Nanokristályos. tömbi anyagok : A nanotechnológia alapjai 2007/087. Dr. Krállics György

Átírás

1 Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány A nanotechnológia alapjai 2007/087 Nanokristályos tömbi anyagok : tulajdonság, gyárt rtás, alkalmazás. Dr. Krállics György krallics@eik.bme.hu

2 Az előad adás s főf pontjai A tömbi nanokristályos anyagok tulajdonságai A nanokristályos anyagok előállítása A nanokristályos anyagok alkalmazási lehetőségei Következtetések 2

3 Nanoszerkezetű anyagok csoportosítása sa Fullerén A nanoszerkezetű anyagok fogalma alatt, összhangban a NanoStructured Materials nevű nemzetközi folyóirat általánosan elfogadott terminológiájával a 100 nm alatti átlagos szemcsemérettel, illetve más szerkezet- geometriai egységgel rendelkező kristályos anyagot értjük, amely az alábbi csoportokra bontható. 0.) Nulla méretű atomi klaszterek és részecskék 1) Egy vagy kétméretű többrétegű anyagok 2.) Ultrafinomszemcsés bevonatok 3.) Nanokristályos, tömbi anyagok 3

4 Tömbi nanokristályos anyagok Az utóbbi évtizedben az anyagtudománnyal foglalkozó szakemberek érdeklődésének homlokterébe kerültek az un. nanoszerkezetű anyagok. Ezek az anyagok különleges mikroszerkezettel és ennek megfelelő tulajdonsággal rendelkeznek, emiatt különösen perspektivikus alkalmazásuk az elektronikában, orvosbiológiában, gépészeti berendezésekben. Ultra-finoszemcsés anyag (UFSZ): d= nm Nanokristályos anyag (NK): d<100 nm Az érdeklődés egyre növekszik a különleges anyagtulajdonságok miatt. 4

5 Nanokristályos fémes anyagok tulajdonságai Nagy szilárdság Viszonylag jelentős szívósság Magas kifáradási határ Korrózióval szembeni ellenállás Szuperképlékeny alakíthatóság Forgácsolás után finom felületi minőség Tulajdonságok Anyag UFSZ/NK DSZ Curie hőmérséklet, K Mágneses telítettség, Am 2 /kg Debye hőmérséklet, K Diffúzós tényező, m 2 /s Maximális oldódás 293 K-on, % Rugalmassági modulusz, GPa DSZ- durva szemcsés Ni Ni Fe Cu Niben Cu Feben 1x x Cu

6 Nanokristályos tömbi anyagok főf gyárt rtási módszereim Golyósmalomban való őrlés Gáz kondenzáció Intenzív képlékeny alakítás Az IKA megoldja azokat a problémákat, amelyek az előző eljárá soknál a porozitással, a szennyeződésekkel kapcsolatosak és lehetőséget ad viszonylag nagyméretű darabok gyártására. A hagyományos nagy alakváltozást megvalósító eljárások (hideg hengerlés, dróthúzás, sajtolás) a mikroszerkezet finomodását eredményezik alacsony hőmérsékleten. Kisszögű szubszemcsék kialakulása a jellemző. Az IKA során a finom mikroszerkezetre a nagyszögű szemcsehatárok a jellem zők. 6

7 Az intenzív v képlk plékeny alakítás s módszerem Nagyméretű szemcsék (Severe plastic deformation) IKA Tömbi nanoszerkezet Különleges tulajdonségok 7

8 Szerkezetváltoz ltozás s az IKA alatt A cellás szerkezet szemcséssé alakul át. Nagy diszlokációsűrűség a szemcsehatárokon. Cu mikroszerkezete az IKA során Kezdeti szemcse 120 μm d ε nm Diszlokáció sűrűség elér egy kritikus értéket; Az ellenkező előjelű diszlokációk megsemmísitik egymást; Az azonos előjelű diszlokációk megmaradnak. ε 7 d 250 nm ε 44 d 220 nm 8

9 Az IKA módszereim Nyomás és csavarás High - Pressure Torsion (HPT) Könyöksajtolás Egual Chanell Angular Pressing (ECAP) Többszörös átkovácsolás Multiple Forging (MF) Ciklikus sajtolás és nyomás Cyclic Extrusion Compression (CEC) Többrétegű kötés hengerléssel Accumulative Roll Bonding (ARB) Ismétlődő hajlítás és kiegyenesítés Repetitive Corrugation and Straightening (RCS) Folyamatos lemez nyírás Continuous confined strip shearing (C2S2) 9

10 Nyomás és s csavarás s (HPT) h F Felső plunger nyomólap próbatest test material v Mikroszerkezet finomítása PM anyagok konszolidálása D=10-20 mm h= mm p= 1-5 GPa, ε = max Alsó nyomólap M ω 1 aω h 12v h ε = ln + 3 2r h vt a h vt r ω 0 10

11 Hengeres darab gyártása nyomással és s csavarással ssal F M osztott szerszám M nyomóbélyegek próbatest F 11

12 Nagyméret retű darabok gyárt rtása könyöksajtolással ssal (ECAP) Alakítás során az anyag szerszám által meghatározott síkjában (1,2) intenzív nyírás lép fel, miközben a munkadarab alakítás előtti keresztmetszete változatlan marad. 12

13 Az anyagszerkezet befolyásol solásasa Út A Út B C 90 Út B A Út C Az ECAP eljárás előnye a munkadarabok többszöri átnyomásánál, alakításánál mutatkozik meg. Lehetővé válik különböző anyagszerkezetek kiakítása a nyírási síkok változtatásával. Alakítási utak 13

14 2n Ψ Φ Ψ Φ ε = cot + +Ψ cosec bélyeg ECAP alakítási mértéke szerszám Al ötvözetek mechanikai tulajdonságai különböző mértékű ECAP után. próbatest 14

15 Forgószersz szerszámos könyk nyöksajtolás a. b. c. próbatest bélyeg forgás szerszám Szerszámtartó A próbatest végig a szerszámban marad. Az alakítási idő jelentősen csökken. Csak az A út és a 90 szerszámszög alkalmazható. Az alakítás hőmérsékletét jól lehet szabályozni. 15

16 Ciklikus sajtolás és s nyomás (CEC) 16

17 Többrétegű kötés s hengerléssel ε = 2n 1 3 r 1 c

18 Alacsony széntartalm ntartalmú acél (C=0,005%) 005%) 30x2.7x300 mm, 500 C o 10min IF steel C=0.003 Al és Al ötvözet 18

19 Folyamatos lemeznyírás Szabályozott textura készítés 19

20 Ismétl tlődő hajlítás és s kiegyenesítés ε = 4n r ln b + s0 3 r + 0.5s b 0 Nagytisztaságú réz 12 művelet után Szemcsenagyság 765μm 500 nm 20

21 Többszörös átkovácsolás Szabadalakító kovácsolás műveleteit ismételjük meg különböző irányokból végrehajtva. 21

22 Mechanikai tulajdonságok változv ltozása az átnyomások során A Z [%] 350 B c B c C B a C B a Rm [MPa] Átnyomások száma Átnyomások száma Kontrakció Szakítószilárdság 22

23 φ15x145 mm Mikroszerkezet változv ltozása a könyk nyöksajtolás során Keresztmetszet Hosszmetszet φ 15x135 mm 2.5μm 300 nm 300 nm 2.5μm 300 nm 300 nm Kezdeti állapot 1.Sajtolás után 8.Sajtolás után 23

24 A mikroszerkezet vizsgálata röntgen vonalprofil analízissel Mért folyáshatár [MPa] Al 6082, Út A 8 ECAP 4 ECAP 1 ECAP Kiindulási állapot 1 1 Szemcseméret [nm] Átnyomások száma Diszlokáció sűrűség Diszlokáció sűrűség [10 14 m -2 ] Számított folyáshatár [MPa] Folyáshatár (Taylor modell) 24

25 Felületi leti érdesség g vizsgálata Berendezés: Ultra preciziós eszterga (Csepel UP1) hossz és keresztesztergálás gyémánt egykristály szerszámmal. Adatok: Forgácsolási sebesség: 78 m/min, előtolás 1 µm/fordulat. Felületi érdességmérés: atomerő mikroszkóp Eredmények: Kezdeti állapot, 1. átnyomás 4. átnyomás : Ra=55 nm, 8. átnyomás után : 10 nm 25

26 Atomerő mikroszkópi felvételek

27 Titán tulajdoságának változása % Z A Szivósság ECAP, 8 átnyomás MPa 1000 Szilárdság R p0,2 400 Kezdeti állapot R m

28 Végeselemes modellezés 28

29 Másodlagos megmunkálás Hengerlés, sajtolás 29

30 Titán (Grade 2) félgyártmányok Tipikus méretek: 6 12 mm átmérő mm hosszúság Mechanikai tulajdonságok: R p0,2 920 MPa R m 1050 MPa A 11 % Z 50 % σ MPa 30

31 A tömbi t nanokristályos anyag alkalmazása gyógyászat sport repülés kémia informatika gépészet 31

32 Új nagyteljesítményű állandó mágnesek előállítása nanoszerkezetű ferromágneses anyagból. Az intenzív képlékeny alakítás jelentősen megváltoztatja a keménymágnes hiszterézis tulajdonságait. Dugattyú nanoszerkezetű Al 1420 anyagból 32

33 Orvosi implantátumok tumok 33

34 Nagyszilárds rdságű kötőelemek titánötv tvözetből 34

35 Következtetések Ultra-finomszemcsés és nanoszerkezetű tömbi anyagokat sokféle tisza fémből, ötvözetből, PM anyagból kompozit anyagból, félvezetőből állítottak elő az IKA módszerével. Ezek az anyagok különleges tulajdonságokkal rendelkeznek. Az anyagok gyártása eddig főleg laboratóriumi eszközökkel valósult meg. Az ipari alkalmazás a módszerek fejlesztését illetve új eljárások kidolgozását igényli. 35

36 Kutatás-fejleszt fejlesztés s a Bay-nano Intézetben Új, termelékeny és olcsó technológiák kidolgozása. Ipari gyártás feltételeinek megteremtése. Együttműködés a régió vállalatival (DAM Kft, CH-Zrt, Hámor Rt) a rúd és lemez félgyártmány gyártásban. Különböző fémek feldolgozása ( titán, acél, alumínium, réz). Késztermékekelőállítása (orvosi implantátumok) Kutatás Alakító kísérletek, számítógépes modellezés mechanikai anyagvizsgálat, mikroszerkezeti vizsgálatok. 36