Lézer hónolt felületek vizsgálata

SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM Kooperációs Kutató Központ GVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0 Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék

Lézer hónolt felületek vizsgálata Dr. Czinege Imre, Csizmazia Ferencné Dr., Dr. Solecki Levente Széchenyi István Egyetem ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN KONFERENCIA 2008. Június 4-5.


•

Áttekintés

A lézer hónolás előnyei, alkalmazási területek

•

Lézer hónolási technológiák

•

Lézer hónolt felületek vizsgálati feladatai

•

Vizsgálatok – Felület topológiai – Makroszkópos – Mikroszkópos – Pásztázó elektronmikroszkópos

•

Összefoglalás, következtetések

2008. 06. 04.

Lézer hónolt felületek vizsgálata

2


• • • •

A lézer hónolás alkalmazása

Hagyományos hónolással az olajnak a felületen való megtapadását segítik A hónoláskor keletkezett karcok nem előnyösek a kenés szempontjából (lásd a következő diát) Ezért a hónolási karcok helyett olajzsákokat (zsebeket) alakítanak ki a felületen, erre legalkalmasabb eszköz a lézer sugaras kezelés Alkalmazási területek (Gehring):

2008. 06. 04.


3


A henger-dugattyú kapcsolat tribológiai viszonyai

Hagyományos hónolás:

Lokális olajzsákok képzése:

A dugattyúgyűrű mozgása kiszorítja az olajat a karcokból

Az olaj megmarad az üregekben

Dugattyúgyűrű

Dugattyúgyűrű Dugattyú haladási iránya

Érintkezés lehetséges (vegyes súrlódás)

Gyűrű

Gyűrű

Dugattyúgyűrű úszik (hidrodimamikai kenés)


•

Lézer hónolási minták és vizsgálati igényeik

Lézer kezelés szabályos geometriai alakzatok kialakítására – A felső holtpont közelében elhelyezkedő olajtároló terek (pl. GM) – Egész hengerfalra kiterjedő szabályos alakú olajzsákok (Forrás: www.gehring.de) – Vizsgálati igények • • • •

•

Alap hónolás geometriai/érdességi jellemzői Olajzsák geometria (szélesség, mélység) Felületi képekből értékelhető jellemzők Üregek alakja, morfológiája

Olajterek létrehozása a mikroszerkezet lézeres kezelésével, a grafit kiégetésével (Forrás: Audi) – Vizsgálati igények • Alap hónolás geometriai/érdességi jellemzői • A lézerrel kiégetett grafit szemcsék alakja, mélysége • A fémes felület szerkezeti változásai a lézeres kezelés hatására

2008. 06. 04.


5


Vizsgálati technikák

Topológia: – 3D felületi kép felvétele lézeres vagy tűs letapogatással, 10 nm felbontással, 0,5x0,5 µm lépésközzel (Taylor Hobson Talysurf CLI 2000)

Képi és összetétel jellemzők: – Sztereo és optikai mikroszkóp (Zeiss) – Pásztázó elektronmikroszkóp, EDS (Hitachi, Bruker)

2008. 06. 04.


6

A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: alapanyag


Öntöttvas motorblokk: OPEL 107 előírás szerint minősítve

Maratlan N=100x IA5 = 80%; IB5 = 20% 2008. 06. 04.

Marószer: Nitál; N=1000x 100% perlit + grafit


7


A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: érdesség

Sa= 0,529 µm Sq= 0,679 µm Sz= 22,603 µm SSk= -0,754 SKu= 13,519 Sdq= 6,545° Sbi= 0,667

2008. 06. 04.


8

A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: olajzsák méretek


2008. 06. 04.


9

A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: morfológia


Felső képsor: olajzsák részletei; N = 500x A jobb oldali képen hibás kiégés figyelhető meg Alsó kép: olajzsák széle és alja; N = 2000x A lézer sugár megolvasztja és elpárologtatja a fémet

2008. 06. 04.


10


•

A mikroszerkezet lézeres kezelése: Lézerezési technológia

Futófelület megvilágítás EXCIMER-Lézerrel – Hullámhossz 308 nm (UV) – Frekvencia 300 Hz – Impulzus idő 25 ns

•

Lézer tulajdonságai – – – –

•

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

A hengerfelület kezelése – Motorblokk forgatás – Lézer ágyú tengelyirányú mozgatása – A besugárzott területek átlapolódnak 2008. 06. 04.

Eredmény: Olaj fogyasztás jelentős csökkenése Kopás mértékének csökkenése


11


•

Anyagleválasztás (elgőzölögtetés) – –

•

Grafit lamellák kinyitása Kiég a grafit és kialakulnak a mikro-nyomáskamrák (olajzsákok)

Fémes felület megolvasztása kb. 1 µm mélyen, ennek hatása: – –

•

A mikroszerkezet lézeres kezelése: Folyamatok

A felület tükrösödése A nanokrisztallitos szövetszerkezet kialakulása a hirtelen megszilárdulástól (szemcsenagyság ~100 nm)

Előnyök: – Az olajtároló zsákok magából a mikroszerkezetből jönnek létre – A fémes felület keménysége jelentősen megnő

•

Méréstechnikai nehézségek – A grafit lamellákban keletkezett bemélyedés néhány µm, a lamellák melletti fém perem kissé kiemelkedik – emiatt nehéz letapintani – A felületi réteg vastagsága 1 µm körüli érték 2008. 06. 04.


12


•

•

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

•

A mikroszerkezet lézeres kezelése: Felület topológia

Rz=4,209

Rq=0,2245

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

2008. 06. 04.


13


• •

A mikroszerkezet lézeres kezelése: SEM vizsgálatok

A képződmények jellegzetes alakját jól mutatják a BSE felvételek A grafit lemezek széle jellegzetes domborulatot mutat

2008. 06. 04.


14


• •

A mikroszerkezet lézeres kezelése: Optikai mikroszkópos vizsgálat

A görbült felület miatt a felületi képek nem élesek Megoldás: topológiai felvételek készítése különféle élességgel, majd ezek egyesítése térbeli képpé (Zeiss)

N= 2008. 06. 04.

200x

500x Lézer hónolt felületek vizsgálata

1000x 15


•

A mikroszerkezet lézeres kezelése: A felületi réteg vizsgálata (1)

A lézer kezelt réteg kimutatása: ~1 µm vastag réteg – Optikai mikroszkóp; N=1000x – SEM; N=1000x

2008. 06. 04.


16


•

•

A mikroszerkezet lézeres kezelése: A felületi réteg vizsgálata (2)

Hipotézis: a magas hőmérsékleten a réteg a levegőből nitrogént vesz fel, ez is növeli a keménységet. Az EDS vizsgálatok ezt nem mutatják ki, további elemzés szükséges. Keménységvizsgálat extrém alacsony terheléssel (Uni Karlsruhe) – A mérés erő-benyomódás diagram felvételével történik – A görbékből látható, hogy a felületi réteg nagy keménységű – A nagy keménység a gyors hülés során kialakult nano szemcsékkel magyarázható

2008. 06. 04.


17


• • •

• •

Összefoglalás

A lézeres kezelés előnyösen befolyásolja a felületek tribológiai viselkedését A lézer hónolással kialakított szabályos mintázat minősítése a kezelés sikerességének megítélésére szolgál (geometria, üregek folytonossága) A felületi mikroszerkezet megváltoztatására irányuló kezelés vizsgálata képet ad a kialakuló olajzsákok méretéről, eloszlásáról és a fémes réteg tulajdonságairól A vizsgálatok érdekessége az, hogy µm nagyságú objektumokat kell minősíteni nanométer felbontású mérésekkel Ezekhez a mérésekhez különleges vizsgálótechnika és csiszolat előkészítés szükséges

KÖSZÖNJÜK SZÍVES FIGYELMÜKET 2008. 06. 04.


18

Lézer hónolt felületek vizsgálata

Recommend Documents