolításakor szabályozótárcsát alkalmaznak. A köszörűkorongok felerősítését leggyakrabban szorítóperemmel, karton alátéttel végzik. A köszörűkorongokat üzembe helyezésük előtt mindig kiegyensúlyozzák [23][24].

19


TDK dolgozat

2 Kitűzött célok

Alapok  A szintaktikus fémhabok tulajdonságainak feltérképezése  Vizsgálati módok áttekintése  felhasználási módjaik megismerése

Részletek

 kísérleti munka keménység, térkitöltés, sűrűség, nyomóvizsgálat

 Eredmények kapott eredmények kiértékelése, következtetések

 Felhasználás felületi minőség, nyomáselnyelés, keménység

Jövő A szintaktikus fémhab, mint köszörűanyag. Céges konzultációval köszörűkorong gyártása, majd annak alkalmazása két különböző anyagon. Az eredményekből gyártási, alapanyagbeli, felhasználási javaslatok, módosítások.

20


TDK dolgozat

3 Kísérleti munka 3.1 Felület előkészítés és vizsgálat A mikroszkópos vizsgálatokhoz szükség volt a próbatestek megfelelő felületének előkészítésére. Ezt csiszolási és polírozási műveletekkel értük el. A mintát először műgyantába ágyaztuk, majd csiszológépen csiszoltuk. Az eljárás során fokozatosan tértünk át durvább felületű korong használatáról jobb felületi érdességű csiszolófelületre. Ezután a polírozó gépen Topol nevű korongot alkalmazva tükörfényes felületet értünk el. A műveletet minden próbadarabon addig végeztünk, míg a legkisebb nagyításban sem látszottak karcolások a felszínen.

21. ábra Olympus DP70 fénymikroszkóp A mintákról fémmikroszkóppal több képet is készítettünk eltérő nagyításban. Továbbá a polírozásnak köszönhetően az alumínium mátrix kiválásai vehetőek ki (22. ábra Mikroszkópos felvétel 500x nagyításban). Ezek a kiválások a világosabb barna színű kötőanyag (alumínium) felületén látható vékony, sötét szürke csíkok.

21


TDK dolgozat

22. ábra Mikroszkópos felvétel 500x nagyításban A kisebb nagyítású képek alapján egy közelítő módszerrel térkitöltési tényezőt számoltunk. Erre a sűrűség meghatározásánál van szükség, ami meghatározó tulajdonságként pedig elengedhetetlen a szintaktikus fémhaboknál. Hasonló módon készítettük el a nyomóvizsgálatok után kapott roncsolt szerkezetek elemzéséhez használt csiszolatokat is. Ezeket a 3.4 fejezetben részletesebben kifejtünk.

3.2 Térkitöltés és sűrűség Sűrűségnek [ρ] az egységnyi térfogatban [V] lévő tömeget [m] nevezzük. Másképp a tömeg és a térfogat hányadosa. m [kg] V [m3 ]

=ρ[

kg m3

]

(1)

Szintaktikus fémhaboknál a sűrűség kiemelt fontosságú tulajdonság. Olyan alapvető mechanikus tulajdonságok függenek tőle, mint a rugalmassági- és csúsztató rugalmassági modulusz, a szilárdság. Ezen felül a tömeg csökkentése is a sűrűségtől függ. Így minél kisebb sűrűségre törekszünk. Értékét többféleképpen meghatározhatjuk. Mi két, alapvető módszert használtunk. Először lemértük a teljes test tömegét, majd 3D-s modellt készítettünk a felületi hibákat közelítőleg feltűntetve és megnéztük a térfogatot. A fentebb jelzett egyszerűbb összefüggéssel megkaptuk a sűrűséget. A másik módszer az szintén könnyen alkalmazható. Ez a keverési szabály. 22


TDK dolgozat

ρe = Vmg × ρmg + (1 − Vmg) × ρba 

ρe: elméleti sűrűség [kg/m3]



Vmg: a gömbhéjak térkitöltése [m3]



ρmg: a gömbhéjak sűrűsége [kg/m3]

(2)

 ρba: az alapfém sűrűsége [kg/m3] A fémhaboknál gyakran megadott mennyiség a dimenziótlan relatív sűrűség, ami a fémhab és az alapfém sűrűségének hányadosa. ρm

ρr = ρba m [kg]

(3)

kg

Az V [m3] = ρ [ m3 ]

(1) egyenlet alapján kiszámolt sűrűséget

a következő táblázatba foglaltuk [14]. Tulajdonság szintaktikus fémhab tömege térfogata sűrűsége Al ötvözet sűrűsége

Mértékegység kg m3 kg/m3 kg/m3

Érték 0,6469 0,0004087 1583,0 2650

Megvizsgáltuk a ρe = Vmg × ρmg + (1 − Vmg) × ρba szerinti keverési szabály alapján is. Ehhez az ismert adatok: 

az alumínium mátrix sűrűsége, ρba:

(2) egyenlet

2650 kg/m3



az erősítőanyag üveg, ρmg: 467,75 kg/m3* *(Az üveggömbhéjak sűrűsége átlagérték, mivel azt több beszállító is forgalmazza, és a munkadarabunkba több fajta is található. Ezeket a beszállítókat és az általuk gyártott gömbhéjak sűrűségét az alábbi kiegészítő táblázatban tűntetjük fel [2].) Cenosphere kg/m3 370-450 3 E-sphere kg/m 400-637 A kiszámítandó adat(ok):  az üveggömbhéjak által elfoglalt térfogat, V A térfogat meghatározásához a fémmikroszkóppal készített képeket használtuk. Képelemző szoftver segítségével jól elkülöníthetőek az üveggömbhéjak és a befoglaló mátrix. Ezen elkülönítésnél mi állítottuk be, hogy az üveggömbhéjak területkitöltésének százalékos értékét számolja ki a program egy adott területen belül. Ez az elv két nagyobb hibát is tartalmaz a szoftver pontosságán kívül.

23


TDK dolgozat



ha a síkból kilépünk, azaz térfogatot számolunk, akkor a megkülönböztetett területekből hasáb alak lenne, nem gömb



a megkülönböztetett területet töltöttnek veszi, azaz nem egy héjas szerkezetet kapunk

Ezek a hibák precíz mérésekhez nem megfelelőek, azonban a mi célunk annyi volt, hogy nagyságrendileg össze tudjuk vetni a keverési szabállyal meghatározott sűrűséget az m [kg] V

[m3 ]

kg

= ρ [ m3 ]

(1) egyenlettel meghatározottal.

23. ábra Területi anyageloszlás

Térfogatszázalék [%]

1. kép Al/üveg 44,81 / 55,19

2. kép Al/üveg 42,13 / 57,87

A ρe = Vmg × ρmg + (1 − Vmg) × ρba behelyettesítve: 1.kép 3 Sűrűség [kg/m ] 1422 Átlag: ρ1+ρ2+ρ3 3

(2) egyenletbe 2.kép 1366,1

3.kép 1324,1

= 1370,7 kg/m3

Eredmények összefoglalva: Al sűrűség [kg/m3] m/v [kg/m3] 2500-2700 (ötvözettől függ)

3. kép Al/üveg 40,16 / 59,84

(4)

keverési szabály[kg/m3] 1370,7

1583,0

relatív sűrűség [-] 0,61

3.3 Keménységmérés Az anyagvizsgálati módok közül az egyik legáltalánosabb a keménységmérés. Több csoportot különböztetünk meg 

statikus: Brinell, Vickers, Knoop, Rockwell 24


TDK dolgozat



dinamikus: Poldi kalapács, szkleroszkóp, duroszkóp

 műszerezet keménységmérési eljárás: Erő – benyomódási görbe felvétele Ezek közül mi a statikus változattal foglalkoztunk, aminek lényege a vizsgált anyag ellenállása a meghatározott geometriájú szúrószerszám behatolósával szemben. A kimunkált próbatesten Brinell keménységmérést végeztünk (25. ábra). A vizsgált munkadarab felületébe, arra merőleges erőhatásra egy golyó alakú szerszám hatol be úgy, hogy gömbsüveg lenyomatot képez. Az (24. ábra) jelöléseivel a gömbsüveg felülete Dxπxh, ahol D a golyó átmérője, h a gömbsüveg magassága. Így a kapott Brinell keménység (jele: HBS/ HBW) [17][18]:

HB =

0,102xF

(5)

D×π×h

Az erő mellett befolyásoló tényezőként tartjuk számon az időt is. A golyó által létrehozott maradó alakváltozásnál a nyugalmi állapot csak egy bizonyos idő után áll be.

25. ábra Brinell keménységmérés

24. ábra Brinell keménységmérés szúrószerszáma Használatának [17][18] - előnyei: 

Átlagos keménységértéket



Kiváló inhomogén anyagok vizsgálatához

 Következtetni lehet az anyag szilárdságára -hátrányai: 

Lenyomat miatti felület roncsolás



Vékony lemezeknél nem alkalmazható



Réteg- és keménységeloszlásra nem használható 25


TDK dolgozat



Viszonylag lassú eljárás

A keménységmérésnél alkalmazott paraméterek: Paraméter Mértékegység Érték Erő N 250 Lenyomatok db 10 Idő s 10 Golyó átmérője mm 8,5 . Miután elkészült a lenyomat a gép kijelzőjén kézzel befoglaló négyzetbe fogtuk azt, aminek segítségével a gép kiszámolta a keménységet. Az (26. ábra) az első három lenyomat szemlélteti.

Keménység [HBS]

1 41,9

2 26. ábra 3 Mintavételi 4 5helyek 6 42,5 42,5 45,2 45,3 45,5

7 45,7

8 45,9

9 46

10 47

A minták keménységének átlaga: 44,75 HBS A minták keménységének szórása: 1,769 Az összehasonlíthatóság végett az alábbi táblázatban mutatjuk más anyagok Brinell keménységét:

26


TDK dolgozat

500 450 400 350 300

Általunk vizsgált szintaktikus fémhabok

250 200 150 100 50 0

27. ábra Keménységi értékek összehasonlítása

3.4 Nyomóvizsgálat A fémhabok alkalmazását tekintve legfontosabb tulajdonsága az energia elnyelése. Mechanikai igénybevétel esetén ez az összenyomó hatást jelenti. Ennek a nyomáselnyelésnek a maximálása a cél úgy, hogy a sűrűség minél kisebb legyen. Továbbá fontos tényező ez a nyomás és a tőle kialakuló belső szerkezeti károsodás a köszörűanyagként való felhasználásában is. Dolgozatunk során követtük a leggyakrabban alkalmazott vizsgálati trendet, azaz nyomóvizsgálatnak vetettük alá a munkadarabokat (28. ábra). Szintaktikus fémhaboknál a nyomás hatására, mint egy hullám terjed az energia egyik gömbhéjról a másikra, miközben folyamatosan roppantja össze azt a réteget, ahol jár. A nyomóvizsgálatok eredményeit terhelés-alakváltozás görbén szokás megjeleníteni, ahol a kapott görbe alatti terület az elnyelt energia nagyságával arányos. Az általunk használt és a miénkhez hasonló anyagoknál az ilyen görbék jellegét az 29. ábra mutatja [2][19]. 28. ábra Nyomóvizsgálat elvi vázlata

27


TDK dolgozat

29. ábra Feszültség-alakváltozás diagram A diagramon két fontos dolog figyelhető meg. Az egyik, hogy a tiszta alumíniumhoz képest a különböző átmérőjű gömbhéj erősítéssel rendelkező anyagoknak van egy úgynevezett platós szakasza. Ilyenkor csak alakváltozás megy végbe úgy, hogy feszültség állandó, illetve a nyomószilárdság elérése után még vissza is esik. A másik szembetűnő dolog a két alsó görbe közötti különbség. Ez az üveggömbök átmérőjének jelentősége. Látható, hogy minél kisebb az átmérő, annál nagyobb a nyomószilárdság és annál nagyobb a visszaesés is. Ezt egyszerűen abból adódik, hogy a kisebb üveggömbhéjakból többet képes magába fogadni a mátrix [8][2]. Mint az említettük az összehasonlíthatóság végett az alumínium ötvözet próbatestekkel is azonos vizsgálati paraméterű zömítést végeztünk Minden alakváltozást befolyásol a hőmérséklet, ezért nem volt elég szobahőmérsékleten végrehajtani a vizsgálatot. Két sorozattal kísérleteztünk, ahol volt egy 100°C-on végzett rész is. A hőmérséklet mellett 3 nagyobb csoportra osztottuk a kísérletet. Az osztályozás szempontja a karcsúság, ahol megkülönböztettünk: 1) h/d=1 (átmérő 10mm, magasság 10mm) 2) h/d=1,5 (átmérő 10mm, magasság 15mm) 3) h/d=2 (átmérő 10mm, magasság 20mm) Az egyes karcsúságokon belül 2db zömítést végeztünk el: a) 50% alakváltozás b) 25% alakváltozás Továbbá minden karcsúsági értéknél végeztünk egy 25% alakváltozásos zömítést AlSi12 hasábon. A folyamatot nagyfelbontású videokamerával rögzítettük, amelyen jól láthatóak a különbségek a két különböző anyag viselkedését illetően. Minden esetben rögzítettük az erő-elmozdulás értékeket, amelyekből feszültség-alakváltozást számoltunk és diagramokat készítettünk. A vizsgálat után a roncsolódott próbatestekből csiszolatot készítettünk és fémmikroszkópon analizáltuk a károsodást. 28


TDK dolgozat

A következőekben a vizsgálatok menetét és eredményét mutatjuk be hőmérsékletek szerinti bontásban.

3.4.1 Nyomóvizsgálat 20°C-on A nyomóvizsgálat előtt minden próbadarab szerszámmal érintkező felületét kenőanyaggal vontunk be. Erre a hordósodás elkerülése végett volt szükség. A hordósodás azért jön létre, mert a zömülő anyag érintkező felülete letapad a szerszámra és így ebben a zónában gátolt az alakváltozás, míg a két tapadt rész közötti anyag kiduzzad. A zömítő gépre számítógépet kapcsoltunk, és a megfelelő programnak köszönhetően a szerszámfej elmozdulását, az erőt, és az időt táblázatos formában rögzíteni tudtuk a teljes vizsgálat alatt. Az erőből feszültséget, a szerszámfej elmozdulásából és a kezdeti magasságból alakváltozást számoltunk. Az értékeket diagramon ábrázoltuk. A vizsgálatot minden esetben 5mm/sec sebességgel végeztük.

30. ábra 50% Alakváltozás

29


TDK dolgozat

31. ábra 25°Alakváltozás

32. ábra 25% Alakváltozás 30


TDK dolgozat

A fenti módon hajtottuk végre a nyomóvizsgálatot az 1,5 és a 2 karcsúságú próbatesteken is. Ezek eredményeit táblázatosan foglaltuk össze. h/d [-] 1,5 1,5 1,5 alakváltozás [%] 50 25 25 anyag fémhab fémhab Al nyomószilárdság 272 337 355 [MPa]

A nyomószilárdsági érték elérésekor készített képek

A beállított alakváltozás elérésekor készített képek

h/d alakváltozás anyag nyomószilárdság [MPa]

2 50 fémhab 279

2 25 fémhab 295

A nyomószilárdsági érték elérésekor készített képek

31

2 25 Al 349


TDK dolgozat

A beállított alakváltozás elérésekor készített képek

A nyomóvizsgálat eredménye alátámasztotta az elvárásainkat. A nyomószilárdsági értékek nem függtek a minta karcsúságától számottevően, azaz nyomószilárdságuk kisebb szórással megegyezik. Megállapítható, hogy a törés minden esetben a nyomószilárdságnál következett be. Ezt egy nagy hanghatás (reccsenés) követte, majd a törési sík tovább nőtt. A képeken látható, hogy tömbökben válnak le rétegek az anyagról. A leválásokat a görbéken a platós szakasz jelzi. Ilyenkor törnek össze síkról síkra az üveggömbhéjak, azaz ilyenkor történik az energia elnyelése. Az alumíniumhasábok erősítőanyag hiányában kihajlást és hordósodást mutattak. Terhelés közben görbéjük lassan, parabolikusan növekedett. A következő grafikonokon az egyes alakváltozásokhoz tartozó görbéket mutatjuk egymással összevetve.

33. ábra 20°C és 50% alakváltozás

32


TDK dolgozat

34. ábra 20°C 25% alakváltozás A kísérlet során kialakult belső szerkezetet fémmikroszkóppal vizsgáltuk. Először az üveggömbhéjakat tartalmazó összenyomott próbatestek mindegyikéből készült csiszolt felületet felosztottunk. Ezen osztásokról mikroszkóppal képeket készítettünk, majd az egyes mintákhoz tartozókat megfelelő sorrendben összefűztük (35. ábra). 20°C | h/d=1 |25% alakváltozás

33


TDK dolgozat

20°C| h/d=1,5 | 25% alakváltozás

20°C | h/d=2 | 25% alakváltozás

35. ábra Mikroszkópos képes összefűzése A képek az anyag terhelésre adott belső válaszainak megértését könnyítette meg. Megállapítható, hogy az anyag elvesztette az alumíniumra jellemző képlékenyalakíthatósági tulajdonságot. Ezzel szemben ridegen tört felületeket látunk, ami az üvegre jellemző. Továbbá megfigyelhetők a repedés környezetében és attól távol eső területek is. Ezekről minden esetben készítettünk nagyobb nagyítású képeket, ahol vizsgáltuk az üveggömbhéjak viselkedését. 50%-os alakváltozott próbatesteknél továbbra sem készítettünk képeket, hiszen a roncsolódás mértéke nem tette lehetővé a minták gyantába ágyazását.

34


TDK dolgozat

h/d=1

h/d=1,5

h/d=2

36. ábra Belső szerkezeti roncsolódás 20°C-on a repedések közelében

35


TDK dolgozat

h/d=1

h/d=1,5

h/d=2

37. ábra Belső szerkezeti roncsolódások 20°C-on a repedéstől távol A képeken megfigyelhető, hogy az igénybevétel hatására az üveggömbhéjak jelentős része károsodott. A töretfelület környezetében és attól távolabb nagyjából 36


TDK dolgozat

hasonló arányuk roncsolódott. Ezek a héjak vették fel a terhelést. A képeken a jelentősebben roncsolódott héjakat elliptikus piros jelöléssel rajzoltuk körbe. A keletkezett töret felületeken pedig látható, amint az üvegre jellemző éles, nagy szögű, törött felületek jöttek létre. Köszörülés témakörben vizsgálataink arra irányultak, hogy ezek az érdes részek milyen anyagleválasztó hatással bírnak és milyen felületi minőséget garantálnak.

3.4.2 Nyomóvizsgálat 100°C-on Az előzőekhez hasonlóan szintén 5mm/sec sebességgel nyomtuk a hasábjainkat 50 és 25%os alakváltozásig. Majd a végén ugyancsak egy alumíniumhasábbal hasonlítottuk össze az eredményeket. Az eltérés a két hőmérsékleten végzett vizsgálat között az, hogy videofelvétel nem készült. A két szerszámféllel egy megnyújtott, kis átmérőjű, megvezetett húzó-nyomófejet fogtunk be (38. ábra). Ennek méretei elégségesek voltak, hogy köré helyezzük a fűtőtégelyt. Ezt azonban mérés közben rá kellett hajtanunk a megnyújtott húzó-nyomófejek közé helyezett munkadarabra. Nyomóvizsgálat közben folyamatosan tartottuk az emelt hőmérsékletet, így hőálló kesztyűvel és csipesszel távolítottuk el a szerszámfejek közül a munkadarabokat a vizsgálat végén. Rövid ideg tartó levegő hűtés után megjelöltük őket és az említett módon csiszolatokat készítettünk belőlük. A mérési eredmények továbbra is a nyomóvizsgálatnál használt 38. ábra Fűtőtest a program által továbbított adatokból határoztuk meg. szerszám körül

39. ábra h/d=1 görbék

37


TDK dolgozat

h/d alakváltozás [%] anyag nyomószilárdság [MPa] h/d alakváltozás anyag nyomószilárdság [MPa]

1,5 50 fémhab 243 2 50 fémhab 241

1,5 25 fémhab 250 2 25 fémhab 230

1,5 25 Al 250 2 25 Al 255

A feltűntetett eredményeket és a grafikonokat vizsgálva több dolog is különbözik. Az emelt hőmérsékleten végzett nyomóvizsgálatok nyomószilárdsága 10-15-20%-al alacsonyabb, mint a szobahőmérsékleten mérteké. Ennek következtében a kezdeti görbült szakasz meredeksége kisebb és az energiát tároló szakasz hossza is egyenletesebb, hosszabb. Ez leginkább a h/d=1 esetben tűnik ki.

40. ábra 50% alakváltozás

41. ábra 25% alakváltozás

A kisebb meredekségből és az alacsonyabb nyomószilárdsági értékekből következik, hogy a maximális feszültségi érték elérése később következett be. Az anyag kevésbé 38


TDK dolgozat

rideg. Ennek oka, hogy az emelt 100°C az üveggömbhéjnak nem, de az alumíniumnak jelentősebb befolyásoló tényező. A 660 fokon már olvadt alumíniumot ez a hőmérséklet képlékenyebb formába juttatta, lágyabb szerkezetet eredményezve. Köszörülési felhasználás során ez a hatás károsnak bizonyolhat, hiszen a megmunkálás közben gyakori a két test között keletkező magas hőmérséklet. A pontosabb véleményfoglaláshoz megvizsgáltuk az összehasonlításhoz használt zömített alumínium ötvözet görbéket is. A nyomóvizsgálat során roncsolódott próbatestekből készített metszeteket szintén összefűzött képeken ábrázoljuk az anyag szerkezetében lejátszodó folyamatok megértése végett. Mindegyik kép a 100°C-on végrehajtott, 25%-os zömítés során kialakult belső szerkezetet mutatja. A repedések formájukat tekintve hasonlóak a ridegtörést jellemző transzkrisztallin törési formára.

h/d=1

h/d=1,5

h/d=2

42. ábra 100°C vizsgálat során roncsolódott próbatestek metszetei Továbbá megvizsgáltuk a töretfelületek közelében és attól távol kialakult szerkezetet. Érdemes volt szemügyre venni, hogy az üveggömbhéjak mechanikai stabilitása továbbra sem függött az elhelyezkedésüktől. Illetve a repedés mentén kialakult felület éles, nagyszögű bemélyedéseket, sarkokat tartalmaz. Szerkezet a törés közelében Szerkezet a töréstől távol

h/d=1

39


TDK dolgozat

h/d=1,5

h/d=2

43. ábra Mikroszkópos felvételek a repedések közelében és attól távol Amennyiben a különböző h/d értékkel rendelkező munkadarabokat közös grafikonon ábrázoljuk, látható, hogy a magasság változása állandó átmérő mellett nem okoz nagy eltérést a nyomószilárdságban. Kivétel ez alól a 20mm magas próbatest. A következő két grafikon között az alakváltozás mértéke a különbség. Az első esetben hasábjainkat 50%-ig nyomtuk össze. A fémhabokra jellemző, hogy ekkora alakváltozásnál már akkora károsodást szenvedett az anyag, hogy a levált, roncsolódott

40


TDK dolgozat

darabok tömörödnek a szerszám alatt. Ez magyarázza a kevésbé kiegyenlített platós szakaszt.

45. ábra 50% alakváltozású görbék

44. ábra 25% alakváltozású görbék A két különböző hőmérsékleten mért erősítőanyag mentes alumínium próbatestek görbéit közös grafikon ábrázoltuk.

41


TDK dolgozat

46. ábra Alumínium ötvözetek görbéinek összehasonlítása h/d=1 esetben Az ábra jól mutatja, hogy a mekkora befolyással bír a hőmérséklet az anyag viselkedésére. Esetünkben az alumínium mátrix 100°C-os hőterheléssel egybekötött zömítése során a feszültség-alakváltozás görbéje laposabb. Azaz kisebb feszültségre nagyobb alakváltozást szenved. Továbbá sokkal kisebb kilengésekkel éri el a nyomószilárdsági értékét. Ez a megfigyelés fontos információt jelentett a köszörűanyagként való alkalmazás során.

3.5 Kísérleti munka összefoglalása A főbb fizikai és mechanikai vizsgálatok lényegében két célt szolgáltak. Első sorban összehasonlítottuk a szintaktikus fémhabot erősítő anyag nélküli anyaggal. Eközben megismertük a tulajdonságokat, a viselkedését. Első sorban lemértük a munkadarabunk tömegét, és 3D modell alapján térfogatot számoltunk. Ezekből egy egyszerű osztással megkaptuk a fémhabunk sűrűségét. Ezután kisebb próbatestet kimunkálva és csiszolatot készítve belőle fémmikroszkópon képeket készítettünk róla. Ezekből képelemző szoftver segítségével térkitöltési százalékot határoztunk meg és keverési szabály segítségével szintén sűrűséget számoltunk. Az értéket összevetettük a társítatlan alumínium sűrűségével. Alumínium sűrűsége tömeg/térfogat keverési szabály 3 3 2700 kg/m 1583 kg/m 1370 kg/m3 Így megállapítottuk, hogy a szintaktikus fémhabunk sűrűsége körülbelül 55%-a az alumíniumnak. A mért értékeket alapvető hibák terhelték, de látható, hogy a két számolt az összehasonlíthatósághoz teljesen megfelelő.

42


TDK dolgozat

A keménységvizsgálat során megállapítottuk, hogy az alumínium és ötvözetei keménységi tartományában anyagunk közepes értékkel rendelkezi

Alumínium és ötvözetei

16 HBS

100 HBS

47 HBS

41,9 HBS

Nikkellel bevont üveggömbhéj erősítésű alumínium mátrixú szintaktikus fémhab Végül a nyomóvizsgálat következett. Az energia elnyelés az egyik legfontosabb tulajdonsága a fémhaboknak. Ezzel a kísérlettel kiválóan lehet vizsgálni ezt a tulajdonságot. Mivel a hőmérséklet befolyásolja az anyag válaszát az igénybevételre ezért két különböző hőmérsékleten 3 eltérő karcsúságú próbatestet teszteltünk. Mind a három karcsúságút, mind a két hőmérsékleten két különböző értékig nyomtunk össze. Ezeknél a vizsgálatoknál is törekedtünk az összehasonlíthatóságra, így egy azonos geometriájú alumínium ötvözettel azonos paraméterek között végeztünk zömítést. Az eredményeket diagramon ábrázoltuk, amiből meghatároztuk az egyes minták nyomószilárdságát. Az eredményeket vizsgálat közben készített képekkel mutattuk be. Végül megállapítottuk, hogy a szintaktikus fémhabok üveggömbhéj erősítés hatására ridegen viselkednek. Azonban az energiát az egyes gömbhéj rétegek elnyelik és fokozatosan adják tovább egymásnak. A törés bekövetkezése után folyamatosan válnak le a rétegek az anyagról. Felhasználást tekintve két fontosabb következtetésre jutottunk. Fémmikroszkóppal vizsgálva a felületet látható, hogy a töretfelület mentén a roncsolódott üveggömbhéjak éles sarkokat hoztak létre. Ezek a csúcsok kiváló anyageltávolító hatással bírnak. A másik lényeges tulajdonság a hőmérsékletre való érzékenység. A mátrix alumínium a hőmérséklet növelésével lágyabb lett. Az anyag lágyabb lesz, kisebb igénybevétel hatására nagyobb alakváltozás jön létre.

3.6 A fémhab köszörűkorongként való vizsgálata 3.6.1 Használt eszközök bemutatása A vizsgálatokat a Granit Csiszolószerszám Kft furatköszörűgépén készítettük el. A céges konzultáció után két köszörűkorongot gyártattunk le ugyanabban a méretben, és célként tűztük ki az összehasonlítást az ott használt hasonló geometriájú köszörűkorong, és a saját szerszámunk között. A használt munkadarab szintereletlen Al2O3 rúd volt, amely egy puha anyag, ezért feltételeztük, hogy ezt mindenképp képesek leszünk megmunkálni. A nyomóvizsgálatok során előzetesen megállapítottuk, hogy a mátrixanyagunk érzékenyebben reagál az egyik befolyásoló tényező hatására. A nyomóvizsgálatot befolyásoló főbb tényezők: - az alakváltozási sebesség - a terhelés 43


TDK dolgozat

- a hőmérséklet Ezek közül a szintaktikus fémhab a hőmérséklet növelésére sokkal képlékenyebb és nagyobb alakváltozással reagált. Terveink szerint az anyagban található üveggömbök a megmunkálás során eltörnek, a törött rész eltárolódik a mátrixban ragadt gömbpalástban, a töretfelület pedig megfelelő felületet biztosít a fémhab köszörülési tulajdonságaihoz, ezzel pedig finom felületi minőséget leszünk képesek létrehozni. Ahogy azt a 23-24-25-ös ábrán láthattuk, az anyagunk belsejében az üveggömbök homogénen helyezkednek el, ezért a korong önélező képessége is fennáll. A vizsgálatokat az alábbi köszörűgépen végeztük el, melynek adatai: Adat Min. befogható méret: Tengely fordulatszám Tokmány fordulatszám

Mértékegység

Érték

mm 1/min 1/min

125 2240 670

47. ábra Alkalmazott köszörűgép A köszörűkorong két Ø25x6 mm-es korong volt, amelyet egy 8 mm átmérőjű tengelyre erősítettünk fel.

44


TDK dolgozat

48. ábra Roncsolatlan szintaktikus fémhabból készült köszörűkorongok A megmunkálandó munkadarabunkat, az Al2O3 rudat a 50. ábra szemlélteti. A két próbatestet a cégtől kaptuk, mind a kettő Ø45x50 mm volt. A befogásnál gondot jelentett, hogy a szerszámgépbe minimálisan Ø125 mm-es munkadarabokat lehetett befogni, ezért előzetesen egy Ø125 mm-es tokmányba helyeztük be a testeket, majd az így elkészült összeállítást fogattuk a szerszámgépbe, így már meg tudtuk munkálni az Al2O3-ot.

49. ábra Al2O3 munkadarab

3.6.2 Roncsolatlan felületű korong vizsgálata Két vizsgálatnál abban különböztek a korongok, hogy az egyik palástfelületét csak esztergálás közben érte roncsolódás. Ezt neveztük roncsolatlan felületű korongnak. Míg a másik esetben a palástfelületet az esztergáláson kívül tovább roncsoltuk. Így az esetleg épen maradt üveggömbhéjak is nagyobb valószínűséggel törtek össze, ami hatékonyabb köszörülési felületet biztosíthat. A köszörülés során először arra figyeltünk, hogy milyen felületi minőséget képes a szerszámunk létrehozni átmérő csökkenés nélkül, majd az elkészült felületet összehasonlítottuk az ott használt gyémánt köszörűkoronggal készített felülettel.

45


TDK dolgozat

50. ábra Szintaktikus fémhabbal és gyémánttal köszörült munkadarabok felületei A vizsgálat után megállapítottuk, hogy a fémhabból készült köszörűkorong, bár szebb, és simább felületet hoz létre, de valószínűleg a fellépő hőhatás miatt komolyan „bekoszolta” a munkadarabot. Mind a gyémánt, mind a fémhab szerszám inkább törte a próbatestet, mintsem sima felületet hozott volna létre, ez az anyag rendkívül puha voltának tudható be. Azt a célunkat tökéletesen elértük, hogy a korong átmérője ne változzon, emellett jobb felületi minőséget hoztunk létre a munkadarabon, mint az addig használt szerszám. A problémát a vizsgálat után a próbatest palástfelületén megjelenő szürke sáv jelentette. Ebből arra következtettünk, hogy a mátrixban lévő üveggömbök nem törtek el, ezért a vizsgálatunkat egy jóval keményebb anyagon folytattuk, amely már egy, a cégnél készülő köszörűkorong volt. Ezt egyébként is terveztük, hiszen a szerszámainkat forgácsolás során alakítottuk ki, és a kapott felület is inkább egy forgácsolt fém felületére emlékeztet, mintsem egy köszörűkorongéra, ezért mindenképpen ki akartuk próbálni keményebb anyagon is a szerszámunkat, hogy a jól látható felületi simaságot érdesebbé tegye, és egyúttal a tökéletes koncentrikusságot is elérhessünk.

3.6.3 Roncsolatlan felületű korong vizsgálata keményebb anyagon A következő munkadarab egy Ø200x100x76,2 mm-es köszörűkorong volt. Ez egy, a cégnél használt köszörülési eljárásokkal kialakított korong volt, aminek a segítségével biztosak voltunk benne, hogy a forgácsolt felületi simaságunk roncsolódik, de ezt egyébként is szerettük volna elérni a további vizsgálatainkhoz.

46


TDK dolgozat

51. ábra Fémek köszörüléséhez használt korong köszörülése A gépet minden kísérleti beállításnál azonos fordulatszámon és előtoláson használtuk, így kaptunk megfelelő alapot az összehasonlításra. Az hamar kiderült, hogy az általunk várt eredmény helytálló, a munkadarab köszörülte a szerszámot. A mérést hamar leállítottuk, és komoly átmérőcsökkenést tapasztaltunk.

52. ábra Roncsolt felületű korong Ez a tény egyértelműen rávilágított arra, hogy a szerszámunk csak puhább anyagok megmunkálására lesz alkalmas. Azt azonban így már sejtettük, hogy a palásfelületen lévő üveggömbök a durva behatás miatt eltörtek, így az előzetes elképzelésünk szerinti megmunkáló felületet biztosan megkaptuk, ezért a roncsolódott felülettel rendelkező szerszámmal még egyszer megmunkáltuk az Al2O3 munkadarabunkat.

47


TDK dolgozat

3.6.4 Roncsolódott felületű korong vizsgálata A megroncsolódott korongot befogva hagytuk a tengelyen, és lemértük az átmérőjét, amely 20 mm-re adódott. A korong önélező képessége miatt ez nem jelentett problémát, illetve azt gondoltuk, hogy a kialakult felület jobb felületi minőséget is eredményez majd a próbatestünkön. A vizsgálat hasonló eredményt hozott, mint a 3.5.2-es pont esetében. A felület koszolódása itt is megfigyelhető volt, illetve a felületi minőségben sem lehetett szignifikáns javulást észrevenni. 53. ábra Roncsolt felületű korong Az átmérő nem csökkent tovább, de az alkalmazása kiderült, hogy a láthatóan megfelelőbb felület ellenére a kapott eredmény nem javult számottevően, így a forgácsolást megfelelő eljárásnak ítéltük a korongok létrehozásához.

3.6.5 Elektronmikroszkópos vizsgálatok Megállapítottuk, hogy az alumínium nem jó köszörűanyagnak. Ennek oka a hőmérsékletre való érzékenység, a felületéről lekopó réteg tapadása (színezés). Ez nem bizonyítja elképzelésünk megvalósíthatatlanságát, miszerint a szétrepedő üveggömbhéjak és éles felületek kiváló minőségű anyagleválasztó hatást fejthetnek ki. Ehhez meg kell vizsgálnunk két tényezőt. Az egyik, hogy az alkalmazott üveggömbhéjak átmérője mennyire befolyásolja a felületi minőséget. Feltételezésünk szerint a kimunkált felületi réteg elemeinek egy része a gömbhéj belsejében tárolódik, egy része pedig lepereg a munkadarabok közül. Így minél nagyobb a tárolásra alkalmas belső térfogat, annál kevésbé kopik a szerszám. Másik részben nagyobb átmérőjű gömbhéjaknak nagyobb, durvább felületű töretfelülete alakul ki. További érdekes megfigyelés, hogy a köszörülés előtt már megtört üveggömbhéjakkal rendelkező köszörűkoronggal kezdjük a megmunkálást, vagy azok a folyamat közben törnek el. Ezekre végeztünk kísérleteket, melyek kiértékelésére csupán makroszkópikus eredmények álltak rendelkezésünkre. Pontosabb kiértékeléshez elektronmikroszkópos vizsgálatokat végeztünk. Vizsgáltuk a gömbhéjak felületét, a töret belső térfogatának tartalmát, illetve a teljes korong összetételét. Mivel a roncsolódott és a roncsolatlan felületű korongok palástja mindkét esetben tovább roncsolódtak, így hasonló szerkezetet vártunk a képektől. Először tehát a megmunkálást végző palástfelületről csináltunk egy közelebbi és a panoráma jellegű feltérképező képet (55. ábra).

48


TDK dolgozat

54. ábra Köszörűkorong palástfelülete

55. ábra Palástfelület panorámaképe A panorámaképen látható a megmunkálás iránya. A szürke csíkok az alumínium ötvözet, míg a fehér rész az üveggömbhéjakra ragadt megmunkált felületi rétegek. A nagyobb nagyításon látható, hogy az Al2O3 munkadarab teljesen ellepte a felületet, így jóformán nem maradt az éles üveg töretfelületekből semmi, ami anyagleválasztást 49


TDK dolgozat

végezhetne. Így a két anyag csak csiszolta egymást. Ezzel beigazolódott, hogy a kis átmérőjű gömbhéjak nem megfelelőek erre a feladatra. Illetve, hogy a gömbhéjak eloszlása nem teljesen homogén, azaz a nyomásos infiltrálás nem megfelelően zajlott le. A lejátszódó folyamat megértéséhez vizsgáltuk az üveggömbhéjak roncsolódását és a belsejében lerakódott anyag mennyiségét és összetételét.

56. ábra A palástfelületen található üveggömbhéjak feltöltődése Az 56. ábra mutatja, hogy köszörülés hatására az üveggömbhéjak roncsolódtak, széttörtek. Továbbá megfigyelhető, hogy belsejükben apróbb darabkák is találhatóak, azonban azok nem töltik ki teljesen a teret. Összetételük meghatározásához az elektronmikroszkóp összetétel elemző funkcióját használtuk.

57. ábra Összetétel grafikusan 50


TDK dolgozat

C O Na Mg Al Si Ca Ni

7,72% 26,22% 0,79% 0,53% 60,39% 2,78% 0,48% 1,08%

A következő táblázatban foglaltuk össze a grafikonról leolvasott értékeket. Szennyezőnek tekintjük az 1% alatti elemeket. Az afölöttieket pedig 3 részre oszthatjuk. A köszörűkorong mátrixa AlSi12, ami az mért összetételből ki is adódik. A további alumínium az oxigénnel alkotja a megmunkálandó Al2O3-t. A szén és a nikkel az erősítőanyagot mutatja. Ezekből kiderült, hogy a gömbhéjak belsejében található töretdarabok a mátrixból, a munkadarabból és magából az üveggömbhéjból is származik.

3.7 Következtetések A köszörűfelület a gömbök eltörése nélkül is ugyanazt a felületi érdességet állította elő, mint a gömbök eltörésével együtt, így arra a következtetésre jutottunk, hogy ebben az anyagban a köszörülési tulajdonság nem függ ettől. Ez azért van így, mert a mátrixban lévő erősítő gömbhéjak mikron nagyságúak, így a töretfelületük is igen apró, így csak finom megmunkálást tesz lehetővé, csak csiszol. A mérések során folyamatosan érezhető volt, hogy a szerszámunk extrém módon melegszik, az pedig már a nyomóvizsgálatoknál kiderült, hogy ez nem tesz jót az anyagnak. Azonnal látható jele volt ennek a megmunkált felület koszolódása, ezért megfelelő hűtőközeg alkalmazása elengedhetetlen fontosságú a további felhasználás tekintetében. A puhább anyagon az eddig használt korongoknál jobb felületi minőséget hozott létre a szintaktikus fémhab, azonban be is koszolta azt. A keményebb korong azonban nagyon hamar komoly keresztmetszet csökkenést okozott, ezért ennek a fémhabnak ez irányú felhasználása csak puhább anyagon elképzelhető. A vizsgálatok után azt a következtetést vontuk le, hogy ugyan az általunk várt felületi minőséget még nem képes előállítani az anyagunk, de egyértelműen köszörül, és azt a vizsgált mási keljárásnál hatékonyabban teszi.

51


TDK dolgozat

4 A jövő Célul tűztük ki, hogy a jövőben gyártunk egy magasabb olvadásponttal rendelkező mátrixú nagyobb átmérőjű kerámia gömbhéjjal erősített szintaktikus fémhabot. Vizsgálataink igazolják, hogy ez a felhasználása az anyagnak megvalósítható. Az anyagi összetevők variálásával elképzelhetőnek tartjuk, hogy olyan anyagot gyártunk, ami akár fel is tudja váltani a jelenleg használatban lévő köszörűanyagok egy részét. Ehhez fontos tényező a megmunkálandó anyag megfelelő kiválasztása. Jelen vizsgálatok során egy közepes keménységű köszörűanyagot és egy puhább, nem szinterelt Al 2O3 tégelyt köszörültünk. Utóbbival további kísérleteket tervezünk, ahol a megmunkálására a fentebb említett összetételű szintaktikus fémhabok gyártunk le. Tovább elkészítettünk egy végeselem módszeren alapuló szimulációt a nyomóvizsgálatra, amit tökéletesíteni szeretnénk.

52


TDK dolgozat

5 Köszönetnyilvánítás Dolgozatunk létrejöttét és eredményeinket több illetőnek köszönhetjük. Először is köszönet illeti témavezetőnket, Katona Bálintot. Konzultációkon kívüli rendelkezésreállása, leleményessége mindig átsegített az akadályokon. Köszönjük mind a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, mind az Óbudai Egyetem szakembereinek segítségét a próbatestek elkészítéséért és hasznos tanácsaikért. Végül hálával tartozunk a Gránit Csiszolószerszám Kft-nek a rendelkezésünkre bocsájtott berendezésekért, szaksegítségért, munkálandó anyagokért. És külön köszönet a cég kollegájának, Balázs Ágostonnak, aki biztosította számunkra az összehangolt működést.

53


TDK dolgozat

6 Forrásjegyzék 6.1 Irodalomjegyzék [1]

Dr. Lakatos Éva: A csont mechanikai viselkedése fogászati implantátumok környezetében, Phd értekezés, Budapest, 2011

[2]

Dr. Orbulov Imre Norbert: Szintaktikus fémhabok, Phd értekezés, Budapest, 2009

[3]

Bányászati és kohászati lapok, Kohászat, 144.évfolyam, 2011/3.szám

[4]

Rohatgi PK, Kim JK, Gupta N, Alaraj S, Daoud A: Compressive charatcteristics of A356/fly ash cenosphere composites synthesized by pressure infiltration technique, Volume 37, Issue 3, 2006. március

[5]

Wu Gh, Dou ZY, Sun DL, Jiang LT, Ding BS, He BF: Compression behaviors of cenosphere-pure aluminium syntactic foams, Volume 56, Issue 3, 2007. február

[6]

Yu Z, Wu G, Sun D, Jiang L: Coating of Y2O3 additive on Al2O3 powder and its effect on the wetting behaviour in the system Al2O3p/Al, Volume 57, Issue 20, 2003. június

[7]

Détári P, Degischer HP: Üreges kerámiá részecskékkel erősített alumínium mátrixú kompozit terhelhetőségének vizsgálata zömítéssel, 1999. március

[8]

Kyle Myers, Bálint Katona, Pedro Cortes, Imre Norbert Orbulov: Quasi-static high strain response of aluminium matrix syntactic foams under compression, Composites Part A, 2015. augusztus

[9]

Orbulov I. N., Berecz T., Májlinger K., Szabó J.: Infiltration characteristic and compressive behaviour of metal matrix syntactic foams, Material science forum 729, 2013

[10]

Alloy Data: NADCA Product Specification Standards for Die Castings / 2009 http://www.tcdcinc.com/media/2009_NADCA_Alloy_Data.pdf (2015. október)

[11] Dr.-Ing. Catrin Kammer: Aluminium foam, TALAT Lecture 1410, EAA,1999

http://www.european-aluminium.eu/talat/lectures/1410.pdf (2015. szemptember) [12] Dr. Orbulov Imre Norbert: Fémmátrixú kompozitok és fémhabok, Budapest, 2015

http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:UoGdcBw1XnwJ:www.a tt.bme.hu/oktatas/BMEGEMTMK02/letoltes/Eloadas/2014/femmatrixu_kompozit ok_femhabok.pdf+&cd=1&hl=hu&ct=clnk&gl=hu (2015. szeptember) [13] Cliff Redus: Syntactic Foam, What is it and how do you make it?, 2009

http://www.psubs.org/design/PDF/SyntacticFoam.pdf (2015. október) 54


TDK dolgozat

[14] Gruber Györgyné: Szabványos könnyűfémek és ötvözeteik jellemzői,alkalmazása,

Budapest ftp://www.ganziskola.hu/Karczub%20B%E9la/CNC/5_0225_007_101015.pdf (2015. szeptember) [15] Zsoldos Ibolya: Alumínium és ötvözetei

http://www.sze.hu/~zsoldos/valogatott_fejezetek_az_anyagtudomanybol_MSc_le ckek/Al_%C3%B6tv%C3%B6zetek_lecke.pdf (2015. október) [16] Fórizs István: Üveg és Üvegmáz, MTA Geokémiai Kutatóintézet Anyagából

http://www.geology.uni-miskolc.hu/~intezet/documents/SzS-dragakovek/uveg.pdf (2015. szeptember) [17] Varga Ferenc, Tóth László és Guy Pluvinage: Keménységmérés, Miskolc, 1999

http://mek.oszk.hu/01100/01180/01180.pdf (2015. szeptember) [18] Dr. Palotás Béla: Mechanikai anyagvizsgálat 2, Dunaújváros

http://www.mua.bme.hu/hallgatok/letoltesek/nyilvanos_tartalom/femek/Mech_an yagvizsg_2.pdf (2015. szeptember) [19] Dr. Csizmadia Ferencné: Nyomó, haljító vizsgálat, Keménységmérés

http://www.sze.hu/~csizm/Gepipari%20mernokasszisztens_Anyagismeret/Harma dik.pdf (2015. szeptember) [20] Gránit Csiszolószerszám Kft: Köszörűkorongok tulajdonságai

http://www.granitnet.hu/archive/t_jel.html (2015. szeptember) [21] Andó Mátyás: Alkatrészek tűrése, 2010

http://www.gepesztuning.hu/images/kepekfile/Alkatreszek_turese.pdf október)

(2015.

[22] Wikipédia, Köszörülés

https://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6sz%C3%B6r%C3%BCl%C3%A9s (2015. szeptember) [23] Igaz J.- Pintér J.: Forgácsoló megmunkálás, Köszörülés

http://www.sze.hu/~papaig/%20%20%20LGB_AJ012_1_FORG_SZERSZ/ELOA DAS%20ANYAGOK/10_Koszorules.pdf (2015. szeptember) [24] Dr. Kulcsár Tamás: Gépipari technológiái ismeretek, Veszprém, 2012

55


TDK dolgozat

http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/20100012_gepipari_technologia/ch09.html (2015. október)

6.2 Ábrajegyzék 6.2.1 Internetről és könyvekből kiemelt képek 1. ábra: Sulinet, Az ember mozgási szervrendszere http://tudasbazis.sulinet.hu/hu/termeszettudomanyok/az-egeszseges-eletmod/azegeszseges-eletmod/az-ember-vazrendszere/a-csont-szerkezete 2. ábra: Anyagok világa, Fémhabok előállításának módszerei http://wwwold.kfki.hu/anyagokvilaga/tartalom/2001/apr/kenesei_kadar_rajkovit s_lendvai.htm 3. ábra: Fémhabok csoportosítása www.sze.hu/~kozma/Hajni/Hajni.pptx 4. ábra: Bányászati és kohászati lapok, Kohászat, 144.évfolyam, 2011/3.szám https://repozitorium.omikk.bme.hu/bitstream/handle/10890/823/ertekezes.pdf?se quence=1&isAllowed=y 5. ábra: Felhasználás http://aluminium-india.org/Worldscenario.php 11. ábra: Köszörülés http://www.gepesztuning.hu/images/kepekfile/Alkatreszek_turese.pdf 12. ábra: Wikipedia, Köszörülés https://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6sz%C3%B6r%C3%BCl%C3%A9s 13. ábra: Wikipedia, Köszörülés https://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6sz%C3%B6r%C3%BCl%C3%A9s 14. ábra: Wikipedia, Köszörülés https://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6sz%C3%B6r%C3%BCl%C3%A9s 15. ábra: Wikipedia, Köszörülés https://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6sz%C3%B6r%C3%BCl%C3%A9s 16. ábra: Wikipedia, Köszörülés https://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6sz%C3%B6r%C3%BCl%C3%A9s 17. ábra: Tankönyvtár, Szerszámgépek és gyártoberendezések http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0007_12Szerszamgepek_es_gyartorendszerek/315f355f335fc3a1627261.jpg 18. ábra: Wikipedia, Köszörülés https://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6sz%C3%B6r%C3%BCl%C3%A9s 19. ábra: Wikipedia, Köszörülés https://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6sz%C3%B6r%C3%BCl%C3%A9s 20. ábra: Síkköszörűgépek 56


TDK dolgozat

http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0007_12Szerszamgepek_es_gyartorendszerek/315f355f335fc3a1627261.jpg 24. ábra: Dr. Bálint András: Szerkezeti anyagok és technológiájuk http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/20100012_szerkezeti_anyagok/ch04s09.html 28. ábra: Dr. Csizmadia Ferencné: Nyomó, hajlítóvizsgálat, keménységmérés http://www.sze.hu/~csizm/Gepipari%20mernokasszisztens_Anyagismeret/Harm adik.pdf 29. ábra: Dr. Orbulov Imre Norbert: Szintaktikus fémhabok https://repozitorium.omikk.bme.hu/bitstream/handle/10890/823/ertekezes.pdf?se quence=1&isAllowed=y

6.2.2 Sajátkészítésű képek 6. ábra 3D modell a munkadarabról 7. ábra Szalagfűrész 8. ábra Körfűrész 9. ábra Excentrikus fűrész 10. ábra Munkadarabok 21. ábra Olympus DP70 fénymikroszkóp 22. ábra Mikroszkópos felvétel 500x nagyításban 23. ábra Területi anyageloszlás 25. ábra Brinell keménységmérés 26. ábra Mintavételi helyek 27. ábra Keménységi értékek összehasonlítása 30. ábra 50% Alakváltozás 31. ábra 25°Alakváltozás 32. ábra 25% Alakváltozás 33. ábra 20°C és 50% alakváltozás 34. ábra 20°C 25% alakváltozás 35. ábra Mikroszkópos képes összefűzése 36. ábra Belső szerkezeti roncsolódás 20°C-on a repedések közelében 37. ábra Belső szerkezeti roncsolódások 20°C-on a repedéstől távol 38. ábra Fűtőtest a szerszám körül 39. ábra h/d=1 görbék 40. ábra 50% alakváltozás 41. ábra 25% alakváltozás 42. ábra 100°C vizsgálat során roncsolódott próbatestek metszetei 43. ábra Mikroszkópos felvételek a repedések közelében és attól távol 44. ábra 25% alakváltozású görbék 45. ábra 50% alakváltozású görbék 57


TDK dolgozat

46. ábra Alumínium ötvözetek görbéinek összehasonlítása h/d=1 esetben 47. ábra Alkalmazott köszörűgép 48. ábra Roncsolatlan szintaktikus fémhabból készült köszörűkorongok 49. ábra Al2O3 munkadarab 50. ábra Szintaktikus fémhabbal és gyémánttal köszörült munkadarabok felületei 51. ábra Fémek köszörüléséhez használt korong köszörülése 52. ábra Roncsolt felületű korong 53. ábra Roncsolt felületű korong alkalmazása

58

Lehet-e a fémhab köszörűanyag?

Recommend Documents