ÖSSZEFÜGGÉS KARBONITRIDÁLT 34CrMo4 ACÉLOK KOPÁSI ÉS MIKROGEOMETRIAI JELLEMZŐI KÖZÖTT

Átírás

1 ÖSSZEFÜGGÉS KARBONITRIDÁLT 34CrMo4 ACÉLOK KOPÁSI ÉS MIKROGEOMETRIAI JELLEMZŐI KÖZÖTT Vass Zoltán 1, Marosné Berkes Mária 2, Felhő Csaba 3 Maros Zsolt 4 1 I. évf. MSc Gépészmérnök hallgató, Miskolci Egyetem, ATI 2 PhD, egy. docens, Miskolci Egyetem, Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet 3 egyetemi tanársegéd, Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet 4 PhD, egyetemi docens, Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet ABSZTRAKT A kopásnak kitett mérnöki szerkezetek, szerkezeti elemek felületének mikrogeometriai sajátosságai jelentősen befolyásolják a vonatkozó tribológiai rendszerek kopási károsodását. A széles körben alkalmazott kétdimenziós (2D) érdességi jellemzők pl. R a, átlagos érdesség, R z, egyenetlenség magasság R mr hordozóhossz, stb. mellett a háromdimenziós (3D) érdességi mérőszámok mint például az S a átlagos felületi érdesség, S z térbeli egyenetlenség magasság, vagy S mr térbeli anyaghányad, stb. potenciálisan új eszközt jelentenek a kopásos igénybevételi körülmények között működő felületek geometriai jellemzése terén. A cikk célja, hogy különbözőképpen megmunkált köszörült, csiszolt, polírozott felületminőségű karbonitridált acélok felületén meghatározott 2D és 3D érdességi jellemzők segítségével összefüggéseket keressen a mikrogeometriai mérőszámok és a kopási károsodások jellemzői között. Az előadásban bemutatásra kerülnek azok a mikrogeometriai mérőszámok, amelyek a vizsgált anyagok tribológiai jellemzésében legeredményesebben hasznosíthatók. BEVEZETÉS A különböző gépelemek felületét számos mikrogeometriai mérőszám segítségével jellemezhetjük. Sajnálatos módon ennek ellenére csak néhány paramétert alkalmaznak széles körben a műszaki felhasználás során (pl.: R a - átlagos érdesség vagy R z - egyenetlenség magasság) jóllehet ezek nem minden esetben alkalmasak a működési tulajdonságok teljes körű leírására [1]. Napjainkban a 3 dimenziós topográfiai vizsgálatok is egyre elterjedtebbé válnak a 2 dimenziós profilometriai alkalmazások mellett, ha érdesség mérésre kerül a sor. Ezek a topográfiai vizsgálatok nem csak egy vonalban, hanem a felszín egy meghatározott területén történnek, így jóval értékesebb információtartalommal bírnak. A felületi mikrogeometria nagyban befolyásolja a működő felületek kopási viselkedését, ezért ha a mikrogeometria kopásra gyakorolt hatását próbáljuk vizsgálni, akkor olyan érdességi paramétereket érdemes alkalmazni, amelyekkel a kopási tulajdonságok jól leírhatóak.

2 2D ÉS 3D ÉRDESSÉGI MUTATÓK A felszín mikrogeometriai leírásához használt érdességi mutatók a következő osztályozás szerint csoportosíthatóak: amplitúdó (magassági vagy mélységi) paraméterek térköz (profil- vagy hosszirányú) paraméterek anyaghányad paraméterek funkcionális mérőszámok hibrid paraméterek Napjainkban az érdességi mérőszámok alkalmazása a legmérvadóbb a profilometriai vizsgálatoknál. Maximális egyenetlenség (R t ) Egyenetlenség magasság (R z ) Átlagos érdesség (R a ) Relatív anyaghányad (R mr(p) ) Megemlítendő, hogy a 3D-s mérőszámok használata is egyre elterjedtebb. Ezek közül a következőek alkalmazása a leggyakoribb [2]. Anyagtérfogat arány (S mr ) Felületegyenetlenség magasság (S z ) Átlagos felületi érdesség (S a ) Felület egyenetlenség magasság (S z ): A mért felületrész legmagasabb csúcsának és legmélyebb völgyének távolsága (1. ábra). Az S p (az A m középsíktól számított legmagasabb csúcs) és S v (az A m középsíktól számított legmélyebb völgy) paraméterekből számítjuk. Ez a mérőszám a R t profilparaméter háromdimenziós megfelelője. S z =S p +S v (1) A m S p A m S z S v S a 1. ábra. Felület érdességi S a és S z paraméterek értelmezése

3 Átlagos felületi érdesség (S a ): A z(x,y) mért terület abszolút értekeinek átlagát fejezi ki (1. ábra). Ez az érték az R a térbeli megfelelője, mivel nem csak egy profilra, hanem egy felületrészre érvényes. 1 Sa z(x, y) dxdy (2) A A széles körben használt érdességi mutatók problémái: A Az érdességi paraméterek egy jelentős része alkalmatlan a működő tribológiai felületek leírására. Tekintsük a 2. ábrán látható a) és b) elméleti felületeket. Tribológiai jellemzők szempontjából a két felület láthatóan jelentősen eltér egymástól, ugyanakkor a szokásosan használt 2D-s és 3D-s érdességi paramétereik, mint például az R a, R z, S a vagy S z teljes mértékben azonosak. Ez az egyértelmű ellentmondás megszüntethető, ha a felületek jellemzésére megfelelő érdességi mutatót használunk. Ilyen mérőszám lehet például az anyaghányad mérőszáma (R mr, S mr ) vagy az Abbott-Firestone görbe jellegzetes paraméterei. a) b) 2. ábra. Elméletileg generált homorú és domború működő felületek A 2. ábrán bemutatott elméleti felületek Abbott-Firestone görbéi láthatóak a 3. ábrán. Ez az ábra egyértelmű eltérést mutat a két elméleti felület között. Ez azt jelenti, hogy az Abbott-Firestone görbe alapján meghatározható paraméterek alkalmasak a különböző működő felületek jellemzésére. 3. ábra. Elméleti a és b felületek Abbott-Firestone görbéi

4 A 3. ábrán bemutatott Abbott-Firestone (anyaghányad) görbe paramétereinek értelmezése a szakirodalom szerint az alábbi: R pk : gyorsan lekopó anyaghányad; R k : a felület élettartamát meghatározó mérőszám; R vk : a kenőanyag és törmelékmegtartó képességre lehet következtetni belőle. A fenti értelmezéssel analóg módon meghatározható háromdimenziós paraméterek az S pk, S k és S vk, amely mérőszámok sokkal megbízhatóbb adatokat szolgáltatnak a működő felületek jellemzéséhez [3, 4, 5]. 34CrMo4 ACÉLOK KOPÁSI ÉS ÉRDESSÉGI VIZSGÁLATAI Kopásvizsgálatokat hajtottunk végre polírozott és köszörült, majd karbonitridált próbatesteken a kopási tulajdonságok és az érdességi paraméterek kapcsolatának vizsgálata érdekében. A 34CrMo4 jelű acél karbonitridálása során alkalmazott technológiai paraméterek a következőek voltak: Gázösszetétel: 250 l/h NH l/h CO l/h N 2 Hőmérséklet T= 520 C és 570 C Hőntartási idő: t= 8 h és 16 h 1. táblázat A 34CrMo4 jelű acél százalékos összetétele C Si Mn P és S Cr V Mo 0,3-0,37 max. 0,4 0,6-0,9 max. 0,035 0,9-1,2 max. 0,1 0,15-0,3 A karbonitridáló eljárás hatással volt a próbadarabok felületi érdességére. Köszörült minták esetén az érdességi paraméterek csökkentek, míg a polírozott felületen történő hőkezelés a felület érdességének növekedésével járt. Ezen változások szemléltetése látható a 4. ábrán. A pin-on disc típusú kopásvizsgálatokat UNMT1 berendezésen hajtottuk végre a következő vizsgálati paraméterekkel: Terhelőerő: Golyóátmérő: Golyó anyaga: Kopási sugár: Koptatási sebesség: Teljes kopási úthossz: 20 N 3 mm zafír 3 mm 100 mm/min 300 m

5 4. ábra. A vizsgált próbatestek felületi minősége karbonitridálás előtt (bal oldal) és után (jobb oldal) (a, b köszörült; c, d polírozott) A vizsgálatok eredményei: A koptatott mintákon a felülettopográfiát az AltiSurf 520 felületvizsgáló berendezéssel készítettük. a) b) c) d) 5. ábra. Köszörült (a, b) és polírozott (c, d) koptatott 34CrMo4 acél próbák 3D topográfiája karbonitridálás előtt (bal oldal) és után (jobb oldal) A kikopott keresztmetszetet (ld. 6. ábra) szintén az AltiSurf 520 felületvizsgáló berendezéssel határoztuk meg.

6 6. ábra. 34CrMo4 acél próbákon lévő kopási keresztmetszetek meghatározása 7. ábra. Köszörült és polírozott 34CrMo4 acél próbák kopási keresztmetszete A 7. ábrán különböző felületelőkészítésű, azaz polírozott és köszörült, majd azonos módon (T=520 C, t=16 h) karbonitridált 34CrMo4 acél minták kikopott keresztmetszeteinek értékét láthatjuk. Az ábra alapján belátható, hogy az ugyanolyan állapotban lévő, de más kiinduló érdességi tulajdonságokkal rendelkező próbadarabok eltérő kopási tulajdonságokat mutatnak. A hőkezelést megelőzően köszörült állapotú minta kopásának mértéke nagyobb a polírozotténál. Hasonló tendencia figyelhető meg a 8. ábrán az érdességi jellemzők tekintetében is. Érdességi paraméterek, μm μm 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Polírozott Köszörült Ra Sa Sk Svk Spk 8. ábra. A különböző felületelőkészítésű, hőkezelt 34CrMo4 minta érdességi jellemzői

7 A 8. ábra szintén a 34CrMo4 anyagminőségű, a hőkezelést megelőzően polírozott és köszörült, majd T=520 C-on, t=16 h időtartamban karbonitridált próbatesteken mért két és háromdimenziós átlagos érdesség, valamint az Abbott- Firestone paraméterek értékeit tünteti föl. Az ábrából jól látható, hogy a kikopott térfogat 7. ábrán bemutatott változásával megegyező összefüggést látunk a kétféle felületelőkészítésű próbatestek esetén. Vagyis a hőkezelés után mért érdesség és a kikopott keresztmetszet szintén szoros összefüggést mutat. A 9. ábrán különbözőképpen előmunkált 34CrMo4 alapanyagú nitridált próbák érdességi jellemzőinek változását láthatjuk. Az ábra alapján érdekes megfigyelés tehető a hőkezelés időtartamának az átlagos érdességre gyakorolt hatására vonatkozóan: Az 520 C-os hőkezelések során a karbonitridálás idejének növelésével mind a köszörült, mind a polírozott minták érdessége csökkent, míg az 570 C-os hőkezelés esetén a hőntartási idő növelése növelte az átlagos érdességet. Ennek hátterében olyan anyagszerkezeti változásokat kell keresnünk (pl. porozitás), amely nemcsak az érdességre, hanem a kopási viselkedésre is hatással lehet. 9. ábra. 34CrMo4 alapanyagú karbonitridált próbák érdességi jellemzői A 10. ábrán a kétféle felületminőségű mintadarabokon meghatározott kikopott keresztmetszetek értékeit tüntettük fel. 10. ábra. 34CrMo4 alapanyagú karbonitridált próbákon mért kikopott keresztmetszetek értékei

8 A 9. és 10. ábrák összevetéséből látható, hogy a karbonitridálást követően mért érdességi és kopási jellemzők a 16 órás hőkezelésű próbatesteknél hasonló tendenciát mutatnak, azaz a nagyobb érdességű minták kopása kedvezőtlenebb. Ugyanakkor a 8 órás karbonitridálást követően a polírozott és köszörült próbák viselkedése éppen fordított. Ezzel szemben a 9. ábránál leírtakhoz hasonlóan megfigyelhető, hogy egy adott hőkezelési hőmérséklet esetén a kopási keresztmetszet változása, követi az átlagos érdességi jellemző változását. Ez alól csak az 520 C-on hőkezelt, köszörült próbák mutatnak kivételt. ÖSSZEGZÉS A vizsgálatok tapasztalatai az alábbiakban foglalhatók össze: A kopási folyamatban érintkező súrlódó párok mikrogeometriai jellemzőinek érdességének értéke a kopási károsodást jelentősen befolyásoló tényező. A kopással szembeni ellenállás jellemzésére legmegfelelőbb érdességi paraméter kiválasztása ugyanakkor körültekintő megfontolásokat igényel. Az alkalmazott felületkezelések különböző módon hatottak a próbatestek kiinduló felületminőségére. A durvább felületű köszörült próbatestek érdessége a karbonitridálást követően csökkent, míg a finoman megmunkált, polírozott felületű minták érdessége a hőkezelés hatására nőtt. A vizsgált karbonitridált acélok kopási jellemzői alapján összefüggéseket állapítottunk meg a kikopott keresztmetszet és a felületgeometriai jellemzők között, ugyanakkor a tendenciáktól eltérő viselkedések okának feltárásához az egyes hőmérsékleteken bekövetkezett összetételi, mikroszerkezeti és mechanikai tulajdonságbeli változások komplex elemzése szükséges, mivel ezek a tényezők együttesen hatnak a kopási sajátosságokra. Ez további vizsgálatokat és elemzéseket tesz szükségessé. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A cikkben ismertetett kutató munka a TÁMOP B-10/2/KONV projekt eredményeire alapozva a TÁMOP-4.2.2/A-11/1-KONV jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. IRODALOMJEGYZÉK [1] Marko Sedlaček, Bojan Podgornik, Jože Vižintin: Correlation between standard roughness parameters skewness and kurtosis and tribological behaviour of contact surfaces, Tribology International, Volume 48, April 2012, pp [2] L. De Chiffre, S. Christiansen, S. Skade: Advantages and Industrial Applications of Three- Dimensional Surface Roughness Analysis, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 43, Issue 1, 1994, pp [3] N.K. Myshkin, A.Ya. Grigoriev, S.A. Chizhik, K.Y. Choi, M.I. Petrokovets: Surface roughness and texture analysis in microscale, Wear, Volume 254, Issue 10, July 2003, pp [4] S.F. Tian, L.T. Jiang, Q. Guo, G.H. Wu: Effect of surface roughness on tribological properties of TiB2/Al composites, Materials & Design, Volume 53, January 2014, pp [5] K.P. Shaha, Y.T. Pei, D. Martinez-Martinez, J.Th.M. De Hosson: Influence of hardness and roughness on the tribological performance of TiC/a-C nanocomposite coatings, Surface and Coatings Technology, Volume 205, Issue 7, 25 December 2010, pp