VASÚTI- ÉS VILLAMOS KÖZLEKEDÉS BIZTONSÁGÁNAK FOKOZÁSÁT CÉLZÓ PROJEKT 1993-2009 A fejlesztés eredményeképpen ELJÁRÁS KOPÁSÁLLÓ BEVONAT KÉSZÍTÉSÉRE FÉMEK ELSŐSORBAN JÁRMŰSÍNEK ÉS KERÉKPÁRABRONCSOK FELÜLETÉN című találmány született, amelynek szabadalmaztatási eljárása folyamatban van. A jelenlegi is folyó fejlesztési munka a találmány további közlekedési és egyéb új ipari területeken történő alkalmazását célozta meg. Újabb, még előnyösebb tulajdonságú emulziók kifejlesztésével a fémfelület-keményítés minőségének és gazdaságosságának javítását szeretnénk elérni, hogy ezzel megbízóink jövőbeli újabb igényeinek is meg tudjunk felelni. A projekt indításának célja kettős volt, egyrészt hogy elősegítse az utazóközönség számára egy még biztonságosabb, csendesebb és rezgés-mentesebb vasúti illetve villamos utazás feltételeinek a megteremtését- továbbá, hogy csökkentse a pályafenntartás költségeit. A kutatás részletes célkitűzései: 1.
Gazdaságos és hatékony eljárással megnövelni a sínek és a járművek kerékpár abroncsainak élettartamát a kopás csökkentésével
2.
Csökkenteni a sín anyag-fáradás okozta töréseinek a kockázatát
3.
Csökkenteni a sínek és kerékpárabroncsok korrózióját
4.
Csökkenteni a közlekedés okozta zajszintet
Összefoglalás Az “ELJÁRÁS KOPÁSÁLLÓ BEVONAT KÉSZÍTÉSÉRE FÉMEK ELSŐSORBAN JÁRMŰSÍNEK ÉS KERÉKPÁRABRONCSOK FELÜLETÉN” című találmány tárgya egy eljárás kopás- és korrózió álló bevonat készítésére fémek, különös tekintettel a sínek és vasúti kerékpárabroncsok felületén, amely során a kerékpárabroncsok és/vagy a sínek felületére egy speciális emulzióból álló filmet viszünk fel , és ezt az anyagot magának a mozgó közlekedési eszköznek a tengelynyomását felhasználva a sín felső rétegeibe és a kerékpárabroncsba préseljük. Az így kialakított kemény réteg vastagsága széles határok közé beállítható. Optimális értéke 0.1-20 mikrométer közé esik. A kerékpárabroncsok és a sín közötti súrlódási tényező, valamint a fémnek a kezelés utáni felületi érdessége többféle emulziót alkalmazásával széles határok között beállítható. A fém felület kezelése a már lefektetett sínek felületén többször is megismételhető, így hatékony és olcsó eljárással a sín és a vasúti kerékpárabroncsok felületének a kopása nagymértékben csökkenthető, s így a sínek élettartama jelentősen megnő.
A találmány szerinti eljárás különösen gazdaságos az erős igénybevételnek kitett sínfelületeken, mint pl. kanyarban, emelkedőn, lejtőn vagy a váltók esetén. Ez az eljárás sokszorosára emeli a fokozott kopásnak kitett sínszakaszok élettartamát. A találmányban leírt fém-keményítési eljárás a fémsín felső részében egy kompresszív, nyomó irányú mechanikai feszültséget hoz létre, amely viszont csökkenti a vasúti szerelvény áthaladásakor a sínben keletkező nyújtóirányú feszültségeket és ezzel a sínek ridegtörésének a kockázatát is csökkenti. Az említett eljárás további előnyös tulajdonsága, hogy önszabályozó és kiegyenlítő keményedést okoz a fémek felületén. Ez azt jelenti, hogy lágyabb fém estében az eljárás alkalmazása során nagyobb fokú keményedés figyelhető meg, mint a már eleve keményebb fém esetében. Ily módon sín vagy abroncsok anyában lévő lágyabb, fokozott kopású részek, amelyek a szerelvények nyomvonalainak egyenetlenségeit is okozzák- jelentős mértékben csökkenthetőek. Ezzel együtt csökken a szerelvény által okozott közlekedési zaj és síntörések gyakorisága is. A találmány szerinti eljárást elsősorban fémes felületek kopás és korrózió elleni védelmére használhatjuk, amely előnyösen elsősorban a közlekedésben és a szállításban: villamos- és metró- sínek, vasúti sínek vagy a bányászatban használt csille sínek valamint villamos-, metró- kocsik kerekfelületeinek és mozdonyok, vagonok és csillék kerékpár-abroncsainak kopásállóságát van hivatott javítani. A találmány felhasználása kiterjeszthető minden olyan fémes szerkezeti anyag felületének bevonására is, amelyek előállításuk vagy használatuk során nagy felületi nyomásnak vannak kitéve. A kezelt fém felületi keménysége, súrlódási együtthatója és felületi érdessége széles határok között egymástól függetlenül is szabályozhatóak. Különösen jó eredmények érhetők el a már lefektetett vasúti és villamos sínek és a már felszerelt kerékpárabroncsok esetében. Ez a keményítési technika olyan anyagokat használ fel, amelyek ellenállnak az oxidációnak így ezek az anyagok az eljárás alkalmazása után a hordozó fémfelületek korrózióját is csökkenti. A találmány alkalmazása a közlekedésben a következő előnyöket kínálja: • • • • • • • •
csökkenti a sínek és kerékpárabroncsok kopását (50-95% -al) csökkenti a sínek és abroncsok felületének korrózióját (40-50%-al) csökkenti a fémfelületi hibáit és felületi érdességét csökkenti a szerelvény által okozott zajt csökkenti a síntörések gyakoriságát csökkenti a mozdony vagy villamos energia felhasználását csökkenti síncserék gyakoriságát környezetre káros anyagokat nem használ fel
Ugyanakkor: • növeli a sínek és abroncsok felületi keménységét (10-40%-al) • növeli a sín-abroncs átmenet elektromos vezetőképességét A módszer egy termelékeny, gazdaságos, és ugyanazokon a felületeken többször is felhasználható eljárást kínál.
Alkalmazása a vasúti és villamos társaságok számára komoly megtakarításokat tesz lehetővé, és ugyanakkor növeli a közlekedés biztonságát és az utazási komfortot. Az eljárás során alkalmazott anyagok egyike sem jelent veszély a környezetre.
1. Célkitűzés: Gazdaságos és hatékony eljárással megnövelni a sínek és a vasúti járművek kerékpár-abroncsokainak felületi keménységét s így csökkenteni kopásukat A fejlesztés során kidolgozott eljárás kopásálló és korróziót csökkentő bevonat készítését teszi lehetővé fémek, különös tekintettel pedig sínek és sínen közlekedő járművek kerékpárabroncsainak felületén. Az eljárás alkalmazása során egy speciális tulajdonságokkal rendelkező anyagból álló keveréket vagy annak folyadékkal alkotott emulziójából egy vékony réteget viszünk fel a kerékpárabroncsok és/vagy a sínek felületére és ezt magának a mozgó közlekedési eszköznek a tengelynyomását felhasználva a sín és az abroncsok felső rétegeibe préseljük. A fémfelületbe préselt anyag ötvöződik az alapfémmel és annak felületén egy rendkívüli keménységű réteget alkot, amely kiváló kopás és korrózióálló tulajdonságokkal rendelkezik. Az eljárásban alkalmazott fémfelület keményedés önszabályozó tulajdonságú, azaz a lágyabb fémrészeken nagyobb fokú 100-140%-os keményedés figyelhető meg, míg a keményebb fémfelületen a keményedés csekélyebb 20-60%-os (1. Táblázat). Többszöri kezelés hatására sín a teljes hosszában, a kerékpárabroncsok felülete pedig a teljes szerelvényen egyenletes ugyanakkora keménységű lesz. Ez az egyenletes és nagy keménységű felület optimális feltételt teremt mindkét fémfelületen a kopás alacsony szinten való tartásához. A fémfelületek keményedése azért következett be, mert az emulzió bevitele során alkalmazott nagy nyomás következtében az emulzió anyaga és a fém felületek között egy erős kémiai kötés jön létre így az emulzió részecskéi rögzülnek a fém mátrixban és ezért a fém felülete nagymértékben megkeményedik. Az így kialakított felületi réteg vastagsága széles határok között változtatható. Optimális értéke 0,1-10 mikrométer közé esik. A kerékpárabroncsok és a sín közötti súrlódási tényező, valamint a fémeknek a kezelés utáni felületi érdessége egymástól függetlenül, széles határok között a kívánt értékre beállítható. Mivel a fémfelület kezelése a már lefektetett sínek felületén többször is megismételhető, így hatékony és gazdaságos eljárással a sín és a vasúti kerékpárabroncsok felületének a kopása nagymértékben csökkenthető, ezért a sín és abroncsok élettartama jelentősen mintegy 60-150%-al megnövekszik. A módszer további előnye, hogy környezetre káros anyagokat nem használ fel. Az emulzióban lévő anyagok nem szerepelnek a veszélyes anyagok listáin [1][2]. Ezzel az eljárással az 1. célkitűzést teljesítettük.
A mérőberendezés típusa: PMT-3 Vickers mikrokeménység mérő Terhelési erő: 2 N, Terhelés időtartama: 10 s Mikroszkóp objektív: f=23.2, A=0.17 Mérő okulár: 15 X Egy osztás a mérő okuláron=0.938 m A gyémánt lenyomat átlóinak számtani közepéből a Vickers keménységet az alábbi formula alapján határoztuk meg. D=átlók számtani középértéke milliméterben, F= a terhelés Newtonban A keménységet az alábbi formulák segítségével határoztuk meg: HV=0.102 x 2 x F x sin 68/D2 HV=0,189 x F/D2 1. Táblázat Vickers keménység értékek összehasonlítása nem kezelt és kezelt felületű fémeknél (A felület keményítésénél egységesen 2.5 GPa nyomást alkalmaztunk ) Vickers keménység
keménység
Rozsdamentes acél nem kezelt Rozsdamentes acél RF emulziós kezelés után Eredeti fűrészlap nem kezelt Fűrészlap RF emulziós kezelés után
33,6
keménység növekedés
80 172
138%
277
61%
-
Az 1. Táblázatban látható, hogy a lágy rozsdamentes acél keménységének növekedése 138%, míg a keményebb fűrészlap csak 61%-os keménységnövekedést mutatott. Az ismételt kenések hatására a keménységek kiegyenlítődnek. A Vickers mikrokeménység mérés lokális jellegű információt szolgáltat, ezért mindig nagyszámú mérési adatból kell átlagolni, hogy a fém felületére vonatkozó átlagos keménység értéket meghatározzuk. A táblázatban lévő minden mért adat legalább 10 független mérés átlaga. 2. Célkitűzés: Csökkenteni a sínek keménytörésének kockázatát. A javasolt fémkeményítési eljárás a fémfelületeken egy metallurgiai átalakulást is eredményez. Ez azt jelenti, hogy a felületbe beépült emulzió összetevői a fém eredeti kristályszemcséit megváltoztatják, nanométer méretű kristályokat hoznak létre. A nanométeres kristályok megakadályozzák a kristályhatár növekedését és elmozdulását, ami a fémkristályok növekedéséhez nélkülözhetetlen és amely a vasúti sínek repedéseinek és végül törésének egyik fő okozója. A kezelés során, a fém felületen kialakuló kompressziós irányú feszültségek jelentősen csökkentik a sínben a vonat elhaladásakor ébredő nyújtóirányú, mechanikai feszültséget is, amely feszültségek az előbb említett kristályhatár mozgást és ezzel a sín berepedezését és törését segítik elő.
Az 1. ábra egy vasúti sín darab felületének a fényképe 1000x nagyításban a bevonás előtt. A 2. ábra ugyanezen az anyagon 2.5 GPa nyomás mellett bevitt emulzió hatására keményített felület kristályszerkezetét mutatja szintén 1000x-es nagyításban. A 2. ábrán jól látható a felületi mikro-kovácsolás eredményeként, hogy a felület tömörödött és az eredeti kristályszerkezet átalakult. Jól kivehető, hogy az eredeti felületi érdesség lecsökkent és apró, nano-kristályok jönnek létre a fémfelületen és az emulzió beépült az alapfémbe. 1. ábra Vasúti sínacél felülete bevonás előtt
2. ábra Ugyanaz a felület bevonás után.
3. ábra Aszimmetrikus Vickers keménységmérési nyom a bevont terület határán.
Bevont felület
repedés
Eredeti felület
A 3. ábrán látható, hogy a keménység méréshez használt Vickers gyémánt lenyomatában az eredeti felületen a lenyomat sarkánál az eredeti fém megrepedt. A bevont területen nincsenek repedési nyomok. A bevonás megnövelt felületi keménység ellenére is csökkenti a fém repedési hajlamát, törékenységét. Ez nagyrészt a nanokristályos szerkezetnek köszönhető. 4. ábra
A 4. ábrán a fémbe bevitt emulziós részecskék által kiváltott nyomóirányú mechanikai feszültségek láthatók. Az ábrán szemléletesen van ábrázolva az a mérési eredmény, hogy a lágyabb gördülő hengerbe több emulziós anyag épül be, és így nagyobb a keményedés mértéke is. A fémekben az eredeti kristályhatárok eltűnése és a mikro-kovácsolással létrehozott tömör rétegben kialakuló kompresszív feszültségek (4. ábra) megakadályozzák, hogy a rétegben mély felületi repedések alakuljanak ki. Az itt ismertetett módszerrel síntörések előfordulását is nagymértékben csökkenteni lehet, mert a fémsín felső részében és a kerékpárabroncsokban is a nagyfokú anyagbevitel miatt nyomóirányú mechanikai feszültségek keletkeznek. Mivel feszültségeknek jelentős, a felületre kifelé mutató irányú
komponense is van, amely viszont ellentétes irányú a vasúti szerelvény áthaladásakor a sínben vagy a kerékpárabroncsban keletkező hajlítás okozta feszültségekkel, ezért a sínre illetve kerékpárabroncsokra ható igénybevétel is csökken. Ily módon sínek és abroncsok ridegtörésének kockázata és a repedések kialakulásának lehetősége is nagymértékben lecsökken. Amint az ismeretes, elsősorban a nagy nyújtó irányú mechanikai feszültségek miatt valamint a szemcsehatár menti korrózió következtében alakulhatnak ki leggyakrabban a síntörések.[2] Az eljárásban alkalmazott fémfelület keményítés önszabályozó tulajdonságú, azaz a lágyabb fémrészeken nagyobb fokú, míg a keményebb fémfelületen a keményedés csekélyebb, ezért többszöri kezelés hatására sín a teljes hosszában, a kerékpárabroncsok felülete pedig a teljes szerelvényen egyenletes és ugyanakkora keménységű lesz. Ezen az egyenletes és nagy keménységű fémfelületeken az elhasználódás is egyenletes, így ez lecsökkenti a helyi, fokozott kopású szakaszok megjelenésének lehetőségét a síneken, s így a síntörések kockázatát is jelentősen csökkenti. Az emulzióból a sínbe beépülő anyagok a kristály diszlokációinak mozgását is akadályozzák [3] s így a fémtörést kialakulását ezzel is meggátolják. Összefoglalva: a fejlesztésben magvalósított módszer a többféle előnyös hatás eredőjeként jelentősen csökkenti a síntörések kockázatát, így ezzel a módszerrel a 2. célkitűzésünk is teljesült. 3. Célkitűzés: Csökkenteni a sínek és kerékpárabroncsok korrózióját. Az emulzióban lévő anyagok jól ellenállnak a korróziós hatásoknak és a fémrétegbe való beépülésük után az alattuk lévő fémfelületeket is védik, tehát az eljárás eredményeképpen a sín és a kerékpárabroncsok korróziója csökken. Mivel a korróziós folyamat elég lassú ezért egy gyorsított, korróziós eljárással teszteltük az emulzió hatását. 2. Táblázat Egy tipikus gyorsított korróziós teszt eredménye ét mutatja be. Minta neve 3 mm vastag sínacél Felület kezelés
1/1
1/3
nincs
Eredeti tömeg Marás u. tömeg Eltávolítás súly % marás nem bevonthoz %
13.6016 13.3084 0.2932 2.156 100%
Mindkét oldal bevonva RF emulzióval 14.4181 14.2315 0.1866 1.3 60%
A 2. Táblázat a gyorsított korrózió értékeit hasonlítja össze az emulzióval kezelt és az eredeti fém esetében. A mintát 10% hidrogén fluoridban (HF) martuk100 Co hőmérsékleten 1 óra hosszat. A súlycsökkenést mérlegen határoztuk meg. A mérések szerint a bevont acéllap mintegy 40%-al kisebb korróziót mutatott, mint az eredeti acél ennél az igen agresszív marószernél.
Kezeletlen acél felület korróziójának a sebessége irodalmi adatok szerint 0,125 mm/év ipari atmoszférán. Kezelés hatására ez az oxidációs sebesség 40%-al lecsökkent. Ezzel a 3. célkitűzésünk is teljesült. 4. Célkitűzés: Csökkenteni a közlekedés okozta zajt. Megfelelő emulzió alkalmazásával a kezelés után nyert a fémfelületek felületi érdessége is csökkenthető. A sín illetve a kerékpárabroncsok egyenletes és nagyfokú keményedése miatt a sín és az abroncsok kopása is kisebb mértékű és egyenletesebb lesz. Ily módon a közlekedés és a korrózió okozta sín-, illetve abroncs felületi egyenetlenségek kialakulását a találmány alkalmazása megakadályozza. Ezek az egyenetlenségek a közlekedési zaj legfőbb forrásai. A találmány alkalmazása tehát azt eredményezi, hogy a haladó jármű okozta zaj is jelentősen, csökken. A zaj további forrása lehet a sínívekben, kanyarokban a kerék-sín súrlódás miatt keletkező kellemetlen, magas frekvenciás zaj. A keményítéssel együtt a kenőanyag súrlódás csökkentő hatása miatt ez a zaj is eredményesen csökkenthető. Ezzel a 4. célkitűzésünket is teljesítettük. Az eljárás további előnyös hatásai: A kialakuló kemény réteg megfelelő emulzió alkalmazásával nem növeli meg a sínfelület elektromos ellenállását. Ez a tulajdonság a villamosított pályaszakaszokon nagyon fontos. A kezelt és a kezeletlen fémfelületeken mért átmeneti ellenállások 2mm2 felületen mérve 0.120 ohm. A rozsdás felületű acél átmeneti ellenállása viszont: 1.5 ohm. A rozsdásodás tehát nagy átmeneti ellenállás növekedést okoz, ami a villamos vontatás esetén energia veszteséggel jár. Megfelelő emulzió használata során a felületkezelés korróziót csökkentő hatású, ezért lecsökken a sín felület rozsdásodási sebessége is és így ennek az elektromos ellenállást növelő hatását is mérséklődik, tehát a találmányban ismertetett eljárás energia megtakarítást is eredményez. A sínek keményítő kezelését vizes felületeken és szélsősége időjárási körülmények között is el lehet végezni. A találmány szerinti eljárás pozitív hatásait legelőnyösebben a közlekedésben és a szállításban alapvető fontosságú szerepet játszó villamos-,metró- és vasúti sínek felületén, és a bányászatban használt csille sínek valamint a villamos-, metró- kocsik kerékfelületeinek és a vasúti mozdonyok, vagonok és csillék kerékpárabroncsainak felületén lehet kihasználni. A találmány felhasználása kiterjeszthető továbbá minden olyan fémes szerkezeti anyag felületének bevonására is, amelyek előállításuk vagy használatuk során nagy felületi nyomásnak vannak kitéve. A kezelt fém felületi keménysége, érdessége és a fémfelületek súrlódási tényezői egymástól függetlenül, széles határok között szabályozhatóak. A találmány szerinti kenőanyag eredményesen alkalmazható műanyagok, például műanyag fogaskerekek kenésére is.
Mérőeszközök: Az ellenállásmérést Hewlett Packard 4275a típusú Multi Frequency LCR méter segítségével végeztük el 10 kHz mérési frekvencián. A tömeg méréshez Sartorius Basic típusú mérleget használtunk, 0,0001gr mérési pontossággal. A mikroszkópos felvételeket Olympos mikroszkóppal készítettük el. A keménység mérést PMT-3 Vickers mikrokeménység mérővel végeztük el. Irodalmi hivatkozások [1] CRC Handbook of Laboratory Safety 2nd Edition ,Editor: Norman V. Steere Published The Chemical Rubber Co, Ohio 1970 [2] Hommel: Veszélyes anyagok, Műszaki Könyvkiadó, Budapest 1989 [3] ASM Speciality Handbook, Carbon and Alloy Steels Edited by J. R. Davis, Davis &Associates 1996. [4] K. Knothe, S. Liebelt, Wear 189 (1995) 91-99
