SI 3 N 4 MŰSZAKI KERÁMIÁK TRIBOLÓGIAI ÉS MECHANIKAI VIZSGÁLATA

Átírás

1 DOI: /ME MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR SI 3 N 4 MŰSZAKI KERÁMIÁK TRIBOLÓGIAI ÉS MECHANIKAI VIZSGÁLATA PHD ÉRTEKEZÉS KÉSZÍTETTE: KUZSELLA LÁSZLÓNÉ KONCSIK ZSUZSANNA OKLEVELES MŰSZAKI MENEDZSER SÁLYI ISTVÁN GÉPÉSZETI TUDOMÁNYOK DOKTORI ISKOLA GÉPÉSZETI ANYAGTUDOMÁNY, GYÁRTÁSI RENDSZEREK ÉS FOLYAMATOK TÉMATERÜLET GÉPÉSZETI ANYAGTUDOMÁNY ÉS MECHANIKAI TECHNOLÓGIA TÉMACSOPORT DOKTORI ISKOLA VEZETŐ DR. TISZA MIKLÓS A MŰSZAKI TUDOMÁNY DOKTORA, EGYETEMI TANÁR TÉMACSOPORT VEZETŐ DR. TISZA MIKLÓS A MŰSZAKI TUDOMÁNY DOKTORA, EGYETEMI TANÁR TUDOMÁNYOS VEZETŐ DR. MAROSNÉ DR. BERKES MÁRIA PHD, EGYETEMI DOCENS Miskolc, 2013.

2 TARTALOM 1. Bevezetés, célkitűzés Szakirodalmi áttekintés Si 3 N 4 alapú monolitikus kerámiák szerkezete, tulajdonságai, alkalmazása Si 3 N 4 alapú kompozit kerámiák szerkezete, tulajdonsága és alkalmazása A kerámia kompozitok alkotóelemei A szilícium-nitrid alapú kerámia kompozitok jellemző típusai és sajátosságai A szén-nanocsövek szerkezete A szén-nanocsövek tulajdonságai felhasználási lehetőségei és tendenciái A Si 3 N 4 alapú monolitikus és kompozit kerámiák előállítása A monolitikus Si 3 N 4 kerámiák gyártása A szilícium-nitrid alapú kerámia kompozitok gyártási sajátosságai A szén-nanocsövek és CNT-vel adalékolt kerámia kompozitok gyártási folyamata A gyártási folyamat és tulajdonságok kapcsolata kerámia kompozitokban A második fázis és az alapmátrix közötti határfelületi kapcsolat A tribológiai rendszer és a kopási folyamatok sajátosságai A tribológia fogalma és a triborendszer elemei A kopási folyamatok jellemzése A kerámiák kopási folyamatainak sajátosságai A tribológiai mérőszámok és más mechanikai tulajdonságok közötti kapcsolat vizsgálata, a kopási folyamat modellezési lehetőségei Kopásnak kitett műszaki kerámiák legfontosabb mechanikai és anyagszerkezeti vizsgálatai Kopásvizsgálatok Kiegészítő vizsgálati technikák Profilometria Keménységmérés A törési szívósság vizsgálata Szilárdsági vizsgálatok Anyagszerkezeti vizsgálatok Az értekezés részletes célkitűzése Elméleti kutatómunka A kopási folyamatok rendszerezése A javasolt kopási osztályozási rendszer felépítése, elemei A rendszeren belül értelmezett kopási mechanizmusok A javasolt kopási osztályozási rendszer sajátosságai, alkalmazási előnyei, korlátai ii

3 4.2 A Vickers lenyomatos törési szívósság empirikus összefüggésének elemzése A vizsgálati minták törési szívósságának kiértékeléséhez használt összefüggés kiválasztása Az elméleti kutatómunka összegzése Si 3 N 4 alapú kerámiák tribológiai viselkedésének kísérleti vizsgálata A vizsgálati mintadarabok jellemzése A próbatestek kémiai összetétele, geometriai megjelenése A próbatestek elméleti és tényleges sűrűsége A kísérleti munkához szükséges minimális mintaelem-szám meghatározása A kísérleti mintadarabok felületének előkészítése Tribológiai vizsgálatok Block-on-block / korong a tárcsán tribológiai vizsgálatok Pin-on-disc elvű tribológiai vizsgálatok Kiegészítő mechanikai és anyagszerkezeti vizsgálatok Keménységmérési vizsgálatok Vickers-lenyomatos törési szívósság vizsgálat Szilárdsági vizsgálatok Anyagszerkezeti vizsgálatok A vizsgálati eredményekből levonható legfontosabb következtetések, megállapítások Új tudományos eredmények Az új tudományos eredmények hasznosításának lehetőségei, a kutatási téma továbbfejlesztési lehetőségei Összefoglalás Summary Köszönetnyilvánítás Mellékletek Az értekezés témájában releváns saját publikációk listája Irodalomjegyzék iii

4 JELÖLÉSEK JEGYZÉKE a az érintkezési felület sugara ( fejezet); [mm] a Vickers lenyomat félátlója ( fejezet) [mm] A a golyón lévő ellipszis alakú kopásnyom rövidebb átlója ( fejezet); kritikus munka a Vikcers-lenyomatos törési szívósság vizsgálat során ( [mm] [J] fejezet) A k az érintkezési tartomány kontúrja [mm] A n névleges érintkezési felület [mm 2 ] A p az érintkező felület nagysága a golyó a korongon kopásvizsgálat során [mm 2 ] A t az egymással ténylegesen érintkező felület nagysága [mm 2 ] A v a vizsgált érintkezési tartomány [mm 2 ] B a golyón lévő ellipszis alakú kopásnyom hosszabb átlója ( fejezet); [mm] a próbatest vastagsága ( fejezet) [mm] c a lenyomat félátlója és az adott sarokból induló Palmquist repedés együttes [mm] hossza d átlagos szemcseméret [mm] d i a Vickers keménységi lenyomat átlói [mm] C anyagi konstans [-] D a környező közeg tulajdonságait együttesen leíró együttható [-] e c,eff kritikus alakváltozás, amelynek során véletlenszerű repedésterjedés lép fel [-] e d,eff a valódi alakváltozás [-] E rugalmassági modulus [MPa] E 1 a golyó Young-modulusa [MPa] E 2 a mintadarabok Young-modulusa [MPa] E av alakváltozási energia [MPa] E f felületi energia [MPa] F terhelőerő [N] F max maximális terhelőerő [N] F N normálerő [N] F S súrlódási erő [N] H a lágyabb anyag keménysége [-] HV Vickers-keménység [-] k 0 a dimenziótlan kopási tényező [-] k g a kopási tényező értéke a golyó a korongon vizsgálat során a golyón [mm 3 /Nm] k p a kopási tényező értéke a golyó a korongon vizsgálat során [mm 3 /Nm] kopási tényező a kikopott térfogat háromdimenziós méréssel meghatározott [mm 3 /Nm] k p3d értékéből számolva k p4 kopási tényező 4 profilból számítva [mm 3 /Nm] k p8 kopási tényező 8 profilból számítva [mm 3 /Nm] k t a kopási tényező értéke a korong a tárcsán vizsgálat során [mm 3 /Nm] K c a Vickers-lenyomatos törési szívósság [MPa m 0,5 ] K Ic a törési szívósság törésmechanikai próbatesten meghatározva [MPa m 0,5 ] K SC analitikai feszültségintenzitási tényező [MPa m 0,5 ] l csúszási úthossz ( fejezet) [m] a Palmquist repedés hossza ( fejezet) [mm] L a csúszási úthossz a korong a tárcsán és a golyó a korongon [m] kopásvizsgálat során L s a támaszköz hossza hajlítóvizsgálat során [mm] iv

5 m Weibull-modulus; [-] tömeg ( fejezet) [g] n a minta sorszáma [-] P a legnagyobb érdességi csúcstól mért mélység értéke, [μm] terhelés ( fejezet) [N] p 1-5 R z megadásakor mért érdességi csúcsok magassága [μm] p i a %-ban megadott nagyságú hordozóhossz mélysége a legmagasabb [μm] érdességi csúcstól P K a repedés létrehozásához szükséges kritikus terhelés [N] a mintadarab sugara ( fejezet); [mm] r mintatartó középpontja és a minta középpontja közötti távolság ( fejezet) [mm] R a felületi érdességi mérőszámok általános jele ( fejezet) a kopásnyom sugara ( fejezet) a mintatartó forgástengelye és a korong forgástengelye közötti távolság ( fejezet) [μm] [mm] [mm] R a átlagos érdesség [μm] R h3 hárompontos hajlítószilárdság [MPa] R h4 négypontos hajlítószilárdság [MPa] egyenetlenség magasság, 10 pont magasság nevű érdességi mérőszám [μm] R z R golyó az ellentestként szolgáló golyó sugara a kopási rendszerben [mm] R mr hordozóhossz, vagy anyaghányad [μm] T hőmérséklet [ C] S 1 4 profil-keresztmetszet [mm 2 ] S a háromdimenziós profilon meghatározott átlagos érdesség [μm] S mc adott felületi anyaghányadhoz tartozó mélység a háromdimenziós profilon [μm] S mr felületi anyaghányad a háromdimenziós profilon [μm] S z a háromdimenziós profilon meghatározott R z érték [μm] v elmozdulás sebessége [mm/s] v 1-5 R z megadásakor érdességi völgy [μm] V térfogat [mm 3 ] V d a deformálódott anyagrész térfogata [mm 3 ] V W kikopott térfogat általános jele [mm 3 ] V Wg a golyóból kikopott térfogat nagysága a golyó a korongon elvű mérés során [mm 3 ] V Wp a mintadarabon kikopott térfogat kikopott térfogat a golyó a korongon [mm 3 ] vizsgálat során V Wt a mintadarab teljes felületéről kikopott térfogat a korong a tárcsán [mm 3 ] vizsgálati elrendezés során kopási érték (Hornbogen) [-] W repedési ellenállás ( fejezet); [MPa m 0,5 ] a törésmechanikai próbatest szélessége ( fejezet) [mm] keményedési kitevő [-] ε fajlagos alakváltozás [mm] empirikus úton meghatározott anyagi konstans [-] ρ a mintadarab sűrűsége [g/cm 3 ] ρ elm elméleti sűrűség [g/cm 3 ] ρ elm-t elméleti térfogatra vonatkoztatott ( bulk ) sűrűség [g/cm 3 ] μ súrlódási együttható [-] 2 a szerszám lapszöge, azaz Vickers gúla esetén 136 [ ] v

6 a csiszoló tárcsa szögsebessége a mintatartó szögsebessége σ mechanikai feszültség [MPa] σ D kritikus károsodást okozó feszültség [MPa] σ max maximális húzó feszültség [MPa] az érintkező felületek között ébredő feszültség nagysága, a golyó a korongon [MPa] σ p vizsgálat során σ s a lágyabb anyag folyáshatára [MPa] σ t az érintkező felületek között ébredő feszültség nagysága [MPa] ʋ Poisson-tényező [-] ʋ 1 a golyó Poisson-tényezője [-] ʋ 2 a mintadarab Poisson-tényezője [-] [Ω] [Ω] vi

7 RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE CETR-UNMT1 CNT MWCNT mikro-nano felületvizsgáló berendezés típusa carbon-nanotube = szén-nanocső multiwall carbon-nanotube = többfalú szén-nanocső 1

8 1. Bevezetés, célkitűzés A szilícium-nitrid (Si 3 N 4 ) műszaki kerámiákat az 1960-as években kezdték intenzívebben kutatni, a belső égésű motorok fejlesztése céljából. Bár a kutatási munkák csak részben vezettek eredményre, mégis ennek köszönhető, hogy ismertté vált a szilícium-nitrid kerámiák szerkezeti felépítése, gyártástechnológiája, illetve a gyártástechnológia és a tulajdonságok közötti kapcsolatok rendszere. Mára ez a műszaki kerámia az egyik legnagyobb teljesítőképességű szerkezeti anyaggá vált, köszönhetően kiváló mechanikai tulajdonságainak, elsősorban tribológiai viselkedésének, nagy keménységének, szilárdságának, kiemelkedő fáradással szembeni ellenálló képességének, hősokkállóságának és vegyi ellenálló képességének. A műszaki kerámiáknál megfigyelhető kismértékű ellenállás a dinamikus igénybevételekkel szemben a szilícium-nitrid kerámiákra is jellemző. Napjaink fő kutatási iránya erre az anyagcsoportra vonatkozóan a mechanikai tulajdonságok további fejlesztése, különös tekintettel a törési szívósságra, illetve további kutatások folynak a szilícium-nitrid alapú kerámiák elektromosan vezetővé tételére is. Ennek megfelelően különböző összetételű kompozitok jelennek meg a modern kutatási irányzatok között. Az értekezésben bemutatásra kerülő kutatómunka előzményeként 2007-ben Kiváló Diplomaterv pályázat első díját nyert diplomaterv [1] keretében végeztem tribológiai és egyéb mechanikai vizsgálatokat grafit részecskékkel adalékolt szilícium-nitrid kompozit kerámiákon, amely kutatómunkát Országos Tudományos Diákköri Dolgozatban, valamint számos hazai és nemzetközi konferencián bemutattam. A megkezdett elméleti és kísérleti tribológiai kutatásokat ezt követően doktori képzés keretében folytattam, immár más összetételű, nevezetesen többfalú szén-nanocsövekkel (MWCNT) adalékolt szilícium-nitrid nanokompozitokon. A kopásvizsgálatokat a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén található, Magyarországon egyedülálló univerzális felületvizsgáló berendezésen végeztem, kiegészítve további mechanikai és anyagszerkezeti vizsgálatokkal. Az értekezés fő célkitűzése különböző 1 térfogat%, illetve 2 térfogat% mennyiségű többfalú szén-nanocsövet tartalmazó szilícium-nitrid kerámia nanokompozitok tribológiai viselkedésének széleskörű jellemzése, ezáltal az anyagtechnológiai kutatások számára új ismeretek nyújtása, továbbá a vizsgált új típusú kompozit kerámiák alkalmazási potenciáljának feltárása. Minden anyag tulajdonságát annak szerkezete határozza meg elsődlegesen, amely a gyártási folyamatban alakul ki. Ezért a választott kompozit anyag szerkezetének, összetevőinek, azok gyártási folyamatának megismerése az anyagi viselkedés tanulmányozásának kiinduló pontja. Kerámiáknál kiemelt fontossággal bír e tekintetben a szinterelést követő pontos összetétel, illetve az egyes fázisok határán fellépő kémiai és fizikai jelenségek ismerete is. A tribológiai viselkedés megismeréséhez nélkülözhetetlen a tribológia, mint elméleti tudomány, illetve a műszaki kerámiák speciális tribológiai jellemzési lehetőségeinek tanulmányozása. Ez utóbbi áll a hátterében annak, hogy a választott vizsgálati anyag komplex tribológiai jellemzéséhez a szokásos tribológiai jellemzők mellett további mechanikai mérőszámok megadása is szükséges. Ilyenek például a keménység, törési szívósság, illetve a szilárdsági mérőszámok közül a hajlítószilárdság és a rugalmassági modulus. Fenti célkitűzésnek megfelelően az értekezés három fő részre osztható: 1

9 - Szakirodalomi áttekintés. Célja a vizsgálati anyag szerkezetének előállításának, ismert tulajdonságainak és jelenlegi alkalmazási területeinek megismerése. Ebben a fejezetben kerül sor a tribológiai rendszerekre és a kopási folyamatokra vonatkozó szakirodalmi ismeretek áttekintésére. A kísérleti munka előkészítése céljából ez a fejezet foglalkozik a kerámiák tribológiai és egyéb mechanikai vizsgálati módszereinek megismerésével a vizsgálati módszerek, és vizsgálatok kiértékelési lehetőségeink bemutatásával, valamint a vonatkozó szabványi háttér feltérképezésével. - Elméleti kutatómunka. A fejezet célja a tribológiai rendszerre vonatkozó szakirodalmi ismeretek összegzésével és kritikai értékelésével a kopási folyamatok jellemzésére vonatkozóan egy új saját kopási osztályozási rendszer megalkotása és a rendszer elemeit alkotó kopási mechanizmusok ismertetése. Az elméleti kutatómunka másik iránya a Vickers-lenyomatos törési szívósság vizsgálat kiértékelésére szolgáló empirikus összefüggések elemzése és a kísérleti munka keretében vizsgált MWCNT nanofázissal adalékolt szilícium-nitrid kerámia kompozitok törési szívósságának meghatározására legalkalmasabb kiértékelő összefüggés megválasztása, szakirodalmi eredmények elemző vizsgálata alapján. - Kísérleti munka. A fejezet célja a választott vizsgálati minta tribológiai viselkedését meghatározó kopási és egyéb mechanikai jellemzők kísérleti meghatározása. Ennek során a többféle terhelési paraméterrel kivitelezett tribológiai vizsgálatok elvégzésének és eredményeinek részletes bemutatása, valamint a kopás szempontújából fontos egyéb mechanikai vizsgálatok végrehatása és elemzése. A vizsgálati eredmények elemzése alapján levonható következtetések és megállapítások bemutatását követően javaslatokat fogalmazok meg az értekezésben elvégzett kutatómunka folytatásának javasolt irányaira. A disszertációt az elméleti és kísérleti kutatómunka során elért új tudományos eredmények összefoglalása, illetve azok alkalmazási lehetőségének bemutatása zárja. 2

10 2. Szakirodalmi áttekintés 2.1 Si 3 N 4 alapú monolitikus kerámiák szerkezete, tulajdonságai, alkalmazása A szilícium-nitrid kerámiák történetét tekintve a természetes vegyület egyidős lehet a Föld keletkezésével, az α-típusú Si 3 N 4 jelenlétét kimutatták a Földbe csapódó meteoritok szikláiban. A szintetikus vegyület először 1859-ben jelent meg, Deville és Wöhler nevéhez kapcsolódóan, bár gyártástechnológiáját SiO 2 karbotermikus redukciója révén csupán egy 1890-es német szabadalom rögzíti [2]. Mint szerkezeti anyag a SiC-dal egy szinten említhető, azonban a sztöchiometriai összetétel tekintetében többféle változatát is ismerjük és atomos szerkezete vitatott téma. A monolitikus Si 3 N 4 kerámiák szerkezete A kerámiákat az anyagszerkezet alapján osztályozva, a szilícium-nitrid a kristályos kerámiák csoportjába tartozik. A vegyületet alkotó két elem a Si és a N a térben tetraédert alkot (ld ábra). Az 1950-es évek közepén végzett röntgendiffrakciós vizsgálatoknak köszönhetően ismert, hogy kétfajta kristályos formában fordul elő, mint α-si 3 N 4, és mint β-si 3 N 4. Mindkét módosulat hexagonális kristályrendszerű, közel egyforma a-tengelyirányú mérettel, egyedül a c-tengelyirányú méretük hosszában különböznek, amely az α-kristályszerkezet esetén kétszer olyan hosszú. A térbeli építőelem, a tetraéder középpontjában a szilícium helyezkedik el, míg a tetraéder háromszögeinek csúcspontjában a nitrogén található. N 3- Si ábra. A Si 3 N 4 tetraéderes térbeli szerkezete [2] A kétféle kristálytani módosulat közül az α-si 3 N 4 -et, a 2.2. ábra szerinti abcd rétegződés jellemzi, addig a β-si 3 N 4 -et abab rétegződés. Ez utóbbi szerkezet nagy hőmérsékleten nagyobb stabilitást mutat. Mai ismereteink szerint az irreverzibilis átalakulás az α-si 3 N 4 -ből, β-si 3 N 4 -dé nagyon lassú, ún. rekonstruktív fázisátalakulási folyamat, amelynek pontos átalakulási hőmérséklete ismeretlen. Az átalakulás során az eredeti α-mátrixban tű alakú β-si 3 N 4 kristályok növekednek és ágyazódnak be, így alakul ki egy szívósabb, a repedésterjedéssel szemben jobban ellenálló mikroszerkezet [2]. Kémiai összetétel alapján a Si 3 N 4 a vegyületkerámiák csoportjába, azon belül pedig a nem oxid kerámiák közé tartozik. A vegyületet kémiai szempontból kétféle kötés építi fel: 30%- ban kovalens kötés, míg 70%-ban ionos kötés [2]. A szilícium-nitrid jó kémiai ellenálló képességgel rendelkezik pl. savakkal, sókkal, híg lúgokkal szemben. A fémekkel szembeni ellenállása függ a fém fajtájától. 3

11 cd réteg ab réteg ab réteg ab réteg - Si 3 N 4 a sík b sík Si 2.2. ábra. A Si 3 N 4 különböző rétegei az α és a β módosulatokban [2] A szilícium-nitrid kerámia mikroszerkezete és tulajdonságai közötti kapcsolat megismerése céljából a hozzá legközelebb álló anyagcsoport a SiAlON kerámiák tulajdonságainak és viselkedésének megismerése is fontos információt hordoz. Egyrészt a szilícium-nitrid porok általában tartalmaznak alumíniumot, másrészt a gyártás során, a folyékony fázisú szintereléshez Al 2 O 3 adalékot használnak, ami beépül a kerámia szerkezetébe, a terméket mégis szilícium-nitridnek nevezzük. Az Al-O tartalmú fázisok nagy része a szinterelési folyamat alatt kristályosodik, átalakul, általában gyorsabban, mint a szilikát-vegyületek, így befolyásolja a kialakuló anyag mikroszerkezetét és ezáltal a tulajdonságait is [2]. A monolitikus műszaki kerámiák mechanikai tulajdonságaira vonatkozóan általában igaz, hogy nagy szilárdságúak, kemények, kiváló a nagyhőmérsékletű teljesítőképességük, a kémiai ellenállásuk, és a kopásállóságuk, továbbá kicsi a sűrűségük. Kevésbé kedvező viselkedést mutatnak viszont húzó és ütő igénybevétel hatására, és ellentétben a fémekkel szobahőmérsékleten nem képesek képlékeny alakváltozásra. A szinterelt szilícium-nitrid kerámiák a tűszerű, finomszemcsés β-si 3 N 4 mikroszerkezetnek köszönhetően nagy törési szívóssággal, nagy szilárdsággal, kiváló tribológiai tulajdonságokkal rendelkeznek. A különböző felhasználásokban történő alkalmazások egyik korlátja a termék ára, amelyet befolyásol a kiinduló alapanyag ára, valamint a gyártási technológia költsége, amely során nagy tisztaságú, kis porozitású, kiváló mechanikai tulajdonságú és reprodukálható anyagot sikerül előállítani. Az 1950-es években a szilícium-nitrid kerámiákat elsősorban tűzálló anyagokként alkalmazták. Nagyhőmérsékletű szerkezeti anyagként történő felhasználásuk elsősorban belső égésű (dugattyús és gázturbina) motorokban az 1960-as években gyorsult fel, ezekben az időkben a nagyhőmérsékleten mutatott tulajdonságaik, illetve a hősokkállóságuk jelent meg, mint kiemelkedő tulajdonság. Ezen kiemelkedő tulajdonságnak köszönhetően további alkalmazások jelentek meg az atom-energia iparban fúvókák és a rakéták terén. Az akkori tudományos kutatások már a Si 3 N 4 -ből készült whiskerekre is kiterjedtek, mint a fémek erősítő anyagára. A további kutatások eredményeképpen 1961-ben a teljesen tömör, pórusmentes, melegen sajtolt Si 3 N 4 kerámiák előállítását is sikerült elérni MgO adalékolásával [2]. Autóipari alkalmazása az 1980-as években kezdődött elsősorban izzító gyertyák, turbó feltöltő, porlasztók, szelepek és kipufogó szabályozó szelepek anyagaként. A legtöbb N - Si 3 N 4 4

12 szilícium-nitrid kerámia alkatrészt az USA-ban és Japánban gyártják, Japánban a fejlesztések elsődleges hajtóereje a károsanyag-kibocsátás csökkentése [2]. A kopásállóságnak, kis súrlódási együtthatónak, nagy merevségnek, kis sűrűségnek és kicsiny gördülési fáradásának köszönhetően a nagy hőmérsékletű, kenőanyag nélküli golyós, illetve hengeres csapágyakban történő alkalmazása is lehetővé vált [3], akár hosszabb élettartammal, mint a nagy sűrűségű acélok esetében. Alkatrészként alkalmazható továbbá abrazív igénybevételnek kitett közegben, olajfúró gépek alkatrészeként, vákuumszivattyúkban, valamint orvostechnikai alkalmazásokban, például, mint steril, kenőanyag nélküli fogászati fúró [2]. A fémmegmunkálás terén forgácsoló lapkaként történő alkalmazása az 1970-es években jelent meg. Alkalmazzák öntöttvas, különböző acélok, és nikkel alapú ötvözetek, szuperötvözetek forgácsolására, kb. 25-ször gyorsabb megmunkálási sebességgel, mint a korábban általánosan használt WC tartalmú keményfém lapka esetében. Az alumíniumoxiddal szemben előnyt jelent jóval nagyobb szívóssága, illetve hősokkállósága [3]. Az as évek végén a kutatások már a Si 3 N 4 kerámiák elektronikai alkalmazásairól is beszámoltak [2]. 2.2 Si 3 N 4 alapú kompozit kerámiák szerkezete, tulajdonsága és alkalmazása A kerámia kompozitok alkotóelemei A különböző kompozitok készítésének célja valamilyen speciális tulajdonság, vagy tulajdonságkombinációk biztosítása, amely bizonyos alkalmazásokban előnyös lehet. Kompozit anyagról akkor beszélünk, ha a folyamatos mátrixban diszperzen elhelyezkedő kémiailag és/vagy fizikailag eltérő fázis van. Maga a kompozit anyag általában jobb, de legalábbis eltérő tulajdonságokkal rendelkezik, mint bármely felépítő komponense. A mátrix egy folytonos fázis, míg a benne elhelyezkedő diszperz fázis az erősítő vagy másodlagos fázis, amely morfológiáját és kiterjedését tekintve lehet részecske, tű, rövid szál, hosszú folyamatos szál vagy lemez formájú. A másodlagos fázis morfológiája, illetve közte és az alapmátrix között kialakuló határfelület nagymértékben befolyásolja a kerámia kompozit teljesítőképességét [4]. A kerámia kompozitok teljesítőképessége alapvetően néhány fontos tényező függvénye: az alkotóelemek (a mátrix és az erősítőfázis vagy adalék) összetétele, és azok mechanikai tulajdonságai, a gyártástechnológia, illetve a kialakuló határfelületek sajátosságai. A kerámia kompozit alapmátrixával, mint ideális mátrix anyaggal szemben, különböző követelmények támaszhatók, amelyek mindegyikének egyetlen kerámia sem felelne meg. Egy valós mátrix esetében tehát csak remélhetjük, hogy az alábbi elvárások többségét kielégíti [4]: - infiltrálódik a tűk, szálak vagy részecskék közé; - mechanikai vagy súrlódási kapcsolatot alakít ki az erősítő fázissal; - nem lép kémiai reakcióba a gyártás vagy üzemelés során az erősítő fázissal, (bizonyos esetekben azonban éppen ennek az ellenkezője megkövetelt); - nem károsítja fizikailag az erősítő fázist; - jó a kúszási, fáradási és dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállása; - nagy szívósságú; - kémiailag stabil, ellenáll a nedvességnek, az oxidációnak, nem hidratálódik, nem párolog. A kerámia alapmátrixok esetén leggyakrabban alkalmazott erősítő fázisokat a 2.1. táblázat foglalja össze [4]: 5

13 2.1. táblázat. Kerámia mátrixú kompozitok jellegzetes erősítő anyagai [4] Az erősítő fázis morfológiája Az erősítő fázis kémiai összetétele Részecskék SiC, TiC, Al 2 O 3 Nem folytonos szálak Tűk (whiskerek) SiC, TiB 2, Al 2 O 3 Rövid szálak Üveg, Al 2 O 3, SiC, (Al 2 O 3 +SiO 2 ), karbon szálak Folytonos szálak Oxidok Al 2 O 3, (Al 2 O 3 + SiO 2 ), ZrO 2, Nem oxidok B, C, SiC, Si 3 N 4, BN A szilícium-nitrid alapú kerámia kompozitok jellemző típusai és sajátosságai A 2.2. táblázat a napjainkban gyártott szilícium-nitrid kerámia kompozitok néhány legfontosabb típusát, a módosítani kívánt tulajdonság jellegét, illetve a jelzett forrásmunkában meghatározott mechanikai és egyéb tulajdonságok számszerű értékét tartalmazza. A táblázat adataiból kitűnik, hogy leggyakrabban a mechanikai tulajdonságok módosítása a cél [4], azon belül is a nagy hőmérsékletű szilárdság, illetve a törési szívósság értékének változtatása. Ezeken felül néhány speciális esetben az elektromos vezetőképesség módosítása jelenik meg, mint kompozit készítési cél. A táblázatban megtalálható a disszertáció keretében általam is vizsgált MWCNT vel adalékolt szilícium-nitrid kerámia kompozitok csoportja. Ezeket elsősorban a mechanikai, termikus és elektromos tulajdonságok egyedileg társított, alkalmazási cél szerint választott különleges kombinációja jellemzi. A továbbiakban a vizsgálni kívánt kompozit kerámiák adalékanyagának a szénnanocsöveknek a sajátosságait tekintem át. 6

14 Kompozit típusa Si 3 N 4 - Si 3 N 4 + SiC (5, 10, 20, 30 tf%) Si 3 N 4 + SiC (20 tf%) A kompozit gyártás célja mechanikai tulajdonságok javítása a másodlagos fázis szemcsemérete és a mechanikai tulajdonságok alakulása közötti kapcsolat vizsgálata Gyártás meleg sajtolás, szinterelés hideg izosztatiku s sajtolás, szinterelés meleg sajtolás, szinterelés Sűrűség g/cm 3 Szilárdság MPa 2.2. táblázat. A különböző összetételű kompozitok és tulajdonságaik Youngmodulus, GPa Hőtágulá si eh., 10-6 K -1 Keménység, HV, GPa Törési szívósság, MPa m 1/2 El. vezető képesség 3, ,1 2,5 3,5 < S/cm [6] (hajlító) 14,4 16,6 Diel. áll. Forrás [4] [5] 5,2 6,7 [7] Si 3 N 4 + szabad C (0,43; 3,62 tf%) szemcsehatármenti fázis változtatásával a mechanikai tulajdonságok módosítása, karbotermikus reakcióval 5 tf% SiC keletkezése során meleg sajtolás, szinterelés 390 5,5 6,1 [8] Si 3 N 4 + C (grafit) (SiC) fázisátalakulás és tribológiai tulajdonságok változásának vizsgálata meleg sajtolás, szinterelés ,06 4 [9] 7 Si 3 N 4 + C nanocső (1, 3 tf%) Si 3 N 4 + C /grafén/ (különböző formában) (1 tf%) mechanikai, termikus és elektromos tulajdonságok változása mikroszerkezet változása és törési szívósság érték változásának vizsgálata meleg sajtolás, szinterelés meleg izosztatikus sajtolás, szinterelés 2,65 3,14 3,354 3, ,1 13,3 14,6 16,4 5, ,98 S/m [10] 7,8 9,9 [11]

15 2.2. táblázat. (folyt.) A különböző összetételű kompozitok és tulajdonságaik Kompozit típusa Si 3 N 4 + SiNC(20 tf%) Si 3 N 4 + SiNC (10 tf%) Si 3 N 4 + SiCN (porózus) (18, 23 tf%) Si 3 N 4 + SiBC (6 tf%) Si 3 N 4 +TiN (5, 10, 15, 20 tf%) A kompozit gyártás célja szobahőmérsékletű és nagyhőmérsékleti tulajdonságok változásának vizsgálata szobahőmérsékletű és nagyhőmérsékleti tulajdonságok változásának vizsgálata elektromos vezetőképesség és dielektromos tulajdonságok javulása kedvezőbb elektromágneses hullám elnyelő tulajdonság; kis dielektromos állandó hajlítószilárdság és törési szívósság értékek növelése; a hősokkállóság fokozása Gyártás meleg sajtolás, szinterelés gáznyomásos szinterelés infiltrációs pirolízis kémiai gőzfázisú infiltráció meleg sajtolás, szinterelés Sűrűség g/cm 3 3,247 2,4 2,5 1, Szilárdság MPa Youngmodulus, GPa Hőtágulá si eh., 10-6 K -1 Keménység, HV, GPa Törési szívósság, MPa m 1/2 El. vezető képesség Diel. áll. Forrás 710 (hajlító) 6,4 [12] 1203 (hajlító) ,1 3,48 15,4 15,9 6,9 [13] 7, , S/cm 5,8 6, 6 3,1 5, 2 [14] [15] 5,86 6,83 [16] Si 3 N 4 +SiAlON (18, 23, 25, 29 tf%) Si 3 N 4 + MoSi 2 (22, 30, 40 tf%) Si 3 N 4 + BN (porózus) (5, 10 tf%) Si 3 N 4 -SiO 2 (porózus) (31 43 tf%) hősokkállóság és termikus fáradással szembeni ellenállás fokozása MoSi 2 szívós fázis hatása a szilárdsági tulajdonságokra, az elektromos vezetőképesség vizsgálata mechanikai tulajdonságok változásának vizsgálata növelt mechanikai tulajdonságok; kisebb dielektromos állandó és veszteség meleg sajtolás, szinterelés meleg sajtolás, szinterelés nyomás nélküli szinterelés sol-gél infiltrációs szinterelés (0-800 C között) (1200 C-on) 16,29 16,59 7,8 8,19 [17] 3 5 ( C között) 2 4,5 (1200 C-on) 1, , Ω - 1 cm -1 [18] ,66 2,1 [19] 1,74 2, ,5...4,1 0,5...1,4 3,2 5, 5 [20] 8

16 2.2.3 A szén-nanocsövek szerkezete 1991-ben Iijima japán tudós a fullerén előállítás maradványainak elektronmikroszkópos vizsgálata során hosszú, csavart, grafitszerű mikrocsövecskéket fedezett fel. Kimutatta, hogy ezek a képződmények koncentrikus, a palástján hatszöges elrendezésű szénatomokból álló többfalú csövek. Mivel a csövek átmérője a nanoméretek tartományában esett, ezért többfalú szén-nanocsöveknek, angolul multi-wall carbon nanotubes (MWCNT) nevezték el, ld ábra. Két évvel később az egyfalú szén-nanocsövek is napvilágot láttak, majd rövidesen a szén-nanocsövek számtalan változatát sikerült előállítani [21] ábra. Többfalú szén-nanocső szerkezet sematikus ábrája [22] Az egyfalú szén-nanocsövek egyetlen atomi vastagságú grafitsík feltekerésével keletkeznek, míg a többfalú nanocsövek egymásban elhelyezkedő egyfalú csövekből állnak, ahol a szomszédos nanocsövek között a távolság 0,344 és 0,36 nm között van. A csövek végei nyitottak, vagy fullerénszerű sapka zárja le azokat. A feltekerés módjától függően a grafitsík különböző módon helyezkedhet el a nanocső palástján, amint az a 2.4 ábrán látható. a) b) c) 2.4. ábra. A grafitsíkok elhelyezkedése a nanocsövek palástján: a) karosszék ; b) cikcakk ; c) királis [23] A karosszék típusú szén-nanocsövek esetében az egyik C-C kötés merőleges a cső tengelyére; a cikcakk csövek esetében a C-C kötések egy része párhuzamos a cső tengelyével, míg a királis csövek esetében a cső tengelye és a hozzá legközelebb eső C-C kötés 0 30 közötti szöget zár be [24]. Ezen alakzatok elektronszerkezetét, vezetési és egyéb tulajdonságait a feltekerési vektor, valamint a grafitsíkok száma határozza meg [21]. Ezeken a típusokon kívül a szakirodalom számos bonyolultabb formát is említ. 9

17 2.2.4 A szén-nanocsövek tulajdonságai felhasználási lehetőségei és tendenciái A szén-nanocsövek iránti világszerte megnyilvánuló érdeklődés egyedülálló tulajdonságaiknak köszönhető [21]. Mivel a szén-nanocsövek napjainkra kereskedelmi termékké váltak, így az egyes szállítók által kínált termékek tulajdonságai között lényeges különbségek lehetnek. Kiváló mechanikai tulajdonságaikat a szénatomok közötti rendkívül erős kovalens kötésnek köszönhetik. Vegyileg nagyon ellenállóak, de hidrofil és hidrofób tulajdonságaik változtathatók a megfelelő funkcionális csoport addíciója révén. A szén-nanocsövek elektronszerkezetéből következően várható volt különleges vezetési tulajdonságok megjelenése. Megállapították, hogy a többfalú szén-nanocsövek fémes vezetést mutatnak. Termikus tulajdonságaik, leginkább a hővezető képességük megközelíti a gyémántét [21]. A szén-nanocsövek előállításán és vizsgálati lehetőségein túlmenően világszerte számos kutatócsoport keresi az alkalmazás lehetőségeit. Annak ellenére, hogy szinte hetente jelennek meg új alkalmazási példák, még nem mondható meg teljes bizonyossággal, hogy a gyakorlati alkalmazás mely területe(ke)n valósul meg ipari méretekben. Az alkalmazások egyik irányát a kompozitok képviselik, mint szerkezeti anyagok. A szén-nanocsövek ideális szálerősítőnek tekinthetők nagy szilárdságuk, jó elektromos vezetőképességük, kiemelkedően nagy hossz/átmérő arányuk, kis sűrűségük és azon tulajdonságuk alapján, hogy felületük kémiailag módosítható. Az ilyen irányú alkalmazás korlátja az extrém magas gyártási költség [25]. Másik jellemző alkalmazási területük, amikor elektromos vezetőképességüket [25] használják ki, például az elektronikai iparban polimer mátrixú kompozitokban, illetve indium-oxidrétegekben, amelyek transzparens vezető kompozitok például nagyméretű kijelzők esetében. A nanoelektronika területén várható a szén-nanocsövek megjelenése az integrált áramkörökben is [21]. Az elektromos tulajdonságok kiaknázásán túlmenően, illetve összekapcsolva az elektromos vezető tulajdonsággal további alkalmazások várhatók olyan alkatrészeket helyettesítő alkalmazásokban, ahol a vezetőképesség mellett a megfelelő mechanikai tulajdonságok keménység, kopásállóság, nagy hőmérsékleten is kedvező mechanikai tulajdonságok megléte is fontos szerephez jut. A kerámiák esetében a nanokristályos fázis adalékolásának célja továbbá a kerámiákra jellemző olyan hátrányos tulajdonságok csökkentése, mint amilyen a kicsiny húzási és hajlítási szilárdság, valamint a kis törési szívósság. Ez ugyanis alapvető feltétel számos alkalmazásnál. Az alkalmazás lehetőségeit és korlátait Bíró László Péter a következőképpen fogalmazza meg: Ami tény: a nanotudomány jelenlegi szakaszában a vizsgálati és előállítási módszerek kifejlesztése történik, azokat az alkatrészeket és építési elveket gyűjtögetjük, amelyekkel valamikor később nanogépeket tudunk majd létrehozni. Az idézőjel azt hivatott hangsúlyozni, hogy ezen a méretskálán a gép fogalma valami egészen mást jelöl, mint azt megszoktuk a mindennapi világban: nem fogaskerekeket és áttételeket, hanem néhány tízezer atomból álló, megtervezett szerkezetet, amely képes ellátni egy előre meghatározott feladatot [24]. 2.3 A Si 3 N 4 alapú monolitikus és kompozit kerámiák előállítása A monolitikus Si 3 N 4 kerámiák gyártása A műszaki kerámiák előállítására számos módszer ismert. A Si 3 N 4 kerámiákat leggyakrabban reakciókötéssel, illetve sajtolással (hideg, vagy meleg sajtolás, hideg izosztatikus, illetve meleg izosztatikus sajtolás) és folyadék fázisú szintereléssel állítják elő. A hideg sajtolás és szinterelés mint gyártási eljárás a kompozitok gyártásának egyik jellegzetes technológiája [2]. A gyártási folyamat eredményeként egy monolitikus Si 3 N 4 mátrix is 10

18 minimum két, vagy többfázisú heterogén rendszert alkot, amely Si 3 N 4 mátrix szemcsékből és szemcsehatármenti üvegfázisból áll a szinterelési adalék típusától függően. Egy adott módszerrel előállított kerámia jellegzetes tulajdonságokkal rendelkezik, mind összetételét, mind mikroszerkezetét tekintve, amelyek majd az alapvető fizikai, kémiai és mechanikai tulajdonságokat meghatározzák. A különböző gyártási technológiák tulajdonságokra gyakorolt hatását illusztrálja a 2.3. táblázat táblázat. Különböző gyártástechnológiával előállított monolitikus Si 3 N 4 kerámiák tulajdonságai [2] Tulajdonságok Reakciókötéssel gyártott Si 3 N 4 Meleg sajtolással, Y 2 O 3 adalékkal gyártott Si 3 N 4 Folyadékfázisú szintereléssel gyártott Si 3 N 4 Sűrűség g/cm 3 2,8 3,4 3,2 Young-modulus GPa Poisson-tényező - 0,22 0,27 0,23 Hajlítószilárdság (4p) GPa Doktori kutatómunkám során sajtolt és szinterelt mintadarabok vizsgálatával kívántam foglalkozni, így a továbbiakban az ilyen módon előállított alapanyagok gyártási sajátságaira, illetve a vonatkozó technológia, és az annak eredményeképpen kialakuló szerkezet és a tulajdonságok kapcsolatára térek ki részletesebben. Minden porkohászati gyártási eljárás során alapvetően por alapanyagból kiindulva készül a tömbi anyag. A monolitikus szilícium-nitrid kerámiák esetében a mátrix alapanyag poron kívül egyéb pl. zsugorodást elősegítő adalékokat (Al 2 O 3, stb.) és szinterelést elősegítő adalékokat (Y 2 O 3, MgO) adnak a kiinduló porkeverékhez. Ha sajtolt szilícium-nitrid alapmátrixú kompozitot készítünk, az alap porkeverékhez a másodlagos fázist is hozzá kell keverni. Ez lehet az a tényleges fázis, amely majd mint valamely tulajdonságot javító fázis változatlan módon jelenik meg a kompozitban, illetve lehet olyan kiinduló második fázis, amely a szinterelési folyamat révén reakcióba lép az alapanyaggal és in-situ módon új fázisokat hoz létre. A szinterelhetőség és a megfelelő minőségű mikroszerkezet elérése érdekében a kiinduló kerámia porkeverékben az α-si 3 N 4 :β-si 3 N 4 aránya (optimálisan 90-98%), illetve a karbon és oxigén tartalom meghatározó jelentőségű. Nem csupán a szinterelhetőséget, de a kialakuló mechanikai tulajdonságokat is befolyásolják az olyan mikroszerkezeti jellemzők, mint a kiinduló por szemcsemérete amely ideálisan kisebb, mint 200 nm, a porszemcse morfológiája amely a legkedvezőbb esetben equiaxiális, illetve a kiinduló porszemcsék agglomerálódása, amely minden esetben kerülendő. A kiinduló szilícium-nitrid por előállítására négy módszer ismeretes [2]: - Fém szilícium közvetlen nitridálása: Si 2 N Si N, C (2.1) - SiO 2 karbotermikus reakciója nitrogén gázban: SiO 6C 2N Si N 6 CO, C (2.2) - Szintézis termikus plazmában [3]: 3SiCl f 4NH Si N sz 12 HCl f, C (2.3)

19 - Szilícium-diimid nagy hőmérsékletű bontása [26], [27]: 6 4, 0, vagy SiCl f NH Si NH sz NH Cl sz C C (2.4) Si NH Si N amorf N gáz 3 H g, 1000 C (2.5) Az oxigén minden por-részecskében megtalálható, mint a porszemcsén belüli oxigén, illetve mint nanométeres felületi réteg, SiO 2 /Si 2 N 2 O formájában. Minél nagyobb kiterjedésű a porszemcse felülete, annál több oxigént tartalmaz. Az oxigénnek fontos szerepe van a sűrűsödés/zsugorodás folyamatában, ezért mennyiségének pontos ismerete fontos. A karbon SiC formájában lehet jelen és csökkentheti az oxigén mennyiségét a következő reakcióegyenletnek megfelelően: 2 3 SiC sz SiO sz SiO g CO g (2.6) 2 A kerámia nyerskeverék elkészítése során a por alapanyaghoz hozzákevernek még szinterelési adalékot is [28]. Si 3 N 4 alapmátrix esetén szinterelési adalék lehet az Y 2 O 3, MgO, BeSiN 2, Al 2 O 3, továbbá a bór és az alumínium. A szinterelési adalék feladata elsősorban a szinterelési folyamat meggyorsítása, illetve a szemcsenövekedés szabályozása, vagyis annak megakadályozása, hogy óriási méretű szemcsék keletkezzenek. A szinterelési adalékok önálló folyadékfázist képeznek a szemcsehatárokon, illetve a kristálytani üres rácshelyeken, ezáltal biztosítva a diffúziót és a szinterelés sebességének növekedését. Ezek a fázisok természetesen kémiai reakcióba is léphetnek az alapanyaggal, vagy kompozitok esetében a második fázissal is. A szinterelési adalékként adagolt Y 2 O 3 reakcióba léphet például a porszemcsék felületén megtalálható SiO 2 -dal [29], és a jelenlévő SiO 2 tartalomtól függő mennyiségben a (2.7) egyenlet reakciója szerint egy komplexebb üvegfázis keletkezik a szemcsék határfelületén [30]: Y O SiO Y SiO vagy Y Si O. (2.7) Ezen túlmenően a SiO, vagy SiO 2 további reakciók során újabb komplex fázisok létrehozásában játszhat szerepet [31] lásd a (2.8) - (2.10) egyenleteket, amelyek aztán további reakciókat indukálhatnak [32]: 2SiO CO N2 Si2N2O CO, (2.8) 2SiO 3C N Si N O 3CO, (2.9) Si N O Si N 3SiO N. (2.10) A szilícium-nitrid alapú kerámia kompozitok gyártási sajátosságai Ha kerámia kompozitot készítünk, a nyerskeverék elkészítésekor a kompozit második fázisát is homogén módon el kell oszlatni a kiindulási porkeverékben. A különálló por szemcsék általában sem a keverés, sem a formázás során nem lépnek egymással kémiai reakcióba. A nagy hőmérsékleten, nagy nyomás alatt végzett szinterelés során a különálló porszemcsék átrendeződnek, a porozitás csökken, az anyag sűrűsödik, illetve nő a szemcseméret, amint azt a 2.5 ábra szemlélteti. Mindhárom folyamat hajtóereje a por részecskék szabad felületi energiájának csökkentése. A porrendszer szabad felületi energiája nagyobb, mint egy tömör test szemcséinek határfelületi energiája. A szinterelési adalék a szemcsék határán amorf, vagy kristályos fázist alkot, attól függően, hogy milyen szinterelési adalékot használtunk. 12

20 kiindulási állapot átmenet végső állapot 2.5. ábra. Szerkezeti változások a szinterelési folyamat alatt [33] A monolitikus, illetve a kompozit szilícium-nitrid kerámia anyag mechanikai tulajdonságait befolyásoló legfontosabb tényezők és hatásuk a következő [2]: - Meghatározó a kiinduló kerámia por összetétele: a kiinduló porkeverék α-si 3 N 4 -jéből a szinterelés alatt kialakuló pálcika alakú β-si 3 N 4 tűk az anyag szívósságának növekedéséhez vezetnek. Minél nagyobb arányban tartalmaz az elkészült minta β-si 3 N 4 szemcséket, annál nagyobb a szívósság. Értéke 3 MPa m 1/2 -ről 6 MPa m 1/2 -re is emelkedhet. Ezen túlmenően a finom szemcseméret határain belül (ϕ < 1 μm) a nagyobb szemcseméretű, átmérőjű és hosszabb pálcikák esetén a szívósság is nagyobb lesz, az ϕ > 1 μm-t meghaladó szemcseméret esetén akár a 10 MPa m 1/2 értéket is elérheti. Túl nagy méretű pálcikák viszont repedéskeletkezési helyként hathatnak, illetve a szilárdság csökkenéséhez vezetnek. Nagyobb szilárdságú anyagot kapunk, ha nagy mennyiségben tartalmaz az anyag α-fázist; illetve minél kisebb a szemcseméret, annál nagyobb szilárdság érhető el szobahőmérsékleten, nagy hőmérsékleten viszont az üvegfázis jellemzői és a szemcsehatárok tulajdonságai határozzák meg a szilárdság alakulását [4]. - A gyártási technológia egyes paraméterei, mint a szinterelés hőmérséklete és ideje, jelentősen befolyásolják a lejátszódó kémiai reakciók kimenetelét, ezáltal a kialakuló anyagszerkezetet. A meleg sajtolással és szintereléssel gyártott keramikus anyagokat alapvetően nagy hőmérsékletű gázturbinákban történő alkalmazásra fejlesztették ki, így a legfontosabb mechanikai tulajdonságok között a nagy hőmérsékletű szilárdságot, illetve a kúszási ellenállást említhetjük, mint követelményt. Ezeket a tulajdonságokat a kutatások alapján a szemcsék közötti üvegfázis határozza meg elsődlegesen. Nem megfelelő szinterelési adalék, üvegfázis alkalmazása a szilárdság teljes lecsökkenéséhez vezethet akár már 1400 C felett is. Többféle szinterelési adalék MgO, CaO, Si 2 O tesztelését követően az Y 2 O 3 szinterelési adalékkal sikerült MPa szilárdságot elérni nagyobb hőmérsékleten is. - A szemcseközi üvegfázis sajátosságai egyértelműen meghatározzák a kialakuló mikroszerkezetet: a mátrix és az üvegfázis gyenge határfelületi kapcsolódása a korábbiakban ismertetett energiaelnyelődési mechanizmusok működése révén a szívósság fokozását eredményezi, a szilikát fázis összetétele befolyásolja a kúszási, fáradási tulajdonságokat, illetve az oxidációval szembeni ellenállást. Ezen túlmenően a finom szemcseméret és a szemcseközi üvegfázis lehetővé teszi a nagy hőmérsékletű szuperképlékeny viselkedést. A szemcsehatármenti üvegfázis nemcsak jelenlétével befolyásolja a nagyhőmérsékletű tulajdonságokat, hanem a kialakuló szemcsék közti 13

21 fázis/filmréteg vastagsága által is. A köztes fázis vastagsága általában 0,5-1,5 nm között változik, attól függően, hogy mely fém-oxidot használtuk szinterelési adalékként, és ez milyen mértékben lép reakcióba az alapanyag atomjaival. Tovább bonyolítja a helyzetet, hogy a szemcsehatármenti folyadék fázis nagy hőmérsékleten a képlékeny alakváltozás során átrendeződik, módosítva ezzel ismét a nagy hőmérsékletű tulajdonságokat A szén-nanocsövek és CNT-vel adalékolt kerámia kompozitok gyártási folyamata A szén-nanocsövek előállítására számos módszer ismert napjainkban. Leggyakrabban alkalmazott eljárások az ívkisüléses technika, a lézeres abláció, illetve a katalitikus gőzfázisból történő leválasztás. A különböző gyártási eljárások közös tulajdonsága, hogy a gyártási folyamat során egyéb termék, például amorf szén is keletkezik, így az előállítási folyamatot mindig egy tisztító műveletnek kell követnie. Szén-nanocsővel adalékolt kerámia mátrixú kompozitok gyártásakor a kiinduló porkeverékhez az adalékolni kívánt mennyiségű szén-nanocsövet is hozzáadják, és a sajtolás, valamint a szinterelés folyamata már együtt történik. Bármilyen alapos is a porok előkészítése, illetve bármilyen nagy sebességű őrlőmalmot alkalmaznak, a kerámia porkeverék előállításakor napjainkban még megoldandó feladatnak számít a szén-nanocsövek egyenletes diszpergálása a mátrixban, mivel a kisméretű részecskék között ható van der Waals erők miatt szén-nanocső agglomerátumok képződhetnek, amelyek ilyen formában ronthatják a kompozit tulajdonságait. A [34, 35] közlemények rámutatnak arra, hogy az őrlési idő döntő módon befolyásolhatja a kerámia mátrix végső fázisösszetételét és ezáltal a kialakított kompozit mechanikai tulajdonságait. A kisebb őrlési idő kisebb fokú diszpergáltsághoz vezet, míg az őrlési idő növelése a szén-nanocsövek roncsolódását okozhatja, ahogyan azt a 2.6. ábra illusztrálja ábra. A szén-nanocső őrlési időtől függő roncsolódását bemutató TEM ábrasorozat (A: kiinduló szén-nanocső; B-F: 1, 40, 80, 140, 200 óra őrlési idő utáni felvételek [36]) Azon kívül, hogy a kiindulási porkeverékhez nanoméretű második fázist adalékolnak, igyekeznek az alapmátrix szemcseméretének növekedését is megakadályozni. Problémát jelent a szinterelési lépcsőben, hogy a kerámia nanokompozitok rendkívül nagy 14

22 hőmérsékletnek vannak kitéve, amit a szén-nanocsövek általában nem képesek roncsolódás nélkül elviselni. A szintereléskor alkalmazott vákuum, vagy nagy tisztaságú védőgáz, illetve az előállítási folyamat technológiai paramétereinek optimalizálása lehetővé teszi a szénnanocsövek roncsolódásmentes megőrzését a szinterelt mintában [34]. Az oxigén, így a levegő jelenléte gyorsítja a szén-nanocsövek szétesését, amely már kb. 200 C-on bekövetkezik. Kísérletekkel bizonyították [37], hogy megfelelő környezet, védőgáz biztosításával a szén-nanocsövek önmagukban 1300 C-ig stabilak maradhatnak, nem szenvednek sem kémiai bomlást, sem fizikai roncsolódást. Kerámia alapmátrixhoz adva a szén-nanocsöveket megfelelő atmoszféra biztosításával feltehetően nagyobb hőmérsékleteket is el tudnak viselni roncsolódás nélkül, ahogyan azt a 2.7 ábra bizonyítja. Azonban a túl hosszú ideig alkalmazott nagy hőmérséklet és nyomás a nanocsövek minőségének egyértelmű romlásához vezet [38] ábra. Többfalú szén-nanocsövet tartalmazó Si 3 N 4 nanokompozit töretfelületéről a szinterelést követően készült pásztázó elektronmikroszkópos felvétel [34] A gyártási folyamat és tulajdonságok kapcsolata kerámia kompozitokban A kerámia nanokompozitokhoz adalékolt második fázisnak az alapanyag mechanikai tulajdonságaira gyakorolt hatását befolyásolják: - a második fázis alapvető fizikai (mechanikai) és kémiai tulajdonságai; - a második fázis diszpergálási lehetősége az alapmátrixban; - a második fázis és az alapanyag közötti határfelületen lejátszódó jelenségek, pl. a mechanikai terhelés továbbítása, vagy a repedésterjedés megállítása. A különböző módszerekkel előállított, különböző mennyiségű második fázist többfalú szén-nanocsövet tartalmazó Si 3 N 4 mátrixú kerámia nanokompozitok tulajdonságaival több kutatás is foglalkozik. Magyarországon legintenzívebben a disszertációban bemutatásra kerülő minták gyártói, a Magyar Tudományos Akadémia Természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet Kerámiák és Nanokompozitok Osztálya munkatársai kutatnak és publikálnak a témában. Kutatómunkájuk során a szilícium-nitrid alapanyaghoz különböző mennyiségű második fázist adnak és különböző módszerekkel legyártva a mintákat vizsgálják a kialakuló tulajdonságokat. Munkáikból a CNT-vel adalékolt szilíciumnitrid kerámiák következő tulajdonságjegyeit gyűjtöttem össze. Meleg izosztatikus sajtolással gyártott, 1, 3, 5 térfogat% MWCNT tartalmú szilícium-nitrid kerámia nanokompozitok esetében mérték az alábbi tulajdonságokat [39, 40, 41, 42, 43]: - látszólagos sűrűség: 2,1 3,2 g/cm 3 ; - rugalmassági modulus: GPa; - törési szívósság: 4, 5 6 MPa m 1/2 ; 15

23 - Vickers-keménység: GPa; - négypontos hajlítószilárdság: MPa; - hárompontos hajlítószilárdság: MPa; - fajlagos vezetőképesség: 1% MWCNT tartalom esetén például S/m; 2% MWCNT tartalomnál 1,98 S/m [41]; 5% MWCNT adalékolással 4, S/m [42]; - hősokkállóság: a szén-nanocső tartalom növekedésével csökkenő tendencia [41]; - tribológiai tulajdonságok: az 1, 3, 5, 10 térfogat% MWCNT tartalmú szilícium-nitrid minták esetében a súrlódási együttható az adalék mennyiségének növelésével 5 % MWCNT tartalomig csökkent. Ennek megfelelően 5% MWCNT tartalom esetén volt a kopási tényező értéke a legkisebb, ami 10%-MWCNT tartalomnál hirtelen ismét megnőtt és elérte az 1% MWCNT tartalmú minta szintjét [43] A második fázis és az alapmátrix közötti határfelületi kapcsolat Nanokristályos anyagok esetében az atomok jelentős része a szemcsehatárokon található. Ezt a néhány atomi távolságra kiterjedő szemcsehatárzónát szokás szemcsehatárfázisnak is nevezni. Az itt található atomok másképpen helyezkednek el a kristályok belsejében lévő atomokhoz képest, hiszen a szemcsehatár zónában fajlagosan sokkal több a kristálytani hiba, aminek következtében az atomi kötések száma jelentősen kisebb. Ez a tartomány így termodinamikailag jóval távolabb van az egyensúlytól. Minél kisebb szemcseméretű krisztallitok építik fel tehát az anyagot, annál jelentősebb szerepe lesz ezeknek a határfelületeknek a növekvő határfelület/térfogat hányados miatt [21]. A nanoszerkezetű anyagok jellemző határfelületeit Gleiter négy fő csoportra osztja [44]: - egynemű szemcsékből álló anyagban a különböző orientáltságú szemcsék találkozásánál kialakuló határfelületek; - különnemű szemcsékből álló anyagokban a fázishatáron éles koncentrációváltozásokkal jellemezhető határátmenetek alkotta szerkezetek; - adott összetételű anyagban kialakuló, a szemcséktől jelentősen eltérő összetételű, kiszélesedett határátmeneti tartománnyal létrejövő szerkezetek; - adott összetételű mátrixba ágyazott, attól eltérő kémiai összetételű, nanoméretű részecskék és a mátrix között kialakuló határfelületek. A disszertációban vizsgált szén-nanocsöveket tartalmazó Si 3 N 4 kerámia kompozitokban megjelenő határfelületek ez utóbbi csoportba sorolhatók. A határfelületek szerepe a bennük lejátszódó fizikai-kémiai folyamatok jelentőségében van. A határfelületek szabadenergia-felesleggel rendelkeznek, ezt növelik az érintkező felületeken kialakuló feszültségek és az eltérő kémiai összetétel esetében a kémiai energiák. A nanoszerkezetű anyagok felhasználásakor, alkalmazásakor számolni kell a környezeti hatások okozta változásokkal, amelyek a nagy kiterjedésű határfelületek jelenléte miatt, illetve a nanoméretek, a metastabil állapot és a lokálisan megváltozott atom- és elektronszerkezet következtében másképpen játszódnak le, mint a hagyományos anyagokban [21]. Krisztallográfiai értelemben két fázis közötti határfelület lehet koherens, szemi-koherens, vagy inkoherens. A koherens határfelület két oldalán elhelyezkedő síkok orientációja megegyezik, így a határfelület képes a folytonosságot biztosítani. Az inkoherens határfelület ezzel szemben számos atomi rendezetlenséget tartalmaz, így a folytonosság a határfelület két oldala között nem biztosított. A szemi-koherens határfelület nem tartalmaz túl sok atomi rendezetlenséget, így a fázishatár két oldalán találhatók egymással folytonos kristálytani 16

24 síkok. A nanokompozitok esetében legtöbbször inkoherens határfelület jön létre a nanoméretű adalékanyag vagy erősítő fázis valamint a mátrix között [4]. A második fázis határfelülete és a két oldalán elhelyezkedő alapmátrix között kialakulhatnak adhéziós kötések fizikai összekapcsolódás révén, illetve kémiai kötések. A kémiai kötést létesítő határfelületeken atomos vagy molekuláris szintű tömegtranszport valósulhat meg. Szilárd oldódás, vagy vegyületképződés révén kialakulhat egy reakciós zóna az alapanyag és a második fázis határfelületén. A második fázis és az alapmátrix közötti határfelület kötési energiája befolyásolja a kompozit tulajdonságait. Kerámia mátrixú kompozitok esetében különösen igaz ez a törési viselkedésre. Egy erős határfelületi kapcsolat esetén a kompozitokra jellemző energiaelnyelő mechanizmusok nem tudnak fellépni, a repedésterjedéssel szemben a kompozit csekély ellenállást fejt ki, majd ridegen törik. A kompozit bármely pontjából induló repedés gyorsan végighalad az anyag keresztmetszetén és egy síkszerű törést okoz, ahogyan azt a 2.8 a) ábrarészlet illusztrálja. Másképpen kifejezve erős határfelületi kötés esetén nincs lehetőség a törési folyamatban a fölösleges energia leadására. Ha a második fázis rugalmassági modulusa nem sokkal nagyobb, mint az alapmátrixé, egy erős határfelületi kötéssel rendelkező kerámia kompozit esetében nem figyelhető meg szívósság növekedés. A gyenge határfelületi kapcsolat viszont repedésterjedést gátló hatással rendelkezik. A repedés megjelenése az alapanyag és a második fázis közötti kötés megszakadásához vezethet, akadályozva a repedés eredeti úton való terjedését a mátrixban azáltal, hogy a 2.8 b) ábrarészlet szerinti eredeti repedésterjedési irányra merőlegesen kell továbbhaladnia. Ezt a jelenséget különböző további folyamatok követhetik: a repedés kitérése eredeti síkjából (elhajlása), a repedés áthidalása, vagy a másodlagos fázis/szál törése, illetve kihúzódása. Mindezen energia-elnyelő folyamatok nagyobb törési szívósságot eredményeznek, illetve megakadályozzák a katasztrofális tönkremeneteli mód kialakulását. a) b) 2.8. ábra. A repedésterjedés különböző módjai kerámia mátrixú kompozitokban a határfelületi kötés erőssége függvényében; a) erős határfelületi kötés; b) gyenge határfelületi kötés [4] Egyértelműen megállapítható tehát, hogy a gyártás során végbemenő az alapanyag és a másodlagos fázis közötti bármely kémiai reakció befolyásolhatja a határfelületi kötés erősségét. Ennek a határfelületnek elég erősnek kell lennie ahhoz, hogy a szálirányú terhelést átadja, illetve kellően szilárdnak keresztirányban, emellett viszont elegendően gyengének kell lennie a repedés megállítása, és ezáltal a szívósság fokozása érdekében [4]. A vizsgálandó szén-nanocsöveket tartalmazó szilícium-nitrid kerámia nanokompozitokban nemcsak a nagyobb részben Si 3 N 4 fázist tartalmazó alapmátrix, és a szén-nanocsövek között várható határfelületek kialakulása, hanem az alapmátrixot felépítő Si 3 N 4 és a szinterelési adalékként jelen lévő Y 2 O 3, illetve Al 2 O 3 fázisok, valamint a rendszerben kis mennyiségben mindig jelenlévő SiO 2 fázis között is. A [45] közlemény alapján kb C szinterelési hőmérséklet fölött az Y 3+, Al 3+ és O 2- ionok a Si 3 N 4 fázisba diffundálhatnak és ott diffúziós zónát képezhetnek, míg a Si 4+ ionok az olvadt üvegfázisba diffundálhatnak. Mindez azt 17

25 jelenti, hogy az Y 2 O 3 - Al 2 O 3 - SiO 2 olvadt üvegfázis alkotói a szemcsehatár mentén a Si 3 N 4 szemcsébe diffundálva létrehoznak egy Y-SiAlON határfelületet a szemcsehatáron annak lokális szétesését okozva. Ezen határfelület környezetében a Si 3 N 4 összetétele is módosul és Si 2 N 2 O fázis alakul ki. Azt is kimutatták továbbá, hogy a szinterelési hőmérséklet növekedésével a határfelület szilárdsága csökken. A szilícium-nitrid alapmátrix és a szén-nanocső második fázis határfelületének tanulmányozásakor általánosan elfogadott, hogy a többfalú szén-nanocsövek olyan Matrjóska baba szerkezet -tel rendelkeznek, amelyben a nanocsövek a szomszédos nanocsövekkel csak gyenge van der Waals kötéseket alakítanak ki. Ez felveti azt a problémát, hogy ha a kompozit szálirányú húzó igénybevételnek van kitéve, akkor a külső nanocső és a mátrix közötti erős kötés miatt, a belső nanocsövek kicsúszhatnak a külső nanocső részből. Azonban a kerámia kompozitok esetében a húzó igénybevétel ritkábban fordul elő, mint a hajlító, illetve nyomó. Ezen túlmenően a többfalú nanocső szerkezetekben található kristálytani hibák is segítenek az egymásba illeszkedő nanocsövek közötti erősebb kötések kialakításában [25]. A [46] irodalom a szén-nanocsövek és a szilícium-nitrid alapmátrix közötti határfelületeket tanulmányozza normál- és nagyfelbontású transzmissziós elektronmikroszkóp segítségével. A 2.9. a) ábrarészlet bizonysága alapján a szén-nanocsövek a β-si 3 N 4 szemcsék közötti porozitásokban, illetve szemcsék közti tartományokban helyezkednek el a gyártást követően. A 2.9. b) ábrarészlet az alapmátrix és az erősítő fázis orientációját illusztrálja, illetve a határfelület megfelelő kapcsolódását jelzi. a) b) 2.9. ábra. a) Világos látóterű TEM felvétel a β-si 3 N 4 szemcsék közötti porozitásban elhelyezkedő szén-nanocsövekről; b)hrem felvétel a szilícium-nitrid szén-nanocső határfelületekről [46] A [47] közlemény szerzői kísérleti munkával bizonyították, hogy a szén-nanocsövek növelik a szilícium-nitrid mátrix szívósságát a repedés-áthidalás, illetve a szén-nanocső kihúzódási mechanizmusok által. 2.4 A tribológiai rendszer és a kopási folyamatok sajátosságai A tribológia fogalma és a triborendszer elemei Az évi DIN szabvány, és a [48, 49, 50] munkákban közölt definíció alapján: A tribológia a kölcsönösen egymásra ható és egymáshoz viszonyítva elmozduló felületek tudománya és technológiája; egyben felöleli az ezzel kapcsolatban álló gyakorlati intézkedéseket. Vagyis a meghatározás szerint a tribológia magában foglalja a súrlódás, kopás és kenés folyamatának leírását, a gépelemek tervezési módszereit, szerkezeti 18

26 anyagaiknak, viselkedésüknek és működési tulajdonságaiknak, valamint optimális környezetüknek a meghatározását [49]. Egy szilárd test kopásához általában egy másik szilárd test, folyadék, vagy légnemű anyag hatása szükséges. Ahhoz, hogy ez a másik test, folyadék, vagy légnemű anyag koptató hatást fejtsen ki az adott anyagra, érintkezniük kell egymással. Amikor két test érintkezik egymással, köztük súrlódás lép fel. A súrlódás egy elmozdulást, mozgást gátló hatás, amely a két test közötti érintkező felületen, vagy az anyag belsejében alakul ki. A súrlódási jelenségeket a Coulomb-féle súrlódási törvénnyel jellemezhetjük [51], amely szerint: - Az érintkező felületek között fellépő súrlódási erő (F S ) nagyságát tekintve egyenesen arányos a felületre merőleges normálerővel (F N ), iránya pedig ellentétes az elmozdulással F S F, (2.11) N ahol a μ arányossági tényezőt súrlódási együtthatónak nevezzük. - A súrlódási erő független az érintkező felületek nagyságától (A). Vagyis egy adott anyag mindig ugyanakkora ellenállást fog kifejteni az elmozdításával szemben, bármelyik oldala is érintkezzen a másik súrlódási komponenssel, még akkor is, ha az adott test oldalai különböző méretűek feltéve, hogy a különböző oldalak azonos struktúrával és érdességgel rendelkeznek. Ennek magyarázata, hogy az összeszorító erő (pl. a test súlyából adódó erő) minden esetben azonos lesz S F f A. (2.12) - A súrlódási erő független az elmozdítás sebességétől (v), így attól függetlenül egy adott test elhúzására mindig azonos erőt kell fordítani: FS f v. (2.13) Ezek a kísérleti megfigyelések azonban idealizáltak és nem alkalmazhatók minden érintkezési felületre, illetve minden körülményre. Ezek a súrlódási törvények csupán merev testekre alkalmazva állják meg a helyüket. Mégis ez a modell megfelelő pontosságot biztosít a hétköznapi felületek súrlódásának leírásakor. A valóságban az F S súrlódási erő sok összetevőtől függ: ahol F f F, v, A,, H, R, E, E, V, T, D, (2.14) S N t f av d A t : a tényleges érintkezési felület; ρ: az anyag sűrűsége; H: a lágyabb anyag keménysége; R: a felületi érdesség; E f : felületi energia; E av : alakváltozási energia; V d : a deformálódott anyagrész térfogata; T: hőmérséklet; D: környező közeg tulajdonságait jellemző mutatószám. Két egymáshoz szorított szilárd test a felületi egyenetlenségek miatt a valóságban csak nagyon kis területen a két dimenzióban hordozóhossznak, a három dimenzióban hordozófelületnek nevezett tartományban érintkezik egymással. A tényleges érintkezési felület nagysága a súrlódás során állandóan változik [52]. A tribológiai vizsgálatok során a 19

27 2.10. ábra szerinti érintkezési felületek különböztethetők meg egymástól. Az (A n ) névleges érintkezési felület alatt azt a teljes felületet értjük, amelyen a két szilárd test felfekszik. Ezen a felületen a tényleges érintkezés pontjai kis foltszerű tartományok (A t ), amelyek mentén a terhelés átadódik. Ezek a tényleges érintkezési tartományok további egységeket, ún. kontúr érintkezési tartományokat (A k ) képeznek. A kontúr érintkezési tartományok elhelyezkedése a felületi makrogeometriával (hullámosság, alakhiba) hozható kapcsolatba, míg ezeken a területeken belül a tényleges érintkezési tartományokat a mikrogeometria (felületi érdesség) határozza meg. Az érintkezési tartományok kiterjedését ezen túlmenően a terhelőerő nagysága és az általa okozott alakváltozás is befolyásolja. A vizsgált érintkezési tartomány (A v ) az a terület, amelyre valamilyen jellemző értéket meghatározunk, ahol vizsgálatainkat folytatjuk [53]. A n (névleges) A k (kontúr) A t (tényleges) A v (vizsgált) ábra. A különböző érintkezési tartományok értelmezése és elhelyezkedése az érintkező felületeken [53] A kopás fogalmának meghatározása a különböző szakirodalmi munkákban nem teljesen egységes, de a folyamat lényegét tekintve hasonló. A kopás apró anyagrészecskéknek mechanikai erők, súrlódó erők hatására bekövetkező fokozatos leválása, eltávozása a felületről [49]. Kopás fogalma alatt értjük a koptatóerők hatására végbemenő folyamatot, annak eredményét, az alkatrész alakjának és méretének változását. A kopás következtében a test felületének fizikai, kémiai állapota, mechanikai tulajdonságai megváltoznak, mérete és tömege rendszerint csökken [49]. Az évi DIN számú szabvány szerint a kopás fogalma: A kopás egy szilárd test felületéből származó mechanikai okok által előidézett, növekvő mennyiségű anyagveszteséget jelent, amelyet egy szilárd, folyékony, vagy gáz halmazállapotú ellentest érintkezése és relatív mozgása vált ki [54]. A kopás okozta anyagveszteség a kopási érték, és reciproka a kopási ellenállás. A kopás során azonban nem egy változatlan anyagtulajdonságról van szó, mint például a szakítószilárdság, hanem egy, a mindenkori vizsgálati feltételektől, és körülményektől függő értékről [55]. A kopás vizsgálata mindig adott körülmények fizikai, kémiai, mechanikai és geometriai feltételek között, egy adott zárt rendszerben történik. Ezért is mondhatjuk, hogy a kopásvizsgálatok, kopási eredmények rendszerfüggők. A kopási folyamatot vizsgáló tribológiai rendszer alkotórészei, amelyek a 2.11 ábrán láthatók, a következők: - alaptest: az a darab (szerszám), aminek a kopását vizsgáljuk (1); - ellentest: az az elem (munkadarab), ami a kopást előidézi (2); - köztes anyag: kenőanyag, vagy egyéb részecske az alap- és ellentest között (3); - környezeti közeg: lehet levegő, nemesgáz, vákuum, vagy folyadék (4). 20

28 ábra. A tribológiai rendszer sematikus ábrája forgácsolás során [56] Az egyes anyagokon, a súrlódásnak kitett felületeken egyszerre többféle kopási jelenség is kialakulhat. A kopást meghatározó fontosabb tényezők az alábbiak [49, 57]: - Igénybevétel a súrlódás jellege; terhelés nagysága, jellege; hőhatás; környezeti hatások (korrozív közeg hiánya vagy jelenléte, típusa, fizikai, kémiai jellemzői). - Súrlódó anyagok sajátosságai felületgeometriai jellemzők; mechanikai tulajdonságok; fizikai tulajdonságok; kémiai tulajdonságok. - Köztes anyagok kenőanyagok (halmazállapota, fizikai/kémiai jellemzői); abrazív szemcsék (alakja, mérete, mechanikai jellemzői). Ezek a tényezők határozzák meg a súrlódó felületek kölcsönhatását, a felületek tulajdonságváltozásának jellegét, nagyságát, a roncsolódás mértékét. Ezek a tulajdonságváltozások pedig megszabják a kopás mechanizmusát, illetve a kopás típusát A kopási folyamatok jellemzése A kerámiák kopási viselkedésének számszerű becslése egyre fontosabb szerephez jut az ipari alkalmazások terén is. Maga a kopás nem anyagtulajdonság, hanem a kopási folyamatban részt vevő elemek alkotta kopási rendszer válasza egy adott igénybevételre meghatározott körülmények, azaz rendszerjellemzők esetén [58]. Így az adott paraméterekkel végzett tribológiai vizsgálatok során a rendszer összes elemét állandónak tekintve egy vizsgálati beállítás esetén, tribo-rendszerről beszélhetünk. Az anyagok kopását az előző fejezetben említett számos tényező befolyásolja. A kopás leírására különböző megfogalmazások léteznek, de ezek terminológiailag nem világosan definiált meghatározások. A legtöbb szakirodalom [49, 59, 60] nem tesz különbséget a kopástípus és a kopási mechanizmus fogalma, tartalma között, ami nehézkessé teszi a kopási folyamatok jellemzését, leírását és megértését. Jelen fejezetrész fő célkitűzése a gyakorlatban előforduló különféle kopási folyamatok azonosítása, a károsodás jellemzésére szolgáló, a hazai és nemzetközi szakirodalomban fellelhető különféle fogalmi kategóriák, nevezetesen a kopástípusok és kopási mechanizmusok áttekintése a szakirodalomban jelenleg rendelkezésre álló ismeretek összefoglalása és kritikai értékelése. 21

29 A legtöbb szakirodalom a kopási jelenségeket a fémeknél használatos terminológia alapján osztályozza, így elkülönít abrazív, adhéziós, fáradásos, valamint korróziós és/vagy tribokémiai kopást [49, 59, 60]. Ezek a szakirodalmak azonban nem tesznek különbséget a kopástípusok és a kopási mechanizmusok között. A DIN szabvány [54] megkülönbözteti az egyes kopástípusokat például a súrlódási rendszer alkotóelemei és a tribológiai igénybevétel jellege alapján, míg a kopási mechanizmusokat a kopási jelenség során lejátszódó fizikai-kémiai folyamatoknak megfelelően definiálja. Valasek [50] a DIN szabvány alapján készített egy rendszerezést, amelyben a kopási folyamat során jellemző mozgásviszonyokat csúszás, gördülés, ütközés, lökés, rétegződés, rezgés, áramlás, hullámzás és kopási módokat, illetve különböző kopási mechanizmusokat adhézió, abrázió, tribokémiai reakció és a képlékeny alakváltozás miatt bekövetkező extrúzió/intrúzió okozta lépcsők megjelenése vett figyelembe. Hutchings [61] részletesen leírja a kopási mechanizmusokat, a fő mechanizmusokon belül alcsoportokat is megkülönböztet, rendszere azonban nem különbözteti meg a kopástípusokat és kopási mechanizmusokat, így osztályozási módszere nem következetes. Lim és Ashby [62] az általuk elnevezett kopási mechanizmus iskolájukban négy fő kopási mechanizmust említ: - berágódás (seizure), - megolvadással járó kopás (melt-dominated wear), - oxidáció által irányított kopás; ezen belül enyhe és erős oxidációs kopás (oxidationdominated wear; mild-and severe oxidational wear), - képlékeny alakváltozás által vezérelt kopás; beleértve a rétegleválást okozó kopást, (plasticity-dominated wear; including delamination wear). Bhushan [63] és Stachowiak [64] illetve Kato [58] egymástól függetlenül és nem azonos koncepcióval dolgoztak ki olyan fejlettebb osztályozási rendszereket, amelyek jó alapként szolgálhatnak a kopási folyamatok modellezése során. Bhushan [63] az érintkező szilárd felületek közötti kapcsolat szemszögéből vizsgálja a kopási folyamatot. A gyakorlatban számtalan különböző érintkezési mód elképzelhető és ezek mindegyikéhez tartozhat egy-egy kopástípus. Kato [58] rendszere szerint a kopási mechanizmusok röviden három csoportba sorolhatók: mechanikai, kémiai és termikus kopás, amely mechanizmusokhoz hét alcsoportba osztva kopási módok rendelhetők: abrazív, adhéziós, képlékeny folyással járó, fáradásos, korróziós, olvadásos, és diffúziós kopás. Ebből a rendszerezésből több kopástípus is hiányzik, mint például az eróziós kopás, a fretting, az oxidációs, a kavitációs, vagy az ütközéses kopás. Mechanikai kopási mechanizmus alatt az alakváltozással és töréssel járó kopási folyamatot érti. Az alakváltozásnak különösen jelentős szerepe a szívós anyagok kopásánál van, míg a töréssel járó folyamat főleg a rideg anyagokra jellemző. A kémiai kopás alatt a kémiai reakció révén kialakuló filmréteg növekedési sebességét érti. A filmréteg kialakulását és növekedését mechanikailag gyorsítja a súrlódás. Éppen ezért ezt a kopási mechanizmust inkább tribokémiai kopásnak nevezi. A termikus kopás fogalmán a súrlódás által termelt nagy hőmérséklet miatti lokális felületi megolvadással járó folyamatokat érti. Elmélete szerint a diffúziós kopás is ehhez a mechanizmushoz tartozik, mivel ez a kopási mód jellemzően csak nagy hőmérsékleten jelenik meg. A számtalan értelmezési és leírási mód ismertetését ebben a fejezetben mellőzöm, mivel a szakirodalomban feltárt ellentmondások feloldása céljából az Elméleti kutatómunka c. fejezetben egy saját osztályozási rendszert kívánok bemutatni. A 22

30 különféle kopási károsodások fogalmát és jellemzőit ezért abban a fejezetben fogom rendszerezve definiálni A kerámiák kopási folyamatainak sajátosságai A kerámiák természetüket tekintve az atomok közötti kötéseikben különböznek a fémektől, ez okozza, hogy szobahőmérsékleten rendkívül kis mértékben képesek képlékeny alakváltozásra. Összehasonlítva a fémekkel a kerámiák ezért inkább hajlamosak rideg törésre. Néhány kerámiában, leginkább az oxidokban, a repedésterjedést nagymértékben befolyásolják a környezeti körülmények. A levegő páratartalma például drasztikusan növeli a repedésterjedés sebességét, de több kerámia esetében a környezeti tényező a képlékeny alakváltozást is befolyásolja a felületközeli diszlokációk mozgására hatva. Ezt a kémiai/mechanikai effektust szokás Rebinder-hatásnak nevezni. A felületen lejátszódó kémiai reakciók, mint az arra hajlamos anyagoknál az oxidáció, a kerámiákban is a fémekkel analóg módon történnek, és ezeknek a reakcióknak a mértéke nagymértékben fokozódik súrlódás esetén [61]. A fémek és a kerámiák súrlódásos kopási folyamataiban számos hasonlóságot találhatunk: mindkét anyagtípusban előfordulhat helyi képlékeny alakváltozás, tribokémiai reakciók módosíthatják a csúszási felületet és transzfer filmréteg képződéséhez vezethetnek. Itt kell megjegyezni, hogy a kerámiákban a képlékeny alakváltozás kevésbé, míg a tribokémiai hatás szignifikánsabban jellemző. A kerámiák képlékeny alakváltozása szigorúan anizotróp, és függ a kristálytani orientációtól. A ridegtörés a kerámiáknál jelentős szerepet játszik, míg fémeknél kevésbé jellemző. A környezeti tényezők hatása mindkét anyagtípusnál fontos [61]. A kerámiák kopására vonatkozóan tehát elmondhatjuk, hogy a fémekhez hasonlóan kopnak, de a kopásuknál három további tényezőt is figyelembe kell venni [50]: - ridegek, ezért elmozdulás hatására a felszíni töredezés igen gyorsan bekövetkezhet; - rossz hővezetők, ezért a kopás során nagy felületi hőmérséklet alakulhat ki; - rendkívüli előnyük, hogy tiszta felületen és kis érintkezési nyomásoknál kopás nem alakul ki (zéró-kopás). Akárcsak a fémeknél, a kerámiáknál is használatos az enyhe kopás, és erős kopás terminológiája a kopási folyamatok leírására. A kerámiák enyhe kopását általában kis kopási tényező, sima felületek, egyenletes súrlódási nyom, mechanizmusát tekintve elsősorban képlékeny alakváltozás, vagy tribokémiai reakció jellemzi. A visszamaradó kopási törmelék finom eloszlású, kémiai összetételét tekintve különbözik a tömbanyagtól, például oxidálódott, vagy hidratálódott [61]. Az erős kopás ezzel ellentétben általában nagyobb kopási tényezőt eredményez, ilyenkor a felület érdesebb, a súrlódási nyom hullámzó, a jellemző kopási mechanizmus a ridegtörés. A visszamaradó kopási törmelék gyakran szögletes alakú, kémiai összetételét tekintve nem különbözik a szubsztráttól [61]. A [61] szakirodalom alapján a kerámiáknál jellemzően előforduló kopási mechanizmusok az abrazív, az adhezív és az eróziós kopás. Az abrazív kopás legfőbb okát a szakirodalom a kerámiák ridegségében, és nagy keménységében látja. Adhéziós kopás során az egymással érintkezésbe kerülő felületek részecskéi között van der Waals kötések alakulnak ki. Az eróziós kopást vizsgálták oxid, és nem-oxid kerámiák esetében. A kutatások megállapították, hogy az oxid kerámiák 23

31 (alumínium-oxid, cirkónium-oxid) jóval nagyobb ellenállást mutatnak az eróziós kopással szemben, mint a nem-oxid kerámiák (szilícium-nitrid, szilícium-karbid). A szilícium-nitrid tribológiai és egyéb mechanikai tulajdonságai is az összetételtől, a mikroszerkezettől, a gyártási eljárástól, illetve a kiindulási porkeverék minőségétől függenek. A különféle szakirodalmakban található súrlódási és kopási adatok nagy változatosságot mutatnak, az alkalmazott tribo-rendszertől függően. A szakirodalmi adatok alapján a kopási tényező értéke a terhelőerő növelésével és a hőmérséklet növelésével növekszik [65] A tribológiai mérőszámok és más mechanikai tulajdonságok közötti kapcsolat vizsgálata, a kopási folyamat modellezési lehetőségei Mint ahogy a kerámiák kopásfajtáinak, kopási mechanizmusainak jellemzése a fémeknél megismert elvekre támaszkodva lehetséges, úgy a kopási folyamataikat leíró fizikai-, mechanikai-, anyagszerkezeti modellek is a fémekre érvényes összefüggések átalakításával származtathatók. Ezekben a modellekben többnyire a kerámiák különféle mechanikai tulajdonságai, mint például a keménység, rugalmassági modulus, törési szívósság, illetve ritkább esetekben az anyagszerkezeti tulajdonságok jellemző szemcseméret, szemcseméreteloszlás, szemcse morfológia és a kopási folyamat egyéb jellemző mérőszámai, általában a kopási tényező közötti korrelációs kapcsolatok szerepelnek. A modellek általában tartalmaznak az anyagi viselkedést tükröző valamilyen konstans mérőszámot, ami megnehezíti egy adott rendszerre kidolgozott modell alkalmazását más tribo-rendszerekben, hiszen az adott paraméter az adott vizsgálati körülményekre megállapított (érvényes) konstans értéket jelöl. Az anyagok kopásának általános jellemzésekor Hornbogen [55] Archard kopási egyenletét vette alapul. Állítása szerint, amíg az alapanyagon fellépő külső alakváltozás kisebb, mint egy kritikus alakváltozás ami szívós-képlékeny anyagoknál jellemző, addig érvényes Archard törvénye: ahol w k F H, (2.15) 0 N / : a kopási érték; k 0 : a dimenziótlan kopási tényező; F N : a normálirányú terhelőerő; H: a lágyabb anyag felületi rétegének keménysége. A jellemző fizikai tartalmát tekintve nem más, mint a kikoptatott V W térfogat teljes úthossz szerinti megváltozása (deriváltja), azaz az egységnyi csúszási úthosszra eső kikoptatott térfogat. Hornbogen szerint, ha az alakváltozás meghaladja a kritikus alakváltozás mértékét, akkor a kopást a következő összefüggés segítségével határozhatjuk meg: ahol k0 F E w H 3/2 2 N S 3/2 2, (2.16) KIc az empirikus úton meghatározott anyagi konstans; a keményedési kitevő; E: a rugalmassági modulus; σ s: a lágyabb anyag folyáshatára; H: a lágyabb anyag felületi rétegének keménysége; K Ic : a törési szívósság. 24

32 Ez az egyenlet nem feltétlenül érvényes rideg anyagokra, de az összefüggés helytállóságát kísérletekkel kerámiákra is igazolták. Nagyon rideg anyagokra a szerző a következő összefüggést dolgozta ki: ahol w 1 ln e / e F / H, (2.17) d, eff c, eff N e d,eff : az effektív alakváltozás, ahol 1 2 e F H, (2.18) d, eff N / amelyben α olyan tényező, amely a felület morfológiáját veszi figyelembe; e c,eff : a kritikus alakváltozás, amelynek során véletlenszerű repedésterjedés lép fel. Az összefüggésből észrevehető, hogy a kopási ellenállás kizárólag csak az anyag keménységétől függ, ez pedig elsősorban a fémekre igaz. Kerámiáknál a kopási folyamatot jelentősen befolyásolhatja az anyag törési szívóssága is, amit tehát célszerű figyelembe venni a kopási érték meghatározásánál. Ennek alapján a (2.16) összefüggés szerinti modell, amely többféle anyagi jellemzőt is magába foglal, a kerámiák esetén jobb közelítést adhat a kopás mértékének becslésére. A kopási viselkedés jellemzésének, más megközelítésű modellezésének igen szemléletes módja a kopási térképek használata. A kétdimenziós térképek általában a kopás intenzitás, illetve kopási mechanizmusok vagy a különböző kopástípusok közötti átmenetet jelölik síkbeli koordináta rendszerben, valamely két vizsgálati jellemző függvényében. Ebben az esetben a kopási folyamatról csak minőségi információt kapunk, mennyiségi jellemzést nem. A háromdimenziós kopási térképek [66] olyan térbeli diagramok, amelyek egyidejűleg több vizsgálati paraméter (pl. terhelőerő, csúszási sebesség) függvényében tüntetik fel az adott vizsgálati anyagra meghatározott kopási jellemző (pl. V W, kikoptatott térfogat) értékét. Ilyen kopási térképet láthatunk a ábrán Si 3 N 4 próbatestek száraz súrlódási viszonyaira vonatkozóan. Ezek a térképek mind minőségi, mind mennyiségi jellemzésre alkalmasak és a különböző vizsgálati paraméterek együttes hatását komplexen szemléltetik. A kopási térképek számos tényt tárnak fel az anyag viselkedéséről [67]: - a kopás mértéke erősen függ a terhelési sebességtől és erőtől; - az enyhe és erős kopás tartományai határozottan elkülöníthetők, amelyek határai kijelölhetők; - ha a fenti határokat átlépjük, a terhelési körülmények kismértékű megváltozása is a kopás mértékének drasztikus növekedéséhez vezethet; - az egyes kopásintenzitási zónákban feltehetően eltérőek a kopási károsodást kontrolláló kopási mechanizmusok. A háromdimenziós kopási térképek a kopás intenzitása szempontjából kerámiák esetén a választott vizsgálati paraméter például vizsgálati sebesség, terhelőerő, hőmérséklet vagy vizsgálati idő függvényében három jellemző területet különítenek el: az enyhe-, az erős-, és az ultra-erős kopási tartományokat. 25

33 Kikopott térfogat (mm 3 ) Kikopott térfogat (mm 3 ) Erős kopás tartománya Terhelőerő, (N) Enyhe kopás tartománya Sebesség (m/s) ábra. Si 3 N 4 háromdimenziós kopási térképe száraz súrlódás esetén [66] Ezekhez a kopásintenzitási tartományokhoz műszaki kerámiákra vonatkozóan a [65] publikáció a 2.4. táblázatban bemutatott mennyiségi jellemzőket kikopott térfogat értékeket rendeli általánosságban, megnevezve néhány jellemző kopási módot is az adott tartományban. A különféle szakirodalmakban számos törekvést találunk arra vonatkozóan, hogy a kopási térképeken szemléltetett kopásintenzitási tartományokban a kopás mértékének számszerű értékét matematikai úton közelítsék, azaz a mérési eredmények alapján a terhelési paraméterek és az azok hatására bekövetkező károsodás mértéke közötti korrelációs kapcsolatokat empirikus összefüggésekkel, matematikai modellekkel is leírják táblázat. Kerámiák száraz súrlódási jellemzői [65] Kopás mértéke Enyhe kopás (K I < K Ic ) Erős kopás (K I > K Ic ) Ultra-erős kopás (K I >> K Ic ) Kikopott térfogat, mm 3 Kopási jelenség abrázió - szemcsehatármenti törés - felület alatti károsodás /törés - szemcse kihúzódás - tribokémiai reakció törésmechanikai folyamatok - nyitó jellegű repedések bemetsző hatás - háromtestes kopás (szemcsekihúzódás) hősokk A [65] munka az erős kopás tartományában kétféle modell alkalmazását javasolja: - laterális repedés modell: 26

34 ahol E / HV 4/5 9/8 WV C F l, (2.19) K HV 1/2 5/8 Ic C: konstans; E: a rugalmassági modulus; HV: a keménység; K Ic : a törési szívósság; F: a terhelőerő; l: a csúszási úthossz. - nyitó jellegű repedés modell: ahol W V C max D Fl, (2.20) HV T C: konstans; σ max : maximális húzó feszültség; σ D : kritikus károsodási feszültség; HV: Vickers keménység a vizsgálati hőmérsékleten; T: hőmérséklet. Az ultra erős kopási tartományban feltételezett, hogy további hőfeszültségek növelik a kopási tényező értékét. A hősokk hatására bekövetkező kopásintenzitás változás számszerű leírásával ún. hősokk modell is származtatható. Összefoglalva a kopási térképek jelentőségét, a kopási térképek alkalmazásával [65]: - egyszerűbbé válik az anyagválasztás egy-egy összehasonlító elemzés segítségével; - lehetővé válik a jellemző kopási mechanizmusok azonosítása; - kiindulási alapot kapunk a fizikai-matematikai számszerű modellek megalkotásához; - lehetővé válik a kopási folyamatok közötti átmenetekhez tartozó igénybevételi paraméterek meghatározása; - lehetővé válik a kopási folyamat legfontosabb sajátosságainak előrejelzése; - egyszerűbbé válik a további tribológiai vizsgálatok tervezése. A tribológiai rendszerek és folyamatok leírására vonatkozó szakirodalom áttekintése alapján az alábbiak fogalmazhatók meg: A kopási jelenségek leírására vonatkozó publikációk a fémek tekintetében rendkívül gazdagak, ugyanakkor terminológiailag nem egységesek. Hiányoznak a jól áttekinthető rendszerező jellegű információk és a kopási folyamatok egységes szemlélet alapján történő leírása, tárgyalása. Ezeknek a hiányosságoknak a megszüntetése a tribológiai rendszerekben bekövetkező károsodási folyamatok további alaposabb tanulmányozását igényli. Ezért a disszertációban bemutatott önálló kutatómunka keretében a tervezett tribológiai vizsgálatok mellett célszerű egy elméleti kutatómunka fejezetben megvizsgálni annak lehetőségét, hogy hogyan rendszerezhetők a kopási folyamatok leírására jelenleg használt rendkívül változatos sokszor ellentmondásos különféle meghatározások, folyamatleírások, károsodás jellemzések, van-e lehetőség a kopási folyamatok közös ismérvei alapján egységes rendszerszemléletű leírásmódra? Ezekre a kérdésekre a 4.1. fejezetben keresek választ. 27

35 2.5 Kopásnak kitett műszaki kerámiák legfontosabb mechanikai és anyagszerkezeti vizsgálatai A kopási viselkedés, kopási tulajdonság jellemzésére többféle modell-rendszerű kopásvizsgálatot használhatunk, amelyek a tényleges alkalmazás labor körülmények közötti megvalósítását jelentik. Egy adott anyag vizsgálatakor a vizsgálati módszer megválasztását alapvetően az határozza meg, hogy milyen igénybevételi és környezeti feltételek mellett fog a vizsgált anyag működni, de a kísérleti berendezések rendkívül magas költségei miatt gyakran korlátot jelent az elérhető berendezések, mérési eljárások és vizsgálati paraméterek választéka. A különféle minőségi és mennyiségi kopási jellemzőkön kívül további információkkal bírnak a hozzájuk kapcsolódó egyéb mechanikai és anyagszerkezeti jellemzők, amelyek megadásával komplex kopási tulajdonság-rendszerben jellemezhető az adott kerámia anyag. Jelen fejezet célja a műszaki kerámiáknál használatos és szabványos kopásvizsgálati eljárások feltérképezésén túlmenően, azoknak a kiegészítő vizsgálati módszereknek és alkalmazhatóságuknak a számbavétele, amelyek a kopási viselkedés komplexebb leírását szolgálják Kopásvizsgálatok Napjainkra számos vizsgálati módszer terjedt el, amelyek segítségével a különböző anyagok, anyagpárok súrlódását, kopását jellemezni, vizsgálni tudjuk különböző körülmények között. Minden kopási mérőszám rendszertulajdonság, így bármely rendszerparaméter megváltoztatása a vizsgált anyag kopási jellemzőinek megváltozását is előidézi. A vizsgálati módszerek egy része szabványban rögzített, ismert azonban számos olyan vizsgálati metódus, amely egyelőre csak szabadalmaztatott, de nem szabványosított kopásvizsgálati eljárás. Ebben a fejezetpontban a leggyakrabban alkalmazott vizsgálati eljárásokon túlmenően részletesebben a csúszó kopást megvalósító eljárásokhoz tartozó block-on-block illetve a pin-on-disc elvű vizsgálati módszert mutatom be, amelyeket a kísérleti munka során alkalmaztam. A csúszó kopást megvalósító vizsgálati módszerek alapvetően két típusra oszthatók: az egyik típus, amelyben a két érintkező felület szimmetrikus elrendezésű, a másik típus az aszimmetrikus elrendezést megvalósító vizsgálati módszer. Az első típusra mutat példát a ábra a) és b) részlete, ahol az a) részlet paláston érintkező, míg a b) részlet alaplapon érintkező: block-on-block elrendezésű súrlódó párokat mutat be. Az ábra többi részlete különféle aszimmetrikus elrendezésű súrlódó párokra mutat példát: c): pin-on-disc, d): pinon-ring, e): block-on-ring, és f): pin-on-flat típusú vizsgálati esetekre. v 1 v 2 a) b) c) d) e) f) ábra. Csúszó kopást megvalósító vizsgálati módok [68] 28

36 Ugyanazon anyagból készített anyagpárok kopásának vizsgálatakor szimmetrikus elrendezésű és igénybevételű triborendszer esetén feltehetően ugyanolyan mértékű kikopott térfogat várható mindkét csúszótesten, míg aszimmetrikus mérési módszerek használatakor amelyek gyakrabban alkalmazott vizsgálati módszerek a két vizsgálati testből kikopott térfogat különböző lesz, még abban az esetben is, ha ugyanazon anyagból készültek. Az aszimmetrikus elrendezésű tribo-rendszer érintkezési- és mozgásviszonyai lehetnek egyirányú ábra a) és b), illetve alternáló ábra c) és d) mozgást megvalósítók. a) b) a) b) c) d) ábra. Egyirányú a), b) és alternáló c), d) mozgást megvalósító érintkezési módok [68] Az értekezésben bemutatásra kerülő kopásvizsgálatok egyik típusa, amelyet a vizsgálati felületek metallográfiai előkészítése során alkalmaztam a block-on-block korong a tárcsán elvű elrendezés, amelyet egy egyszerű felületelőkészítő, félautomata csiszoló-, polírozó berendezésen is megvalósíthatunk. Az ilyen típusú koptatás során egyre finomodó c) d) szemcseméretű, az alapanyagtól eltérő anyagú ellentesthez szorítjuk a vizsgálati darabokat, miközben valamilyen kenő- és hűtőanyagot, esetleg további abrazív szemcsét tartalmazó szuszpenziót adagolunk az érintkező felületek közé. A vizsgálati elrendezés annyiban különbözik a ábra b) ábrarészletén bemutatott elrendezéstől, hogy az érintkező anyagpár egy irányban forog, az aszimmetrikus elrendezés és az eltérő fordulatszámú kényszerhajtás következtében különböző sebességgel, illetve a koptató korong/block átmérője jóval nagyobb, ahogyan azt a ábra illusztrálja ábra. A csiszoló/polírozó korong és a próbatest érintkezési felülete és mozgásviszonyai Az ábra alapján megvalósuló mozgás során a próbatest egy bonyolult mozgási pályát ír le az abrazív korong felületén. A görbe alapján megtett úthossz, illetve az általa nyerhető, a kopási viselkedésre vonatkozó adatok számítását az fejezet tartalmazza részletesen. A felületelőkészítésre és az abrazív koptatási módszer kivitelezésére szabványi előírás nem létezik. A különböző szakirodalmakban a részleges vagy teljes felületelőkészítés lépéssorozatának leírásával találkozhatunk egy-egy adott anyagminőségre vonatkozóan. A kutatómunka során vizsgált kerámia kompozitra alkalmazható ilyen jellegű ajánlást nem tartalmaz a szakirodalom, így a felületelőkészítés lépéseinek megválasztása saját felületelőkészítési program alapján történt, amelyet részletesen az fejezet ismertet. 29

37 A vizsgálat során választható paraméterek: - az abrazív korong anyaga; - az abrazív korong szemcsemérete; - kenőanyag és/vagy hűtőfolyadék; - abrazív szuszpenzió; - a felületeket összeszorító erő nagysága; - a koptatás ideje; A koptatást követően mérhető/elemezhető paraméterek és azok eszközei: - kikopott tömeg nagy pontosságú mérleggel; - érintkező felületek között ébredő feszültség nagysága számítással; - felületi érdességi paraméterek változása a különböző abrazív tárcsák hatására érdességmérő berendezéssel; - a felületen végbemenő kopási mechanizmus jellege (részletesen lásd 4.1. fejezet) pásztázó elektronmikroszkóppal; A korong a tárcsán elvű vizsgálat során alkalmazott mérőszámok és számítási összefüggéseik az alábbiak: A kikopott térfogat: m V, (2.21) Wt ahol V Wt : a mintadarab teljes felületéről kikopott térfogat a korong a tárcsán vizsgálat során, mm 3 -ben; m: a mintadarab teljes felületéről kikopott tömeg a korong a tárcsán vizsgálat során, g-ban; ρ: a mintadarab sűrűsége, g/cm 3 -ben. ahol A kopási tényező: Vwt kt, (2.22) F L k t : a kopási tényező értéke a korong a tárcsán vizsgálat során, mm 3 /Nm-ben V Wt : a mintadarab teljes felületéről kikopott térfogat a korong a tárcsán vizsgálat során, mm 3 -ben; F: a kopásvizsgálat során alkalmazott terhelőerő, N-ban; L: a súrlódási/csúszási úthossz, m-ben. Az érintkező felületek között ébredő feszültség nagysága: ahol F t, (2.23) A t σ t : az érintkező felületek között ébredő feszültség nagysága, a korong a tárcsán vizsgálat során, N/mm 2 -ben; F: az érintkező felületeket összeszorító erő nagysága, N-ban; 30

38 ahol A t : az érintkező felület nagysága, mm 2 -ben, amelyet a következő módon lehet meghatározni: A r mm, (2.24) 2 2 t, r: a mintadarab sugara, mm-ben. A disszertációban bemutatásra kerülő vizsgálatok másik köre a megfelelően előkészített felületeken végzett pin/ball-on-disc tű/golyó a korongon elvű kopásvizsgálatokat foglalja magába. A ábra a pin és a disc elrendezésére, az évi DIN szabvány [69] által javasolt egyik elrendezési elvet illusztrálja. A vizsgálat során egy golyót (ellentestet) egy definiált F N nagyságú normálerővel a forgó mintadarab (alaptest) sík felületéhez szorítunk úgy, hogy a vizsgálat elején pontszerű érintkezési kapcsolat jöjjön létre. A pontszerű érintkezési felület a kopás mértékének növekedésével egyre növekvő felületté tágul, lásd ábra. Ellentestként a golyó helyett gömbszerű súrlódó felülettel rendelkező tű (pin) is alkalmazható. pin (golyó) disc (próba) ábra. A pin-on-disc kopásvizsgálat sematikus ábrája [70] ábra. A golyó és a tárcsa érintkezési felülete A vizsgálat során a rögzített tengelyű golyó a korongon csúszik és így idéz elő kopást, míg a korongot egy motor segítségével különböző sebességgel forgatjuk. A próbatestek vizsgálatához egy olyan zárt rendszert (fülke) kell biztosítani, amelyben a környezet paraméterei különös tekintettel a relatív páratartalomra szabályozhatók. A golyót úgy kell 31

39 rögzíteni, hogy kizárható legyen bármilyen másfajta forgó mozgás, pl. gördülés, tehát tiszta súrlódás valósuljon meg a golyó és a sík felület között [70, 71, 72]. A vizsgálat során választható paraméterek: - az alkalmazott terhelőerő, - az ellentest, azaz a golyó anyagminősége, átmérője; - csúszási úthossz; - száraz súrlódás, vagy bármilyen kenőanyag, illetve abrazív szuszpenzió alkalmazása; - a vizsgálati hőmérséklet. A koptatást követően mérhető/elemezhető paraméterek és azok eszközei: - a súrlódási együttható értékének alakulása a vizsgálat során a vizsgálattal egyidejű, online rögzítési móddal; - a mintadarabból kikopott anyag tömege nagy pontosságú mérleggel (meg kell jegyezni, hogy műszaki kerámiák esetén ez a mérési módszer nem alkalmazható, mert a vizsgálat során olyan kismértékű anyag kerül csak leválasztásra, amelynek tömege nagy pontosságú analitikai mérleget használva is a mérési hiba tartományába esik); - az ellentestként szolgáló golyó kopása optikai mikroszkóp segítségével; - az érintkező felületek között ébredő feszültség nagysága Hertz-feszültség számítással; - a kopásnyom keresztmetszetének elemzése több helyen, és a kikopott térfogat meghatározása érdességmérő berendezéssel; - a kopási folyamat során fellépő kopási mechanizmus jellege a kikopott felület vizsgálata, illetve a kopástermék elemzése pásztázó elektronmikroszkóppal. Minden kopásvizsgálat során figyelembe kell venni a környezeti paramétereket, így a hőmérsékletet, illetve a jelenlévő levegő páratartalmát, amelyek rögzítése rendkívül fontos, ugyanis változásuk jelentős mértékben módosíthatja a mért kopási jellemzőket. A golyó a korongon elvű vizsgálat során alkalmazott mérőszámok és számítási összefüggéseik: A kikopott térfogat az alaptesten: A műszaki kerámiák golyó a korongon kopásvizsgálata során keletkező kopási kráterből a kikopott anyag tömegét nagy pontosságú analitikai mérleggel sem tudjuk megmérni, így a kopásnyom keresztmetszetének néhány helyen történő profilométeres vizsgálata segítségével határozhatjuk meg a kikopott térfogat értékét. Az ISO as szabvány [73] szerint 4, egymással 90 -os szöget bezáró helyen kell felvenni a profil-keresztmetszetet lásd ábra és a kapott felület nagyságának ismeretében a kikopott térfogat, a következő összefüggés segítségével számítható: S 4 S 3 R S 1 S ábra. A kopásnyomban 4 helyen felvett S 1 -S 4 profil-keresztmetszetek elhelyezkedése [73] 32

40 ahol V R S S S S Wp, (2.25) 2 V Wp : a kikopott térfogat nagysága a mintadarabon, a golyó a korongon elvű mérés során, mm 3 ; R: a kopásnyom középsugara a mintadarabon, mm; S 1, S 2, S 3, S 4 : a profilométerrel meghatározott profil keresztmetszetek a mintadarabon, mm 2. A 2.18-es ábrán bemutatott 4 db profil keresztmetszeten kívül a kikopott térfogat meghatározására további mérési lehetőségek léteznek, ezt részletesebben a es fejezetben elemzem. A kopási tényező: a teljes felületre kiterjedő golyó a korongon kopásvizsgálati módszerrel megegyezően a következőképpen számítható [73]: ahol ahol k p Vwp, (2.26) F L k p : a kopási tényező értéke a golyó a korongon vizsgálat során a mintadarabon, mm 3 /Nm-ben; V Wp : a mintadarabon lévő kopásnyomból kikopott térfogat a golyó a korongon vizsgálat során, mm 3 -ben; F: a kopásvizsgálat során alkalmazott terhelőerő, N-ban; L: a súrlódási/csúszási úthossz, m-ben. Az érintkező felületek között ébredő feszültség (Hertz-feszültség) nagysága: ahol F p, (2.27) A p σ p az érintkező felületek között ébredő feszültség nagysága, a golyó a korongon vizsgálat során, N/mm 2 -ben; F: az érintkező felületeket összeszorító erő nagysága, N-ban; A p : az érintkező felület nagysága, mm 2 -ben, amelyet a következő módon lehet meghatározni: Ap 2 a, (2.28) a: az érintkezési felület sugara, mm-ben, amelyet a következő összefüggések segítségével számíthatunk ki [63]: 3 a 4 FR golyó E E E E, (2.29) , (2.30)

41 ahol F: az érintkező felületeket összeszorító erő nagysága, N-ban; R golyó : az ellentestként szolgáló golyó sugara, mm-ben; ʋ 1 : a golyó Poisson-tényezője; ʋ 2 : a mintadarab Poisson-tényezője; E 1 : a golyó Young-modulusa, GPa-ban; E 2 : a mintadarabok Young-modulusa, GPa-ban. Az ellentest, vagyis a golyó kopása [73]: ahol V Wg 3 A B, (2.31) 42R golyó V Wg : a golyóból kikopott térfogat nagysága a golyó a korongon elvű mérés során, mm 3 -ben; A: a golyón lévő ellipszis alakú kopásnyom rövidebb átlója, mm-ben, lásd ábra; B: a golyón lévő ellipszis alakú kopásnyom hosszabb átlója, mm-ben, lásd ábra; R golyó : az ellentestként szolgáló golyó sugara, mm-ben; ahol ábra. Az ellentesten, golyón keletkező kopásnyom (ellipszis), és két átlója [73] k g VWg F L, (2.32) k g : a kopási tényező értéke a golyó a korongon vizsgálat során a golyón, mm 3 /Nmben; V Wg : a golyóból kikopott térfogat a golyó a korongon vizsgálat során, mm 3 -ben; F: a kopásvizsgálat során alkalmazott terhelőerő, N-ban; L: a súrlódási/csúszási úthossz, m-ben Kiegészítő vizsgálati technikák Profilometria A felületek érdességének leírására használatos egyik legrégebbi módszer a profilométeres vizsgálat. Míg régebben a hagyományos mérési módszernek a kétdimenziós mérés számított, mára elterjedtté váltak a háromdimenziós profilométerek. A kétdimenziós, tapintótűs profilométerek esetében a berendezés gyémánt tűje állandó sebességgel, vízszintesen mozog a felületen, miközben a felületi egyenlőtlenségeket érzékeli, és kirajzolja, tehát közvetlen kapcsolatban van a felszínnel. Az eljárás során a felületről alkotott kép részletessége korlátozott, a módszer ugyanis kiszűri a nagyfrekvenciájú felületi egyenetlenségeket. Ez az eljárás hátrányát jelenti, mivel bármilyen véges sugarú, vagy 34

42 szélességű heggyel rendelkező gyémánt tű sem képes érzékelni olyan felületi egyenetlenségeket, amelyek sugara kisebb, mint a tű sugara, lásd ábra. Letapogató tű Letapogatott profil Eredeti profil ábra. Az érintőtűvel rendelkező profilométer letapogatási hibája [74] Így a mért felületi egyenetlenségek a tű mechanikai szűrése révén látszólag kisimulnak. Míg a vízszintes irányú felbontó képességet döntően a tű mérete határozza meg, addig a függőleges irányban mért értékeknél, amelyek a mért érdességi jellemzők szempontjából meghatározóbbak, a tű mérete mellett a gép rezgéseinek, elektromos zajoknak a hatása is jelentős befolyásoló tényező. A tapintótűs profilométer további hátránya, hogy a tű megkarcolhatja, vagy eldeformálhatja a felületet. A laborkörülmények között használt profilométerek általában meghatározott méretű (1,5 2,5 μm) sugárral, vagy mérhető szélességű mérőcsúccsal rendelkeznek. A tűre eső terhelőerő nagysága 5-10 μn közötti [75]. Miután a tapintó gyémánt tű a felületet letapogatta, a felületi profil egy szoftver segítségével a képernyőn jelenik meg, és további feldolgozásra alkalmas. A háromdimenziós, tapintótű nélküli modern profilométerek több típusa ismeretes, leginkább az alkalmazott mérési technika alapján megkülönböztetünk például konfokális optikai elven mérő érdességmérő eszközöket, illetve lézer sugarat alkalmazó érdességmérő berendezéseket. A kísérleti munka során a konfokális optikai elven mérő berendezés került alkalmazásra, amelynek működési elvét Mervin Minski már az 1950-es években megalkotta [76], bár az első konfokális elven mérő berendezést csak a 80-as években kezdték elkészíteni [77]. A konfokális elven mérő berendezés alapvetően fókuszált fényt alkalmaz a képalkotáshoz. A gyakorlatban a beállított pontszerű fényforrást a tárgyra irányítjuk, amely onnan az objektív lencsén keresztül visszaverődik. Ez a fényforrás végigpásztázza a kijelölt felületet, amíg a teljes kép elkészül. Az egyes x, y koordinátáknál rögzített értékek alkalmazásával, szoftver segítségével vetített kép alkotható a legnagyobb és legkisebb intenzitású helyekről, így háromdimenziós illusztrációk készíthetők a tárgyról, például topográfiai képek. A háromdimenziós konfokális mérőberendezések vertikális irányú felbontóképessége általában nm, míg laterális felbontóképességük néhány pixel és 1 μm közötti, ez utóbbi függ az objektív típusától. A tribológiai alkalmazások és kísérletek során felületek kerülnek egymással kapcsolatba, amelyek fizikai és kémiai tulajdonságainak ismerete kulcsfontosságú. A számos fizikai tulajdonság közül az érdességmérő berendezés segítségével a felületek geometriai sajátosságai jellemezhetők. A felületi egyenetlenség hullámossági és érdességi paraméterei közül a hullámosságból esetlegesen adódó mérési pontatlanságokat általában sikerül olyan mértékben csökkenteni egy megfelelő felületelőkészítési módszert alkalmazva, amely a mért kopási jellemzők szempontjából már elhanyagolható, így bővebben a felületi érdességi paraméterek változásával, mérési lehetőségeivel és nehézségeivel érdemes foglalkozni. 35

43 A felületek érdességi jellemzőit mind a kopásvizsgálatok megkezdése előtt a kiinduló érdességi paraméterek megadásával mindkét érintkező párra, mind a tibológiai vizsgálatot követően célszerű meghatározni. Ugyanis ez a kiinduló érdesség (is) változni fog a kopásvizsgálat során, az uralkodó kopási mechanizmustól függően az érdességi csúcsok letöredezésével, vagy éppen képlékeny alakváltozásával. A kiinduló felületek érdességének jellemzése A mérnöki gyakorlatban anyagminőségtől függetlenül a felületek érdességének meghatározásakor a kétdimenziós mérőszámok közül két jellemző paramétert, az R a és az R z értékét adják meg. Az R a, átlagos érdesség matematikailag egy átlagértéket jelent a teljes mért kétdimenziós profil hosszon ld ábra -, amelyet a (2.33) összefüggés szerint értelmezünk és számíthatunk. 1 L n 1 Ra y x dx y x 0 i L n i 1, (2.33) y Y1 Y8 Y2 Y5 Y3Y4 Y6 Y7 Y9 Y10 Y11 L ábra. Az R a érték matematikai származtatása [74] x Az R z egyenetlenség magasság nevű érdességi paramétert 10 pont magasság -nak is nevezik, amely az 5 legmagasabb és az 5 legalacsonyabb profilpontok távolságkülönbségének átlaga egy tetszőleges alapvonaltól (ld ábra). mm P1 P2 P3 P4 P5 V1 V2 V3 V4 V ábra. Az R z érték matematikai származtatása [74] Ezt a paramétert különösen nagyon rövid profilhosszak mérése esetén célszerű alkalmazni [75]. mm 36

44 Az R z számítására szolgáló összefüggés: R p p p p p v v v v v Z. (2.34) Ezen két érdességi paraméteren túl a műszaki kerámiákon végzett megelőző kopásvizsgálataink során bebizonyítottuk [78], hogy egy további érdességi paraméter, a hordozóhossz más néven anyaghányad szorosabb kapcsolatba hozható a tribológiai jellemzők értékével. A hordozóhossz az a tényleges hossz a lemért profilon, amellyel az érintkező ellentest elmozdulása során érintkezésbe léphet, tehát az anyagnak a kopás szempontjából mérvadó felülete. Az érdességi csúcsok kopásának előrehaladtával a hordozóhosszat jelölő vonal egyre mélyebbre húzódik a profilon, illetve hossza egyre növekszik. Ez az R mr vagy más irodalmak jelölése szerint t p, úgynevezett anyaghányad, amelynek értékét %-ban fejezzük ki, a hordozó felület hosszának aránya a profil hosszához képest, egy adott mélységben a profil legmagasabb csúcsától mérve. a b c d e L ábra. Az R mr érték származtatása [74] Az R mr értéket matematikailag az alábbi összefüggés segítségével határozzuk meg: R mr a b c d e 100%, (2.35) L Az R mr érték alkalmazásának korlátai a kopásvizsgálatok során a következők [75]: - A hordozóhossz értéke egy egydimenziós mérőszám, azaz lineáris méretarány, míg a valós viszonyok között a súrlódó párok elvileg is kétdimenziós a valóságban pedig háromdimenziós felületen érintkeznek. - Az R mr értéke, mint minden érdességi paraméteré csak egy viszonylag rövid profil alapján kerül meghatározásra, ami nem veszi figyelembe a hullámosságból adódó egyenetlenségeket. - A gyakorlatban két érintkező felületről van szó, mindkettő hordozóhossza szerepet játszik a kopási folyamatban. A ábrán feltüntetett R mr érték, illetve a függőleges tengelyen feltüntetett P mélységérték, amely megadja, hogy a legmagasabb csúcstól mérve milyen mélységben érjük el az 50, illetve a 100%-os hordozóhossz értéket, szintén hasznos információkat hordoz a kopási folyamat jellemzése szempontjából. 37

45 mm a b c d e P 1P2P3 P (mm) P 4 P 5 Anyaghányad görbe a + b + c + d + e EL ábra. Az anyaghányad görbe és az R mr értékek [79] A napjainkban teret hódító háromdimenziós érdességmérő berendezések segítségével a kétdimenziós érdességi paraméterekkel analóg módon háromdimenziós esetre is meghatározhatjuk a fenti érdességi jellemzőket. Így beszélhetünk az S a felületi átlagos érdességről [80]: 1 Sa z x, y dxdy, (2.36) A A L illetve a kétdimenziós R z értéknek megfelelő S z értékről, amely nem csupán 5 csúcs és 5 völgy adatait használja fel, hanem a teljes vizsgált felületen mért összes csúcsot és völgyet figyelembe veszi. A teljes vizsgált felületre vonatkoztatott, ún. térbeli hordozóhossz értékét ld ábra S mr -rel jelöljük, egy megadott értékű S mr térbeli anyaghányadnak a legmagasabb érdességi csúcstól mért mélységét pedig S mc -vel. S mc, μm mm P R mr (%) S mc =? μm 0,34 μm 30 % S mr =? % S mr, % ábra. A térbeli hordozóhossz értékek [80] A kikopott felületek érdességének jellemzése A [73] szabvány szerint kerámiák pin-on-disc vagy ball-on-disc vizsgálata esetén a kopási tényező megadásához a vizsgálat során kikopott kopásnyom térfogatát kell meghatározni érdességmérő berendezés segítségével. A szabvány elsősorban a kétdimenziós érdességmérési módszerre vonatkozóan tartalmaz információt. Kétdimenziós érdességmérés esetén a kopásnyom 4 különböző sugárirányú metszetében lehetőleg egymással 90 -os szöget bezáró, a vizsgált felületre merőleges síkmetszetekben kell lemérni a kopási kráter jellemzőit a ábrán feltüntetett módon, és a számításokat a egyenletnek megfelelően szükséges elvégezni. A ábra az egyik például S 1 38

46 felvett profil-keresztmetszetet ábrázolja, illetve az alsó ábrarészlet piros színnel kitöltött része a számított profil-keresztmetszetet adja mm 2 -ben. Ennek meghatározásához a berendezésen négyféle területszámítási mód választható, amelyek közül a felhasználó választhatja ki a megfelelő terület kitöltési módot, megadva ezzel az eredeti felszín referencia vonalát. Ezen kívül a program jelzi az adott profilon lévő maximális mélységet, és magasságot is. A program által kiszámolt terület-értékeket Excel-fájlba átírva, további számítások végezhetők az anyagból kikopott térfogat meghatározása érdekében ábra. A kopásnyom egy jellegzetes profilja, és a kikopott keresztmetszet értelmezése A szabvány ajánlásain túlmenően a háromdimenziós érdességmérő berendezés kiértékelő szoftvere alkalmas a teljes kikopott felület egyidejű kiértékelésére, megadva ezzel a kijelölt vizsgálati tartományban (lásd a ábrán a kopásnyom körüli polinommal határolt területet) található, a felbontásnak megfelelő összes érdességi völgy térfogatát. Ez pontosabb mérést tesz lehetővé, hiszen míg a kétdimenziós profilok segítségével mindössze 4 helyen mérjük meg a kopási kráter jellemzőit, addig a teljes felület elemzésével a kopási kráter teljes egészére vonatkozóan kapunk információt. Azonban a mérés pontatlansága is ebből az előnyből ered, hiszen a kiértékelés során nem tudjuk a kopásnyom kontúrját kijelölni és csak az ezen belül eső térfogatot számolni, hanem egy négyzetes, vagy polinommal közelített felületet jelölünk ki lásd ábra, amelyen belül megtalálható összes mélyedés térfogatát számítja a szoftver, tehát nemcsak a kopásnyom térfogatát. Az ebből eredő hiba csökkentésében is rendkívül nagy szerepet játszik a felületelőkészítés ábra. A kopásnyom jellemzése háromdimenziós érdességmérő segítségével 39

47 Ezen túlmenően, míg kétdimenziós mérés esetén meg tudjuk adni azt a referencia vonalat, amely a kiinduló felületet reprezentálja, addig háromdimenziós mérés során az eredeti felszín referenciasíkjának kiválasztása a kiértékelő szoftver mélyebb ismeretét és nagy gyakorlottságot igényel. A módszer előnye, hogy a szoftveres mérés megadja a vizsgált felületen található legmélyebb pont adatait, amit kétdimenziós profilométer használatakor csak kicsiny valószínűséggel találunk meg. A két-és háromdimenziós mérések témakörében folytatott saját korábbi kísérleti munka, [78] alapján különböző megállapítások tehetők, illetve különböző kérdések merülnek fel: - A hagyományos módon meghatározott és legelterjedtebben használt R a és R z értékek megfelelő érdességi mérőszámnak bizonyulnak a felület előkészítés hatékonyságának megállapítására. Ezzel kapcsolatban kérdésként fogalmazható meg, hogy amennyiben a kétdimenziós mérőszámok helyett a háromdimenziós jellemzőket használjuk, található-e a hagyományos kétdimenziós érdességi paraméterek (R a, R z ) és a háromdimenziós érdességi paraméterek (S a, S z ) között számszerű összefüggés? Melyik mérőszám tekinthető megbízhatóbbnak a néhány profil alapján a nm-es tartományba eső kétdimenziós értékek, vagy az adott felületen nagyszámú profilt figyelembe vevő, de a durvább, μm-es tartományba eső háromdimenziós értékek? A háromdimenziós mérőszámok bevezetése és használata során ezt az objektív körülményt amely nagyságrendi eltérést eredményez a felület jellemzésére használt mérőszámokban feltétlenül és körültekintően figyelembe kell venni. - A hordozóhossz, azaz az érintkezési felületet képviselő anyaghányad legmagasabb csúcstól mért távolságát jellemző két- és háromdimenziós mérőszámok (P, S mc ) megbízhatóságára vonatkozóan a kétdimenziós mérési eredményeket azért tekinthetjük mérvadóbbnak, mert azok egy-egy statisztikailag véletlenszerűen kiválasztott profil alapján jellemzik a felületet. Ezzel szemben a háromdimenziós méréstechnika a hordozóhossz számításakor nem hanyagolja el a felületen lévő egyedi geometriai anomáliákat, például szennyezőanyag szemcséi, stb. amelyek az alkalmazott számítási módszer azaz egy legmagasabb csúcsra illesztett bázisfelülettől alacsonyabban fekvő pontok által képviselt össztérfogat számítása esetén nagymértékben módosíthatják az eredményeket. Az adott anyaghányadhoz tartozó mélység értékek tekintetében szintén felmerül az a kérdés, hogy létezik-e számszerű összefüggés a két- és háromdimenziós értékek között? - A kísérleti munka során szükséges kitérni annak elemzésére, hogy az ISO szabvány [73] ajánlása szerint alkalmazott 4 profil-keresztmetszet alapján számított kikopott térfogat értékek megfelelő eredményt szolgáltatnak-e, szükséges-e a felvett profilok számának módosítása, illetve milyen kapcsolat van a két- és a háromdimenziós mérési módszerekkel meghatározott kikopott térfogat értékek között? Keménységmérés Keménységen a vizsgált anyagnak egy keményebb test behatolásával szembeni ellenállását értjük [1, 81, 82, 83, 84]. A számtalan létező keménységmérési eljárás közül a legpontosabb és kemény anyagok esetén is alkalmazható eljárás a Vickers keménységmérés, amelynek elvét (lásd ábra) hazai és nemzetközi szabványok rögzítik [84, 85, 86, 87, 88]. A Vickers keménységmérés kicsiny F 0,01 10 N terhelésű változata, a microvickers eljárás a műszaki kerámiák mechanikai tulajdonságainak jellemzésére használt egyik legelterjedtebb módszer. A keménységi mérőszámokat az anyagok keménységén kívül hosszú 40

48 [-] időn keresztül a kopással szembeni ellenálló képesség meghatározására is használták. Mára ez a gyakorlat megváltozott, a keménységi értékeket a tribológiai vizsgálatok során a súrlódással és kopással összefüggő, de nem kizárólagos jellemzőnek tekintik. A mikrokeménység mérés kis térfogatrészre kiterjedően jellemzi az anyagot, így helyi keménységértéket ad. A mérés során hibát okozhat a lenyomat rugalmas összehúzódása. m 36 d 1 a d ábra. A Vickers eljárás szúrószerszáma és a lenyomat [81] A mikrokeménység mérés megbízhatóságát számos tényező befolyásolja, amelyek különböző módon hatnak a keménységi érték alakulására. Ezek közül a legfontosabbak: - a microvickers keménységi értékek lehetséges terhelőerő függése, ahogyan azt a ábra szemlélteti. Ez a sajátosság nem okoz problémát a mérés során, ha a teljes méréssorozat vizsgálatához azonos terhelőerőt alkalmazunk; ábra. A microvickers keménységmérési eljárás terhelőerő függése [89] - a vizsgálni kívánt mintadarab vastagsága; A vastagság akkor nem befolyásolja a mérés eredményét, ha az legalább 10 vastagabb, mint a lenyomat mélysége. Általánosan legalább 0,5 mm vastagságú mintadarab vizsgálható anélkül, hogy a vastagság a mérési eljárást befolyásolná; - a felület előkészítése, a felület síklapúsága, párhuzamossága, a felületi érdesség; A vizsgálatokhoz párhuzamos, polírozott, maximum R a = 0,1 m átlagos érdességű minták használhatók. A műszaki kerámiák esetében a polírozás során bevitt maradó feszültségek kevésbé jellemzőek, mint üvegek vagy fémek esetében [85]. A [90, 91] publikációk is arról a tényről számolnak be, hogy az m-es, vagy annál kisebb méretű gyémánt abrazív szemcsékkel végzett polírozás nem befolyásolja a kerámiák mért keménységét, kivéve, ha a polírozási folyamat optikailag is jól látható abrazív károsodást okozott a felszínen; 41

49 - a vizsgálat közben fellépő rezgések; - a terhelés hatóideje; - a lenyomat környezetében kialakuló maradó feszültségek; - a lenyomat átlóinak leolvasási nehézségei: pl. a csúcsokból induló repedések megjelenése, vagy a porozitás jelenléte miatt, illetve az optikai mikroszkóp nagyobb nagyítású képein a polírozott felületek és a lenyomat csúcsai közötti éles kontraszt hiánya miatt. Egy minta keménységének feltérképezése többféle terhelőerővel végzett keménységi vizsgálatot jelent. A kerámiák Vickers keménysége általában csökken a növekvő lenyomatmérettel vagy növekvő terhelőerővel. Ez a tendencia az ún. lenyomat-méret-hatás (ISE=indentation size effect) néven ismeretes. Egyes megközelítések szerint kellően nagy terhelőerő választása esetén, kellően nagy lenyomatot kapunk ahhoz, hogy a keménység értékek egyenletesen állandó értéket mutassanak. Az ennek eléréséhez szükséges terhelőerő kerámia típusonként változik. A különböző terhelőerők hatására keletkező lenyomatok méreteinek összehasonlító elemzése azonban kevésbé elterjedt, mint az egy adott terhelőerővel végzett keménységmérések eredményeinek összehasonlítása [85]. A műszaki kerámiák keménységmérésének sajátosságai: - Terhelőerő: A műszaki kerámiák vizsgálata során általában a 9,81 N terhelőerővel végzett vizsgálat elfogadott [85], de különleges esetekben pl. a lenyomat berepedése miatt ettől eltérő terhelőerő, pl. 4,9 N is alkalmazható. - A terhelés hatóideje: általában ± 2 s, de a vizsgálatot végző személy módosíthatja [84]. - A lenyomatok elhelyezkedése: A lenyomatokat legalább az átló négyszeres hosszának megfelelő távolságban kell elhelyezni. Ha a lenyomatok sarkai berepednek, akkor a keménység nem határozható meg, csökkenteni kell a terhelőerőt. A következő lenyomatnak ilyenkor legalább a repedés és a félátló együttes hosszának ötszörösét kitevő távolságban kell lennie. A lenyomatokat a vizsgálat szempontjából mérvadó reprezentatív mikroszerkezeti tartományokban kell elhelyezni. Mivel minden kerámia tartalmaz kisebb-nagyobb kiterjedésű porozitásokat, egy próbatest keménységének feltérképezése során nem szabad csak a teljesen tömör tartományokat vizsgálni és a kisebb-nagyobb porozitásokat tartalmazó tartományokat kihagyni a vizsgálatból. Ez utóbbiakon is kell vizsgálatokat végezni, azonban nem vehető figyelembe a mérési eredmények között az a lenyomat, amelynek kontúrja részben, vagy teljes egészében nyílt és/vagy zárt porozitásba esik. Néhány esetben előfordulhat, hogy a lenyomatok csúcsai bizonyos idő után a felületi rétegben jelenlévő maradó feszültségek következtében berepednek, ezért a lenyomat átlóit célszerű rögtön a lenyomat elhelyezése után lemérni [85]. - Lenyomatok száma: Homogén és közel teljes tömörségű próbatestek esetében minimum 5 lenyomat vizsgálata szükséges, míg többfázisú, inhomogén vagy nem teljes tömörségű minták esetében 10 elfogadható lenyomat vizsgálata szükséges az értékelhető és megbízható keménységi mérőszám meghatározásához [85]. - Keménységi mérőszám megadása: A keménység értékét vagy GPa-ban, vagy Vickers keménység értékként szokás megadni. A GPa mértékegység használata a nagyobb keménységű, például keramikus anyagok esetén elterjedt, míg a hagyományos, dimenzió nélküli Vickers keménységi mérőszámot fémek esetében szokás használni. GPa-ban történő számításhoz a következő összefüggés használható: HV 2 0, F / d [GPa], (2.37) 42

50 ahol: F = terhelőerő, N; d = a lenyomat két mért átlójának átlagos hossza, mm. Míg a hagyományos mértékegység nélküli Vickers-keménység a következő összefüggéssel adható meg: ahol: 2 HV (0,102 0, ) F / d, (2.38) F = terhelőerő, N; d = a lenyomat két mért átlójának átlagos hossza, mm. A jelölésben fel kell tüntetni a terhelőerő nagyságát, és a terhelés időtartamát A törési szívósság vizsgálata A törési szívósság meghatározásának egyik módja rideg anyagoknál a Vickers lenyomatos törési szívósság mérése, amelyet az I. terhelési módú kritikus feszültségintenzitási tényező, vagyis a K Ic érték meghatározására használunk [92]. Mivel a különféle szakirodalmakban [93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101] megoszlanak a vélemények, hogy a Vickers-lenyomattal meghatározott mérőszám valóban K Ic értéknek tekinthető-e, így a továbbiakban az ilyen módon mért törési szívósság megadásakor minden esetben K c jelölést használok. Az éles szúrószerszám (Vickers vagy Knoop szerszám) behatolása esetén az alakváltozásra nem képes, rideg anyag felületén keletkező radiális repedések felfedezése és alkalmazása valamely mérőszám kiváltására Palmquist (1957) nevéhez köthető. Palmquist kísérleteit kizárólag WC- Co kompozitokon végezte. Ekkortájt az egyéb keramikus anyagokon a szúrószerszám behatolásának hatására keletkező repedések tudatos létrehozását és méréstechnikai hasznosítását elutasították. Ez a szemlélet teljesen megdőlt, amikor Lawn és szerzőtársai ben publikálták a lenyomat segítségével meghatározott törési szívósság mérésének elvét [93]. A Vickers-lenyomatos törési szívósság vizsgálat lényege, hogy meghatározott terhelőerővel, meghatározott ideig Vickers-szúrószerszámot nyomunk a felületbe. A terhelés levételét követően megmérjük a lenyomat átlóit, illetve a lenyomat átlóiból kiinduló repedések hosszát. Mivel ez a mérés nem szabványosított, csupán tapasztalati alapokon nyugszik, így a különböző vizsgálati paraméterek hatására változatos eredményekhez vezet, ezért számos tanulmány foglalkozik a terhelés során fellépő alakváltozási folyamattal, illetve a törési jelenséggel [92]. Ennek megfelelően a különböző irodalmakban más-más terhelőerő, illetve terhelési idő alkalmazását javasolják egy-egy adott összetételű anyagra vonatkozóan. Palmquist WC-Co kompozitokon végzett kísérleti munkája során meghatározta például a kritikus munkát (A), amely a Vickers-lenyomat körüli repedés létrehozásához szükséges: ahol 1 2 PK A 0, 0649 PK, (2.39) HV HV: a Vickers-keménység; P K : a kritikus terhelés, amely a repedés létrehozásához szükséges. A kritikus terhelőerő meghatározása kísérleti úton nehéznek bizonyult, így Palmquist továbbfejlesztette az összefüggését, és az összességében (mind a 4 lenyomat sarkában mért) 300 μm hosszúságú repedés létrehozásához szükséges erőt használta, mint kritikus erőt [93]. 43

51 d d Exner [102] azonban bebizonyította, hogy a kritikus terhelés, amely a repedés megindításához szükséges, a maradó nyomó felületi feszültségek jelenléte miatt jelentősen nagy, így az A paraméter nem érvényes, mint törési szívóssági jellemző, mert döntően a felületi feszültségi állapot határozza meg az értékét. Helyette Exner bevezette a repedési ellenállás fogalmát: ahol W P / l, (2.40) P: a terhelés; l: az egyedi repedés hossza. Az összefüggés mértékegysége erő/egységnyi hossz, amely megfelel az energia/egységnyi terület dimenziónak is. Ez a mennyiség hozzávetőlegesen független a Vickers-keménységtől, nem szükséges hozzá kritikus terhelés megadása sem [93]. A vizsgálat kivitelezésének különbözőségén túl a kiértékelő összefüggések tekintetében sincs egységes megállapodás a szakirodalomban. A számos törési szívóssági összefüggés alapvetően két csoportra oszlik. Az egyik csoportba tartoznak azok az összefüggések, amelyek a radiális-medián repedésekre, vagyis a fél-penny típusú repedésképre igazak, míg a másik csoportba tartoznak a Palmquist típusú repedéseket tartalmazó modellek. A két különböző típusú repedésgeometriát a ábra illusztrálja. felületi radiális repedés felületi radiális repedés felület alatti laterális repedés l a c felület alatti laterális repedés l a c felület alatti laterális repedés felület alatti medián repedés felület alatti laterális repedés felület alatti Palmqvist repedés a) b) ábra. a) Fél-penny típusú repedésgeometria, b) Palmquist típusú repedésgeometria [93, 103] A módszer előnyeiből fakadó népszerűsége miatt napjainkig számos elméleti és kísérleti modell kidolgozására került sor, amelyek részletes ismertetése a szakirodalomban megtalálható [96, 97, 98, 99, 100, 101, 103]. A törési szívósság kiértékelésére használt különféle elméleti és empirikus úton származtatott összefüggések közös vonása [103], hogy tartalmazzák az anyag HV 44

52 keménységét, E rugalmassági modulusát, esetenként a Poisson számot és egyéb mechanikai, pl. szilárdsági jellemzőket, valamint a Vickers lenyomat és a sarkaiban kialakuló repedések geometriai jellemzőit. A kiértékelő összefüggések alkalmazásának korlátja, hogy a bennük szereplő anyagi konstans meghatározása csak külön törésmechanikai vizsgálatok útján lehetséges, ami költséges és időigényes feladat. Ennek hiányában viszont a meghatározott szívóssági jellemző megbízhatósága kétséges, és csak becslésekre ad lehetőséget. Ugyanakkor ezek az összefüggések alkalmasak arra, hogy a disszertáció keretében bemutatott kísérleti anyagok összehasonlító jellemzésére számszerű adatokat tudjunk meghatározni. A számtalan lehetséges kiértékelő összefüggés közül az alábbiakban csak azoknak az ismertetésére szorítkozom, amelyeket a vizsgált CNT-vel adalékolt szívós szilícium-nitrid kerámia kompozitokra jellemző Palmquist típusú repedéskép [98] esetén használhatunk. Ezek az alábbiak: Niihara elméleti törésmechanikai elvek, illetve a rugalmas-képlékeny lenyomat elmélete alapján Palmquist típusú repedésekre megalkotott összefüggése [99]: ahol E 2 Kc 0, 0264 HV a l, (2.41) HV a: a Vickers lenyomat félátlója; l: a Palmquist repedéshossz; HV és E: a vizsgált anyag keménysége és rugalmassági modulusa. Niihara szerint Palmquist típusú repedésnek tekinthetők az 1 l/a 2,5, illetve a d/l 1 esetek, ahol az l, a és d méretek a ábrán értelmezett repedésgeometriai jellemzők. Jóval nagyobb az empirikus összefüggések száma, amelyek közül Laugier szívós azaz Palmquist típusú repedésképet mutató kerámiákra a (2.42) egyenlet szerinti kiértékelő képletet dolgozta ki [100]: ahol K c 1 2 l 2 E 3 P 0,015, (2.42) 3 a HV 2 c P: a Vickers lenyomatot létrehozó terhelőerő; a, l és c: repedésgeometriai jellemzők; E és HV: a rugalmassági modulus és keménység. Niihara és szerzőtársai [92] Palmquist típusú repedésekre a (2.43) egyenlettel kifejezett E 2 Kc 0, 0193 HV a l, (2.43) HV összefüggést találták érvényesnek, amely legjobban az 1,25 c/a 3,5; illetve a 0,25 l/a 2,5 feltételek esetén közelíti a törési szívósságot. Az egyenletet az 1980-as években legintenzívebben kutatott WC-Co kompozitokra dolgozták ki, akárcsak Shetty és szerzőtársai a (2.44) illetve (2.45) összefüggéseket, azok megalkotásakor [101]. 45

53 K c HP 3 v a tan 4 vagy egyszerűsített formájában:, (2.44) ahol Kc HW 1 2, (2.45) , (2.46) 3 1 v 2 tan : a Poisson tényező; 2 : a szerszám lapszöge, azaz Vickers gúla esetén 136 ; H a keménység; P: a terhelőerő; W: a Palmquist repedési ellenállás vagy Palmquist szívósság, azaz W=P/4a. A Vickers-lenyomatos törési szívósság vizsgálat széles körben alkalmazott módszer. Ennek okai az alábbi méréstechnikai előnyök [93]: - Olyan kisméretű próbatesteken is kivitelezhető a mérés, amelyek nem alkalmasak egyéb törési szívósság vizsgálatra. - A minták előkészítése viszonylag egyszerű. A vizsgálathoz sík, polírozott felület szükséges, párhuzamos síklapokkal határolt, tetszőleges alakú mintán. - Egyszerű Vickers-gyémánt fejet használunk a lenyomat létrehozásához. A keletkezett repedés hossza optikai mérés segítségével egyszerűen leolvasható. - Az eljárás gyors és költséghatékony. A vizsgálat nehézségei a következők [93]: - A repedésméret leolvasásának pontossága, ami a törési szívósság becslésének pontosságát befolyásolja. - A valós repedéskép felismerése és az annak megfelelő modell alkalmazása. - A szakirodalomban található empirikus törési szívósság összefüggések széles választéka és azok különbözősége. - A szakirodalomban gyakran publikált ellentmondás a Vickers-lenyomatos illetve a hagyományos törésmechanikai módszerrel meghatározott törési szívósság értékek között. Az első pontban említett repedésleolvasási pontosság a felületi repedések hosszát befolyásoló számos tényezőtől függ [104]: 1. A repedéshossz mérésének módszere; A repedéshossz-mérés pontosságát alapvetően a mérési eljárás határozza meg. Ez leggyakrabban optikai mikroszkópos (OM) vagy scanning elektronmikroszkópos (SEM) vizsgálattal történik. Összehasonlítva a két technikát az OM módszer előnye, hogy egyszerűbb, gyorsabb és kevésbé költséges, hátránya, hogy a felbontóképesség gyengébb és a repedés láthatóvá tétele kedvezőtlenebb. A SEM vizsgálatoknál a felbontás jobb, a repedéshossz-mérés sokkal 46

54 pontosabb, viszont ez a módszer jóval költség- és időigényesebb, illetve fennáll az a veszély is, hogy a repedések az előkészítési idő alatt maguktól tovább növekednek [103, 105]. 2. A felületi rétegben a lenyomat elhelyezése előtt már meglévő maradó feszültségek; A lenyomat hatására megjelenő felületi repedés hossza ugyanis egyrészt az anyag törési szívósságát jellemzi, másrészt az anyag már előzetesen meglévő maradó feszültségállapotát, legyen az nyomó vagy húzó feszültségi állapot. A nyomó feszültségek csökkentik a felületi repedések hosszát, míg a húzó jellegűek növelik azt. Ilyen felületi maradó feszültséget számos úton bevihetünk a rendszerbe, pl. mechanikai károsodás, temperálás, vagy a felület csiszolása által, illetve a kerámiák hagyományos gyártástechnológiája is nyomó maradó feszültségeket eredményez a felületen. A polírozás megfelelő kivitelezésével azonban ezek a felületi feszültségek eltüntethetők. 3. A felület alatti laterális repedések keletkezése és terjedése; A laterális repedések a lenyomat hatására kialakuló képlékenyen alakváltozott területről oldalirányban terjedő repedések, amelyek párhuzamosak a minta felületével, és a terhelés levétele előtt, illetve alatt képződnek. A repedések terjedése a terhelés levétele után is folytatódhat, kijuthatnak a felszínre, ahonnan így különböző méretű darabok töredezhetnek le. Ez a jelenség főleg a keményebb anyagoknál figyelhető meg, és általában nagyobb mértékű, ha nagyobb a terhelés a szúrószerszámon [98]. 4. Az időtől függő, a lenyomat elhelyezését követő lassú repedés növekedés; Ezt a jelenséget szintén a felületen jelen lévő maradó feszültségi mező hozza létre a terhelés levétele során és azt követően. Mindhárom repedéstípusban: a radiális, a medián, illetve a laterális repedésben is bekövetkezhet repedés növekedés. A laterális repedések lassú növekedése a maradó feszültséget tartalmazó mező csökkenését okozza, ez egyben a radiális és medián repedések lassú növekedésével szembeni ellenállást is fokozza. Abban az esetben, ha a laterális repedés hatására felületi kitöredezések is keletkeznek a lenyomat képlékenyen alakváltozott zónájában, a maradó feszültségmező nullára csökken, és nem lép fel a lassú repedésterjedés jelensége, hiszen az azt kiváltó maradó feszültségek a törési folyamat által felemésztődnek. 5. Az anyag mikroszerkezete a lenyomat körül kialakuló repedés helyén; Rideg, polikristályos anyagokban a mikroszerkezet több módon is befolyásolja a lenyomat sarkaiból induló repedések morfológiáját, méretét. Például a repedés véget ér, ha egy porozitásba és / vagy szemcsehatárba ütközik, amely a repedés irányára merőleges, illetve a szemcsehatárokon a repedés elhajlása is megfigyelhető jelenség. A mikroszerkezet hatása a domináns mikroszerkezeti jellemző méretétől és sűrűségétől függ. Például ha a (d) átlagos szemcseméret sokkal nagyobb, mint a lenyomat (2a) mérete, azaz d >>2a, a szemcsében elhelyezett lenyomat törési szívósság értéke az egykristály szívósságának megfelelő értéket fogja adni. Míg azok a lenyomatok, amelyek a szemcsék határfelületére esnek irreális eredményt fognak szolgáltatni. Ha a szemcseméret jóval kisebb, mint a 2a érték, a mért szívóssági mérőszám polikristályos anyagra jellemző értéket szolgáltat. 6. A lenyomat által létrehozott rugalmas-képlékeny feszültségmező. A lenyomatokat olyan kellő távolságban kell elhelyezni egymástól, hogy az aktuális alakváltozási tartomány és annak feszültségmezeje ne lépjen semmiféle kapcsolatba a megelőző lenyomatok feszültségmezejével. 7. A próbatest vastagsága; A vizsgált minta terhelés irányú mérete legalább egy nagyságrenddel legyen nagyobb, mint a 2c érték, míg a lenyomatok középpontja 47

55 közötti távolság ne legyen kisebb, mint 4c, ahol a c érték a felületi radiális repedéshossz. A különböző szerzők elméleti és kísérleti munkáiból egyértelműen megállapítható, hogy az értekezésben vizsgálandó monolitikus szilícium-nitrid, illetve szilícium-nitrid nanokompozit anyagok esetében a Palmquist típusú repedésgeometria lesz jellemző. Ennek megfelelően a kiértékelésekhez használható összefüggések a Niihara (továbbiakban: N) által megalkotott (2.41) egyenlet, a Laugier (továbbiakban: L) által javasolt (2.42) összefüggés, a Niihara- Morena-Hasselmann (továbbiakban: NMH) szerzők által kidolgozott (2.43) egyenlet, illetve Shetty-Wright-Mincer-Clauer szerzők (továbbiakban: SWMC) (2.44) egyenlete. A korábbi tapasztalatok alapján ezek az összefüggések nem vezetnek azonos eredményhez, ezért a kísérleti munka során a vizsgált anyag törési szívósságának meghatározásához használandó legalkalmasabb összefüggés kiválasztásával a 4.2. fejezetben foglalkozom. Az ott bemutatott elemzések során megvizsgálom, hogy a kutatás során tanulmányozott MWCNT adalékolású szilícium-nitrid kerámiához hasonló kompozitok esetében a különféle szerzők által javasolt összefüggések közül melyik ígérkezik a legmegbízhatóbbnak? Szilárdsági vizsgálatok A kerámiák szilárdsági jellemzőinek meghatározásához az anyag mechanikai viselkedéséből adódóan azaz a rideg viselkedés miatt elsősorban a hajlító vizsgálatokat alkalmazzák. A hajlítószilárdság vizsgálatakor a próbatest állandó keresztmetszetű (kör, négyszög, vagy háromszög szelvényű), és felülete a vizsgálatnak megfelelően előkészített, R a 5 μm [106]. A hajlítószilárdság vizsgálata jellemzően kétféle módon történhet: három- és négypontos hajlítószilárdsági vizsgálattal. Hárompontos hajlítószilárdsági vizsgálat - Ennél a módszernél a próbatestet a ábra szerint két ponton alátámasztjuk és felülről a támaszköz középvonalában egy ponton terheljük. Az ábrán feltüntetett geometriai jellemzők, a próbatest méretei, valamint a támaszköz a hajlítószilárdságra vonatkozó szabvány [107] szerint előírt jellemző méretek. - Hárompontos hajlítás esetén a maximális húzófeszültség a próbatest alátámasztási oldalán ébred, amely lineárisan csökken a próbatest hossza mentén, annak mindkét vége felé, majd a próbatest végein, az alátámasztási pontokban nullára redukálódik. - A hárompontos hajlítószilárdság nem jellemzi olyan jól az anyagot, mint a négypontos, mivel az előbbinél a maximális húzófeszültséggel terhelt tartomány igen kicsiny, és ha az alátámasztás közelében élesebb feszültséggyűjtő hely található, mint a nagyobb terhelésű tartományban, akkor ott indul meg a repedés. - Emellett a kicsiny kritikus terhelésű tartomány miatt nagyobb a valószínűsége, hogy a törés nem az adott kerámia jellemző, abban általában meglévő, legveszélyesebb anyaghibából fog kiindulni, ezért a mért szilárdsági értékek jellemzően nagyobbak. 48

56 L/2 L/2 F 3,5 mm 5 mm F/2 F/2 R 50mm F F/2 F/2 f M hm M h ábra. A hárompontos hajlítóvizsgálat elvi vázlata [107] Négypontos hajlítószilárdság vizsgálat - A próbatest a ábra szerint alulról szintén két ponton van alátámasztva, és felülről két ponton adjuk rá a terhelést. A maximális húzófeszültség ez esetben a próbatest két terhelési pontja között, a húzott oldalon mérhető, majd pedig a próbák végei felé haladva lineáris csökkenést mutat. A maximális erőnek kitett felület és maga a maximális feszültség is jóval nagyobb, mint három pontos hajlítószilárdság esetén. F 20 mm F 3,5 mm 5 mm F/2 F/2 R 40 mm F F F/2 F/2 f M hm M h ábra. A négypontos hajlítószilárdság vizsgálat elvi ábrája [107] - A négypontos hajlítószilárdság esetében tehát jóval kiterjedtebb az a tartomány, amelyben maximális terhelés ébred, ezért nagyobb valószínűsséggel található benne a törés kiinduló helyéül szolgáló anyaghiba. 49

57 - Ezen túlmenően a hárompontos vizsgálathoz képest jóval kiterjedtebb kritikus terhelésű tartományban nagy valószínűsséggel megtalálható az adott anyagban előforduló legkedvezőtlenebb hibatípus is, ezért a vizsgált anyagra jellemzőbb és kisebb szilárdsági értékek adódnak. - Az elmondottakból az is következik, hogy a négypontos hajlítószilárdság vizsgálatnak a megbízhatósága és reprodukálhatósága is jobb. A hárompontos és négypontos hajlítószilárdságot a [107] szabványban feltüntetett képletek alapján, a következőképpen számítjuk ki: ahol ahol R 3 F L 2 BW, (2.47) max s h3 2 R h3 : hárompontos hajlítószilárdság, MPa; F max : a vizsgálat során mért maximális erő, N; L s : a támaszköz hossza, mm; W: a próbatest szélessége, mm; B: a próbatest vastagsága, mm. R 4 F L 2 BW max s h4 2, (2.48) R h4 : négypontos hajlítószilárdság, MPa; F max : a vizsgálat során mért maximális erő, N; L s : a támaszköz hossza, mm; W: a próbatest szélessége, mm; B: a próbatest vastagsága, mm. Fontos megjegyeznünk, hogy a négypontos hajlítószilárdságra vonatkozó (2.48) egyenlet kizárólag abban az esetben alkalmazható, amikor a nyomógörgők hatásvonala a támaszköz egynegyedére van a támasztógörgők hatásvonalától. A rugalmassági modulus meghatározása a hajlító vizsgálattal egy időben történik: a vizsgálat során felvesszük a próbatest erő-behajlás diagramját, amelyből a feszültégalakváltozás diagram származtatható. Ez utóbbi meredeksége a Hooke törvény értelmében a vizsgált anyag rugalmassági, vagy Young modulusa [108]: ahol E, (2.49) σ: a mechanikai feszültség, MPa; ε: a fajlagos alakváltozás, %. A kerámiák esetében jellemzően rendkívül kis alakváltozásokra számíthatunk a vizsgálat során, ezért megfelelő érzékenységű lehajlásmérő műszer szükséges az adatok rögzítéséhez Anyagszerkezeti vizsgálatok A vizsgált szilícium-nitrid kompozitok olyan többfázisú anyagok, amelynek mátrixa mikrokristályos, míg a hozzáadott MWCNT adalék szemcséi a nanoméretek tartományába esnek. Az anyagszerkezeti vizsgálatok során ennek megfelelően a vizsgálatok céljától függően olyan mikroszerkezet vizsgálati technikákra van szükség, amelyek kellő felbontásúak és megfelelő információt szolgáltatnak a vizsgált objektumról. A nanokristályos anyagok 50

58 jellemzően az nm mérettartományba eső krisztallitokból álló polikristályos anyagok. A különböző anyagcsoportoknál hagyományosan alkalmazott mikroszerkezet vizsgáló eszközök például optikai vagy pásztázó elektronmikroszkóp, fázisokat azonosító vizsgáló berendezések röntgendiffrackciós vizsgálatokat lehetővé tevő berendezések, illetve a fázisok közötti határfelületek vizsgálatára alkalmas transzmissziós elektronmikroszkópok mind a mikro- mind a nanorészecskéket tartalmazó minták esetében alkalmazhatók. Az egyes vizsgálati technikák részletes bemutatása meghaladja a disszertáció kereteit, ezért itt csak néhány megjegyzést teszek a különféle szerkezetvizsgáló módszerek nanoszerkezetű vagy nanofázisokat tartalmazó mikroszerkezetű anyagok esetén történő alkalmazásáról. Röntgendiffrakciós vizsgálatok: Nanokristályos anyagok röntgendiffrakciós vizsgálata során a fő nehézséget az okozza, hogy az egyes krisztallitok koherenciahossza néhány elemi cellahossztól a néhányszor tíz, száz cellahosszig terjed. Ezáltal atomi szerkezetük mind a hosszú távú rendezettséget mutató kristályos anyagokétól, mind a rövid távon rendezett üveges szerkezetű anyagokétól eltér [64]. A vizsgálatok során a kristályos fázisok röntgendiffrakciós azonosításakor a mért Braggreflexiók d értékét és intenzitását hasonlítjuk össze a már ismert anyagok referenciaértékeivel. Nanokristályos anyagok esetében azonban a reflexiók kiszélesednek, illetve problémát okoz az új, más módon nem képződő fázisok kialakulása, amelyek azonosítása nehézkes, vagy egyáltalán nem lehetséges a szükséges referenciaanyag hiányában [64]. Általánosságban megállapítható, hogy a nanokristályos anyagok szerkezetvizsgálatára nem ideálisak a diffrakciós módszerek. Az anyagban jelenlévő ismert gyakori fázisok azonosíthatók, de a nano-adalék révén keletkező új fázisok azonosítása nehézkes, vagy lehetetlen, illetve az alapmátrixszal reakcióba nem lépő nanorészecskék kimutatása is alig, vagy egyáltalán nem lehetséges. Pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatok: A pásztázó elektronmikroszkópos módszerek használata már a hetvenes években elterjedt Magyarországon. Míg a röntgendiffrakció segítségével az anyagban lévő fázisok azonosítására van lehetőség, addig a pásztázó elektronmikroszkóp inkább az anyag morfológiájáról ad felvilágosítást. A pásztázó elektronmikroszkópban általában a háromdimenziós képződmények, minták szekunder elektronokkal leképezhető felszínét vizsgáljuk az N ~ 10 -es nagyítástól a néhány es nagyításig terjedően, nagy mélységélességgel [109]. A pásztázó elektronmikroszkóp segítségével a kerámia kompozitok megfelelő töretfelületeiről információt kaphatunk a jellemző mikroszerkezetről, a felépítő krisztallitok alakjáról, szimmetriájáról, orientációjáról. Ezen kívül az anyagot alkotó fázisok elemanalitikai elemzésére is lehetőség van általában EDS használatával, vagyis a röntgensugár energiájának mérése által [109]. Transzmissziós elektronmikroszkópos vizsgálatok: A vizsgálat során az elektronok áthaladnak a mintán, feltárva ezzel a minták felületét és belső felépítését. Napjainkban a szerkezetvizsgálat egyik leghatékonyabb és legelterjedtebb eljárása a nagyfelbontású transzmissziós elektronmikroszkópia, ez teszi lehetővé a nanoszerkezetű anyagok részletgazdag szerkezeti és összetétel-vizsgálatát [64]. Az atomi felbontású képeket is szolgáltató technika révén lehetőség nyílik a kerámia mátrixú nanokompozitok esetében a mátrix és az adalékolt nanoszemcse közti határfelület jellegzetességeinek vizsgálatára is [109]. 51

59 3. Az értekezés részletes célkitűzése A szakirodalmi ismeretek áttekintése és értékelése alapján a továbbiakban a kutatómunkám részletes célkitűzése a következő feladatok megvalósítására irányul: 1. Elméleti kutatómunka a kopási folyamatokra vonatkozó terminológiai és rendszerezésbeli hiányosságok ellentmondások feloldására egy olyan új kopási osztályozási rendszer kidolgozása, amely alkalmas a kopási folyamatok jellemzése során használt, a szakirodalomban napjainkban még nem egységesen tárgyalt fogalmak, elsősorban a kopási mechanizmusok és kopástípusok egyértelmű azonosítására és osztályba sorolására; a javasolt új osztályozási rendszernek megfelelő csoportosításban a kopási mechanizmus és a kopástípus fogalmak korszerű, általánosabb érvényű definíciójának megadása; a kísérleti munka során vizsgálni kívánt Si 3 N 4 -MWCNT nanokompozitok törési szívósságának meghatározására leginkább alkalmas kiértékelő összefüggés kiválasztása elméleti megfontolások útján. 2. Kísérleti kutatómunka monolitikus és MWCNT adalékolású Si 3 N 4 alapú kerámia nanokompozitok tribológiai viselkedésének kísérleti vizsgálata, ennek során: a vizsgált anyagokon tribológiai vizsgálatok végzése két különböző block-onblock, valamint pin-on-disc módszerrel, különböző vizsgálati paraméterekkel (érintkezési mód, kenőanyag, abrazív szemcse, terhelőerő, vizsgálati sebesség); a kopási viselkedés széleskörű jellemzése különféle kvantitatív és kvalitatív jellemzők kopási tényező, súrlódási együttható, ellentest kopás, kopástermékek minőségi jellemzői, a károsodási folyamat során fellépő kopási mechanizmusok, kopási térképek segítségével; a kopási viselkedéssel összefüggésbe hozható mechanikai tulajdonságok keménység, Vickers-lenyomatos törési szívósság, hajlítószilárdság és rugalmassági modulus meghatározása; a tribológiai viselkedést alapvetően meghatározó anyagszerkezeti jellemzők elemzése: mikroszerkezeti és röntgendiffrakciós vizsgálatok elvégzése; a kísérleti eredmények alapján kapcsolat keresése a tribológiai mérőszámok és más mechanikai vagy anyagszerkezeti jellemzők között. A következő fejezetekben a fenti célkitűzésekben megfogalmazott feladatok megoldására irányuló, önállóan elvégzett elméleti és kísérleti kutatómunkám kerül bemutatásra. 52

60 4. Elméleti kutatómunka 4.1 A kopási folyamatok rendszerezése A különféle kopási károsodások a mérnöki szerkezetek tönkremenetelét okozó egyik leggyakoribb károsodási forma képviselői. Jelentőségüknél fogva tehát a kopási folyamatok elemzése, a kopási folyamatok modellezése és a bekövetkező károsodás mértékének becslése igen intenzíven kutatott tématerület, rendkívül gazdag szakirodalmi forrásanyag áll rendelkezésre. Ennek ellenére, amint arra a szakirodalom áttekintése és feldolgozása során a fejezetben utaltam, a különféle környezeti feltételek között, változatos geometriai és igénybevételi viszonyok mellett bekövetkező kopási károsodások szakirodalmi leírása nem egységes. A témával ismerkedő szakemberek tájékozódását az azonos szintű folyamatok eltérő tárgyalás- és leírásmódja, vagy az azonos kifejezések különféle értelmű használata nagyon megnehezíti A javasolt kopási osztályozási rendszer felépítése, elemei A témában tapasztalt értelmezésbeli és rendszerezésbeli ellentmondások feloldása, hiányosságok pótlása érdekében a DIN [54] szabvány terminológiáját felhasználva egy új, átfogóbb kopási osztályozási rendszer megalkotását tűztem ki célul. A rendszerezés alapja, azaz az elsődleges osztályozási elv a kopási folyamat során fellépő jellemző igénybevétel típusa volt, amelyet három alapvető kategóriába soroltam: mechanikai (M), termikus (T) és környezeti (K). Itt kell megjegyezni, hogy ezek közül az igénybevételek közül önmagában csak a mechanikai igénybevétel okozhat kopási károsodást, ezért célszerű az igénybevételek szerint egy további csoportosítás, amely szerint egyszerű az igénybevétel, ha pusztán mechanikai terhelés áll fenn, míg összetett, ha a mechanikai igénybevétel mellett termikus és/vagy környezeti terhelés is hozzájárul a kopási károsodás létrejöttéhez. Ilyen módon a 4.1. ábrán bemutatott osztályozási rendszer első oszlopában feltüntetett igénybevételi típusok, azaz M: mechanikai, M+T: egyidejű mechanikai és termikus, M+K: mechanikai és környezeti, illetve M+T+K: mindhárom terhelés együttes fennállása teljes körűen lefedik a kopási folyamatok során fellépő lehetséges igénybevételek típusait. Az igénybevételek típusán belül kopási mechanizmusokat különítettem el a kopási jelenség során lejátszódó, jellemző fizikai/mechanikai és kémiai folyamatok alapján. Eszerint háromféle kopási mechanizmust értelmeztem, a képlékeny alakváltozás által kontrollált, a ridegtörés által kontrollált, illetve a tribokémiai folyamatok által irányított kopási mechanizmust (lásd 4.1. ábra). A fentiekben megadott kopási mechanizmusokon belül kopástípusokat neveztem meg a kopási károsodás lejátszódása, megjelenése, és/vagy morfológiai jellemzői alapján. Ezek a kopástípusok a következők: - adhéziós-, - delaminációs-, - képlékeny-fáradásos-, - abrazív- (ezen belül kis igénybevételű két-test ill. nagy igénybevételű három-test abrazív-), - rideg-fáradásos-, - ütközéses-, 53

61 - olvadásos, - eróziós- (ezen belül szilárd részecskés, ill. iszap eróziós- és kavitációs), - diffúziós- - filmképződéses és - korróziós/ oxidációs kopástípusok. Igénybevétel típusa Kopási mechanizmus megnevezése Kopástípus megnevezése M Képl. av. által kontrollált kopás Adhéziós kopás Delaminációs kopás Képlékeny fáradásos kopás Abrazív kopás Rideg törés által kontrollált kopás Rideg fáradásos kopás Kis igénybevételű, két-test abrazív kopás Nagy igénybevételű, három-test abrazív kopás Ütközéses kopás M+T Képl. av. által kontrollált kopás Olvadásos kopás M+K Képl. av. vagy rideg törés által kontrollált kopás Eróziós kopás Szilárd részecskés kopás Iszaperóziós kopás Kavitációs kopás M+T+K Tribokémiai kopás Diffúziós kopás Filmképződéses kopás Korróziós kopás Oxidációs kopás 4.1. ábra. A tribológiai rendszer igénybevételeinek, kopási mechanizmusainak, kopástípusainak rendszerezése 54

62 4.1.2 A rendszeren belül értelmezett kopási mechanizmusok A fentiek szerint definiált kopási mechanizmusok általános jellemzői röviden az alábbiak: Képlékeny alakváltozás által kontrollált kopási mechanizmus A képlékeny alakváltozás által irányított kopási folyamatok a károsodás okát, és megjelenési formáját tekintve igen sokfélék lehetnek (lásd kopástípusok), azonban mindegyik típus közös jellemző vonása, hogy a felületi rétegben lejátszódó változások közül a legdominánsabb folyamat a képlékeny alakváltozás. Az érintkező felületek geometriai sajátosságainak megfelelően a képlékeny alakváltozás lokálisan, azaz az érintkező érdességi csúcsokon kialakuló legnagyobb terhelésnek kitett tartományokban következik be. Ez történhet például úgy, hogy a közel azonos keménységű/szilárdságú felületek súrlódása közben az egymással érintkező érdességi csúcsokon elhelyezkedő atomok lokálisan adhéziós kötést létesítenek egymással, és ezáltal helyileg kisebb összetapadt anyagrészek keletkeznek. Az összetapadt tartományokban a súrlódó párok relatív elmozdulása miatt képlékeny alakváltozás következik be, amelynek következménye fémes anyagok esetében köztudottan a szilárdság növekedése. Az érintkező felületek felszíni rétegének szilárdsága tehát megnövekszik a belső anyagrészekéhez képest, és a kisebb szilárdságú anyag belsejében szakadás (elnyíródás) jön létre. Az adhézióval feltapadt anyagrészek egyre kiterjedtebbé válnak, és a felkeményedett rétegek leválása súlyos felületi károsodásokhoz, berágódásokhoz is vezethet [50, 61, 62, 64]. Ez a típusú kopási károsodás, az adhéziós kopás elsősorban a fémes anyagoknál fordul elő. A delaminációs kopás a képlékeny alakváltozás által kontrollált kopási mechanizmusnak az erős kopás tartományában fellépő jellegzetes formája. Mikroszerkezeti sajátossága, hogy a felület egyirányú nyírása során egy új, erősen alakváltozott felületi réteg képződik, miközben a felszín alatti pórusok egybenyílnak; kiterjedésük megnő, ezáltal a felszín alatti különböző mélységben, azzal párhuzamosan repedések keletkeznek. Ha a repedésméret elér egy bizonyos kritikus értéket, pikkely-szerű kitöredezések keletkeznek, ezáltal kopási törmelék képződik [62]. Lim és Ashby [62] fáradásos repedésterjedésen alapuló kopási elméleteket alkottak. Feltételezésük szerint a fáradásos kopás során fellépő lokális képlékeny alakváltozásnak van ciklikus komponense, így korrelációs kapcsolat található a kopási ellenállás és a fáradási szilárdság között [50, 63, 64]. Ha az érintkező felületek között fellépő ciklikus elmozdulás amplitúdója korlátozott, pl. néhány mikrométer, a felületen keletkező képlékenyen alakváltozott réteg bent ragad az érintkezési felületen és roncsolódik. Ilyen kopási viszonyok között fretting kopástípusról beszélünk [61, 64]. Tribomechanikai filmképződéses kopás során a mechanikai igénybevétel hatására fellépő képlékeny alakváltozás miatt az érintkező felületek között a vizsgált minta saját anyaga filmszerűen elkenődik az érintkezési felületen, majd ez a filmréteg válik le az érintkezési felületről mint kopástermék. Olvadásos kopáskor az érintkező párok között a súrlódási felületen kialakuló hőmérséklet jóval magasabb, mint a környezeti hőmérséklet, ezért lokálisan, néhány négyzetmikrométer nagyságú területtől, akár az egész kopásnyomra kiterjedően a felületi anyagrészek megolvadhatnak és kenőanyagként funkcionálhatnak a további súrlódási folyamatban [62, 63, 64]. A keletkezett kis viszkozitású olvadékréteg jelentősen csökkentheti az elmozduló felületek közötti súrlódást és a kopási anyagveszteséget. Ezen túlmenően az olvadás okozta 55

63 halmazállapot változás az egyébként rideg viselkedésű anyagokban is megteremti a képlékeny alakváltozás lehetőségét. Az abrazív kopás amely mind képlékeny alakváltozás, mind rideg törési folyamat eredményeképpen létrejöhet megjelenésének oka a súrlódó párok közötti keménységbeli, illetve felületi érdességbeli különbség. Kis igénybevételű abrazív kopási folyamatok során a felületek érdességi csúcsai kerülnek kapcsolatba, de az érdességi csúcsok nem töredeznek le, hanem a keményebb anyag felületének kiálló csúcsai elmozduláskor barázdákat munkálnak a lágyabb anyag felületébe és mikroforgácsolás okozta ridegtöréssel anyagleválasztás történik. Ezt a súrlódási módot gyakran két-test abrazív kopásnak nevezik [50, 54, 61]. Nagy igénybevétel során fellépő abrazív kopási folyamatok során az alap- vagy ellentest érdességi csúcsainak törőszilárdságát túllépő feszültség következtében azok letöredeznek és abrazív részecskéket képeznek, ez a három-test abrazív kopás néven ismert kopástípus. A kétfajta anyagleválasztási mód inkább csak relatív fontosságában tér el egymástól, az anyagleválasztás módjában nem [50, 54, 61]. Ugyancsak három-test abrazív kopásról beszélhetünk, amikor az abrazív megmunkálást végző szemcsék nem a tribológiai rendszer fő elemeiről levált részecskék, hanem valamilyen köztes akár szándékosan hozzáadott nagy keménységű anyag szemcséi. Ilyen kopási folyamat zajlik például a különféle abrazív megmunkáló eljárások pl. polírozás során. Ridegtörés által kontrollált kopási mechanizmus A ridegtörés által kontrollált kopási mechanizmus főként olyan súrlódó párok esetében jelenik meg, ahol az egyik súrlódó fél jelentősen keményebb, mint a másik. A kopási folyamat során az anyagleválasztás a kemény érdességi csúcsok által történik a lágyabb anyag felületéről, illetve az egymáshoz szorított és egymáson elcsúszó súrlódó párok közé szorult már levált kemény törmelékrészecskék által. Folyékony vagy gáz halmazállapotú közeget szállító csővezetékekben, berendezésekben az áramló közeg és az általa szállított különféle anyagi részecskék változatos kopási formákhoz vezetnek. A felületbe nagy sebességgel becsapódó kemény, szilárd részecskék, amelyet az áramló gáz, vagy valamilyen folyadék sodor magával eróziós kopást okoznak. Az elnevezést leggyakrabban a gázáram által szállított szilárd részecskék okozta kopásra használják, és gyakran finomítják szilárd részecske erózió vagy szilárd részecske ütközési erózió elnevezésként, hogy megkülönböztethető legyen a folyadéksugár vagy folyadékcsepp által előidézett ütközési kopástípustól. A gázáram által szállított szilárd részecskék sebessége az eróziós kopás esetén általában m/s közötti, bár a kopástípus elnevezése alkalmazható ezen a tartományon kívül is. Ha a kemény abrazív részecskéket folyadék közeg sodorja magával a kopástípus elnevezése iszaperózió [50, 54, 61, 64]. Amennyiben maga az áramló folyadék ütközési energiája okozza az anyagleválást, akkor a fentiekben említett folyadékcsepp- vagy folyadéksugár erózió történik, ha pedig gőzbuborékok keletkezésével és összeroppanásával keltett nyomáshullámok okozzák az anyagleválást és kopást, akkor kavitációról beszélünk [50, 64]. Abban az esetben, ha két szilárd felület ütközik egymással, akkor a felületek károsodását ütközési kopásnak nevezzük [64]. 56

64 Tribokémiai kopási mechanizmus A tribokémiai kopási folyamat során a mechanikai igénybevétel mellett elsősorban az érintkező felületek között lejátszódó kémiai reakciók a meghatározók. A reakció létrejöhet úgy is, hogy csak az egyik súrlódó félben zajlik kémiai változás, pl. filmképződéssel, vagy az érintkező felületek között. Ez utóbbi esetben, ha környező közeg hatása elhanyagolható, akkor meghatározó lehet pl. a kémiai potenciálkülönbség és a hatására meginduló diffúziós kopás. Ha a kémiai reakció lejátszódásában a környezeti közeg hatása jelentős, akkor a köztes anyag kenőanyag, levegő, illetve egyéb korrozív közeg hatására bekövetkező korróziós kopásról beszélünk. Az előfordulásuk gyakorisága és jelentőségük szerint ebben az osztályban három típust emelek ki és ismertetek röviden. A súrlódási felületeken történő tribokémiai filmképződés olyan esetekben fordul elő, amikor a súrlódó testek elcsúszásakor keletkezett hő hatására a felületen új, önálló fázis/fázisok alakulnak ki, mintegy bevonatot képezve a súrlódó felületeken. A kialakuló réteg fizikai-, kémiai- mechanikai, stb. jellemzőitől függően a filmképződés és az azzal járó anyagveszteség nagymértékben módosíthatja a kopási károsodást irányító folyamatokat, vagy a kopás mechanizmusát, és a kopási sebességet. A fémből és ötvözetekből készülő súrlódó párok mellett ez a kopástípus gyakori jelenség a kerámiák körében, ahol a szinterelési adalékként hozzáadott üvegfázis, vagy a környezeti oxigénnel reakcióba lépve az alapanyag képez vékony oxid, vagy hidroxid filmréteget a felületen. Diffúziós kopás során a nagy hőmérséklet hatására a súrlódó párok között meginduló diffúzió atomokat von el valamelyik súrlódó test anyagából, amely ezáltal kémiailag és fémtanilag is megbomlik. A megváltozott összetételű és szerkezetű anyag kopásállósága megváltozik általában romlik ezáltal a kopás mértéke jelentősebb lesz. A folyamat gyakorlati jelentősége igen nagy a forgácsoló szerszámoknál. Például keményfém szerszám Co mátrixának atomjai a megmunkált acélba diffundálnak, így a szerszám kötőanyaga, a WC szemcséket összetartó Comátrix szétesik, és a kemény szemcsék a szerszám felületéből kitöredeznek. Hasonlóan a szerszám anyagának fogyását okozza, ha acélt gyémánttal, vagy TiC bevonatú szerszámmal munkálunk meg. Ilyenkor a C atomok a szerszám anyagából diffúzióval az acélba vándorolnak és a szerszám jelentős kopását, tönkremenetelét okozzák. Ha a környezeti közeg hatása is jelentős, akkor a jellemző kopástípus a korróziós kopás [50, 64]. A korróziós kopásos folyamatok általános mechanizmusa meglehetősen összetett, tehát a terminológia egy komplex károsodási folyamatot jelöl, amely több folyamatot foglal magába. Először súrlódással elemi tisztaságú, nagy reakcióképességű felületek keletkeznek, amelyeken a súrlódási hő hatására intenzív kémiai reakciók indulnak, ennek hatására új fázisok keletkeznek (esetleg filmképződéssel), amelynek kopási ellenállása gyengébb az alapanyagénál. A keletkezett fázis különféle kopási mechanizmussal ridegtörés, képlékeny alakváltozás, eltávozik a felületről, ezáltal anyagveszteséget, kopást okozva. Ha atmoszférikus oxigén a korrozív közeg, oxidációs-korróziós kopásról beszélünk. Ez a leggyakoribb és legjellemzőbb korróziós kopástípus. A kopási folyamat során rideg, szilárd oxid-vegyületek keletkeznek a felületen, amelyek a tribológiai igénybevétel hatására oxidporokként, oxid-rétegként letöredeznek. Bár kutatások azt is kimutatták, hogy az oxidok néhány esetben javítják az anyag kopási ellenállását [50, 63, 64], hiszen a keletkező oxid típusú nemfémes vegyületek általában nagyobb keménységűek, mint a kiinduló alapanyagok, azonban csak akkor kedvező a jelenlétük, ha a terhelés során az alapanyaggal összefüggő fázist alkotnak, és nem következik be rideg kitöredezésük. 57

65 4.1.3 A javasolt kopási osztályozási rendszer sajátosságai, alkalmazási előnyei, korlátai A megalkotott rendszer előnye, hogy tisztázva a kopási mechanizmusok és a kopástípusok közötti különbséget, világos, átlátható struktúrát kínál a tribológiai rendszer leírására, a legfőbb jellemző igénybevételeket alapul véve. A tribológiai rendszerben fellépő fő igénybevétel természetesen a mechanikai igénybevétel, de jelentős kopási anyagveszteséget és károsodást okoznak a mechanikai igénybevételhez társuló további termikus és/vagy környezeti igénybevételek is. Csak termikus, vagy csak környezeti igénybevétel, illetve a kettő kombinációja sem jelenhet meg önállóan a tribológiai rendszer jellemző igénybevételeként a mechanikai komponens nélkül, ahogyan ezt a 4.1 ábrán bemutatott osztályozás rendszer is bizonyítja. Nehezíti a felhasználást, hogy a kopás egy bonyolult folyamat, így a különböző igénybevételek hatására lejátszódó kopási mechanizmusok okozhatnak egyrészt önmagukban is károsodást, illetve kombináltan két, vagy akár mind a három jellemző kopási mechanizmus is megjelenhet egyszerre. A kopás rendszertulajdonság, így általánosan igaz a kopási folyamatokra, hogy bármely paraméter változtatása, maga után von(hat)ja a kopási viselkedés megváltozását is. Így például csupán a kopási úthossz, vagy a vizsgálati idő növelése a kopási mechanizmus, vagy a jellemző kopástípus megváltozásához vezet(het). Egy adott paraméterekkel végzett kopásvizsgálat esetén azonban mindig az uralkodó kopási mechanizmust, kopástípust adjuk meg, ami a legdominánsabban hozzájárul a károsodási folyamathoz, az anyagleválasztáshoz. Jelen fejezetrészben a szakirodalomban fellelhető kopási mechanizmusok és kopástípusok rendszerezését végeztem el, új alapokra helyezve az osztályozási struktúrát, amelynek alapelvét a tribológiai igénybevétel jellege szerinti osztályozás képviseli. Az igénybevételeken mechanikai, termikus és környezeti belül a rendszer három kopási mechanizmust képlékeny alakváltozás-, ridegtörés által kontrollált és tribokémiai kopás különböztet meg, amelyek az egyes kopástípusok által képviselt további alcsoportokra tagozódnak. Az egyes kopástípusok esetenként más mechanizmus(ok) dominanciája mellett is előfordulhatnak. A jelenlegi rendszerben elfoglalt helyük a legjellemzőbb előfordulásukat tükrözi. A rendszerezés előnye, hogy mind a kopási mechanizmusok, mind a kopástípusok struktúrája fejleszthető, ezáltal a rendszer bővíthető újabb kopási folyamatok, kategóriák beillesztésével. Ezen túlmenően a bemutatott struktúra gyakorlati jelentősége, hogy logikailag rendszerezett alapot szolgáltat a kopási mechanizmusok számszerű becsléséhez, matematikai modellek megalkotásához. 4.2 A Vickers lenyomatos törési szívósság empirikus összefüggésének elemzése A vizsgálati minták törési szívósságának kiértékeléséhez használt összefüggés kiválasztása Ponton és Rawlings [104] kísérleteket végeztek különböző minőségű kerámia próbatesteken a fémeknél szokásos, hagyományos törési szívósság vizsgálatokat, illetve Vickers-lenyomatos törési szívósság vizsgálatokat végezve. A kísérleti munkát befejezve összehasonlították a két különböző módszerrel, illetve a különböző összefüggések szerint kiszámított törési szívósság eredményeket. Ezeket alapul véve a Palmquist-típusú repedésgeometriát feltételező, a fejezetben bemutatott (2.41), (2.42), (2.43), és (2.44) egyenletekkel kapott eredményeket elemeztem olyan Ponton és Rawlings [104] által vizsgálat anyagok esetében, amelyek mechanikai tulajdonságaikban a leginkább hasonlítanak a saját 58

66 kísérleti munkában vizsgált anyagokhoz. Ennek megfelelően a [104] munkában található különböző összetételű TZP; TZP A; és TZP B ittrium-oxiddal stabilizált cirkónium-oxid kerámiák vizsgálati eredményeit (6-33 db mérés eredményei) használtam fel. A 4.1. táblázat a különböző összefüggésekkel kiszámított K c értékeket tartalmazza, illetve a Vickerslenyomatos K c törési szívósságok és a hagyományos módon meghatározott K Ic törési szívósság értékek -val jelölt %-os eltérését, ahol = (K c - K Ic )/K Ic ) 100%. A hagyományos törésmechanikai vizsgálatok például egy oldalon bemetszett hajlítópróba vizsgálata, stb. K Ic eredményéhez történő viszonyítás azért fontos, mivel ezeknek a vizsgálatoknak jobb a megbízhatósága, reprodukálhatósága, ezért egy új típusú, vagy bizonytalanabb mérési eljárás például a Vickers lenyomatos K c vizsgálat esetén megfelelő, a szakma által elfogadott viszonyítási alapul szolgálnak. A táblázatban szürke háttérrel utaltam a kétféle mérési eljárással meghatározott törési szívósságok legkisebb eltérését eredményező összefüggésekre a különböző anyagtípusoknál. A táblázat alapján megállapítható, hogy a Niihara által alkotott (2.41) elméleti összefüggés esetén adódott a legnagyobb eltérés, így ennek alkalmazásától a továbbiakban eltekintek. Szerző Egyenlet 4.1. táblázat. K c és K Ic értékek összehasonlítása a [104] irodalom alapján TZP A TZP B TZP K c, MN/mm 3/2, % K c, MN/mm 3/2, % K c, MN/mm 3/2, % N (2.41) 9,57±1,67* 1 9,03±1, ,35±0,38 34 L (2.42) 12,29±5, ,08±3,37 3 5,71±2,09 4 NMH (2.43) 6,98±1, ,61±0, ,36±0,28 3 SWMC (2.44) 8,24±1, ,74±0, ,37±0,38 16 * a számításoknál nem vehető figyelembe, hibás mintadarab. A fennmaradó három egyenlet közül a különböző TZP anyagminőségek és a vizsgálni kívánt MWCNT-vel adalékolt szilícium-nitrid nanokompozitok mechanikai tulajdonságainak minél nagyobb hasonlósága alapján választok, figyelembe véve mind az irodalmi adatok szerinti, mind a vizsgálati mintákon mért rugalmassági modulust, keménységet és ezek hányadosát, valamint a keletkező repedést jellemző c/a viszonyszámot. Az irodalomból vett mechanikai tulajdonságokat, illetve a kísérleti anyagok vizsgálati eredményeit a 4.2. táblázat tartalmazza, a tulajdonságok megadott értelmezés szerinti eltéréseit a 4.3. táblázat tünteti fel táblázat. A szakirodalmi adatok és a vizsgálati minták mechanikai tulajdonságai Adatok típusa Szakirodalmi adatok Anyagtípusok E, GPa HV, GPa c/a E/HV Forrás TZP A ,14 1,6 15,98 TZP B ,85 1,64 16,34 TZP ,15 2,26 15,78 Si 3 N 4 +0% MWCNT 252,98 12,18 3,08 20,77 [104] Saját mérések eredménye Si 3 N 4 +1% MWCNT 247,80 10,36 3,15 23,92 Si 3 N 4 +2% MWCNT 243,21 9,24 3,04 26,31 59

67 4.3. táblázat Eltérések a szakirodalmi (i) és a vizsgálati minták (v) tulajdonságaiban Az összehasonlított anyagpárok Vizsgált saját minta Szakir. minta Az összehasonlítás alapját képező eltérések, % Ev- E i 100% E i HVv- HV i 100% HV i c c - a v a i 100% c a i E E - HV v HV i 100% E HV i Javasolt összefüggés a 4.1. táblázat alapján Si 3 N 4 + 0% MWCNT Si 3 N 4 + 1% MWCNT Si 3 N 4 +2% MWCNT TZP A 16,99-7,88 48,05 23,06 SWMC TZP B 16,99-5,50 46,75 21,33 L TZP 16,99-7,96 26,62 24,03 NMH TZP A 15,25-26,83 49,21 33,19 SWMC TZP B 15,25-24,03 47,94 31,69 L TZP 15,25-26,93 28,25 34,03 NMH TZP A 13,65-42,21 47,37 39,26 SWMC TZP B 13,65-39,07 46,05 37,89 L TZP 13,65-42,32 25,66 40,02 NMH A 4.3. táblázat a szakirodalomban közölt anyagok és a vizsgálati minták mechanikai tulajdonságai közötti százalékos különbségeket adja meg. Egy-egy tulajdonság esetén a szakirodalmi összehasonlító anyagok közül kiválasztottam a legkisebb eltérést mutató anyagot, ezeket zöld színnel jelöltem. Amely anyagra a legtöbb zöld szín adódott, azt az anyagot vettem alapul a törési szívósságot kiszámító összefüggés kiválasztásához. Az összehasonlítás során nem adtak értékelhető adatot a rugalmassági modulus értékek, mert ezek minden irodalomból vett anyag esetében 210 GPa értékűek voltak. Minden általam vizsgált anyag esetében a legnagyobb hasonlóságot a mechanikai tulajdonságok tekintetében az irodalomban található TZP-B anyaggal találtam. Erre az anyagra a legmegbízhatóbb törési szívósság eredményeket a 4.1. táblázat eredményei alapján a Laugier féle összefüggéssel számított törési szívósság értékek adták. Az E és HV értékeken túlmenően a c/a értékeket is figyelembe vehetjük a 4.3. táblázatból, hiszen ezek az értékek jellemzik leginkább a törési szívósságot. A c/a értékek alapján a vizsgálati anyagaim pedig minden esetben a TZP jelű anyagminőséggel mutatnak legnagyobb hasonlóságot. A TZP anyagminőség esetén a 4.1. táblázat szerint az NMH és a Laugier összefüggés szolgáltatja a legmegbízhatóbb törési szívósság értéket a Vickers-lenyomatos módszer esetén. Így az a javaslat fogalmazható meg, hogy a kutatómunka során vizsgálni kívánt minták törési szívósság értékeit célszerűen a Laugier-féle (2.42) összefüggéssel határozzuk meg. 4.3 Az elméleti kutatómunka összegzése A dolgozat első részében áttekintett szakirodalmi anyagokat elemezve összefoglalóan megállapítottam, hogy a tribológiai folyamatok leírása és jellemzése a szakirodalomban jelentős változatosságot mutat és nem található olyan egységes elveken alapuló osztályozási rendszer, amely megfelelő alapot szolgáltatna a kísérletek során megjelenő tribológiai károsodási folyamatok egyértelmű azonosítására, osztályba sorolására. Ezért az elméleti kutatómunka első részében a szakirodalmi adatok feldolgozásával kísérletet tettem egy olyan önálló osztályozási rendszer létrehozására, amely az alapvető igénybevételekből kiindulva jellemző kopási mechanizmusokat és azon belül kopástípusokat különít el. A rendszerezés előnye, hogy a kopási folyamatok szisztematikus áttekintésén túlmenően bármely új, tribológiai szempontból fontos anyag esetén az osztályozás bővíthető, illetve több uralkodó mechanizmus jelenléte esetén világosan meghatározhatók mind a kopás mechanizmusa, mind a kopástípus. 60

68 Az elméleti kutatómunka második részében tekintettel arra, hogy a kísérleti munka során meghatározni kívánt Vickers lenyomatos K c törési szívósság kiértékelése jelentős mértékben függ az alkalmazott empirikus kiértékelő összefüggés típusától, ezért a vizsgálandó anyaghoz hasonló mechanikai tulajdonságú kerámiák törési szívósságának ilyen módszerrel meghatározott, szakirodalmi eredményeit elemeztem. Ennek eredményeként javaslatot tettem a kísérleti anyag esetében feltételezett Palmquist repedésgeometria esetén szóba jöhető kiértékelő összefüggések közül a Laugier összefüggés használatára. 61

69 5. Si 3 N 4 alapú kerámiák tribológiai viselkedésének kísérleti vizsgálata 5.1 A vizsgálati mintadarabok jellemzése A próbatestek kémiai összetétele, geometriai megjelenése A vizsgálati mintadarabokat a Magyar Tudományos Akadémia Természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet Kerámiák és Nanokompozitok Osztályán gyártották. A próbatestek kiinduló mátrix alapanyaga azonos összetételű szilícium-nitrid kerámia volt (gyártó: UBE Industries, Ltd., Japan, SN-E10). A referenciaként szolgáló monolitikus minta mellett két különböző 1, illetve 2 térfogat% szén-nanocsövet (MWCNT) tartalmazó mintát készítettek. A kiinduló alapanyagok pontos kémiai összetételét az 5.1. táblázat tartalmazza táblázat. A próbatestek pontos kémiai összetétele Kémiai összetétel Próbatestek jele Si 3 N 4 (térfogat%) Al 2 O 3 (térfogat%) Y 2 O 3 (térfogat%) szén-nanocső (térfogat%) 0% MWCNT % MWCNT % MWCNT A kiindulási porkeveréket Attritor malomban őrölték 5 órán keresztül vízben, percenkénti 3000 fordulatszámon. Szárítás után 100 μm szitaréssel rendelkező szitán átszitálták. A porok formázása 200 MPa nyomáson, hidegpréseléssel történt. A szinterelést 1700 C-on, 20 MPa nyomáson, nitrogén gázban végezték, 3 órán keresztül. A három különböző összetételű próbatestről készült fénykép az 5.1. ábrán látható. Az összes vizsgálati mintadarab két oldaláról készült felvételeket, illetve a minták egyéb jellemző adatait az 1. melléklet tartalmazza. a) b) c) 5.1. ábra A három különböző összetételű szilícium-nitrid próbatestről készült egy-egy felvétel (a) 0% MWCNT tartalom, b) 1% MWCNT tartalom, c) 2% MWCNT tartalom) A próbatestek elméleti és tényleges sűrűsége A vizsgálati mintadarabok jellemzéséhez hozzátartozik, különösen kerámia próbatestek esetében a relatív sűrűség értékének megadása, amely az elméleti és a ténylegesen mért sűrűség értékék különbözőségén keresztül a minták porozitásáról is információt szolgáltat. 62

70 A nanokompozitok elméleti sűrűsége az olyan anyag sűrűsége, amelyik egyáltalán nem tartalmaz mikroszerkezeti porozitást [5]. Értékét a vegyületek szabálya szerint az alábbi összefüggés segítségével adhatjuk meg [5, 110]: V, (4.1) elm i i i ahol ρ elm az elméleti sűrűség értéke, g/cm 3 -ben; ρ i az i-dik komponens sűrűsége g/cm 3 -ben; V i az i-dik komponens térfogati frakciója, %-ban. A vegyületek szabályának alkalmazásakor a különböző komponensek esetében az alábbi, 5.2. táblázat szerinti sűrűség értékeket használtam fel a számításokhoz: 5.2. táblázat. A mintadarabokat alkotó komponensek egyedi sűrűsége Komponens jele Sűrűség, [g/cm 3 ] Forrás Si 3 N 4 3,10 [5] Al 2 O 3 3,95 [5] Y 2 O 3 5,03 [111] MWCNT 2,10 [112] A vegyületek szabályán kívül megadhatjuk a mintadarabok úgynevezett bulk, vagy térfogatra vonatkoztatott sűrűségét is. Ennek értéke az értelmezés szerint a kerámia mintadarabnak, mint testnek azon sűrűsége, amely minden porozitást, rétegződési hibát, és az alkotó fázisok jellegét is figyelembe veszi [5], amelynek számításához egyszerűen a geometriai alak által meghatározott térfogat, V minta, illetve a mért tömeg, m minta értékeket használhatjuk fel: m minta elm t V. (4.2) minta A próbatestek tényleges sűrűségének meghatározása az Archimedes-i- elven alapszik. Ezt a jellemzőt kis porozitású (és nyílt porozitást nem tartalmazó) próbatestekre használjuk. A mérés a következő módon zajlik: egy elhanyagolható tömegű Ni-drótra felfüggesztjük a mintákat és felületaktív folyadékba (desztillált víz és néhány csepp mosogatószer keveréke) merítve megmérjük a sűrűségüket. A mérést megelőzően a terheletlen dróttal lenullázzuk a sűrűségmérő berendezésünket, majd ezt követi egy második, ellenőrző mérés. Amennyiben a próbatest nem tartalmaz nyílt porozitást, a két mért érték nem különbözik egymástól. A mintadarabok egyedi elméleti és tényleges sűrűség értékeit az 1. melléklet tartalmazza. Az egyes összetételekre jellemző átlagos elméleti és tényleges sűrűség értékeket valamint matematikai statisztikai jellemzőiket, továbbá a tényleges és az elméleti sűrűségek hányadosaként értelmezett relatív sűrűség értékeket az 5.3. táblázat tartalmazza. Mintadarab típusa 5.3. táblázat. A különböző összetételű minták elméleti és tényleges sűrűsége Elméleti sűrűség [g/cm 3 ] Tényleges sűrűség [g/cm 3 ] vegy. szab. "bulk"/térfogati sűrűség szerint átlag szórás var. e.[%] átlag szórás var. e.[%] Relatív sűrűség, % vegy. szab. szerint térf. sűrűség szerint 0% MWCNT 3,25 3,37 0,02 0,62 3,43 0,003 0,08 105,66 101,93 1% MWCNT 3,24 3,28 0,08 2,37 3,39 0,01 0,39 104,52 103,16 2% MWCNT 3,23 3,24 0,07 2,09 3,29 0,01 0,41 101,96 101,51 63

71 Az elméleti és a tényleges sűrűség értékek, valamint a belőlük származtatott relatív sűrűség értékek alapján az a megállapítás tehető, hogy a minták tényleges sűrűsége nagyobb, mint az elméletileg meghatározott érték. Ennek legvalószínűbb oka, hogy a minták kiinduló porának összekeverésekor egyéb fázisok is hozzáadódhattak a kiinduló keverékhez (pl. SiO 2 ). Sűrűbb fázis bekerülhet a porminták őrlésekor (pl. a ZrO 2 őrlőgolyóból), továbbá a nagyhőmérsékletű szinterelés során keletkezhettek olyan egyéb fázisok (pl. SiC, SiCN, SiAlON fázisok), amelyek az összetételt módosítva a sűrűségben is változást okoztak. Ezen új fázisok feltérképezése az fejezet feladata lesz A kísérleti munkához szükséges minimális mintaelem-szám meghatározása Előkísérleteket végeztem monolitikus Si 3 N 4 anyagokon és szén-nanocsővel erősített Si 3 N 4 alapmátrixú anyagokon. Az előkísérletek során nem volt lehetőségem nagyszámú próbatesten mérni, hogy illeszkedésvizsgálatot tudjak végezni. Az irodalmi adatok alapján azonban úgy gondolom, hogy ezek a jellemzők Weibull vagy normális eloszlást követnek, ezért a továbbiakban 3 próbát választottam a vizsgálatok elvégzéséhez. A kísérletek során 1-1 próbatesten tribológiai vizsgálatot, microvickers-keménységmérést, Vickers-lenyomatos törési szívósság vizsgálatokat és érdességmérést végeztem, illetve rendelkezésemre álltak a gyártótól kapott négy- és hárompontos hajlítószilárdságra valamint a rugalmassági modulusra vonatkozó mérési eredmények. Ezeknek az előkísérleteknek az eredményeit a tényleges kísérletsorozat megtervezéséhez használom fel. Az előkísérletek értékeléséhez matematikai statisztikai alapismereteket alkalmaztam. A kezdeti kísérleti munka háromféle összetételű Si 3 N 4 nanokompozit tribológiai vizsgálatára irányult, különböző terhelőerő alkalmazásával. A vizsgálatok első lépcsőjében csak a kísérleti minták összetétele és a tribológiai vizsgálatok során alkalmazott terhelőerő változik, a csúszási sugár, a csúszási úthossz, a vizsgálati sebesség, illetve a vizsgálati hőmérséklet állandó értékű marad, ahogyan azt az 5.4. táblázat fehér hátterű cellái jelzik. A kísérleti munka folytatásaként a további faktorok több szintjén is tervezek vizsgálatokat, azonban ez mindig csak egy faktor változtatását jelenti a kísérleti munka során, míg a többi tényező állandó marad. Ennek megfelelően elegendő egy vizsgálati beállításra meghatározni a szükséges próbatestek számát, így azt csak az 5.4. táblázat szerinti fehér celláknak megfelelő kísérleti beállításra terveztem meg. Ez a beállítás három különböző összetételű Si 3 N 4 nanokompozit különböző terhelőerő alkalmazásával történő tribológiai vizsgálatára irányult, tehát a két faktor három szintjének kombinációjából következően 3 2 = 9 kísérleti beállítást terveztem, minden kísérleti beállításnál háromszor ismételve a vizsgálatokat. Így összesen 27 tribológiai kísérleti eredmény várható a kísérletek első lépcsőjében, ami még a passzív kísérleti módszer alkalmazásával értékelhető táblázat. A faktorok és a faktorok szintjei a tribológiai vizsgálatok során Faktorok A faktorok szintjei 1. szint 2. szint 3. szint Összetétel, % CNT Csúszási sugár, mm 3 Csúszási úthossz, m 100 Terhelőerő, N Vizsgálati sebesség, mm/s Vizsgálati hőmérséklet, C 25 64

72 A tribológiai viselkedés jellemzését kiegészítő további mechanikai vizsgálatok négy- és hárompontos hajlítószilárdság mérés, rugalmassági modulus mérés, microvickers keménységmérés, Vickers-lenyomatos törési szívósság vizsgálat tervezésekor szintén eltekintettem a faktoriális kísérlettervezéstől, mivel minden mérési módszer esetén csak egy kísérleti beállítást terveztem. A kísérletek tervezéséhez az előkísérletek eredményeit statisztikai módszerekkel elemeztem. Két különböző összetételű minta mechanikai vizsgálatai során kapott eredmények eltérésének szignifikanciáját vizsgáltam t-próba, Welch-próba, illetve ahol a kísérletek száma lehetővé tette Wilcoxon-próba segítségével. Az elemzett két különböző összetételű minta a MONO jelölésű 0% MWCNT tartalmú és a 3% MWCNT tartalmú minta volt [113]. Az előkísérletek eredményei, amelyeket a 2. melléklet tartalmaz, azt mutatják, hogy a tribológiai, a törési szívósság, és a négypontos hajlítószilárdság eredmények tekintetében nincs szignifikáns eltérés a két különböző összetételű minta esetén, míg a keménységmérés, a hárompontos hajlítószilárdság és a rugalmassági modulus eredmények szignifikáns eltérést mutatnak. Ez az ellentmondás a tribológiai vizsgálatok esetében feltehetően a kis terhelőerővel (5N) magyarázható, amely nem okozott jelentős kopást a két anyagtípusban, ezért a köztük lévő lehetséges eltérés sem mérhető nagyságú. A kapott kopási mérőszámok rendkívül nagy szórása (lásd 2. mellékletben a V W értékek variancia együtthatóját) is arra utal, hogy a kikopott térfogatok V W értékének meghatározása túlzottan bizonytalan volt. A törési szívósság értékek bizonytalanságában részben a repedéskeletkezés és terjedés statisztikus jellege, a befolyásoló tényezők nagy száma, a lokális hatások, szerkezeti inhomogenitások, anyaghibák dominanciája, valamint a kiértékelő összefüggés típusa játszik meghatározó szerepet. A szilárdsági mérőszámok esetében az igen kicsi (2) mintaelem-szám miatt a szignifikancia vizsgálatból nem célszerű következtéseket levonni. A különböző számítási képletek segítségével meghatározható minimális mintaelemszámot, minden, a rendelkezésemre álló összefüggés segítségével kiszámítottam. Általánosan megállapítható, hogy a várható érték alapján történő számítási mód mindkét esetben a legkisebb szükséges mintaelem-számot adta meg, illetve mindkét összefüggés segítségével ugyanazon minimálisan szükséges mintaelem-számot kaptam. A szórás, illetve a variancia alapján meghatározott minimális mintaelem-szám minden esetben nagyobb. Ez érthető is, hiszen, ha ugyanazon a megbízhatósági szinten szeretnénk a szórás, vagy a variancia alapján a minimális mintaelem-számot megbecsülni nyilván több mérési eredményre lenne szükség, mintha mindezt a várható érték alapján szeretnénk megtenni. A kísérleti munka alapvető célja a minták tribológiai viselkedésének jellemzése, ezért a minimálisan szükséges próbatestek számát a tribológiai vizsgálatokhoz minimálisan szükséges próbatestek mennyiségével azonosítom. A statisztikai kísérlettervezés 2. melléklet eredményei alapján a tribológiai vizsgálatok esetében egy beállításhoz legalább 2,27 db minta, mérési eredmény szükséges. Ez azt jelenti, hogy egy beállításhoz 3 db párhuzamos mérés szükséges. Ez a szám megegyezik az ISO as szabványban [73] tett javaslattal. Fontos megjegyezni, hogy egy-egy próbatesten a minták geometriájából ( =27 mm, v=2,7 mm) és a mérés jellegéből adódóan nemcsak egy, hanem több mérés is elvégezhető, vagyis kevesebb próbatesttel is megoldható a vizsgálat. A további mechanikai vizsgálatok tervezésekor a tribológiai kísérletek során elemzett próbatestek tulajdonságainak minél szélesebb körű feltérképezése a cél, ezért ezeket a vizsgálatokat is elvégzem a tribológiai mérések során elemzett próbatesteken. A további vizsgálatokhoz egy-egy próbatesten szükséges mérések minimális számát szintén tartalmazza a 2. melléklet. A statisztikai tervezés szerint a microvickers keménységmérés, illetve a 65

73 Vickers lenyomatos törési szívósság vizsgálat 95%-os megbízhatósági szinten történő meghatározásához minimum 5 db mérés szükséges, míg a hajlítószilárdsági vizsgálatokhoz négypontos és hárompontos hajlítószilárdság, rugalmassági modulus 2-2 mérés szükséges minimálisan. Itt szeretném megjegyezni, hogy a szilárdság és a rugalmassági modulus mérése, a mérés sajátosságából adódóan a tribológiai mintákétól eltérő geometriájú (4,9 3,2 49,1 mm, EN 843-1), de azonos gyártási sorozatban és összetételben gyártott próbatesteken történt, és az itt leírtak adnak magyarázatot a szignifikancia vizsgálatnál említett kicsiny, (2 elemű) minták használatára. A műszaki kerámiák, különösen az általam is vizsgált nanokompozitok rendkívül költséges anyagok, így azok vizsgálatakor minden esetben törekszünk a statisztikailag megengedhető minimális próbatest szám használatára A kísérleti mintadarabok felületének előkészítése A műszaki kerámiák elterjedésével egyre jelentősebb szerephez jut a különböző anyagvizsgálati módszerek esetében, különböző módon előkészített felületek elemzése, elkészítési módja. Néhány esetben a kerámiák és kerámia kompozitok felületének előkészítésére vonatkozó gyakorlati tapasztalatok hiányosak, illetve a fémeknél alkalmazott módszerek nem vezetnek sikerre. A legfrissebb kísérleti tapasztalatok a gyémántszemcsés termékek abrazív anyagleválasztási technikáját alkalmazzák automata csiszoló-polírozó berendezések segítségével, jó ismételhetőséggel. Az egyes vizsgálatok kivitelezésétől, az elemezni kívánt információ jellegétől függően a kerámia és kerámia kompozit anyagok felületét azonban eltérő módon szükséges előkészíteni [114]. A felület előkészítése mindig több lépcsőből álló folyamatot jelent, amelynek során csiszolási és polírozási lépések követik egymást, egyre finomodó szemcseméretű abrazív korongok vagy abrazív szuszpenziók alkalmazásával. A napjainkban egyre több típusban megjelenő kompozit, nanokompozit kerámiák felületének megfelelő előkészítésére a különböző szakirodalmak és előírások egyelőre nem tartalmaznak ajánlásokat. A kutatómunka során vizsgált szén-nanocsövekkel adalékolt szilícium-nitrid nanokompozit kerámiák felületelőkészítési programjának tervezésekor figyelembe vettem a [114] munka Si 3 N 4 kerámiákra, a Si-SiC-C kerámia kompozitokra vonatkozó ajánlásait, és elkészítettem egy saját felületelőkészítési programot, amelyet mind a nanokompozit, mind a monolitikus Si 3 N 4 minták esetén alkalmaztam, az azonos felületminőség elérése érdekében. A javasolt program lépéseit, az alkalmazott csiszoló korongok típusát, az azon lévő abrazív szemcsék anyagát és szemcseméretét, valamint az alkalmazott szuszpenziók típusát és a benne lévő abrazív szemcseméretét az 5.5. táblázat tartalmazza. 66

74 5.5. táblázat. A mintadarabok felületének előkészítésére használt csiszoló-polírozó program Lépés Abrazív szemcse típusa mérete, μm Szuszpenzió adaléka Kenő-hűtő anyag Terhelőerő, N Ford. szám, 1/min. Idő, min. míg sík 1. Gyémánt 68 - víz 40 lesz Csiszolás 2. Gyémánt víz zöld 3. Kompozit - 9 μm gyémánt 40 korong: 300, 10 kenőanyag minta: 240 Finom zöld μm gyémánt Polírozás Polírozó kompozit kenőanyag ,04 μm ZrO kendő A felületelőkészítés során alkalmazott berendezés Labo-Pol 21-típusú, LaboForce 3 motoros fejjel ellátott félautomata csiszolóberendezés volt [115]. 1. lépés: (MD Piano 220 korong) A felületelőkészítés 1. lépésében alkalmazott abrazív korong 68 μm szemcsenagyságú gyantával kötött polikristályos gyémánt szemcséket tartalmazó csiszoló korong. A nagy szemcseméret miatt ezt a korongot a síkracsiszolás lépéseként célszerű használni, a gyártásból fakadó nagyobb felületi egyenetlenségek kisimítása, lecsiszolása érdekében. Elsősorban HV közötti keménységű anyagokra alkalmazható. A csiszolási művelet vízhűtést igényel. Csiszolás után a felületen karcok marad(hat)nak vissza, ez természetes jelenség, amelynek hatását a következő lépések során csiszolással, illetve polírozással csökkentjük. 2. lépés: (MD Piano 600 korong) Az μm-es szemcsenagyságú polikristályos gyémánt abrazív szemcséket gyantába ágyazva tartalmazó korong szintén HV közötti keménységű anyagok esetén alkalmazható. A korong használatakor szintén vízhűtés szükséges. A csiszolás időtartama itt már szabályozott, így ettől a csiszolási lépéstől kezdve már információt kaphatunk az anyag abrazív igénybevétel során tanúsított kopásáról is. Általánosságban elmondható, hogy az ilyen csiszoló tárcsán előkészített próbatest közvetlenül továbbvihető elektropolírozásra, illetve a minta felülete alkalmas mikrokeménység meghatározására. Nanokompozitok esetében azonban folytatni kell az előkészítési programot további, egyre finomodó szemcseméretű abrazív anyagokkal. 3. lépés: (MD Allegro korong, 9 μm DiaPro Allegro/Largo szuszpenzió, zöld színű hűtőkenőfolyadék) A kompozit korong epoxi gyantában kötötten tartalmaz csiszoló szigeteket, amelyek max. 60% réz, max. 25% vas és max. 5% amorf szilícium-dioxid részecskét tartalmaznak. A csiszolókorong gyémánt szemcséket tartalmazó szuszpenzióval használható a 150 HV-nél nagyobb keménységű anyagok felületének előkészítésére, egy lépésben finom csiszolás céljára, vagy kiegészítve MD Largo koronggal, a még finomabb szemcsével történő csiszolás érdekében. Az 9 μm-es gyémánt abrazív szemcséket tartalmazó szuszpenzió folyamatos adagolásának köszönhetően a felület finom csiszolása viszonylag rövid időn belül elvégezhető. 67

75 4. lépés: (MD Largo, 3 μm DiaPro Largo szuszpenzió, zöld színű hűtő-kenőfolyadék) A polírozás első lépésénél használatos kompozit korong szintén epoxi gyantában kötötten tartalmaz finom csiszoló, polírozó szigeteket, amelyek kifejezetten rideg, törékeny anyagok polírozására szolgálnak, 3 μm-es gyémánt szemcséket tartalmazó szuszpenzió folyamatos adagolása mellett. A finom csiszolást követően a keletkező felület optikai mikroszkóppal vizsgálva teljesen karcmentes. 5. lépés (MD-Nap, 0,04 μm OP-S szuszpenzió) A polírozás befejező lépéseként, a nanokompozitok tükörsima felületének biztosítása érdekében polírozó kendő használható. Ez a lágy, bolyhos műselyem-viszkóz szálakat tartalmazó kendő lehetővé teszi nagy mennyiségű polírozó szuszpenzió és kenőanyag tárolását, biztosítva a gyémánt vagy oxid szemcsékkel történő polírozást. A polírozáshoz 0,04 μm-es szemcsenagyságú ZrO 2 szemcséket tartalmazó szuszpenziót használtam. Ez a több lépésből álló felületelőkészítési folyamat a fél-automata csiszoló-polírozó berendezésen elvégezve egy jól kontrollálható abrazív koptatási folyamatnak is tekinthető. Így amellett, hogy a minták felületének a további vizsgálatokhoz keménységmérés, törési szívósság vizsgálat és pin-on-disc tribológiai vizsgálat megfelelő előkészítése volt az elsődleges cél, minden egyes csiszolási, illetve polírozási lépést követően jellemeztem a mintákat tribológiai szempontból is, amelyet részletesen az fejezet tartalmaz. A felületelőkészítő program végén a minták érdességi jellemzői, amelyek a későbbi tribológiai vizsgálatok kiinduló érdességi jellemzőiként szolgálnak az 5.6. táblázatban, illetve 5.7. táblázatban feltüntetett értékek szerint alakultak: 5.6. táblázat. A kiinduló minták kétdimenziós érdességi értékei Próbatest R a, nm R z, nm P, μm, ha R mr =50% P, μm, ha R mr =100% 0% MWCNT 13,95 82,8 0,24 0,63 1% MWCNT ,71 0,51 0,80 2% MWCNT ,42 0,27 0, táblázat. A kiinduló minták háromdimenziós érdességi értékei Próbatest S a, μm S z, μm S mc, μm, ha S mr =50% S mc, μm, ha S mr =100% 0% MWCNT 1,94 23,24 0,007 8,19 1% MWCNT 4,6 26,92 0,057 13,17 2% MWCNT 1,92 81,71 0,232 7,38 A kétdimenziós érdességi mérőszámok meghatározásához 3-3 db profil, illetve anyaghányad görbe eredményét használtam fel. A profilok mérőhossza 3 mm volt, míg a háromdimenziós mérőszámok meghatározásához 2 2 mm 2 -es letapogatott felületen mérhető eredményeket használtam fel. A felvett profilokat, anyaghányad görbéket, illetve a letapogatott felületek topográfiáját a 3. melléklet tartalmazza. A mérési eredmények alapján a hagyományos érdességi mérőszámok (R a, R z ) értékei megfelelőek a további mechanikai vizsgálatok céljára, tehát a felület előkészítése sikeresnek mondható. Érdekes jelenség, hogy a mérőszámok a szén-nanocső tartalom növekedésével növekvő tendenciát mutatnak. Az adott R mr hordozóhossz értékekhez tartozó P mélység értékek az 1% MWCNT tartalmú minták esetében nagyobbak, mint a monolitikus mintáknál, ugyanakkor a 2% MWCNT tartalmú minták esetében ismét kisebbek lesznek. 68

76 A háromdimenziós érdességi mérőszámok esetében jóval nagyobb értékek adódtak az S a, S z és a 100% hordozóhosszhoz tartozó S mc értékekre, amelyek az R a, R z és P kétdimenziós mérőszámok megfelelő párjai. Ennek kapcsán felmerül a kérdés, hogy a kétdimenziós mérés alapjául szolgáló 3 profilból, vagy a háromdimenziós mérésnél figyelembe vett több száz profil által meghatározott felület alapján nyert mérőszámokat célszerű a kiinduló felületminőség jellemzésére használni. A szén nanocső-tartalom változásával a két- illetve háromdimenziós mérőszámok változásának tendenciája csupán az R z -S z egyenetlenség magasság, illetve a 100% hordozóhosszhoz tartozó P-S mc értékeknél egyezik meg. 5.2 Tribológiai vizsgálatok A kísérleti munka legfontosabb vizsgálati módszerei a tribológiai vizsgálatok, amelyek két részre oszthatók. Az első vizsgálati módszer a block-on-block, vagyis korong a tárcsán elrendezésű vizsgálat kivitelezése során egy egyszerű félautomata csiszoló polírozó berendezést használtam, különböző szemcseméretű abrazív korongokkal és különböző szemcseméretű gyémánt szuszpenziókkal, megvalósítva így kenőanyag jelenlétében végzett két-testes valamint három-testes abrazív tribológiai vizsgálatokat. A csiszoló-polírozó berendezés alkalmazásának alapvető célja természetesen a próbatestek felületének előkészítése volt a tervezett pin-on-disc típusú tribológiai és egyéb mechanikai vizsgálatokhoz. A felületelőkészítés során azonban felismertem, hogy ha az egyes vizsgálati lépcsők után kopási jellemzőket határozunk meg, akkor a felület előkészítésből egy block-on-block elvű tribológiai vizsgálat születhet. Az elvégzett tribológiai vizsgálatok másik típusa a jóval pontosabb, illetve a súrlódási együttható mérésére is alkalmas pin/ball-on-disc elvű elrendezésnek megfelelő vizsgálati módszer volt. A különféle paraméterekkel végzett vizsgálatok során elemeztem a szokásos tribológiai jellemzőket súrlódási együttható, kopási tényező, illetve ezek kapcsolatát más mechanikai anyagjellemzőkkel. Ezen túlmenően az egyes tribo-rendszerekben az általam javasolt osztályozási elvnek megfelelően azonosítottam a jellemző kopási mechanizmusokat, illetve kopástípusokat Block-on-block / korong a tárcsán tribológiai vizsgálatok A block-on-block elvű tribológiai vizsgálatok kivitelezéséhez LaboPol 21-es típusú félautomata csiszoló-polírozó berendezést használtam. A mérések során mindhárom összetétel esetén ugyanazon koptatási lépésekben koptattam a minták felületét, összetételenként 3-3 mintán. A vizsgálati paramétereket az 5.5. táblázat tartalmazza. A felületelőkészítést, mint koptatóvizsgálati módszert az 5.5. táblázat szerinti 2-5 lépésekben alkalmaztam, a feltüntetett paraméterekkel. A táblázat szerinti 2. lépés megfelel egy két-testes abrazív koptatásnak kenőanyag alkalmazásával, míg a 3-5. lépések az érintkezési felületek közé adagolt különböző szemcseméretű abrazív szuszpenziónak köszönhetően három-testes abrazív koptatást valósítanak meg, szintén kenőanyag jelenlétében. A csiszolási művelethez tartozó 2. és 3. lépéseket követően, illetve a polírozási művelethez tarozó 5-ös lépést követően megmértem a minták tömegét, meghatároztam a felületi érdességi paraméter változását, illetve pásztázó elektronmikroszkóp segítségével meghatároztam az uralkodó kopási mechanizmus jellegét a különböző összetételek esetében. A kikopott térfogat meghatározásán túlmenően a kopási tényező számításához szükséges a koptatás alatt megtett úthossz ismerete. A korong a tárcsán tribológiai elrendezés esetén a 69

77 próbatest által megtett út megadása a különböző forgási sebességgel, egy irányban forgó korongok adott idő alatt bonyolult ívhossz mentén megtett úthosszának kiszámításával lehetséges. A tribológiai vizsgálati eredmények megadása előtt bemutatom a vizsgálati idő alatt megtett út, vagyis a kopási úthossz meghatározásának módszerét. A block-on-block tribológiai vizsgálat sematikus ábrázolása az 5.2. ábrán látható. Jól megfigyelhető a csiszolt mintadarab helyzete a mintatartóban és a korongon. A minta középpontjának mozgása nem adható meg egyszerűen, kiszámítása jelentős matematikai apparátust igényel. A számításhoz tartozó részletes levezetést a 4. melléklet tartalmazza. A próbatest középpontjának elmozdulása két azonos irányú, de különböző fordulatszámú lásd 5.5. táblázat egymáshoz képest eltolt forgástengelyű és eltérő sugarú tárcsa egyenletes forgómozgásának szuperpozíciójaként jön létre, ún. hipociklois görbét leírva ábra. A block-on-block tribológiai vizsgálat sematikus ábrája A két egyenletes forgómozgás eredőjének analitikus leírásához használható vázlat az 5.3. ábrán látható ábra. A minta középpontjának mozgása Az ábrán használt jelölések: : a mintatartó forgástengelye és a korong forgástengelye közötti távolság; : mintatartó középpontja és a minta középpontja közötti távolság; : a csiszolókorong szögsebessége; : a mintatartó szögsebessége. 70

78 Az alkalmazott csiszolóberendezésen megvalósított block-on-block tribológiai vizsgálat adott geometriai és mozgásviszonyait figyelembe véve a 4. mellékletben bemutatott numerikus számításokat elvégeztem az alábbi peremfeltételekkel: - a mintatartó forgástengelye és a korong forgástengelye közötti távolság: R = 80 mm; - a mintatartó középpontja és a minta középpontja közötti távolság: r = 30 mm; - block-on-block tribológiai vizsgálat időtartama: t = 600 s; - az abrazív korong fordulatszáma, n R = 300 1/min; - a mintatartó fordulatszáma, n r =240 1/min; A számítások során meghatároztam a minta középpontjának az abrazív koptató korongon megtett ívhosszát, vagyis a kopási úthosszat. A számítások eredményeképpen a 2-4. vizsgálati lépések során 10 perc alatt 1542,09 m-et tesznek meg a próbatestek, míg a záró polírozási lépésben 5 perc alatt 771,05 m-et. Az 5.4. ábra szemléletesen ábrázolja, hogy a minta középpontja milyen görbét ír le egy teljes körbefordulás alatt az idő függvényében az XY síkon. A megjelenített pontok a mintadarab középpontjának pozícióit jelzik a csiszolókorong 30 -os elfordulásának hatására. Az ábra jobb szélén megjelenített árnyékolt pont jelzi a kezdeti és a végső pozíciót ábra. A csiszolt minta középpontja által leírt görbe Ezek után a tribológiai vizsgálat számszerű eredményeit foglalom össze. Az 5.5. táblázat 2-5. lépéseinek megfelelő műveletek után mérhető tömegveszteség, illetve a kikopott térfogat és az úthossz figyelembevételével számított átlagos kopási tényező értékeit az 5.8. táblázat tartalmazza, illetve az 5.5. ábra szemlélteti. A részletes eredmények és azok matematikai statisztikai jellemzői az 5. mellékletben találhatók. A vizsgálatok során alkalmazott terhelőerők hatására a teljes felületen történő érintkezés következtében csekély felületi nyomás ébred, 10-5 GPa nagyságrendben. 71

79 k t, mm 3 /Nm Próba típusa 5.8. táblázat. A korong a tárcsán tribológiai vizsgálat eredményei Átlagos kopási tényező, k t mm 3 /Nm a megadott vizsgálati lépcsőt követően 2. lépés 3. lépés 4-5. lépés; μm kötött gyémánt szemcse 9 μm szabad gyémánt szemcse 3 μm gyémánt és 0,04 μm ZrO 2 szabad szemcse 0% MWCNT 0,83E-05 28,9E-05 0,38E-05 1% MWCNT 5,39E-05 26,8E-05 1,23E-05 2% MWCNT 3,15E-05 38,7E-05 1,37E-05 6,0E-05 4,0E-05 2,0E-05 0,0E μm-es koptatás 9 μm-es koptatás 2% MWCNT 1% MWCNT 0% MWCNT 3 és 0,04 μmes koptatás 5.5. ábra. Korong a tárcsán tribológiai vizsgálat kopási tényező értékei a különböző összetételű mintákon A tömegmérés eredményei alapján a vizsgálati minták abrazív kopási ellenállása és az MWCNT adalék mennyisége közötti kapcsolat tendenciája nem határozható meg egyértelműen. A 2. és a 4-5. lépéseket követően a monolitikus minta rendelkezett a legkisebb kopási tényezővel. A minták MWCNT tartalmának 1%-ra növelése ugyanezen 2. és 4-5. lépésekben a kopási tényező növekedését okozta, míg 2%-os MWCNT tartalom a 2. lépésben csökkentette, a 3. és 4-5. lépésekben növelte a kopási tényező értékét az 1% MWCNT tartalmú mintához képest. A monolitikus vizsgálati minta eredményeit összehasonlítva a 2% MWCNT tartalmú minta eredményeivel az abrazív kopási ellenállás csökkenése állapítható meg az MWCNT tartalom növekedésével. A 3. vizsgálati lépcsőben 9 µm szemcseméretű abrazív gyémánt tartalmú szuszpenzió alkalmazásakor jóval nagyobb anyagleválasztás figyelhető meg, mint a másik két lépcső esetében, feltehetően az eltérő kopási mechanizmus miatt. A kopási tényezők értéke alapján a kopás az erős kopás tartományába tartozik. Míg a 2. vizsgálati lépcsőben, két-testes abrazív kopás jelent meg, ahol a letöredező érdességi csúcsok a víz, mint kenőanyag jelenlétében kikerülnek az érintkezési felületről, addig a 3. lépcsőben három-testes abrazív kopás valósul meg, ahol a folyamatosan hozzáadott szuszpenzió állandóan jelen lévő nagy keménységű, nagy kopásállóságú abrazív szemcsét eredményez az érintkező felületek között. A polírozás során, a 4-5. lépésben az anyagleválasztás nem jelentős. 72

80 A tömegmérés eredményei és azok statisztikai jellemzői lásd 5. melléklet alapján megállapítható, hogy a tömegmérés módszere önállóan nem megfelelő módszer a vizsgált kerámia anyagok kopási folyamatának jellemzésére a nagy variancia együttható miatt. A pontosabb kopási jellemzők meghatározása érdekében a kopott felületek érdességi jellemzőit is meghatároztam. A vizsgált R a, és R z eredmények az 5.6. ábrán, és az 5.9. táblázatban láthatók. Az érdesség változását minden vizsgálati lépést követően megmértem a 2-5. lépések között. Az érdességmérést az első négy lépcső esetében érintőtűs, kétdimenziós profilométer segítségével végeztem, azonban az érdesség paraméterek változása az ötödik lépcsőtől kezdődően csak nagyobb érzékenységű, konfokális, háromdimenziós felületvizsgáló berendezéssel volt lehetséges. Az érdességmérési eredmények alapján megállapítható, hogy minden alkalmazott abrazív kopásvizsgálatot követően a növekvő MWCNT-tartalmú minták átlagos érdességi eredményei nagyobbak voltak, mint a monolitikus szilícium-nitrid minta vonatkozó értékei. Az R a átlagos érdesség értékek az egyre finomodó abrazív szemcsékkel végzett vizsgálatoknak megfelelően egyre kisebb értékeket vettek fel ábra. Érdességi paraméterek változása a block-on-block vizsgálat egyes lépcsőiben 5.9. táblázat. Az érdességi értékek változása a különböző abrazív szemcsékkel végzett block-onblock vizsgálatokat követően Minta 0% MWCNT 1% MWCNT 2% MWCNT Érdességi paraméter Az érdességi jellemzők átlagos értéke, a megadott vizsgálati lépcsőt követően, nm 2. lépés 3. lépés 4 lépés 5. lépés R z 918,33 344,67 534,67 82,80 R a 121,00 77,00 87,97 13,95 R z 889,00 753,00 627,67 151,71 R a 131,33 108,00 91,83 22,00 R z 882, ,67 766,67 162,42 R a 141,00 119,00 103,37 28,00 Az R z egyenetlenség magasság értékek előnyösebben jellemzik a felületi érdesség változását a különböző abrazív szemcsékkel végzett vizsgálatokat követően. Kismértékű 73

81 változás figyelhető meg az R z értékek esetében 9 és az 3 μm-es szemcsékkel végzett abrazív koptatóvizsgálat (3. és 4. lépcső) után. A kikopott felületek pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatával az R z értékekben bekövetkező változások okára is fény derül. Az μm abrazív szemcsével végzett vizsgálatokat követően (2. lépcső), az 5.7. ábrának megfelelően karcok, kitépődések, és kitörések figyelhetők meg minden vizsgált minta felületén. A monolitikus minta esetében a teljes felületet végigpásztázva, nagy nagyításban (10k ) is csupán néhány kitöredezés és sekély karcok láthatók a felületen. Az MWCNT-tartalmú minták esetében jól látható karcok, elkenődött tartományok, nagy kiterjedésű kitöredezések, kihúzódások figyelhetők meg. Ezek a kitöredezések nagyobb mélységűek, mint a monolitikus mintán lévők. Az elkenődött és a kitöredezett tartományok EDX vizsgálatával megállapítható, hogy az elkent tartományok Si 3 N 4 tartományok, míg a kitöredezések helyén oxidok maradtak, így a kitört szemcsék SiO 2 vagy ZrO 2 agglomerátumok lehettek, lásd 5.8. ábra. 0% MWCNT 1% MWCNT 2% MWCNT 5.7. ábra és 5000 nagyítású felvételek a μm-os abrazív szemcséket tartalmazó tárcsán végzett vizsgálatokat követően Si N O Al Zr 5.8. ábra. Az μm-es szemcseméretű csiszolókorongon végzett vizsgálat után a felületen látható kitöredezésekből nyert spektrum 74

82 A polírozási lépcsőt követően (4. és 5. lépés) végzett pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatok azt bizonyították, hogy a monolitikus próbatesten teljesen eltűntek a karcok és kitöredezések, míg a MWCNT-tartalmú mintákon a kitöredezések és kihúzódások síkbeli mérete és mélysége is csökkent, csak nagyobb nagyításban maradtak láthatók, de teljesen nem tűntek el. Ezeket a kitöredezéseket a háromdimenziós profilométer is érzékelte a kompozit minták felületén, ahogyan ezt az 5.9. ábra is bizonyítja ábra. Pásztázó elektronmikroszkópi és háromdimenziós érdességi felvételek az 1% MWCNTtartalmú mintáról a 0,04 μm-os abrazív szemcséket tartalmazó szuszpenzióval végzett vizsgálatokat követően További pásztázó elektronmikroszkópos felvételeket a minták csiszolt, polírozott felületéről a 6. melléklet tartalmaz. A félautomata csiszoló berendezés alkalmazásának elsődleges célja a felületek előkészítése volt a pin-on-disc elvű tribológiai és a további mechanikai vizsgálatok számára. Az érdességmérési és a pásztázó elektronmikroszkópi vizsgálatok alapján megállapítható, hogy az abrazív felületelőkészítő módszer sikeres volt. A megfelelő felületelőkészítés eredményeképpen az R a átlagos érdesség értéke nm között változott, amely már megfelelő felületminőséget jelent a további lokális mechanikai vizsgálatokhoz, ugyanis az ISO as szabvány [73] által előírt maximális R a érték 0,1 μm lehet a pin-on-disc tribológiai vizsgálatok során. Összességében megállapítható, hogy ez az egyszerű csiszoló-polírozó berendezés alkalmas műszaki kerámiák gyors, egyszerű és költségtakarékos abrazív kopási viselkedésének jellemzésére. Az alkalmazási területtől, illetve a vizsgálati céltól függően a kenőanyag jelenlétében végzett enyhe kopást előidéző kéttestes koptatás, vagy a nagy kopásállóságú abrazív szemcsék jelenlétében végzett, erőteljesebb anyagleválasztást megvalósító háromtestes koptatás modellezhető a berendezés segítségével. 75

83 5.2.2 Pin-on-disc elvű tribológiai vizsgálatok A pin-on-disc elvű tribológiai vizsgálatokat az ábrán bemutatott, Magyarországon egyedülálló CETR-UNMT-1 multifunkcionális felületvizsgáló berendezésen végeztem el [116, 117] ábra. CETR-UNMT-1 multifunkcionális felületvizsgáló berendezés a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén A mintadarabok korlátozott száma miatt, illetve az azonos mérési paraméterekkel tervezett több párhuzamos vizsgálat miatt, a tökéletes befogás mellett még optimális helykihasználást biztosító mintatartót kellett terveznem. Legkedvezőbb megoldásnak egy olyan kialakítás mutatkozott, hogy a mintatartóban lévő minta szimmetriatengelye ne essen egybe a forgástengellyel, ezáltal a forgó mintatartóban excentrikusan elhelyezkedő minta és az álló helyzetű szerszám (pin) relatív elmozdulásának eredményeként a minta felületén egy köríven számos kopásnyom elhelyezése vált lehetővé. A mintatartó összeállítási rajzát és fotóját az ábra szemlélteti. A mintatartó alkatrészrajzát a 7. melléklet tartalmazza. A mintatartó rozsdamentes acélból készült, a próbatestek felületével érintkező részekre a vizsgálat közbeni karcolódás elkerülése érdekében 0,5 mm vastagságú, megfelelő méretű polimer hab került. A próbatestek befogását az 5.12-es ábra illusztrálja. Minden vizsgálati paraméter kombináció esetében 3-3 párhuzamos mérést terveztem az fejezetben számított minimális mintaelem-számnak, illetve az ISO as szabvány [73] ajánlásának megfelelően. Egy adott összetétel esetén háromféle terhelőerőt és háromféle csúszási sebességet alkalmazva ez kilenc féle paraméterkombinációt, azaz 9 3=27 kopásvizsgálatot jelent, ahogyan azt az fejezet részletesen tartalmazza. Mivel a 80N terhelőerővel végzett vizsgálatok során problémák léptek fel, így ezekben az esetekben csak 1-1 reprezentatív vizsgálat készült minden vizsgálati paraméter kombináció esetében. Összességében tehát a 10 és 40N terhelőerővel végzett vizsgálatoknál összetételenként 3, a 80N-os vizsgálatoknál összetételenként 1 mérési eredmény áll rendelkezésre (ld. 12. melléklet). 76

84 5.11. ábra. A mintatartó rajza és fényképe ábra. A próbatest a mintatartóban a tribológiai vizsgálat előtt és után A pin-on-disc elvű tribológiai vizsgálatok paraméterei: - alkalmazott terhelőerő: 10, 40, 80N; - a terhelőerő és érintkező párok ismeretében számítható érintkezési felszültség nagysága: Terhelőerő, N Hertz- feszültség, GPa MWCNT tartalom, tf% ,27 1,26 1, ,01 1,99 1, ,53 2,51 2,49 - csúszási sebesség: 10, 100, 200 mm/s; - vizsgálati hőmérséklet: szobahőmérséklet; - páratartalom: (50±10)%; - a kopásnyom sugara: 3 mm; - csúszási úthossz: 100 m; - ellentest: 5,545 mm átmérőjű SiC golyó. 77

85 A pin-on-disc elvű tribológiai vizsgálatokból a méréssel illetve számítás útján nyerhető jellemzők meghatározása az alábbiak szerint történt [118, 119, 120, 121]: - súrlódási együttható rögzítése a vizsgálat során; - kikopott térfogat meghatározása a korong alakú tárcsán, ebből kopási tényező számítása, különböző módszerekkel (4 db kétdimenziós profil alapján; 8 db kétdimenziós profil alapján; háromdimenziós vizsgálat alapján); - kikopott térfogat meghatározása a golyón, ebből kopási tényező számítása; - kikopott porok gyűjtése és pásztázó elektronmikroszkópi vizsgálata; - kopásnyomok pásztázó elektronmikroszkópi vizsgálata, a jellemző kopási mechanizmus és kopástípus azonosítása; - a jellemző kopási mechanizmusok és a vizsgálati paraméterek figyelembevételével kopási mechanizmus térképek alkotása a különböző összetételű minták esetében; - a kopási tényezők és a vizsgálati paraméterek figyelembevételével kopási térképek alkotása a különböző összetételű minták esetében. Súrlódási együtthatók jellemzése A súrlódási együttható diagramokat, a 3-3 azonos paraméterrel végzett mérést összesítve a 8. melléklet tartalmazza. A súrlódási együttható számszerű értékét elemeztem a vizsgálatok során az állandósult szakaszon, meghatároztam minden egyes mérés során a maximális értéket, illetve a maximális érték helyét, vagyis azt az úthosszat, amelynél a súrlódási együttható a maximális értéket eléri. Az ehhez tartozó számszerű adatokat részletesen a 8. melléklet tartalmazza. Mivel a maximális súrlódási együttható értékek elsősorban csak a tranziens jelenségekre vonatkozóan adnak információt, a további elemzésekhez a súrlódási együttható diagramok állandósult szakaszán mérhető súrlódási együttható értékeket használom, amely értékeket az táblázat is tartalmazza táblázat. A vizsgálati paraméterek és az összetétel szerint rendszerezett, állandósult szakaszon mért súrlódási együttható értékek átlaga Terhelőerő 10N 40N 80N Vizsgálati sebesség, mm/s MWCNT tartalom, % MWCNT tartalom, % MWCNT tartalom, % ,43 0,46 0,44 0,46 0,45 0,47 0,39 0,43 0, ,39 0,45 0,44 0,36 0,40 0,43 0,47 0,58 0, ,47 0,46 0,42 0,52 0,56 0,53 0,49 0,52 0,54 Az táblázatban közölt és az ábrán bemutatott súrlódási együttható értékek alapján megállapítható, hogy minden vizsgálati beállítást figyelembe véve az állandósult szakaszon mért súrlódási együtthatók értéke 0,36 0,58 között változott, továbbá a különböző összetételű minták súrlódási együttható értékeiben t-próbával ellenőrizve nincs szignifikáns eltérés, lásd 8. melléklet. Az összetétel hatása Az táblázat adatait elemezve megállapítható, hogy a súrlódási együttható állandósult szakaszon mért értékei a szilícium-nitrid kerámia MWCNT adalékolásával jellemzően nőttek: 78

86 Súrlódási együttható, μ áll, [-] adott terhelőerő és adott csúszási sebesség esetén vizsgálva a legkisebb állandósult súrlódási együttható értékek minden esetben a monolitikus mintánál jelentkeztek. 0,6 0,5 0,4 0,3 10 N 40 N 80 N 10 N 40 N 80 N 10 N 40 N 80 N ábra. Az állandósult szakaszokon mért súrlódási együttható értékek átalaga Az eltérések mértéke ugyan nem szignifikáns, de olyan tendenciákra utal, amelyek hátterében az összetétel hatása felismerhető. Az alkalmazott méretű, mennyiségű és diszperzitású MWCNT adalék bevitelével a súrlódási együttható értéke jellemzően nem csökken. Fontos körülmény lehet, hogy a vizsgálatok során a hőmérséklet és a páratartalom szabályozására nem volt lehetőség, amelyek az adott triborendszer viselkedését esetenként jelentősebben módosíthatták, elfedve az összetétel kizárólagos hatását. Ennek igazolására részben nagyobb számú, részben pontosabb mérések szükségesek. A terhelőerő hatása 0 % MWCNT 1 % MWCNT 2 % MWCNT A terhelőerő hatása az alkalmazott N terhelési tartományban csak a 80 N terhelőerőnél és jellemzően az erősebb kopást okozó, nagyobb csúszási sebességek esetén volt érzékelhető, amikor is adott összetételű minta esetén a súrlódási együttható állandósult értékének növekedését okozta. A csúszási sebesség hatása 100 mm/s 10 mm/s 200 mm/s A csúszási sebesség növelésének az állandósult állapotban mérhető súrlódási együttható értékére gyakorolt hatása függött a sebességnövelés mértékétől és a pin-on-disc vizsgálat során alkalmazott terhelés szintjétől. A sebesség 10 mm/s-ról 100 mm/s-ra való növelése gyakorlatilag az összes vizsgált minta esetében a μ értékének csökkenését okozta az F=10 és 40 N terhelések esetén. A csökkenés mértéke 0 és 0,1 között változott. Ugyanakkor F=80 N terhelésnél minden vizsgált összetétel esetén kimutathatóan nőtt az állandósult szakaszon mért súrlódási együttható értéke. A növekedés mértéke 0,08 0,13 közé esett. A csúszási sebesség még nagyobb, 10 mm/s-ról 200 mm/s-ra történő növelése F=10 N esetén a monolitikus mintáknál növelte, az MWCNT-tartalmú mintáknál viszont nem változtatta, vagy minimális mértékben csökkentette az állandósult súrlódási együttható értékét. Ezzel szemben F=40 80 N terhelőerőknél mindhárom vizsgált összetétel esetében nőtt a μ áll. értéke. A változás mértéke a tízszeres sebességnövelés okozta változásokhoz viszonyítva nem számottevően, de jellemzően kisebb volt: 0,06 0,11 közé esett. Összegezve az állandósult szakaszon mért súrlódási együtthatók értékeit, a legkisebb értékek szinte minden összetétel esetében a 40 N-100 mm/s vizsgálati paraméterek 79

87 alkalmazása mellett jelentkeztek, míg a maximális súrlódási együtthatók (egy kivétellel) a 40 N-200 mm/s vizsgálati paraméterkombinációk esetén voltak mérhetők. A bemutatott változások mögött rejlő anyagszerkezeti sajátosságok és a kopási folyamatot irányító károsodási mechanizmusok a továbbiakban kerülnek elemzésre. További információt szolgáltathatnak a vizsgált mintadarabok tribológiai viselkedéséről a 8. mellékletben feltüntetett maximális súrlódási együttható értékek, illetve ezek eléréséhez szükséges úthossz értékek. Ezek elemzése azonban meghaladja az értekezés kereteit. A vizsgált minták kopási tényező értékeinek jellemzése A különböző paraméterekkel végzett pin-on-disc vizsgálatok során nyert kopásnyomok fényképeit a 9. melléklet tartalmazza. Egy reprezentatív sorozatot szemléltet az ábra ábra. A pin-on-disc vizsgálatok során kapott jellegzetes kopásnyomok; (Pirossal jelölt nyomok: terhelőerő: F=40N, csúszási sebesség: v=200 mm/s; csúszási úthossz: l=100 m) A kopási tényezőt a korong alakú próbatesteken a (2.26) egyenlet segítségével számítottam ki a kopásnyomok felületének letapogatása után a kikopott térfogatok meghatározásával. Ez utóbbi meghatározásához háromféle módszert alkalmaztam: - Az érdességmérő berendezés szoftvere segítségével lehetőségem nyílt a letapogatott kopásnyomból kikopott anyag térfogatának azonnali kiszámítására, háromdimenziós mérés segítségével. A mérés eredményeképpen meghatározott kopási tényező jele a következőkben k p3d lesz. A mérés előnye, hogy könnyen, egyszerűen és gyorsan meghatározható a kikopott térfogat értéke. A mérés hátránya, ahogyan azt már a fejezetben is említettem, hogy az általam végzett vizsgálatok során nem volt megadható az a referenciasík, amelyhez képest mélyebben fekvő pontokat már a kikopott térfogathoz számítja a mérőrendszer, illetve nem jelölhető ki pontosan a kopásnyom kerülete, csak négyzetes alakkal, vagy polinommal közelíthető. Ez magában hordozza azt a hibát, hogy a kopásnyomon kívül eső felületi mélyedések térfogatát is hozzászámolja a szoftver a kikopott térfogathoz. - A másik mérési módszer az ISO as szabvány [73] által javasolt módszer. A ábrán bemutatott módon a kopásnyom 4 helyén határozom meg profilométerrel a kikopott profilkeresztmetszetet, amelyből aztán kikopott térfogatot számítok. Az így kapott kopási tényező értékek jele: k p4. Ennek a kétdimenziós vizsgálatnak megvan az az előnye, hogy az operátor maga jelölheti ki az eredeti minta felszínét, pontosabban megadva ezzel a kopásnyom tényleges helyzetét. - A harmadik módszer korábbi mérési tapasztalatokon alapul. A kopásnyom mentén 8 helyen határozom meg a kikopott profilkeresztmetszetet, amelyből a kikopott térfogat értékeket számítom. Az így kapott kopási tényezők jele: k p8. Itt is érvényesül az az 80

88 előny, hogy az operátor maga jelölheti ki az eredeti minta felszínét, pontosabban megadva ezzel a kopásnyom tényleges helyzetét. További előny, hogy a kétszer annyi mérési pont megbízhatóbb eredményt szolgáltat. A kopásnyomoknak az érdességmérő műszer segítségével letapogatott felületéről készült háromdimenziós felvételekre mutat példát az ábra. A kopásnyomokról készült további felvételeket a 10. melléklet tartalmazza. V W = 0,29 mm 3 V W = 0,22 mm 3 V W = 0,28 mm ábra. Illusztráció: kopásnyomok (F=40N, v= 200 mm/s, r=3 mm, l= 100m) háromdimenziós felvétele és a kikopott térfogat meghatározása; (a további kopásnyomokról készült felvételek a 10. mellékletben találhatók) A 4 és 8 profilkeresztmetszet meghatározásának bemutatására a 11. melléklet tartalmaz egy kopásnyomra vonatkozó mintafájlt, amely megfelel minden egyes kopásnyom kiértékelési módszerének. Tekintettel a file-ok nagy terjedelmére a többi vizsgálati regisztrátum amelyek a ábrán illusztrált módon lettek kiértékelve itt nem kerül bemutatásra. A felvett profilok számszerű adatait, a belőlük számított a két- és háromdimenziós vizsgálatokkal meghatározott kikopott térfogat értékeket, valamint a kopási tényező értékeit a 12. melléklet tartalmazza. Összetételenként, illetve vizsgálati paraméterenként számított átlagértékeket a különböző módszerekkel számított kopási együttható értékek tekintetében, valamint az adott tribo-rendszer esetén a golyó kopási tényezőjét az táblázat tartalmazza. A mérési eredményeket elemezve következtetéseket vonhatunk le a kikopott keresztmetszet vizsgálati módszerének, a minták összetételének és a vizsgálati paramétereknek (terhelőerő, csúszási sebesség) hatására vonatkozóan. A mérési módszer hatása Matematikai statisztikai módszerrel elemezve a különböző elven meghatározott kopási tényező értékeket szignifikáns különbség nem tapasztalható a háromdimenziós mérési eredmények, illetve a kétdimenziós 4, és 8 profil-keresztmetszet alapján meghatározott kopási tényező értékek között. A matematikai statisztikai számítást részletesen a 12. melléklet tartalmazza. A további elemzésekhez a k p8 jelű, vagyis a 8 profilkeresztmetszet alapján számított kopási együttható értékeket használom, mert a háromdimenziós értékek, amelyek kismértékben mindig eltérnek a kétdimenziós értékektől, valószínűleg kevésbé megbízhatók a korábban említett méréstechnikai problémák miatt. A profilkeresztmetszet meghatározásának alkalmazott módszerei közül összességben a 8 ponton felvett profilmérést választom, mivel az nagyobb pontossággal szolgáltatja a vizsgált jellemző értékeit, mint a 4 ponton felvett profil. A vizsgálati minták kopási tényezőinek elemzéséhez az táblázat k p8 adatainak felhasználásával készült ábra nyújt segítséget. 81

89 k p8 kopási tényező, mm 3 /Nm táblázat. A pin-on-disc elvű vizsgálat során mért különböző módszerekkel meghatározott kopási tényező értékek átlaga a korongokon és a golyón Minta típusa 0% 1% 2% Kopási tényező átlagértéke a korongon, Kopási tényező a Vizsgálati mm 3 /Nm golyón, mm 3 /Nm paraméterek k p8 k p4 k p3d k g 10N-10 mm/s 0,25E-05 0,23E-05 0,60E-05 1,43E-06 10N-100 mm/s 0,70E-05 0,69E-05 0,65E-05 2,02E-06 10N-200 mm/s 0,65E-05 0,63E-05 0,99E-05 2,47E-06 40N-10 mm/s 2,04E-05 2,01E-05 1,30E-05 1,97E-06 40N-100 mm/s 0,90E-05 0,91E-05 0,68E-05 1,24E-06 40N-200 mm/s 6,08E-05 6,09E-05 4,67E-05 5,18E-06 80N-10 mm/s 3,63E-05 3,73E-05 3,02E-05 3,93E-06 80N-100 mm/s 10,70E-05 11,10E-05 8,67E-05 18,50E-06 80N-200 mm/s 36,50E-05 36,70E-05 26,30E-05 72,60E-06 10N-10 mm/s 0,43E-05 0,42E-05 2,54E-05 1,67E-06 10N-100 mm/s 1,14E-05 1,12E-05 2,98E-05 2,93E-06 10N-200 mm/s 1,24E-05 1,26E-05 3,31E-05 3,00E-06 40N-10 mm/s 2,11E-05 2,08E-05 1,86E-05 1,99E-06 40N-100 mm/s 1,61E-05 1,45E-05 1,34E-05 2,28E-06 40N-200 mm/s 8,62E-05 8,86E-05 6,53E-05 4,79E-06 80N-10 mm/s 2,79E-05 2,58E-05 2,39E-05 4,89E-06 80N-100 mm/s 22,90E-05 22,60E-05 18,20E-05 29,20E-06 80N-200 mm/s 41,10E-05 43,20E-05 35,20E-05 19,80E-06 10N-10 mm/s 0,46E-05 0,44E-05 0,77E-05 1,37E-06 10N-100 mm/s 1,32E-05 1,44E-05 1,44E-05 2,78E-06 10N-200 mm/s 1,32E-05 1,27E-05 3,53E-05 2,25E-06 40N-10 mm/s 2,43E-05 2,43E-05 2,84E-05 3,38E-06 40N-100 mm/s 1,60E-05 1,65E-05 1,25E-05 1,89E-06 40N-200 mm/s 7,35E-05 7,43E-05 5,50E-05 3,82E-06 80N-10 mm/s 7,45E-05 7,55E-05 9,84E-05 4,20E-06 80N-100 mm/s 44,30E-05 45,20E-05 22,90E-05 18,90E-06 80N-200 mm/s 46,80E-05 46,70E-05 38,90E-05 3,92E-06 1,E-03 1,E-04 1,E-05 1,E N 40 N 80 N 10 N 40 N 80 N 10 N 40 N 80 N 0 % MWCNT 1 % MWCNT 2 % MWCNT 100 mm/s 10 mm/s 200 mm/s ábra. A kopási tényező változása a különböző összetételek és tribo-rendszerek esetében 82

90 Az összetétel hatása Összetételenként elemezve a kopási együttható értékeket a 0% MWCNT tartalmú monolitikus minta rendelkezik a legkisebb kopási együttható értékekkel, és az MWCNTtartalom növekedésével nő a kopási együttható értéke, ahogyan azt az ábra illusztrálja. A 10 N-10 mm/s tribo-rendszer és a 40 N-100 mm/s tribo-rendszer közötti tartományban, illetve a 80 N-10 mm/s esetében a kopási tényező értéke az enyhe kopás tartományában marad, míg a 40 N-200 mm/s, illetve a 80 N-100 mm/s valamint 80 N-200 mm/s tribo-rendszerek esetében átlép az erős kopás tartományába. A terhelőerő hatása A terhelőerő N tartományban történő növelése az állandósult állapotbeli súrlódási együtthatóval ellentétben minden mintaösszetételnél egyértelműen növelte a kopási tényező értékét. A növekedés mértéke a nagyobb sebességeknél általában erőteljesebb volt kivéve a 40 N-100 mm/s triborendszert, amelynél mindhárom összetételű minta kopási tényezője alig érzékelhetően nőtt a 10 N-100 mm/s tribo-rendszer eredményeihez képest. Nagyon fontos kérdés ezek után annak tisztázása, hogy ennél a vizsgálati paraméter kombinációnál mi okozta a jóval kedvezőbb kopási viselkedést. A csúszási sebesség hatása A csúszási sebesség növelésével a kopás mértéke nem egyformán változott a különböző terhelési szinteken végzett vizsgálatok során. Az F=10 N és F=80 N terhelési szinteken a sebességnövelés a károsodás fokozatos növekedését okozta, de a növekedés mértéke a nagyobb terhelésnél jóval kifejezettebb és erőteljesebb volt. Ezzel szemben az F=40 N terhelési szinten v=100 mm/s csúszási sebességnél lokális csökkenés mutatkozott, ugyanis mindhárom összetétel esetében jelentősen kedvezőbb volt a kopással szembeni ellenállás, mint az ettől kisebb és nagyobb csúszási sebességek esetén. Összefoglalva a terhelési körülményeknek a tárcsák kopási károsodására gyakorolt hatását, megállapítható, hogy az összetételt tekintve az adott minőségben (típus, méret, diszperzitás, stb.) és mennyiségben (1% és 2%) adalékolt MWCNT általában rontotta a kopási viselkedést. A terhelőerő növelése döntően és jellemzően növelte a kopási károsodás mértékét. A csúszási sebesség hatása a kopás mértékére jelentősen függött a terhelés szintjétől, nagyobb terhelésnél a sebesség növelésére érzékenyebben reagált a kopási mérőszám. Ettől a tendenciától eltérést mutattak a 40 N-100 mm/s terhelésű tribo-rendszerek, amelyeknél meglepő módon mind a három mintaösszetétel esetén lokálisan kedvezőbb, azaz kisebb kopási károsodás lépett fel. A golyó kopási tényező értékeinek jellemzése A golyón mérhető kopási tényező értéke szinte minden tribo-rendszer esetében az enyhe kopási tartományban maradt, lásd táblázat, illetve ábra, kivéve a 80 N-200 mm/s vizsgálati beállítást a 0% MWCNT minta esetében. Tekintettel a golyó eltérő anyagminőségére SiC ezek az eredmények reálisnak és logikusnak tekinthetők. Figyelemre méltó ugyanakkor, hogy az előzőekben a 40 N-100 mm/s tribo-rendszereknél tapasztalt lokális károsodási minimum a golyó kopási tényezőjének értékére vonatkozóan is megfigyelhető volt minden összetétel esetében. 83

91 k g kopási tényező a golyón, mm 3 /Nm 2,0E-05 1,5E-05 1,0E-05 5,0E-06 0,0E N 40 N 80 N 10 N 40 N 80 N 10 N 40 N 80 N 0 % MWCNT 1 % MWCNT 2 % MWCNT mm/s ábra. A SiC golyó kopási együtthatója a különböző tribo-rendszerekben Kopási térképek Az ábra nem igazán alkalmas arra, hogy a többváltozós kopási együttható függvényt és a változók közötti kapcsolatot elemezzük. A k p8 kopási együttható értékeit ezért célszerű térbeli diagramban ún. kopási térképeken szemléltetni. Az 5.18., és ábrák szemléletesen jelenítik meg a változtatott vizsgálati paraméterek erő, csúszási sebesség függvényében azok tetszőleges kombinációjánál az adott anyagra (összetételre) jellemző kopási együtthatók (k p8 ) értékét. Ezek a diagramok a mérési eredmények pontjaira illesztett vezérgörbék és a köztük lévő tartományban a szoftver által interpolációval előállított közelítő felülethálók révén már alkalmasak az összetétel hatásának elemzésére és az alábbi következtetések levonására: A monolitikus szilícium-nitrid mintáknál (ld ábra) jól körülírható az a terhelőerő és terhelési sebesség tartomány, ahol a kopás mértéke intenzíven megnő. A diagram további elemzésével az is elmondható, hogy a terhelőerő növelése csak meghatározott csúszási sebesség értékek fölött okoz intenzív kopást és fordítva: kijelölhető az a terhelőerő tartomány, ami alatt rendkívül nagy sebességű igénybevétel sem okoz intenzív kopási károsodást. Az ábrán érdekes változások figyelhetők meg az anyag kopási viselkedésében: a II. fázisként adalékolt 1 térfogat% MWCNT tartalom hatására már egészen kis terhelőerő és csúszási sebességek esetén is jelentős kopási károsodás lép fel. A kopás mértékének jellegzetes tartományait, és azok határértékeit a 2.4. táblázat tartalmazza. Az ábrán a 2 térfogat% MWCNT adalékolás hatására az előzőekben leírt kopásintenzitás növekedés a kisebb terhelési paraméterek tartományában még kifejezettebbé válik és a kopási térkép két-pupú jelleget vesz fel. A háromdimenziós kopási térképek mindhárom összetétel esetében lokális minimum ponttal rendelkeznek, mégpedig a 40 N-100 mm/s terhelési kombináció esetén. Ezekben a tribo-rendszerekben nemcsak a k p8 kopási együtthatók értéke, hanem az állandósult súrlódási együtthatók értéke, valamint az ellentest kopási tényezője is a legkisebb értékeket vették fel. 84

92 5.18. ábra. A 0 térfogat% MWCNT tartalmú alapanyag kopási térképe ábra. Az 1 térfogat% MWCNT tartalamú alapanyag kopási térképe ábra. A 2 térfogat% MWCNT tartalmú alapanyag kopási térképe 85

93 A vizsgált szilícium-nitrid nanokompozitok sajátos kopási viselkedésének hátterében feltehetően a kopási mechanizmusoknak az összetétel és anyagszerkezet módosulása miatt bekövetkező megváltozása áll. A kérdés megválaszolására mikroszkópos és összetételi vizsgálatok segítségével részletes elemzést végeztem, amelyeket a továbbiakban ismertetek. Kopástermékek jellemzése Minden egyes koptatási vizsgálat során összegyűjtöttem a felületről kikopott porokat. A legkisebb terhelőerő és sebesség alkalmazásakor általában nem képződött annyi pormennyiség, amit össze lehetett volna gyűjteni. A kikopott porokra általánosan igaz volt, hogy nagyon finom szemcseméretű porok, amelyek egymással könnyen összetapadnak, így a mikroszkópi vizsgálathoz szükséges porelőkészítés megfelelő és szükséges lépései az alkoholos lemosás a felületről és áztatás, az ultrahangos rezgetéssel történő szétoszlatás, illetve egy polírozott fémfelületre történő felhordás. Így már bizonyos esetekben láthatóvá váltak a szemcsék, azonban még ekkor is összetapadt szemcsékként jelentek meg a pásztázó elektronmikroszkópban, amelyek egyedi morfológiáját a különböző paraméterekkel végzett koptatást követően nem volt lehetőségem jellemezni. Az ábra illusztrálja a különböző terhelőerőkkel végzett vizsgálat után kikopott, összetapadt porszemcséket a pásztázó elektronmikroszkópban. a) b) c) ábra. A 0% MWCNT mintából kikopott porok a pásztázó elektronmikroszkópban, a) 10 N-10 mm/s, b) 40 N-10 mm/s, c) 80 N-10 mm/s A kopástermékek mikroszkópi vizsgálatának célja a vizsgált minták tribológiai viselkedésének minél szélesebb spektrumú jellemzése lett volna. A kikopott, egyedi szemcsék méretének, morfológiájának vizsgálata általában segítséget ad a jellemző kopási mechanizmus azonosításához. Azonban az ábrán is látható kopástermékek nem alkalmasak a különböző paraméterekkel végzett tribológiai vizsgálatok során uralkodó kopási mechanizmus azonosítására. A kopási mechanizmusok jellemzése A különböző paraméterekkel végzett pin-on-disc vizsgálatokat követően a kopásnyomok pásztázó elektronmikroszkópi felvételeinek segítségével elemezhető az adott triborendszerben jellemző, azaz a károsodási folyamatot kontrolláló kopási mechanizmus. A jellemző kopási mechanizmusok a vizsgált monolitikus és nanokompozit kerámiák esetében három fő mechanizmusra, és ötféle kopástípusra oszthatók, a saját rendszerezés alapján, amelyet a 4.1-es fejezetben részleteztem. Az táblázat tartalmazza a különböző összetételű próbatestek, és különböző vizsgálati paraméterek esetében a jellemző kopási mechanizmus és kopástípus megnevezését. A jellemző kopástípusokra egy-egy példát illusztrál az ábra. 86

94 Vizsgálati paraméterek 10N-10 mm/s 10N-100 mm/s 10N-200 mm/s 40N-10 mm/s 40N-100 mm/s 40N-200 mm/s 80N-10 mm/s 80N-100 mm/s 80N-200 mm/s táblázat. A különböző vizsgálati paraméterek esetén fellépő kopási mechanizmusok és kopástípusok 0% MWCNT 1% MWCNT 2% MWCNT Kopási mechanizmus Kopástípus Kopási mechanizmus Kopástípus Kopási mechanizmus Kopástípus 1. kismértékű 1. kismértékű képlékeny 1. delamináció, 1. delamináció, 1. nagyobb mértékű 1. delamináció, képlékeny alakváltozás, majd majd 2. fáradásos majd 2. fáradásos képlékeny alakváltozás, majd 2. fáradásos alakváltozás, majd 2. ridegtörés kopás kopás majd 2. ridegtörés kopás 2. ridegtörés 1. kismértékű képlékeny alakváltozás, majd 2. ridegtörés 1. kismértékű képlékeny alakváltozás, majd 2. ridegtörés 1. képlékeny alakváltozás, majd 2. kisebb mértékű rideg törés képlékeny alakváltozás 1. delamináció, majd 2. fáradásos kopás 1. delamináció, majd 2. fáradásos kopás 1. delamináció, majd 2. fáradásos kopás delamináció 1. kismértékű képlékeny alakváltozás majd 2. ridegtörés 1. kismértékű képlékeny alakváltozás, majd 2. ridegtörés 1. képlékeny alakváltozás, majd 2. kisebb mértékű ridegtörés képlékeny alakváltozás 1. delamináció, majd 2. fáradásos kopás 1. delamináció, majd 2. fáradásos kopás 1. delamináció, majd 2. fáradásos kopás képlékeny alakváltozás képlékeny alakváltozás képlékeny alakváltozás delamináció delamináció delamináció delamináció képlékeny alakváltozás delamináció tribokémiai kopás filmképződés tribokémiai kopás filmképződés tribokémiai kopás filmképződés tribokémiai kopás filmképződés 1. tribokémiai kopás, majd 2. ridegtörés filmképződés+fárad ásos kopás 1. tribokémiai kopás, majd 2. ridegtörés filmképződés+fárad ásos kopás tribokémiai kopás filmképződés tribokémiai kopás filmképződés tribokémiai kopás filmképződés képlékeny alakváltozás olvadási kopás képlékeny alakváltozás olvadási kopás képlékeny alakváltozás olvadási kopás 87

95 1%-10N-10mm/s delamináció + fáradásos kopás 2%-10N-100mm/s delamináció 2%-80N-200mm/s olvadási kopás Si C O Al Zr 0%-40N-200mm/s filmképződés spektrum a filmképződésről 1%-80N-10mm/s filmképződés+fáradásos leválás ábra. A vizsgálatok során jellemző kopási mechanizmusok és kopástípusok egy-egy példája (a %-os mennyiségek a minták MWCNT tartalmára utalnak) A különböző vizsgálati paraméterek esetén fellépő domináns kopási mechanizmus azonosítására szolgáló pásztázó elektronmikroszkópos felvételeket egy kisebb és egy nagyobb felbontású képpel a 13. melléklet tartalmazza. A kopásnyomok elemzése, illetve a jellemző kopási mechanizmus(ok) és kopástípus(ok) azonosítása után a különböző összetételű próbatestek esetében az alkalmazott terhelőerő és az alkalmazott csúszási sebesség függvényében lehetőség van kétdimenziós kopási mechanizmus-kopástípus térképek megalkotására. Az ábrán a különböző összetételű anyagok esetében az egyes jellemző kopási mechanizmus-kopástípus tartományokat vonallal elválasztva, római számokkal jelölöm. A római számok jelentését az ábra alatti táblázat tartalmazza. 88

96 a) 0% MWCNT b) 1% MWCNT c) 2% MWCNT ábra. A különböző összetételű minták kopási mechanizmus kopástípus térképei Tartomány Kopási mechanizmus Kopástípus I. képlékeny alakváltozást követő ridegtörés delaminációt követő fáradásos kopás II. képlékeny alakváltozás delamináció III. tribokémiai kopás filmképződés IV. képlékeny alakváltozás olvadási kopás V tribokémiai kopást követő ridegtörés filmképződést követő fáradásos kopás 89

97 Összehasonlítva a mechanizmus-térképeket az alábbi következtetések vonhatók le: - A monolitikus szilícium-nitrid mintában csak az első négy tartomány található meg, míg a szén-nanocsövet tartalmazó mintákban egy ötödik típus is megjelenik. A tartományok közös vonása, hogy a károsodási folyamatot irányító mechanizmusok között minden esetben megtalálható a képlékeny alakváltozás, míg az I. és V. tartományban emellett a ridegtörés is megjelenik. - A 0 és 1% MWCNT tartalmú minták kopási mechanizmus térképei nagyon hasonlítanak egymáshoz, egyedül a 40-80N közötti tartományban kis sebesség esetén lép fel az 1% MWCNT tartalmú mintánál az V. típusú kopás, amely a 0% MWCNT mintánál nem volt jellemző. Ennek megfelelően az 1% MWCNT minta esetében csökken mind a II., mind a III. kopási mechanizmus, kopástípus tartománya, ami a képlékeny alakváltozási hajlam csökkenését jelzi. - A 2% MWCNT tartalmú minta esetében a II. tartomány nagymértékű kiterjedése figyelhető meg, azaz már egészen kis terheléseknél is a képlékeny alakváltozás irányította delamináció lesz a jellemző. Az MWCNT tartalom növelésével az I. tartomány (képlékeny alakváltozás, és azt követő ridegtörés irányította delamináció majd fáradásos kopás) gyakorlatilag megszűnik. Az V. tartomány, amely kizárólag az MWCNT tartalmú kompozitok esetén van jelen, a III. tartomány rovására tovább növekszik és kis sebességek mellett fellépő nagy terhelések esetén a filmképződés lesz a meghatározó kopástípus. Amennyiben nagy terhelés mellett a csúszási sebességet növeljük, a fáradásos jelenségek megszűnnek miközben a filmképződést az olvadás váltja fel. Mindezek összességében egy jóval képlékenyebb viselkedésre utalnak. - Összehasonlítva a kétdimenziós és háromdimenziós kopási térképeket rendkívül jó összhang látható abban a tekintetben, hogy milyen módon változik a szilícium-nitrid kerámia kopási viselkedése az MWCNT adalékolás következtében. Miközben a háromdimenziós térképen információt kapunk arról, hogy az összetétel változásával, azaz az MWCNT tartalom növelésével a kerámia már kis terhelési sebességeknél is intenzív kopási károsodást szenvedhet, ami a monolitikus változatnál nem fordulhat elő lásd második púp megjelenése, addig a kétdimenziós mechanizmus/kopástípus térképek választ adnak arra, hogy ennek hátterében a szénnanocső adalékolás hatására kis sebességű nagy terheléseknél fellépő újfajta károsodási mód az V. tartomány által képviselt filmképződést követő fáradás megjelenése áll, amelynek során az irányító károsodási mechanizmus is változik (képlékeny alakváltozás helyett ridegtörés). Mind a kétdimenziós kopási mechanizmus térképek, mind a kopási tényező és a vizsgálati paraméterek között kapcsolatot teremtő háromdimenziós kopási térképek, amelyeket az 5.18., valamint az ábrák illusztrálnak, felhasználhatóságukat tekintve nagy jelentőségűek. Nemcsak a vizsgált anyagok tribológiai teljesítőképességét, illetve kopási viselkedését jellemzik az adott körülmények között, hanem megkönnyítik az új típusú nanokompozitok alkalmazhatósági körének minél pontosabb megválasztását is. A háromdimenziós kopástérképeken látványos formában jelenik meg minden vizsgálati paraméter esetében a kopási tényező értékének alakulása, illetve szembetűnő az egyes összetételek esetében a kopási térkép jellegének változása. 90

98 5.3 Kiegészítő mechanikai és anyagszerkezeti vizsgálatok Keménységmérési vizsgálatok A mikrovickers keménységmérési vizsgálatokat a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékének MITUTOYO MVK-H1 típusú keménységmérő berendezésén ábra végeztem ábra. MITUTOYO keménységmérő berendezés a Mechanikai Technológiai Tanszéken Az fejezetben meghatározott minimális mintaelemszám a microvickers keménységmérés során 5 db mérési eredmény. Az ASTM C [85] szabvány szerint műszaki kerámiák keménységének vizsgálatakor azonban legalább 5, de ha lehetséges 10 lenyomat vizsgálata szükséges, így méréseim során lenyomatot helyeztem el mindhárom összetétel esetén a próbatesteken. A keménységi és kopási mérőszámok közötti kapcsolat minél pontosabb feltérképezéséhez minden próbatesten összetételenként 3 db próbatest elvégeztem a vizsgálatokat, így összetételenként összesen 30 lenyomatot kaptam. A keménységmérés vizsgálati paraméterei: - Terhelőerő: F = 5 N - Terhelés időtartama: t = 10 s A microvickers keménységmérés átlageredményeit az számú táblázat tünteti fel, az egyes próbatesteken mért eredményeket számszerűen a 14. melléklet foglalja össze táblázat. A microvickers keménységmérés eredményei Próba HV 05/10 d 1, μm d 2, μm átlag szórás var. eh., % 0% MWCNT 27,69 27, ,13 46,93 3,85 1% MWCNT 29,97 29, ,59 56,01 5,41 2% MWCNT 31,79 31,69 924,42 70,61 7,64 A keménységmérés eredményei grafikusan az ábra segítségével hasonlíthatók össze. 91

99 Átlagos Vickers-keménység [-] HV átlag HV átlag ábra. A microvickers keménységmérés Próbatest, % CNT eredményei tartalom grafikusan ábrázolva Az ábrán látható eredmények alapján megállapítható, hogy a monolitikus Si 3 N 4 kerámia rendelkezik a legnagyobb keménységgel HV 1200 körüli értékkel. Az MWCNT adalékolás a keménység értékek kismértékű csökkenéséhez vezetett a vizsgált próbatestek esetében. 1% MWCNT adalékolása 17,6%-os keménységcsökkenést okozott, míg 2% MWCNT adalékolása 31,7%-os keménységcsökkenéshez vezetett. A mért eredmények variancia együtthatója a monolitikus (0% MWCNT tartalmú) minta esetében volt a legkisebb, és az MWCNT fázis adalékolt mennyiségének növekedésével nőtt, de mindhárom esetben 10% alatt maradt. Statisztikai módszerekkel elemezve a vizsgálati eredményeket, összehasonlítva a 0-1% MWCNT, az 1-2% MWCNT és a 0-2% MWCNT mintákat egymással, mind t-próba, mind a Welch-módszer, mind pedig a Wilcoxon próba alkalmazásával szignifikáns eltérést kapunk, vagyis a három különböző összetételű próbatest a keménység alapján nem vonható össze egy mintába. A számítások részletezését a 15. melléklet tartalmazza. A számításokhoz kis mintát használtam, vagyis a mérési eredményekből (összesen 30 db összetételenként) minden próbatest esetében elhagytam a legkisebb, illetve a legnagyobb értéket, így próbatestenként 8-8 mérési pontot, azaz összetételenként 24 elemszámú mintát vizsgáltam matematikai statisztikai módszerekkel Vickers-lenyomatos törési szívósság vizsgálat A Vickers-lenyomatos törési szívóssági mérőszám meghatározásához a Mechanikai Technológiai Tanszéken található Wolpert típusú makro Vickers keménységmérő berendezést használtam. A vizsgálat során beállított paraméterek: - Terhelőerő: F = 100 N - Terhelés időtartama: t = 10 s 0 0 % MWCNT 1 % MWCNT 2 % MWCNT Az számú fejezetben meghatározott minimális mintaelemszám a Vickers-lenyomatos törési szívósság mérés során 5 db mérési eredmény. A mérések kivitelezésére, és a minimális mintaelem-számra szabványi szabályozás nem létezik, így méréseim során a törési szívóssági mérőszámok és a kopási tényező közötti kapcsolat minél pontosabb megállapításához minden próbatesten összetételenként 3 db próbatest lenyomat vizsgálatát végeztem el, így összetételenként összesen 30 db lenyomatot kaptam. A Vickers-lenyomatos törési szívósság során mért lenyomatátlók, repedéshosszak, illetve a Laugier egyenlet alapján ld. (2.42) egyenlet számított törési szívósság értékek átlagát és 92

100 statisztikai értékelését a különböző összetételű próbatestekre az táblázat tartalmazza. A próbatestenként mért tényleges lenyomatátló és repedéshossz értékek, valamint a hozzátartozó törési szívósság értékek a 16. mellékletben találhatók táblázat. A Vickers-lenyomatos törési szívósság mérés eredményei Mért értékek Számított érték d átl, m l átl, m K c értéke, MPa m 1/2 átlag szórás var. eh., % átlag szórás var.eh., % átlag szórás var.eh., % 0% MWCNT 118,88 1,77 1,49 64,09 3,19 4,97 4,42 0,22 5,06 1% MWCNT 125,50 1,91 1,52 72,29 2,88 3,98 4,18 0,17 3,96 2% MWCNT 135,12 2,56 1,90 70,22 3,43 4,89 4,43 0,21 4,70 A vizsgálati eredmények alapján megállapítható, hogy a lenyomat mérete növekedett a növekvő MWCNT tartalom hatására, ám a lenyomat sarkaiból kiinduló repedéshosszak csupán az 1% MWCNT tartalom esetén növekedtek, a 2% MWCNT tartalom esetén kismértékben csökkentek. A különböző összetételű próbatesteken a törési szívósság meghatározására szolgáló Vickers lenyomatokra egy-egy példát mutat az ábra. 100 μm 100 μm 100 μm a) b) c) ábra. A különböző összetételű próbatesteken elhelyezett törési szívósság lenyomatok; a) 0% MWCNT, b) 1% MWCNT, c) 2%MWCNT A mintákban a repedések minden esetben a szemcsehatáron futottak, bizonyíték erre az 5.27-es ábra ábra. Vickers-lenyomatos törési szívóssági lenyomat sarkából induló repedés pásztázó elektronmikroszkópi felvétele 93

101 Az átlagos lenyomatátló méreteket, az átlagos repedéshosszakat és az átlagos K c értékeket grafikusan az ábra illusztrálja. K c átlag [MPa m 1/2 ] Lenyomatméret, repedéshossz, μm Lenyomatméret, repedéshossz, m K c átlag d átlag l átlag % MWCNT 1 % MWCNT 2 % MWCNT ábra. Összefüggés a törési szívósság, Próbatest, a lenyomat % CNT tartalom átlagos mérete és a repedések átlagos mérete között 0 Matematikai statisztikai módszerekkel elemezve a vizsgálati eredményeket, összehasonlítva a 0-1%, illetve az 1-2% MWCNT tartalmú mintákat mind t-próba, mind a Welch-módszer, mind pedig a Wilcoxon próba alkalmazásával szignifikáns eltérést kapunk a különböző összetételű minták törési szívósság értékei között. Összehasonlítva azonban a 0-2% MWCNT tartalmú mintákat mind t-próba, mind a Welch-módszer, mind pedig a Wilcoxon próba alkalmazásával az eltérés nem szignifikáns, vagyis a törési szívósság eredmények alapján a monolitikus és a 2% MWCNT tartalmú minták összevonhatók egy halmazba. Az eredmények alapján azt a megállapítást tehetjük, hogy míg az 1% többfalú szén-nanocső adagolása gyengítette a szilícium-nitrid minta törési szívósságát, addig a 2% többfalú szén-nanocső adagolása esetén a szívósság értéke megegyezik az adalékolatlan mintáéval. Vagyis a vizsgált 2% MWCNT tartalmú minták esetében a monolitikus mintákhoz képest nem romlott tovább a repedéssel szembeni ellenállás, ezt bizonyítják az ábra piros csillaggal jelölt átlagos repedéshossz értékei is. A számítások részletezését a 17. melléklet tartalmazza. A számításokhoz kis mintát használtam, vagyis a mérési eredményekből (összesen 30 db minden összetétel esetében) minden próbatest esetében elhagytam a legkisebb, illetve a legnagyobb értéket, így 8-8 mérési pontot, azaz összetételenként 24 elemszámú mintát vizsgáltam matematikai statisztikai módszerekkel Szilárdsági vizsgálatok A vizsgált monolitikus és kompozit kerámiák szilárdsági jellemzőit a Magyar Tudományos Akadémia Természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet Kerámiák és Nanokompozitok Osztályán található INSTRON Model 1112 típusú univerzális anyagvizsgáló berendezésen határozták meg. 94

102 Szilárdsági mérések eredményei ábra. INSTRON model 1112 univerzális anyagvizsgáló berendezés A szilárdsági vizsgálatok céljából az 5.1-es ábrán bemutatott korong alakú próbatesteken kívül a [107] szabvány előírásainak megfelelő méretű, a korongokkal azonos kiindulási por összetételű pálcika alakú próbatestek is készültek. A vizsgálatok kivitelezése során először négypontos hajlítással terhelték a próbatesteket, ekkor két darabra törtek. Ezután a hosszabb próbatest darabot vizsgálták hárompontos hajlításra, amely ismételten két darabra tört. A szilárdsági vizsgálatok során 5-5- mérésből nyert mérőszámok átlagos értékeit az ábra illusztrálja ,62 0% MWCNT 701,2 727,42 1% MWCNT 649,4 2% MWCNT 585,18 515,78 254,84 247,8 235,7 Rh4átlag, átlag, MPa GPa Rh3átlag, R h3 átlag, MPa GPa EEátlag, átlag, GPa ábra. A különböző összetételű próbatestek átlagos szilárdsági értékei Az átlagos szilárdsági eredményekből megállapítható, hogy minden szilárdsági mérőszám esetén a monolitikus szilícium-nitrid kerámiára jellemző érték a legnagyobb, vagyis a szénnanocső adalékolása nem javította a szilárdsági tulajdonságokat. Tovább folytatva az elemzést érdemes megnézni, hogy milyen mértékben romlottak az egyes szilárdsági jellemzők, és a különböző összetételek esetében szignifikáns-e az eltérés. Az ehhez szükséges matematikai statisztikai számításokat a 18. melléklet részletesen tartalmazza. A négypontos hajlítószilárdság esetén: 95

103 - páronként a 0 és 1%, illetve az 1 és 2% MWCNT tartalmú minták szilárdsági eredményei között az eltérés nem szignifikáns; - szignifikáns eltérés tapasztalható viszont a 0 és 2% MWCNT minta eredményeit összehasonlítva; - mivel a kerámiák esetében a négypontos hajlítószilárdsági értékek a pontosabbak, így ezeket az eredményeket alapul véve 2 térfogat% MWCNT adalékolása már elegendő volt ahhoz, hogy szignifikáns eltérések adódjanak a monolitikus és az MWCNT tartalmú minták szilárdsági eredményei között. A hárompontos hajlítószilárdság esetén: - mind a 0 és 1% MWCNT, mind a 0 és 2% MWCNT tartalmú minták eredményeit megvizsgálva szignifikáns eltérés adódott; - nem szignifikáns az eltérés az 1 és 2% MWCNT minták vizsgálati eredményei között. A rugalmassági modulus esetén: - a 0 és 1% MWCNT tartalmú minták mérőszámai között az eltérés nem szignifikáns; - a 0 és 2% MWCNT tartalmú, valamint az 1 és 2% MWCNT tartalmú minták vizsgálati eredményei között szignifikáns eltérés tapasztalható. A szilárdsági mérőszámokat a műszaki kerámiák esetében a Weibull-statisztika alkalmazásával is szokás jellemezni. A különböző összetételek és különböző mérőszámok esetén a Weibull-modulus számításához szükséges számadatokat, illetve a számított Weibullmodulus értékeket szintén tartalmazza a 18. melléklet. A Weibull-modulusok alapján megrajzolható Weibull-diagramokat az 5.31-es ábrán láthatjuk. Az ábrán bemutatott eredmények alapján a négy- és hárompontos hajlítószilárdsági eredmények a 2% MWCNT tartalmú minták esetében a legmegbízhatóbbak, míg a rugalmassági modulus mérőszáma a 0% MWCNT minta esetében bizonyult a legmegbízhatóbbnak ábra. A különböző összetételek és különböző szilárdsági mérőszámok esetén számított Weibullmodulus értékek, és jellemző Weibull-diagramok Anyagszerkezeti vizsgálatok Az anyagszerkezeti vizsgálatokat a Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Karának Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézetében végeztem. A röntgen diffrakciós vizsgálatok eredményét az ábra illusztrálja. 96

104 Intenzitás Intensity Intenzitás Si 3 N 4 2 SiAlON 3 Y 2 O 3 4 ZrYO 5 - MWCNT θ ábra. A különböző összetételű minták röntgen diffrakciós vizsgálata A kiindulási porkeverék fázisai közül egyedül a Si 3 N 4, és kis mennyiségű szinterelési adalék, az Y 2 O 3 maradt a szinterelést követően is változatlan formában. A kiindulási porkeverékhez adott Al 2 O 3 reakcióba lépett és SiAlON fázist képzett, illetve az őrlőgolyókból bekerülő ZrO 2 fázis jelenléte is kimutatható, amely elsősorban az Y 2 O 3 -dal lépett reakcióba a szinterelés során ZrYO fázist képezve. A szén-nanocsövek jelenlétére utaló intenzitásokat csak a 2% MWCNT mintában találtunk a spektrum egy részének nagyításával (lásd ábra) % MWCNT 1% MWCNT 2% MWCNT MWCNT ábra. A karbon azonosítása érdekében nagyított röntgen diffrakciós diagram A röntgen diffrakciós vizsgálatok a kiindulási porkeverék fázisaihoz képest a szinterelést követően fázis eltérést jeleznek a vizsgálati anyagokban [122, 123, 124]. Ezek az új fázisok SiAlON, ZrYO a minták felületéről készített pásztázó elektronmikroszkópi felvételeken, illetve az azokról felvett EDX spektrumokon is láthatók, lásd ábra. 2 θ 2 97

105 Zr Si jellemző mikroszerkezeti felvétel Si N O N O Al Zr a világos részek spektruma a ß-Si 3 N 4 tűk spektruma ábra. Pásztázó elektronmikroszkópi felvételek a polírozott minták felületéről és töretéről A kialakult új fázisok SiAlON, ZrYO befolyásolhatják a minták sűrűségét, különösen az elméleti sűrűség számításakor, ahol a kiinduló porkeverék fázisainak arányát illetve sűrűségét vesszük alapul, míg a szinterelés során keletkező új fázisokkal nem számolunk. Így például az őrlőgolyókból láthatóan a mintába kerülő ZrO 2 fázis, amelynek sűrűsége önmagában is nagyon nagy: 5,68 g/cm 3 [125]. Ennek jelenléte, illetve a keletkezett további komplex fázisok okozhatják a relatív sűrűség értékének 100% fölé emelkedését. 5.4 A vizsgálati eredményekből levonható legfontosabb következtetések, megállapítások Monolitikus, illetve 1 térfogat% és 2 térfogat% szén-nanocsövet tartalmazó szilícium-nitrid kerámia nanokompozitok tribológiai és más mechanikai tulajdonságait határoztam meg a kísérleti kutatómunka során. A kutatómunka alapján tehető legfontosabb következtetések: - A próbatestek elméleti és a tényleges sűrűség értékei, valamint a belőlük származtatott relatív sűrűség értékek alapján megállapítottam, hogy a minták hidrosztatikai elven meghatározott tényleges sűrűsége nagyobb, mint a számítások útján kapott elméleti sűrűség értékek. A különbség lehetséges oka, hogy nagyobb sűrűségű fázisok kerülhetnek a mintákba egyrészt a kiinduló por összekeverésekor (például SiO 2 ), továbbá a porminták őrlésekor (például a ZrO 2 őrlőgolyóból), és a nagyhőmérsékletű szinterelés során is keletkezhetnek olyan fázisok (például SiC, SiCN, SiAlON fázisok), amelyek az összetételt módosítva a sűrűségben is változást okoztak. Ezen fázisok tényleges mennyisége azonban nem ismert. 98

106 - A minták felületének a tribológiai és egyéb vizsgálatokhoz történő előkészítése érdekében kidolgoztam egy 5 lépésből álló felületelőkészítési módszert. Ennek alkalmazását követően a minták felületének átlagos érdessége nm közötti tartományba esett, ami a mechanikai vizsgálatok elvégzéséhez megfelelő volt. - A felületelőkészítéshez használatos egyszerű csiszoló berendezést alkalmassá tettem block-on-block elvű tribológiai vizsgálat elvégzésére oly módon, hogy a kopási tényező kiszámítása céljából meghatároztam a csiszolandó (koptatott) mintáknak a vizsgálati idő alatt egy hipociklois görbe mentén megtett úthosszát. A vizsgálathoz tartozó tömegmérés és érdességmérés eredményei alapján megállapítható, hogy a vizsgálati minták abrazív kopási ellenállása, gyakorlatilag minden alkalmazott abrazív ellentest esetében csökken a MWCNT-tartalom növekedésével. A kikopott felületek pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatával a μm átmérőjű abrazív szemcsével végzett csiszoló koptatást követően karcok, kitépődések, és kitörések figyelhetők meg minden vizsgált minta felületén, amelyek a 0,04 μm abrazív szemcsével végzett polírozó koptatást követően a monolitikus minta felszínéről teljes mértékben eltűntek, míg az MWCNT minták esetében sekélyebbek lettek. - A pin-on-disc elvű vizsgálatok alapján a vizsgált összetételű kerámiákra vonatkozóan a következő megállapítások tehetők: Különböző vizsgálati beállításokat alkalmazva (terhelőerő és csúszási sebesség változtatása) a súrlódási együtthatók értéke 0,36 0,58 között változott. Szignifikáns eltérés ugyan nem volt tapasztalható a különböző összetételű minták súrlódási együttható értékeiben, az MWCNT tartalom növekedése a súrlódási együttható növekedését is eredményezte az egyes triborendszerekben. Bár önmagában a terhelőerő változtatása, illetve önmagában a csúszási sebesség változtatása nem befolyásolta egyértelműen a súrlódási együttható értékének alakulását, a terhelőerő és a csúszási sebesség együttes növelése minden összetétel esetében a súrlódási együttható növekedését okozta. Így a 10 N-10 mm/s vizsgálati paraméter-kombinációra inkább a 0,4 érték körüli súrlódási együttható érték jellemző, míg a 80 N-200 mm/s vizsgálati paraméter-kombináció esetében a 0,5 súrlódási együttható érték jellemző, az állandósult szakaszon; Matematikai statisztikai módszerrel elemezve a különböző elven meghatározott kopási tényező értékeket szignifikáns különbség nem tapasztalható a háromdimenziós mérési eredmények, illetve a kétdimenziós méréssel kapott 4, és 8 profil-keresztmetszet alapján meghatározott kopási tényező értékek között; Összetételenként elemezve a kopási együttható értékeket megállapítható, hogy az adott minőségű és diszperzitású MWCNT adalék 1-2% mennyiségben rontja a kopással szembeni ellenállást. A kopási tényező értéke minden összetétel esetében egyértelműen függ a terhelőerő nagyságától, a terhelőerő növelésével nő a kopási tényező értéke is. A csúszási sebesség hatása a kopási tényezőre szintén jelentősen függ a terhelés szintjétől. A legnagyobb F=80 N terhelőerőnél volt a kopási mérőszám a legérzékenyebb a sebesség növelésére. A terhelőerő és a csúszási sebesség tekintetében megfigyelt tendenciáktól eltérő, sajátos viselkedés lépett fel a 40 N-100 mm/s terheléskombinációjú esetekben, amelynél mind a három mintaösszetétel esetén lokálisan kedvezőbb, 99

107 azaz kisebb kopási károsodás lépett fel. Ezt a sajátosságot a háromdimenziós kopási térképek is szemléletesen bemutatják. A golyón mérhető kopási tényezők értéke gyakorlatilag minden terhelési kombináció esetében az enyhe kopási tartományban maradt, de az F= 40 N és v=100 mm/s paraméterkombináció esetén ugyancsak lokális minimumot mutatott. A különböző terhelési paraméter kombinációkkal végzett vizsgálatok eredményei alapján tehát kijelölhető egy olyan igénybevételű F= 40 N és v=100 mm/s tribo-rendszer, amelyben minden összetétel esetén lokális minimum mutatkozik mind a súrlódási együttható, mind a vizsgálati minták, mind az ellentestként szolgáló golyó kopási tényezője tekintetében. A kopásnyomokat pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgálva a kopási jelenségek két fő mechanizmusra, és ötféle kopástípusra oszthatók, az általam javasolt osztályozási rendszer alapján. A 0 és 1% MWCNT tartalmú minták kopási mechanizmus térképei nagyon hasonlítanak egymáshoz, egyedül a N közötti tartományban kis sebesség esetén lép fel az 1% MWCNT tartalmú mintánál az ábra szerinti V. típusú kopás, amely a 0% MWCNT mintánál nem volt jellemző. Ennek megfelelően az 1% MWCNT minta esetében csökken mind a II., mind a III. kopási mechanizmus, kopástípus tartománya, ami a képlékeny alakváltozási hajlam csökkenését jelzi. A 2% MWCNT tartalmú minta jóval képlékenyebb viselkedést mutat a kopási mechanizmusok, illetve a mechanizmus térképek alapján. Felhasználhatóságukat tekintve mind a kétdimenziós kopási mechanizmus térképek, mind a kopási tényező és a vizsgálati paraméterek között kapcsolatot teremtő háromdimenziós kopási térképek nagy jelentőségűek. Nemcsak a vizsgált anyagok tribológiai teljesítőképességét, illetve kopási viselkedését jellemzik az adott körülmények között, hanem megkönnyítik az új típusú nanokompozitok alkalmazhatósági körének minél pontosabb megválasztását is. A háromdimenziós kopástérképeken látványosan megjelenik minden vizsgálati paraméter esetében a kopási tényező értékének változása, illetve szembetűnő az egyes összetételek esetében a kopási térkép jellegének módosulása. - A további mechanikai vizsgálatok eredményei: A monolitikus Si 3 N 4 kerámia rendelkezik a legnagyobb keménységgel, HV 1200 körüli értékkel. A CNT adalékolás a keménység értékek csökkenéséhez vezetett, a vizsgált próbatestek esetében. 1% CNT adalékolása 17,6%-os, míg 2% CNT adalékolása 31,7%-os keménységcsökkenéshez vezetett; A Vickers-lenyomatos törési szívósság vizsgálati eredmények alapján megállapítható, hogy a lenyomat sarkaiból kiinduló repedés hosszak csupán az 1% MWCNT tartalom esetén növekedtek, a 2% MWCNT tartalom esetén csökkentek. Az eredmények alapján azt a megállapítást tehetjük, hogy míg 1% többfalú szén-nanocső adagolása gyengítette a szilícium-nitrid minta törési szívósságát, addig a 2% többfalú szén-nanocső adagolással a monolitikus mintával azonos törési szívósságot értünk el. Az átlagos szilárdsági eredményekből megállapítható, hogy minden vizsgált szilárdsági mérőszám három- és négypontos hajlítószilárdság, rugalmassági modulus esetén a monolitikus szilícium-nitrid kerámia rendelkezik a 100

108 legnagyobb értékkel, vagyis a szén-nanocső adalékolás nem javította a szilárdsági tulajdonságokat. Az anyagszerkezet röntgen-diffrakciós és pásztázó elektronmikroszkópi vizsgálatai bizonyítják az új fázisok SiAlON, ZrYO keletkezését a mátrixban a szinterelés során. - a kopási tényezők értékei mindkét block on block és pin-on-disc tribológiai vizsgálat során fordítottan változtak a vizsgált műszaki kerámiák keménységével, négypontos hajlítószilárdsági értékeivel, illetve rugalmassági modulusával; - a vizsgált minták törési szívósság értékei közvetetten a kopási mechanizmussal, illetve a kopás típusával állnak kapcsolatban, azonban a vizsgált összetételi és terhelési esetekben erre vonatkozóan nem vonható le egyértelmű következtetés. 101

109 6. Új tudományos eredmények T.1. A különféle kopási jelenségek szakirodalomban fellelhető definíciójának elemzésével egységes szempontok alapján megalkottam egy olyan új osztályozási rendszert, amely az alapvető igénybevételek/igénybevétel kombinációk alapján főcsoportokat képezve a kopási folyamat során lejátszódó jellemző (irányító) fizikai/mechanikai és kémiai folyamatok szerinti kopási mechanizmusokat nevez meg, illetve az adott kopási mechanizmuson belül a bekövetkező kopási károsodások megjelenési formája, morfológiai sajátosságai alapján jellemző kopástípus osztályokat definiál [126, 127]. T.2. Modellkísérletek tapasztalatait felhasználva kidolgoztam egy egyszerű, költséghatékony, csiszoló-polírozó berendezésen megvalósítható, tömegméréssel kiegészített kopásvizsgálati módszert. A próbatest által leírt hipociklois pályagörbe úthossza ismeretében megadható az adott vizsgálati körülmények között értelmezhető abrazív kopási tényező számszerű értéke a kenőanyagos, illetve három-testes abrazív kopást megvalósító block-on-block típusú tribo-rendszerben, azaz számszerűen jellemezhető a vizsgált anyag abrazív kopással szembeni ellenállása [128, 129, 130]. T.3. A különböző paraméterekkel végzett pin-on-disc elvű kopásvizsgálatok eredményeit felhasználva, továbbá a jellemző kopási mechanizmusokat és kopástípusokat a saját osztályozási rendszer (T.1.) alapján azonosítva, a vizsgált monolitikus és kompozit kerámiákra kétdimenziós kopási mechanizmus/kopástípus térképeket dolgoztam ki, valamint háromdimenziós kopási tényező térképeket alkottam. Az így meghatározott különféle kopási térképek az adott kerámia típusokra vonatkozóan a vizsgálatokban szereplő és hasonló kompozit kerámiák viselkedésének szemléletes és átfogó jellemzésére, megértésére alkalmasak. T.4. Monolitikus, valamint 1 térfogat% és 2 térfogat% mennyiségű többfalú szén-nanocsővel adalékolt szilícium-nitrid kerámiákon végrehajtott pin-on-disc típusú kenőanyag nélküli kopásvizsgálatokkal meghatározott kopási együttható értékek alapján a következőket állapítottam meg: T4. a) Az adott mátrixanyagú kerámia esetén a második fázis formájában jelenlévő szén-nanocső adalék mennyiségének növelésével a vizsgált összetételi tartományban a kopási együttható növekszik (a kopási ellenállás romlik). T4. b) A terhelőerő változásával a károsodási folyamatot kontrolláló kopási mechanizmusok és kopástípusok szisztematikusan változnak, kisebb terhelések esetén a folyamatot a képlékeny alakváltozás és ridegtörés együttesen kontrollálja és a jellemző kopástípusok a delaminációs kopás és fáradásos kopás, míg nagyobb terhelőerőknél a képlékeny alakváltozás, illetve tribokémiai folyamatok által kontrollált kopási mechanizmus ezeken belül delaminációs, filmképződéses, és olvadásos kopás jellemzi a károsodási folyamatot [130, 131]. T4. c) A vizsgált kerámia kompozitoknál megadható egy olyan terhelési paraméterkombináció, amelynél mindhárom mintaösszetétel esetén lokális minimuma van a kopási károsodásnak. Ez lehetővé teszi a kopási folyamatok optimalizálását a terhelési paraméterkombinációk megfelelő megválasztásával. 102

110 T.5. Egyértelmű összefüggést állapítottam meg a vizsgált kompozitok mechanikai jellemzői valamint a kopással szembeni ellenállása között, amely a vizsgált műszaki kerámiák keménységének (HV), négypontos hajlítószilárdságának (R h4 ), illetve rugalmassági modulusának (E) növekedésével egyértelmű növekedést mutat [132, 133, 134, 135]. 7. Az új tudományos eredmények hasznosításának lehetőségei, a kutatási téma továbbfejlesztési lehetőségei 1. A kidolgozott kopási osztályozási rendszer hiánypótló eszköz lehet a különféle anyagfajták különféle okokra visszavezethető és változatos kopástípusok formájában megjelenő kopási károsodási folyamatainak egységes szempontokra épülő rendszerező áttekintésére; ugyancsak hasznos elvi alapokat adhat a hazai és nemzetközi szabványosítási munkákban mind a fémes és keramikus anyagok kopási viselkedésének tárgyalásához, illetve célszerűen és folyamatosan bővítve egyéb pl. polimer alapú anyagok, kompozitok kopási károsodásainak rendszerezéséhez; eredményesen alkalmazható a különféle anyagok kopási károsodásának modellezési folyamataiban; valamint hasznosítható az oktatás területén. 2. A disszertációban bemutatott csiszoló berendezésen megvalósítható, tömegméréssel kiegészített általam javasolt kopásvizsgálati módszer egyszerű, olcsó és jól reprodukálható vizsgálati módszer összehasonlító, kenőanyaggal végzett, illetve három-testes abrazív kopást megvalósító blockon-block típusú tribológiai vizsgálatok végzésére; hatékony segítséget jelenthet drága kopásvizsgáló berendezésekkel nem rendelkező laboratóriumok számára összehasonlító, ún. Round-Robin vizsgálatsorozatok elvégzésére. 3. A vizsgált anyagokra megalkotott két- és háromdimenziós kopástérképek az anyagadatbázisokban könnyen tárolható, nagy információtartalmú, hasznos segédletként alkalmazhatók a hagyományos és számítógépes anyagkiválasztási folyamatokban, továbbá alkalmazhatók az oktatási munkában. 4. A kutatások jövőbeni iránya a kopási viselkedés minél szélesebb körű feltérképezésére irányul, amely magában foglalja: a disszertációban bemutatott két- és háromdimenziós kopási térképek pontosítását további köztes igénybevételi állapotoknak megfelelő paraméterkombinációkkal végzett pin-on-disc elvű kopásvizsgálatok segítségével; a környezeti körülmények (páratartalom, hőmérséklet, kenőanyag) szabályozásával kivitelezett további tribológiai vizsgálatokat; a kopási mechanizmusok és az anyagszerkezet közötti kapcsolat vizsgálatát. 103

111 8. Összefoglalás A szén-nanocsővel adalékolt szilícium-nitrid kerámia kompozitok tulajdonságainak, teljesítőképességének vizsgálata világszerte kutatott téma. E műszaki kerámia kompozit széleskörű felhasználásában jelentős szerepet foglalnak el azok az alkalmazások, amelyek ezeknek a kerámiáknak az anyagspecifikus viselkedéstől eltérő sajátosságait, pl. elektromos vezetőképességét hasznosítják. Az alkalmazási potenciál mind átfogóbb feltérképezéséhez az elektromos sajátosságok mellett a szerkezeti kerámiáknál leginkább hasznosított mechanikai tulajdonságok meghatározása is szükséges. A műszaki kerámiák nagy hőmérsékleten is megőrzik kedvező mechanikai tulajdonságaikat (keménység, kopásállóság), így e kerámia kompozitok esetében is a tribológiai alkalmazásokra fókuszáltam. Az értekezés fő célkitűzése a különböző mennyiségű 1 illetve 2 térfogat% szénnanocsövet tartalmazó szilícium-nitrid kerámia kompozitok tribológiai és mechanikai jellemzőinek meghatározása, valamint e tulajdonságok összehasonlítása a monolitikus szilícium-nitirid kerámia jellemzőivel. Az értekezés elméleti fejezeteiben (szakirodalmi áttekintés és elméleti kutatómunka) áttekintettem a vizsgálati kompozittal azonos és ahhoz hasonló összetételű kerámia kompozitok gyártási, szerkezeti és a szakirodalomban fellelhető mechanikai tulajdonságait, majd foglalkoztam a tribológiai rendszerek általános sajátosságaival, továbbá a tribológiai folyamatok szakirodalomban tapasztalható osztályozási problémáival. Az értekezés kísérleti részének fő témája a vizsgált kerámia kompozitok tribológiai viselkedésének sokoldalú jellemzése. Ehhez két különböző tribológiai vizsgálati eljárást választottam. Az egyik egy egyszerű csiszoló-polírozó gép segítségével megvalósított blockon-block elrendezésű vizsgálati módszer volt, a másik egy korszerű, a súrlódási együttható insitu vizsgálatára is alkalmas pin-on-disc vizsgálati módszer. A vizsgálatokat többféle terhelési paraméterrel változó terhelőerő és csúszási sebesség alkalmazásával szobahőmérsékleten, kenőanyag nélkül végeztem el. A pin-on-disc vizsgálatokhoz a Miskolci Egyetem, Mechanikai Technológiai Tanszékén 2011-ben telepített, Magyarországon egyedülálló CETR-UNMT1 multifunkciós mikro-nano felületvizsgáló berendezést használtam. A tribológiai vizsgálatokat kiegészítettem keménység, Vickers-lenyomatos törési szívósság, és hajlítószilárdság vizsgálatokkal. Az elvégzett kutatómunka legfontosabb eredményei az alábbiakban foglalhatók össze: A kopási folyamatok jellemzésére a kopási mechanizmusok és kopástípusok rendszerezésére egy újszerű osztályozási javaslatot dolgoztam ki. Kidolgoztam továbbá egy egyszerű és költségtakarékos vizsgálati módszert műszaki kerámiák csiszoló berendezésen megvalósítható abrazív tribológiai vizsgálatára. A vizsgált monolitikus és kompozit kerámiák tribológiai és mechanikai tulajdonságainak kopási tényező, súrlódási együttható, microvickers keménység, Vickers-lenyomatos törési szívósság, rugalmassági modulus, hajlítószilárdság kvantitatív jellemzése mellett, pásztázó elektronmikroszkópi vizsgálatok segítségével szisztematikusan elemeztem a különféle vizsgálati feltételek között bekövetkező kopási károsodási folyamatokat kontrolláló kopási mechanizmusokat. Ez utóbbiakat szemléletes kétdimenziós kopási térképek formájában összegeztem, míg a kopási tényezőt a vizsgálati paraméterek függvényében ábrázolva háromdimenziós kopási térképeket alkottam mindhárom vizsgált anyagra. Az elvégzett komplex tribológiai-mechanikai-anyagszerkezeti vizsgálatok eredményeit összegezve átfogó kvalitatív és kvantitatív jellemzést adtam a 104

112 vizsgált szén-nanocsővel adalékolt szilícium-nitrid kerámia kompozitok tribológiai viselkedésének sajátosságaira vonatkozóan, továbbá összefüggéseket tártam fel a kopási mérőszámok és a vizsgált mechanikai tulajdonságok között. A bemutatott vizsgálati eredmények lehetőséget adnak az adott kerámia anyagok lehetséges és javasolt alkalmazási körének kibővítésére, továbbá alapul szolgálhatnak a célorientált anyagtechnológiai fejlesztésekhez. A kapott eredmények adatbázisokban is felhasználhatók. A javasolt kopási osztályozási rendszer jól hasznosítható a különféle elméleti elemzések, szabványosítási eljárások vagy modellezési folyamatok során. Az egyedi és újszerű kopási térképek az anyagkiválasztásban nyújtanak hasznos segítséget, míg az anyagtulajdonságok és a kopási jellemzők közötti korrelációs kapcsolatok ismeretében a kopási károsodásra vonatkozó becslések megbízhatóságát tudjuk növelni. 105

113 9. Summary The investigation of properties and performance capabilities of carbon nanotube reinforced silicon-nitride composites presents a widely researched topic all over the world. In case of technical ceramic composite materials, the applications utilising the properties e.g. electric conductivity differing from material specific features,, deserve a significant consideration. In order to achieve an ever improving complex mapping of application potential, it is necessary to determine, besides the electrical properties, the mechanical properties as well. Technical ceramics preserve, even at high temperatures, their favourable mechanical properties (hardness, wear resistance), thus in my research study the tribological applications related to ceramic composite materials have been brought into focus. The main objective of this study is to determine the tribological and mechanical properties of silicon-nitride ceramic composites containing carbon nanotubes of different amount namely 1 and 2 volume per cent, and to compare these properties with the features of monolithic silicon-nitride ceramics. The theoretical chapters (technical literature overview and theoretical research work) offer a survey of the manufacturing, structural and mechanical properties covered in the professional literature regarding ceramic composites with equal or similar structures to the investigated one. I have also been concerned with the classification problems of tribological processes that occur in the technical literature. The main objective of the experimental work of the dissertation consist in the versatile characterisation of the tribological behaviour of the investigated ceramic composites. To achieve this goal, two different tribological test procedures have been applied. One of them is a block-on-block investigation method carried out on a simple grinding-polishing machine, while the other one includes an up-to-date pin-on-disc wear test, which is suitable among the others for in-situ examination of the friction coefficient. The tests have been performed with several load parameters changing load force and sliding rate at room temperature and without the use of any lubricant. The experiments have been carried out using a CETR- UNMT1 multi-functional micro-nano surface testing equipment, which is unique in Hungary and was installed at the Department of Mechanical Technology at the University of Miskolc in The tribological tests have been supplemented by hardness, Vickers indentation fracture toughness and bending strength tests. The most significant results of the research work are summarised as follows: I have developed a novel proposal for the classification and the description of wear processes, such as wear mechanisms and wear types. Furthermore, I have elaborated a simple and cost-effective testing method for abrasive tribological tests of technical ceramics that can be carried out on a simple grinding equipment. In addition to the quantitative description of the tribological and mechanical properties e.g. wear and friction coefficient, micro Vickers hardness, Vickers indentation fracture toughness, elastic modulus, and bending strength of the tested monolithic and composite ceramics, I have completed a systematic analysis of wear mechanisms controlling the wear damage process under different testing conditions. I summarized these information in two-dimensional wear maps, while representing the wear coefficient in the function of the testing parameters I have constructed three dimensional wear maps for all three tested materials. After summarising the results of the performed complex 106

114 tribological-mechanical and microctructural investigations, I have provided an overall qualitative and quantitative characterisation of the tribological behaviour of the tested carbon nanotube reinforced silicon-nitride ceramic composites. In addition, I have established relationship between the wear characteristics and the tested mechanical properties. The presented test results facilitate an extension of the possible and proposed application field of the investigated ceramic materials, furthermore provide a basis for goal-oriented developments in materials technology. The test results can also be used in data bases. The proposed classification method can be applied in different theoretical analyses, or in patent procedures and modelling processes. The wear maps provide useful aid for the material selection, while the knowledge of correlation and connections between material properties and wear features allows an increased reliability of evaluation related to wear damage. 107

115 10. Köszönetnyilvánítás A kutató munka a szerző részéről a TÁMOP-4.2.2/B-10/ jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg, a témavezető a TÁMOP B-10/2/KONV jelű projekt részeként az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával végezte munkáját. Köszönöm Dr. Marosné dr. Berkes Mária témavezetői munkáját. A doktori képzés, a közös publikációk és az értekezés írása alatt nyújtott szakmai irányítását, tanácsait, támogatását. Köszönettel tartozom Dr. Tisza Miklós (egyetemi tanár) Professzor Úrnak, a Mechanikai Technológiai Tanszék tanszékvezetőjének, és a Sályi István Gépészeti Tudományok Doktori Iskola vezetőjének támogatásáért, szakmai segítségéért, illetve hogy a vizsgálati anyagok beszerzésének lehetőségét és az értekezésben bemutatásra kerülő vizsgálatokhoz szükséges infrastruktúrát biztosította, valamint a vizsgálati eredmények publikálását ösztönözte. Köszönetet mondok Dr. Lukács János (egyetemi tanár) Professzor Úrnak a szakmai támogatásáért, illetve block-on-block elvű tribológiai vizsgálatok megvalósításához szükséges infrastruktúra biztosításáért. Köszönettel tartozom Dr. Nagy Gyula (egyetemi docens) kollégámnak, aki teljes doktori képzésem során számos tanáccsal és szakmai észrevétellel segítette munkámat. Köszönöm továbbá a Mechanikai Technológiai Tanszék minden tagjának a szakmai támogatást, a jó munkakörülmények biztosítását. Köszönettel tartozom Dr. Balázsi Csabának, a Magyar Tudományos Akadémia Természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet Kerámiák és Nanokompozitok Osztálya vezetőjének, szakmai tanácsaiért, illetve a kísérleti mintadarabokért, valamint a sűrűségmérési és hajlítószilárdsági vizsgálatok kivitelezéséért. Köszönöm a lehetőséget Dr. Kundrák János (egyetemi tanár) Tanszékvezető Úrnak, hogy az érdességmérési vizsgálatokat a Gépgyártástechnológiai Tanszéken elvégezhettem, a vizsgálatok technikai kivitelezését köszönettel Molnár Viktornak és Felhő Csabának tartozom. Köszönöm a lehetőséget Dr. Mertinger Valériának (egyetemi docens) és Sólyom Jenőnek (tudományos munkatárs) a Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézet munkatársainak a röntgendiffrakciós vizsgálatok kivitelezéséért. Köszönöm továbbá Kovács Árpád (mérnöktanár) szakmai és baráti támogatását. Köszönöm családom minden tagjának, hogy teljes doktori képzésem és munkám során mellettem álltak és mindenben támogattak. Külön köszönöm férjemnek, Dr. Kuzsella Lászlónak türelmét, támogatását és szakmai segítségét. 108

116 11. Mellékletek 1. melléklet: A vizsgálati mintadarabok gyártást követő fényképei, geometriai jellemzői és sűrűsége 2. melléklet: Kísérletek tervezése Szükséges mintaelem-szám számítása 3. melléklet: Kiinduló felületek érdességi profiljai, anyaghányad görbéi és háromdimenziós érdességi profiljai 4. melléklet: A kopási úthossz számítás levezetése a block-on-block elvű tribológiai vizsgálat során 5. melléklet: A block-on-block elvű tribológiai vizsgálat eredményeinek matematikai statisztikai értékelése 6. melléklet: A block-on-block elvű tribológiai vizsgálat pásztázó elektronmikroszkópi felvételei 7. melléklet: A pin-on-disc elvű tribológiai vizsgálatokhoz tervezett mintatartó műszaki rajza 8 melléklet: Súrlódási együttható diagramok, számszerű értékek és matematikai statisztikai értékelése a pin-on-disc elvű vizsgálatok során 9. melléklet: A különböző mérési paraméterek alkalmazásával kapott kopásnyomok felvételei 10. melléklet: Kikopott térfogat meghatározásához használt háromdimenziós felvételek 11. melléklet: Mintafájl: a kikopott térfogat meghatározásához használt kétdimenziós profilok a 0% MWCNT minta 1 kopásnyomán mérve 12. melléklet: Kikopott térfogatok és kopási együttható értékek részletezése és matematikai statisztikai elemzése 13. melléklet: Kopási mechanizmus azonosításához készített pásztázó elektronmikroszkópi felvételek 14. melléklet: MicroVickers keménységmérés eredményei 15. melléklet: MicroVickers keménységmérés eredményeinek matematikai statisztikai értékelése 16. melléklet: Vickers-lenyomatos törési szívósság mérés eredményei 17. melléklet: A Vickers-lenyomatos törési szívósság mérés eredményeinek matematikai statisztikai értékelése 18. melléklet: A szilárdsági mérések matematikai statisztikai értékelése 109

117 12. Az értekezés témájában releváns saját publikációk listája KONFERENCIA ELŐADÁSOK (1.) Koncsik Zs.; Marosné B.M.; Kuzsella L.: Kopásvizsgálatok szilícium-nitrid nanokompozitokon, XXV. Hőkezelő Konferencia, Balatonfüred, poster session (2.) Zs. Koncsik, M. B. Maros, L. Kuzsella: Tribological characterisation of carbon nanotube added Si 3 N 4 ceramic composites, 39th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, Leeds, 4-7. September, 2012 (3.) Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Relationship between tribological and other mechanical properties of Si 3 N 4 /SiC/graphite composites, Contact Mechanics and Surface Treatment 2009; Algarve, Portugália, június (4.) Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Correlation between the tribological and mechanical properties of Si 3 N 4 /SiC/graphite composites, MicroCAD konferencia Miskolc, Anyagtudomány és Mechanikai technológiák szekció (5.) Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Effect of graphite additives on the tribological behaviour of Si 3 N 4 nanocomposites, Fractography of Advanced Ceramics , Szlovákia, Stara Lesna, poster session (6.) Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: Some aspects of modelling wear mechanisms of ceramics, MicroCAD konferencia Miskolc, Gépgyártástechnológia és gyártórendszerek szekció (7.) Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: A kerámia jelentősége és jövője, különös tekintettel a tribológiai alkalmazásokra, Kiváló diplomaterv pályázat előadása, Magyar Mérnökök és Építészek Svájci Egyesületének Szakmai Konferenciája, ETH- Zürich, Svájc, KONFERENCIA KIADVÁNYBAN MEGJELENT PUBLIKÁCIÓK (8.) Koncsik Zs., Kuzsella L., Lukács J., Marosné B. M.: Speciális vizsgálatok szerkezetek integritásának megítéléséhez, 6. AGY konferencia, Anyagvizsgálat a Gyakorlatban Szakmai Szeminárium, június 6-8. Cegléd, (CD kiadvány megjelenés alatt) (9.) Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Si 3 N 4 kerámia kompozitok abrazív tribológiai vizsgálata, MTEKMR: Műszaki tudomány az Észak-Kelet Magyarországi Régióban Szolnok, Debreceni Akadémiai Bizottság Műszaki Szakbizottsága, ISBN , pp (10.) Tisza M., Marosné B. M., Koritárné F. R., Kuzsella Lné K. Zs.: Gördülőelemes hajtásokban alkalmazható fémes- és nemfémes anyagok, K+F eredmények összefoglalása, GOP / , Kiadó: Uni-Flexys Egyetemi Innovációs Kutató és fejlesztő Közhasznú Nonprofit Kft., ISBN , pp (11.) Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Fázisátalakulások grafittal adalékolt Si 3 N 4 kerámia kompozitokban, MTEKMR: Műszaki tudomány az Észak-Kelet Magyarországi Régióban 2011 konferencia előadásai, MTA Debreceni Akadémiai Bizottság, Műszaki Szakbizottsága, Debrecen, pp , ISBN ,

118 (12.) Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Tribological Investigation of Si 3 N 4 Nanocomposites, Friction, Wear and Wear Protection, edited by Alfons Fischer and Kirsten Bobzin, Wiley-VCH, Weinheim, ISBN , pages , (13.) Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: Experiences on pin-on-disc wear test and another mechanical tests of Si 3 N 4 C-nanocomposites, Doktoranduszok Fóruma, Gépészmérnöki és Informatikai Kar szekciókiadványa, Miskolci Egyetem Innovációs és Technológia Transzfer Centruma, pp (14.) Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: Si 3 N 4 kerámiák tribológiai vizsgálata, Műszaki Tudományos füzetek, XII. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka, Erdélyi Múzeum Egyesület, ISBN pp (15.) Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: Experiences on pin-on-disc wear test of Si 3 N 4 C-nanocomposites, MicroCAD 2007 International Scientific Conference 2007, Section D, Miskolci Egyetem Innovációs és Technológia Transzfer Centruma, ISBN , pp FOLYÓIRAT CIKKEK (16.) Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Abrasive wear testing of Si 3 N 4 ceramic composites, Materials Science Forum, Vol. 729., Trans Tech Publications, Switzerland, pp ISSN print ; ISSN web (17.) Koncsik Zs.; Molnár V.; Marosné B.M.; Kuzsella L.: Az érdességmérés alkalmazhatóságának lehetőségei és korlátai műszaki kerámiák kopásvizsgálata során, GÉP, 2012/11. LXIII. évfolyam, Gépipari Tudományos Egyesület, Budapest, ISSN , pp (18.) Zs. Koncsik, M. B. Maros, L. Kuzsella: Tribological characterisation of carbon nanotube added Si 3 N 4 ceramic composites, Tribology International, (megjelenés alatt) (19.) Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Die Entwicklung neuer Phasen in Si 3 N 4 Keramik-Kompositen, Journal of Production Processes and Systems, vol. 6. (2012) No. 1., pp (20.) Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Új fázisok kialakulása grafittal adalékolt Si 3 N 4 kerámia kompozitokban, Miskolci Egyetem Közleményei, Multidiszciplináris tudományok,, 1. kötet (2011) 1. szám, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, HU ISSN , 2011., pp (21.) Lukács, J.; Cserjésné, S. Á.; Gál, I., Koncsik, Zs.; Koritárné, F. R.; Marosné, B. M.; Nagy, Gy; Szávai, Sz.; Tóth, L.: A Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszéke Anyagvizsgáló szakcsoportjának kutatási tevékenysége a közötti időszakban, GÉP, A gépipari tudományos egyesület műszaki folyóirata, 2011/4. LXII. Évfolyam, Gépipari Tudományos Egyesület, Budapest, pp , ISSN , INDEX: , (22.) Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Si 3 N 4 /SiC/grafit kerámia kompozitok mechanikai tulajdonságai, GÉP, Gépipari Tudományos Egyesület, Budapest, LXI. Évfolyam, 2010/3. pp ISSN , INDEX:

119 (23.) Zs. Koncsik: Műszaki kerámiák kopási mechanizmusainak rendszerezése; Műszaki Füzetek, 2010., MTA Debreceni Akadémiai Bizottság Műszaki Szakbizottsága, HU ISSN , pp Műszaki Tudomány az Észak- Alföldi Régióban 2010 konferencia előadásai, szerk: Pokorádi László, ISBN , Debrecen, (24.) Zs. Koncsik: Si 3 N 4 kerámiák mechanikai viselkedése II. Tribológiai jellemzés; Műszaki Füzetek, 2010., MTA Debreceni Akadémiai Bizottság Műszaki Szakbizottsága, HU ISSN , pp Műszaki Tudomány az Észak- Alföldi Régióban 2010 konferencia előadásai, szerk: Pokorádi László, ISBN , Debrecen, (25.) Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Mechanical testing of Si 3 N 4 /SiC/graphite ceramic composites, Materials Science Forum, Volume 659. Materials Science, Testing and Informatics V., Trans Tech Publications, Switzerland, ISSN pp: (26.) Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: Tribological Behaviour of C-derived Si 3 N 4 Nanocomposites, Materials Science Forum Vol. 589 in September 2008, Materials Science, Testing and Informatics IV. pp Trans Tech Publications, Switzerland, ISSN TANULMÁNYOK (27.) Zs. Koncsik: A járműiparban alkalmazott műszaki kerámiák fejlesztési trendjei, TÁMOP tanulmány, Számítógépes tervezés helyzete és fejlesztésének fő irányai c. tanulmány, ME-MTT, pp (28.) M. B. Maros; Zs. Koncsik: Felületvizsgáló eszközháttér bemutatása a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén, TÁMOP tanulmány, Helyzetelemzés - Hőkezelő Szakcsoport, ME-MTT, pp (29.) Koncsik Zs., Maros B.M., Kuzsella L.: Tribológiai és egyéb mechanikai jellemzők kapcsolatának vizsgálata Si 3 N 4 /SiC/grafit kerámia kompozitokon, ME MTT OTKA T tanulmány, pp 20. Miskolc, (30.) Koncsik Zs.: Inhomogén anyagszerkezetek repedéskeletkezési és repedés terjedési sajátosságainak elemzése különös tekintettel a korszerű kerámia és kompozit anyagokra, ME MTT OTKA NI tanulmány, pp 15. Miskolc, (31.) Koncsik Zs.: Fémes és nemfémes anyagok adatainak gyűjtése, elemzése és feldolgozása a végeselemes modellező szoftverek igényeinek figyelembevételével, ME MTT OTKA NI tanulmány, pp 15. Miskolc, (32.) Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: A műszerezett keménységmérés problematikája, megbízhatósága, kísérleti tapasztalatok Si 3 N 4 C-nanokompozitokon, ME MTT OTKA T , OTKA NI tanulmány, pp 20. Miskolc, (33.) Maros B. M., Koncsik Zs.: Si 3 N 4 nanokompozit kerámiák tribológiai vizsgálatának tapasztalatai, ME MTT OTKA T tanulmány, pp 44. Melléklet: pp 23. Miskolc,

120 TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZATOK ÉS ELŐADÁSOK (34.) Koncsik Zs: Si 3 N 4 nanokompozitok tribológiai vizsgálata, XXVIII. OTDK, Műszaki Tudományi Szekció, Anyagtudomány, Anyagvizsgálat II. Szekció, II. helyezés, Győr, , Széchenyi István Egyetem, XXVIII. OTDK, Műszaki Tudományi Szekció Resume kötete pp 50. ISBN (35.) Koncsik Zs: Si 3 N 4 nanokompozitok tribológiai vizsgálata, Miskolci Egyetem, Tudományos Diákköri Konferencia, Gépészmérnöki Kar, Gépészeti Anyagtudomány, Gyártási Rendszerek és Technológiák Szekció, p 39.+ mellékletek: p 46. DIPLOMAMUNKA (36.) Koncsik Zs.: Si 3 N 4 nanokompozitok tribológiai vizsgálata, (37.) Koncsik Zs.: Diplomafordítás németről magyarra, Rosemarie Buhlmann, Anneliese Fearns: NTF, Hinführung zur naturwissenschaftlich-technischen Fachsprache (Max Hueber Verlag, Teil 3: Baustoffkunde, ISBN ) pp Hans Eisenreich, Claus Köhler, Renate Meinecke, Arthur Michel, Werner Reinhardt, Herbert Riedel: Deutsch für Techniker (VEB Verlag Enzyklopädie Leipzig, 1975) pp Dipl.-Ing. Horst Bauer Kraftfahrtechnisches Taschenbuch (25. Auflage, Robert Bosch GmbH, 2003, ISBN ) pp OKTATÁSI SEGÉDLET (38.) Maros, B. M.; Koncsik, Zs.: Különböző mikroszkópok jellemzői és alkalmazása, oktatási tananyag, TÁMOP oktatási tananyag, pp (39.) Kuzsella L; Koncsik Zs.: A GDOS vizsgálati technika, TÁMOP oktatási tananyag, pp

121 13. Irodalomjegyzék [1] Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: A kerámia jelentősége és jövője, különös tekintettel a tribológiai alkalmazásokra, Kiváló diplomaterv pályázat előadása, Magyar Mérnökök és Építészek Svájci Egyesületének Szakmai Konferenciája, ETH- Zürich, Svájc, [2] F. L. Riley: Silicon Nitride and Related Materials, Journal of the American Ceramic Society 83, 2, [3] Y. Hamano: Progress in structural applications of silicon nitride, in Silicon-Based Structural Ceramics, editedby: B.W. Sheldon, S.C. Danforth, The American Ceramic Society, USA, ISBN , [4] K. K. Chawla: Ceramic Matrix Composites, Chapman & Hall, ISBN , [5] D. W. Richerson: Modern Ceramic Engineering, Vol. I., Marcel Dekker Inc., ISBN , [6] J. F. Yang, T. Ohji, T. Sekino, C.L. Li, K. Niihara: Phase transformation, microstructure and mechanical properties of Si 3 N 4 /SiC composite, Journal of the European ceramic Society 21, pp [7] K.T. Hwang, C. S. Kim, K.H. Auh, D.S. Cheong, K. Niihara: Influence of SiC particle size and drying method on mechanical properties and microstructure of Si 3 N 4 /SiC nanocomposite, Materials Letters 32 pp [8] M. Hnatko, D. Galusek, P. Sajgalik: Low-cost preparation of Si 3 N 4 -SiC micro/nano composites by in-situ carbothermal reduction of silica in silicon nitride matrix, Journal of the European Ceramic Society 24, pp [9] M. Kasiarova, E. Rudnayova, J. Dusza, M. Hnatko, P. Sajgalik, A. Merstallinger, L. Kuzsella: Some tribological properties of a carbon-derived Si 3 N 4 /SiC nanocomposite, Journal of the European Ceramic Society 24. pp [10] A. Kovalcikova, Cs. Balázsi, J. Dusza, O. Tapaszto: Mechanical properties and electrical conductivity in a carbon nanotube reinforced silicon nitride composite, Ceramics International 38 pp , [11] J. Dusza, J. Morgiel, A. Duszová, L. Kvetková, M. Nosko, P. Kun, Cs. Balázsi: Microstructure and fracture toughness of Si 3 N 4 + graphene platelet composites, Journal of the European Ceramic Society 32. pp [12] P. Sajgalik, M. Hnatko, F. Lofaj, P. Hvizdos, J. Dusza, P. Warbichler, F. Hofer, R. Riedel, E. Lecomte, M.J. Hoffmann: SiC/Si 3 N 4 nano/micro-composite - processing, RT and HT mechanical properties, Journal of the European eramic Society 20, pp , [13] P. Sajgalik, M. Hnatko, F. Lofaj, P. Hvizdos, J. Dusza, P. Warbichler, F. Hofer, R. Riedel, E. Lecomte, M.J. Hoffmann: SiC/Si 3 N 4 nano/micro-composite - processing, RT and HT mechanical properties, Journal of the European Ceramic Society 20, pp , [14] Q. Li, X. Yin, L. Feng: Dielectric properties of Si 3 N 4 SiCN composite ceramics in X- band, Ceramics International 38. pp ,

122 [15] F. Ye, L. Zhang, X. Yin, X. Zuo, Y. Liu, L. Chenga: Fabrication of Si 3 N 4 SiBC composite ceramic and its excellent electromagnetic properties, Journal of the European Ceramic Society 32. pp , [16] C. Tian, H. Jiang, N. Liu: Thermal shock behavior of Si 3 N 4 TiN nano-composites, Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials 29. pp [17] G. Zheng, J. Zhao, C. Jia, X. Tian, Y. Dong, Y. Zhou: Thermal shock and thermal fatigue resistance of Sialon Si 3 N 4 graded composite ceramic materials, Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials 35. pp [18] Kh. V. Manukyan, S.L. Kharatyan, G. Blugan, P. Kocher, J. Kuebler: MoSi 2 Si 3 N 4 composites: Influence of starting materials and fabrication route on electrical and mechanical properties, Journal of the European Ceramic Society 29. pp , [19] N. N. Long, J.-Q. Bi, W.-L. Wang, M. Du, Y.-J. Bai: Mechanical properties and microstructure of porous BN SiO 2 Si 3 N 4 composite ceramics, Ceramics International 38. pp , [20] X. Li, X. Yin, L. Zhang, L. Cheng, Y. Qi: Mechanical and dielectric properties of porous Si 3 N 4 SiO 2 composite ceramics, Materials Science and Engineering A 500 pp , [21] Csanády A., Kálmán E., Konczos G.: Bevezetés a nanoszerkezetű anyagok világába, MTA Kémiai Kutatóközpont, ELTE EÖTVÖS KIADÓ, ISBN , [22] S. Iijima: Carbon nanotubes: past, present, and future. Phys B. 323: [23] G. DeJean, D. Staiculescu, T. Thai, J. Ratner, L. Yang: Electromagnetic Applications in Nanotechnology; Georgia Institute of Technology, elérhető: [24] L. P. Biró: Nanovilág: A szén nanocsőtől a kék lepkeszárnyig, Fizikai Szemle, 2003/11. pp P. J.F. Harris: Carbon nanotubes abd Related Structures; New Materials for the Twenty-first Century; Cambridge University Press, ISBN ; [25] P. J. F. Harris: Carbon Nanotubes and Related Structures; New Materials for the Twenty-first Century; Cambridge University Press, ISBN ; [26] Helbig, J., Schönholzer, U., Grundzüge der Keramik, Skript zur Vorlesung Ingenieurkeramik I. ETH Zürich, [27] Szépvölgyi, J., Korszerű műszaki kerámiák, [28] T. Honma, Y. Ukyo: Sintering process of Si 3 N 4 with Y 2 O 3 and Al 2 O 3 as sintering additives, Journal of Materials Science Letteres 18, pp , [29] Zhou, R., Feng, Z., Liang, Y., Zheng, F., Xian, Q., Reactions between SiC and sintering aids in Si 3 N 4 /SiC nanocomposites and their consequences, Ceramic International 27 (2001) [30] K. Rajan, P. Sajgalik: Local chemistry changes in Si 3 N 4 based ceramics during hotpressing and subsequent annealing, Journal of the European Ceramic Society 19. pp , [31] Shan, S. Y., Yang, J. F., Lu, Y., Gao, J. Q., Niihara, K., Effects of carbon source on microstructural evoluton and sintering behavior of porous silicon nitride ceramics, Scripta Materialia 56 (2007)

123 [32] Hnatko, M., Šajgalík, P., Lenčés, Z., Salamon, D., Monteverde, F., Carbon reduction in the Y 2 O 3 -SiO 2 glass system at high temperature, Journal of the European Ceramic Society 21 (2001) [33] L.J. Gauckler: Ingenieurkeramik I. II. ETH-Zürich, Nichtmetallische Werkstoffe, [34] O. Tapasztó: Szén nanoszerkezetekkel adalékolt szilícium-nitrid nanokompozitok, PhD értekezés, Budapesti Műszaki és gazdaságtudományi Egyetem, Természettudományi Kar, Budapest, [35] O. Tapasztó, Cs. Balázsi: The effect of milling time on the sintering kinetics of Si 3 N 4 based nanocomposites; Ceramics International 36. pp ; 2010 [36] Á. Kukovecz, T. Kanyó, Z. Kónya, I. Kiricsi: Long-time low-impact ball milling of multi-wall carbon nanotubes, Carbon 43. pp ; [37] A. Mahajan, A. Kingon, Á. Kukovecz, Z. Konya, P. M. Vilarinho: Studies on the thermal decomposition of multiwall carbon nanotubes under different atmospheres, Materials Letters, Volume 90, Pages January [38] Cs. Balázsi; Z. Kónya; F. Wéber; L.P. Bíró; P. Arató: Preparation and characterisation of carbon nanotube reinforced silicon nitride composites, Mater. Sci. Eng. C; 23. (6-8), pp [39] O. Tapasztó, P. Kun, F. Wéber, G. Gergely, K. Balázsi, J. Pfeifer, P. Arató, A. Kidari, S. Hampshire, C. Balázsi: Silicon nitride based nanocomposites produced by two different sintering methods, Ceramics International 37. pp ; [40] Cs. Balázsi, Z. Kónya, F. Wéber, L.P. Biró, P. Arató: Preparation and characterization of carbon nanotube reinforced silicon nitride composites; Materials Science and Engineering C 23, pp ; [41] A. Kovalcikova, Cs. Balázsi, J. Dusza, O. Tapaszto: Mechanical properties and electrical conductivity in a carbon nanotube reinforced silicon nitride composite; Ceramics International 38 pp ; [42] Cs. Balázsi, B. Fényi, N. Hegman, Zs. Kövér, F. Wéber, Z. Vértesy, Z. Kónya, I. Kiricsi, L. P. Biró, P. Arató: Development of CNT/Si 3 N 4 composites with improved mechanical and electrical properties; Composites: Part B 37, pp.: ; [43] P. Hvizdos; V. Puchy; A. Duszová; J. Dusza; Cs. Balázsi: Tribological and electrical properties of ceramic matrix composites with carbon nanotubes, Ceramics International, Volume 38, Issue 7. pp , [44] H. Gleiter: Nanostructured materials: Basic concepts and microstructure; Acta Mater.; 48.; pp [45] F. Zhou: Joining of Si 3 N 4 ceramic composites with Y 2 O 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 mixtures, Journal of Materials Processing Technology 127. pp [46] Cs. Balázsi, K. Sedlácková, Zs. Czigány: Structural characterization of Si 3 N 4 carbon nanotube interfaces by transmission electron microscopy, Composites Science and Technology 68. pp , [47] S. Pasupuleti; R. Peddetti; S. Santhanam; K-P. Jen; Z.N. Wing; M. Hecht, J.P. Halloran: Toughening behavior in a carbon nanotube reinforced silicon nitride composite; Materials Science and Engineering A 491. pp [48] Tribologie, Begriffe; DIN 50323,

124 [49] E. Vámos: Tribológiai kézikönyv, Műszaki Könyvkiadó Budapest, ISBN: [50] I. Valasek: Tribológia 1 A tribológiai alapjai, Tribotechnik Kft. Budapest, ISBN ; [51] Á. Budó, J. Pócza: Kísérleti fizika I. Második kiadás, Tankönyvkiadó Budapest, [52] L. Gribovszki: Gépipari megmunkálások, Tankönyvkiadó, Budapest, ISBN: [53] Z. Néder: A felületi érdesség hatása szerkezeti elemek érintkezési, feszültségi és hőtani állapotára száraz súrlódás esetén; PhD értekezés, [54] Verschleiss; Begriffe, Systemanalyse von Verschleissvorgängen; Gliederung des Verschleissgebietes, DIN 50320, [55] R. Lörcher: Verschleiß und Gefügeeigenschaften keramischer Schneidwerkstoffe, PhD. értekezés, [56] J. Lauscher: Drehen mit Siliciumnitrid-Schneidkeramik, Verschleißvorgänge und Mechnismen, PhD. értekezés, [57] S. M. Hsu, M.Shen: Wear prediction of ceramics; Wear 256, p , [58] K. Kato: Classification of Wear Mechanism /Models, Wear, Materials, Mechanism and Practice, Tribology in Practice Series, Editor: Stachowiak, John Wiley & Sons Inc., ISBN-13: [59] Kragelszkij-Mihin: Gépszerkezetek súrlódás-és kopásszámítása, Műszaki Könyvkiadó, 1987., ISBN: [60] C. X. Li: Wear and Wear Mechanisms, (The University of Birmingham, UK, előadás) [61] I.M. Hutchings: Tribology: Friction and wear of engineering materials, ISBN x Edward Arnold A Division of Hodder & Stoughton, pp: [62] S. C. Lim, M. F. Ashby: Wear mechanism maps, Acta metall. Vol. 35. No. 1. pp , Overview No [63] B. Bhushan: Modern Tribology Handbook, Volume One, CRC Press, ISBN , [64] G. W. Stachowiak, A. W. Batchelor: Engineering tribology, Second edition, ISBN , Butterworth-Heinemann, [65] G. W. Stachowiak: Wear. Materials, Mechanisms and Practice, John Wiley & Sons, Ltd. ISBN-13: , [66] S. M. Hsu, M. C. Shen, T. N. Ying, Y. S. Wang, S. W. Lee: Tribology of silicon-based ceramics; Ceramics Division in B. W. Sheldon, S. C. Danforth: Silicon-Based Structural Ceramics, The American Ceramic Society; ISBN , [67] Zs. Koncsik: Si 3 N 4 nanokompozitok tribológiai vizsgálata, Diplomaterv, pp [68] H. R. Pasaribu: Friction and wear of zirconia and alumina ceramics doped with CuO, Ph.D. Thesis, University of Twente, Enschende, the Netherlands, ISBN , [69] Tribologie, Prüfung von Reibung und Verschleiß, DIN ,

125 [70] Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Effect of graphite additives on the tribological behaviour of Si 3 N 4 nanocomposites, Fractography of Advanced Ceramics , Szlovákia, Stara Lesna, poster session [71] Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Tribological Investigation of Si 3 N 4 Nanocomposites, Friction, Wear and Wear Protection, edited by Alfons Fischer and Kirsten Bobzin, Wiley-VCH, Weinheim, ISBN , pages , [72] Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: Si 3 N 4 kerámiák tribológiai vizsgálata, Műszaki Tudományos füzetek, XII. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka, Erdélyi Múzeum Egyesület, ISBN pp [73] Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics), Determination of friction and wear characteristics of monolithic ceramics by ball-on-disc method, ISO 20808, [74] H. Dagnali: Exploring surface texture, Taylor Hobson Precision, England, [75] D. Dowson: Experimental methods in tribology, Tribology series 44. Elsevier ISBN: [76] J. B. Pawley: Handbook of Biological Confocal Microscopy, Plenum Press, New York, [77] D.N. Hanlon, I. Todd, E. Peekstok, W.M. Rainforth, S. van der Zwaag: The application of laser scanning confocal microscopy to tribological research, Wear, Vol. 251 pp [78] Zs. Koncsik, V. Molnár, M.B. Maros, L. Kuzsella: Az érdességmérés alkalmazhatóságának lehetőségei és korlátai műszaki kerámiák kopásvizsgálata során, GÉP, 2012/11. LXIII. évfolyam, Gépipari Tudományos Egyesület, Budapest, ISSN , pp [79] Geometrical product specifications (GPS) Surface texture: Profile method Terms, definitions and surface texture parameters, DIN EN ISO 4287, [80] Geometrical product specifications (GPS) Surface texture: Areal Part 2.: Terms, definitions and surface texture parameters, ISO , [81] M. Tisza, Anyagvizsgálat. Miskolc: Miskolci Egyetemi Kiadó, [82] DIN : Universalhärteprüfung, Teil 1: Prüfverfahren, Oktober. [83] D. Dowson, Experimental methods in tribology, Tribology series 44. Elsevier, [84] Standard Test Method for Microhardness of Materials, ASTM szabvány E [85] ASTM C : Standard Test Method for Vickers Indentation Hardness of Advanced Ceramics [86] ISO :1997: Metallic materials Vickers test Part 1: Test method. [87] ISO 6507/2: Metallic Materials Hardness test Vickers test Part 2: HV0.2 to less than HV5. [88] CEN ENV Advanced Technical Ceramics, Monolithic Ceramics, Mechanical Properties at Room Temperature, Part 4: Vickers, Knoop and Rockwell Superficial Hardness. [89] M. Tisza, Metallográfia. Miskolc: Miskolci Egyetemi Kiadó,

126 [90] M. G. S. Naylor and T. F. Page: Microhardness, Friction and Wear of SiC and Si 3 N 4 Materials as a Function of Load, Temperature and Environment, Cambridge University, England, Third Annual Technical Report, October 1981 [91] N. W. Thibault and H. L. Nyquist: The Measured Hardness of Hard Substances and Factors Affecting Its Determination, Transactions of the American Society of Metals, vol. 38, pp , [92] K. Niihara, R. Morena, D.P. Hasselmann: Evaluation of K Ic of brittle solids by the indentation method with low crack-to-indent ratios, J. Mater. Sci Lett [93] C. B. Ponton, R. D. Rawlings: Vickers indentation fracture test, Part 1. Review of literature and formulation of standardised indentation toughness equations, Materials Science and Technology, september, Vol [94] Edward L. Exner, Joseph R. Pickens, Joseph Gurland: A comparison of indentation crack resistance and fracture toughness of five WC-Co alloys, Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 9 Number 5, May 1978, pp [95] A. G. Evans, E.A. Charles: Fracture toughness determination by indentation, J. Am. Ceram. Soc Vol. 59. pp [96] B. R. Lawn, A. G. Evans, D. B. Marshall: Elastic/Plastic Indentation Damage in Ceramics: The Median/Radial Crack System. Journal of the American Ceramic Society, p [97] G.P. Anstis, P. Chantikul, B.R. Lawn, D.B. Marshall: A critical Evaluation of indentaion techniques for measuring fracture toughness: I.; Direct carck measurements, Journal of the American Ceramic Society. Vol. 64. Issue 9. Pages [98] C. B. Ponton; R. D. Rawlings: Dependence of the Vickers Indentation Fracture toughness on the Surface Crack Length, Br. Ceram. Trans.J. 88, [99] K. Niihara: A fracture mechanics analysis of indentation-induced Palmquist crack in ceramics, J. Mater. Sci Lett [100] M.T. Laugier: New formula for indentation toughness in ceramics, J. Mater. Sci. Lett [101] D. K. Shetty, I. G. Wright, P. N. Mincer, A. H. Clauer: Indentation fracture of WC-Co cermets, Journal of Materials Science 20 (1985) [102] Edward L. Exner, Joseph R. Pickens, Joseph Gurland: A comparison of indentation crack resistance and fracture toughness of five WC-Co alloys, Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 9 Number 5, May 1978, pp [103] M. B. Maros, M. B. Kocsis: Nemfémes anyagok mechanikai anyagvizsgálatának tapasztalatai, Anyagok Világa, II. évfolyam 1. szám szeptember Volume 3 - No 1 szept ISSN , online elérhetőség: [104] C.B. Ponton, R.D. Rawlings: Vickers indentation fracture toughness test, Part 2. Application and critical evaluation of standardised indentation toughness equations, Materials Science and Technology, Octover, Vol [105] Maros, B. M.: Comparison of Crack Length Measurement by Optical and Scanning Electron Microscopy during Vickers Indentation Fracture Toughness Measurement of Ceramics, International Scientific Conference on Competitive Materials, Technologies and Products, May, Miskolc-Tapolca, pp

127 [106] Standard Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Elevated Temperatures, ASTM C a, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1998 [107] ENV 843-1: Advanced technical ceramics Monolithic ceramics Mechanical properties at room temperature, Part 1: Determination of flexural strength; European Standard, [108] ENV 843-2: Advanced technical ceramics Monolithic ceramics Mechanical properties at room temperature, Part 2: Determination of elastic moduli; European Standard, [109] N. Hegman, P. Pekker, F. Kristály, T. Váczi: Nanometrológia, Miskolci Egyetem, ISBN , [110] K. S. Mazdiyasni: Fiber reinforced ceramic composites, Materials, Processing and Technology, ISBN , Noyes Publication, [111] elérhető: [112] elérhető: [113] Szekrényesi Anna: Monolitikus és C-nanocsővel erősített Si 3 N 4 kerámiák mechanikai vizsgálata Diplomaterv, 2009., Tervezésvezető: Dr. Marosné dr. Berkes Mária [114] G. Elssner, H. Hoven, G. Kiessler, P. Wellner: Ceramics and Ceramic Composites: Materialographic Preparation, Elsevier, ISBN X, [115] &target=_self&admin_language=18, elérhető: [116] Lukács, J.; Cserjésné, S. Á.; Gál, I., Koncsik, Zs.; Koritárné, F. R.; Marosné, B. M.; Nagy, Gy; Szávai, Sz.; Tóth, L.: A Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszéke Anyagvizsgáló szakcsoportjának kutatási tevékenysége a közötti időszakban, GÉP, A gépipari tudományos egyesület műszaki folyóirata, 2011/4. LXII. Évfolyam, Gépipari Tudományos Egyesület, Budapest, pp , ISSN , INDEX: , [117] Koncsik Zs., Kuzsella L., Lukács J., Marosné B. M.: Speciális vizsgálatok szerkezetek integritásának megítéléséhez, 6. AGY konferencia, Anyagvizsgálat a Gyakorlatban Szakmai Szeminárium, június 6-8. Cegléd, (megjelenés alatt) [118] Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: Experiences on pin-on-disc wear test and another mechanical tests of Si 3 N 4 C-nanocomposites, Doktoranduszok Fóruma, Gépészmérnöki és Informatikai Kar szekciókiadványa, Miskolci Egyetem Innovációs és Technológia Transzfer Centruma, pp [119] Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: Experiences on pin-on-disc wear test of Si 3 N 4 C-nanocomposites, MicroCAD 2007 International Scientific Conference 2007, Section D, Miskolci Egyetem Innovációs és Technológia Transzfer Centruma, ISBN , pp [120] Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Si 3 N 4 /SiC/grafit kerámia kompozitok mechanikai tulajdonságai, GÉP, Gépipari Tudományos Egyesület, Budapest, LXI. Évfolyam, 2010/3. pp ISSN , INDEX: [121] Zs. Koncsik: Si 3 N 4 kerámiák mechanikai viselkedése II. Tribológiai jellemzés; Műszaki Füzetek, 2010., MTA Debreceni Akadémiai Bizottság Műszaki Szakbizottsága, HU ISSN , pp Műszaki Tudomány az Észak- 120

128 Alföldi Régióban 2010 konferencia előadásai, szerk: Pokorádi László, ISBN , Debrecen, [122] Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Fázisátalakulások grafittal adalékolt Si 3 N 4 kerámia kompozitokban, MTEKMR: Műszaki tudomány az Észak-Kelet Magyarországi Régióban 2011 konferencia előadásai, MTA Debreceni Akadémiai Bizottság, Műszaki Szakbizottsága, Debrecen, pp , ISBN , [123] Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Die Entwicklung neuer Phasen in Si 3 N 4 Keramik-Kompositen, Journal of Production Processes and Systems, vol. 6. (2012) No. 1., pp [124] Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Új fázisok kialakulása grafittal adalékolt Si 3 N 4 kerámia kompozitokban, Miskolci Egyetem Közleményei, Multidiszciplináris tudományok,, 1. kötet (2011) 1. szám, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, HU ISSN , 2011., pp [125] D. R. Lide: CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, [126] Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: Some aspects of modelling wear mechanisms of ceramics, MicroCAD konferencia Miskolc, Gépgyártástechnológia és gyártórendszerek szekció [127] Zs. Koncsik: Műszaki kerámiák kopási mechanizmusainak rendszerezése; Műszaki Füzetek, 2010., MTA Debreceni Akadémiai Bizottság Műszaki Szakbizottsága, HU ISSN , pp Műszaki Tudomány az Észak-Alföldi Régióban 2010 konferencia előadásai, szerk: Pokorádi László, ISBN , Debrecen, [128] Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Si 3 N 4 kerámia kompozitok abrazív tribológiai vizsgálata, MTEKMR: Műszaki tudomány az Észak-Kelet Magyarországi Régióban Szolnok, Debreceni Akadémiai Bizottság Műszaki Szakbizottsága, ISBN , pp [129] Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Abrasive wear testing of Si 3 N 4 ceramic composites, Materials Science Forum, Vol. 729., Trans Tech Publications, Switzerland, pp ISSN print ; ISSN web [130] Zs. Koncsik, M. B. Maros, L. Kuzsella: Tribological characterisation of carbon nanotube added Si 3 N 4 ceramic composites, 39th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, Leeds, 4-7. September, 2012 [131] Koncsik Zs.; Marosné B.M.; Kuzsella L.: Kopásvizsgálatok szilícium-nitrid nanokompozitokon, XXV. Hőkezelő Konferencia, Balatonfüred, [132] Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Relationship between tribological and other mechanical properties of Si 3 N 4 /SiC/graphite composites, Contact Mechanics and Surface Treatment 2009; Algarve, Portugália, június [133] Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Correlation between the tribological and mechanical properties of Si 3 N 4 /SiC/graphite composites, MicroCAD konferencia Miskolc, Anyagtudomány és Mechanikai technológiák szekció [134] Koncsik Zs., Maros B. M., Kuzsella L.: Mechanical testing of Si 3 N 4 /SiC/graphite ceramic composites, Materials Science Forum, Volume 659. Materials Science, Testing and Informatics V., Trans Tech Publications, Switzerland, ISSN pp:

129 [135] Maros B. M., Kuzsella L., Koncsik Zs.: Tribological Behaviour of C-derived Si 3 N 4 Nanocomposites, Materials Science Forum Vol. 589 in September 2008, Materials Science, Testing and Informatics IV. pp Trans Tech Publications, Switzerland, ISSN

130 MELLÉKLETEK

131 1. számú melléklet, 1/5 A vizsgálati mintadarabok gyártást követő fényképei, geometriai jellemzői és sűrűsége A 0 % MWCNT tartalmú monolitikus minták A és B oldaláról készült felvételek

132 1. számú melléklet, 2/5 A vizsgálati mintadarabok gyártást követő fényképei, geometriai jellemzői és sűrűsége Az 1 % MWCNT tartalmú minták A és B oldaláról készült felvételek

133 1. számú melléklet, 3/5 A vizsgálati mintadarabok gyártást követő fényképei, geometriai jellemzői és sűrűsége A 2 % MWCNT tartalmú minták A és B oldaláról készült felvételek

134 1. számú melléklet, 4/5 A vizsgálati mintadarabok gyártást követő fényképei, geometriai jellemzői és sűrűsége A mintadarabok általános geometriai jellemzői Próba típusa Próba jele Átmérő [mm] Vastagság [mm] Tömeg [g] Térfogat [cm 3 ] 0% MWCNT 1% MWCNT 2% MWCNT K ,4 2,2 4,3677 1,297 K ,3 2,2 4,3631 1,287 K ,5 2,2 4,3751 1,306 K ,3 2,2 4,3732 1,287 K ,5 2,2 4,3712 1,306 K ,4 2,2 4,3547 1, K1 27,2 2,4 4,4719 1, K2 27,3 2,3 4,4840 1, K3 27,3 2,3 4,4819 1, K4 27,4 2,3 4,4888 1, K5 27,2 2,3 4,4750 1, K6 27,4 2,4 4,4722 1, K1 27,6 2,2 4,4357 1, K2 27,5 2,3 4,4377 1, K3 27,7 2,3 4,4406 1, K5 27,8 2,3 4,4427 1, K6 27,7 2,3 4,4405 1, K7 27,5 2,3 4,4352 1,365

135 1. számú melléklet, 5/5 A vizsgálati mintadarabok gyártást követő fényképei, geometriai jellemzői és sűrűsége A mintadarabok elméleti és tényleges sűrűségi értékei Próba típusa 0% MWCNT 1% MWCNT 2% MWCNT Elméleti sűrűség a Elméleti "bulk"/térfogati sűrűség [g/cm 3 ] Tényleges, mért sűrűség [g/cm 3 ] Próba jele vegyületek szabálya szerint [g/cm 3 egyedi variancia egyedi variancia ] átlag szórás átlag szórás értékek eh. [%] értékek eh. [%] K ,37 3,44 K ,39 3,43 K ,35 3,43 3,25 3,37 0,02 0,62 K ,40 3,44 3,43 0,003 0,08 K ,35 3,43 K ,36 3, K1 3,21 3, K2 3,33 3, K3 3,33 3,38 3,24 3,28 0,08 2, K4 3,31 3,38 3,39 0,01 0, K5 3,35 3, K6 3,16 3, K1 3,37 3, K2 3,25 3, K3 3,21 3,29 3,23 3,24 0,07 2, K5 3,18 3,27 3,29 0,01 0, K6 3,21 3, K7 3,25 3,29

136 nem szignifikáns nem szignifikáns nem szignifikáns szignifikáns szignifikáns szignifikáns nem szignifikáns nem szignifikáns Eltérés Eltérés Eltérés 2. számú melléklet, 1/4 Kísérletek tervezése Szükséges mintaelem-szám számítása A vizsgált tulajdonság és a próbatest típusa Az előkísérletek statisztikai értékelése (V W, HV, K C ) Előkísérletek statisztikai elemzése Előkísérletek eredményei t-próba Welch-módszer Wilcoxon-próba átlag szórás variancia s e t f t ε t f c 1 1/f f t ε R 1 R 2 R a R f eredmény (2.m.10.)* (2.m.11.) (2.m.12.) (2.m.16.) (2.m.17) (2.m.18) (2.m.20) (2.m.19) V W [mm 3 ] HV (10N) CNT MONO 1,03E-03 3,12E-03 9,12E-04 4,21E-04 5,83E-04 6,40E-04 1,69E-03 1,24E-03 73,54 5,48E-04 1,14E-04 20,75 8,82E-04 1,58 4 2,78 1,58 0,99 0,49 2,03 4, CNT ,6 41,7528 3, MONO ,8 31,356 2,09 36,92-13,3 8 2,31 13,33 0,64 0,13 7,42 2, K C (100N) [MPam 1/2 ] CNT MONO ,88 8,24 7,5 7,2 8,74 7,73 8,6 7,08 6,49 7,54 * A 2. mellékletben szereplő összefüggések sorszáma 7,912 0,6064 7,66 7,488 0, ,47 0,70 0,96 8 2,31-0,96 0,37 0,13 7,52 2,

137 szignifikáns szignifikáns szignifikáns szignifikáns nem szignifikáns nem szignifikáns Eltérés Eltérés Eltérés 2. számú melléklet, 2/4 Kísérletek tervezése Szükséges mintaelem-szám számítása Az előző táblázat folytatása: Az előkísérletek statisztikai értékelése (R h4, R h3, E) A vizsgált tulajdonság és a próbatest típusa Előkísérletek statisztikai elemzése Előkísérletek eredményei t-próba Welch-módszer Wilcoxon-próba eredmény átlag szórás variancia s e t f t ε t f c 1 1/f f t ε R 1 R 2 R a R f (2.m.10.) (2.m.11.) (2.m.12.) (2.m.16.) (2.m.17) (2.m.18) (2.m.20) (2.m.19) R h4 [MPa] CNT MONO 534,3 520,3 542,3 562,4 527,3 9,90 1,88 552,35 14,21 2,57 12,25-2,05 2 4,30 2,05 0,33 0,56 1,79 4,30 R h3 [MPa] CNT MONO 1076,7 1062,1 722,7 775,4 1069,4 10,32 0,97 749,05 37,26 4,97 27,34 11,72 2 4,30-11,72 0,07 0,87 1,15 4,30 E [GPa] CNT MONO 252,5 262,7 222,6 209,6 257,6 7,21 2,80 216,1 9,19 4,25 8,26 5,02 2 4,30-5,02 0,38 0,53 1,89 4,30

138 A kísérleti mintaszám számítása (V W, HV, K C ) 2. számú melléklet, 3/4 Kísérletek tervezése Szükséges mintaelem-szám számítása A vizsgált tulajdonság és a próbatest típusa V W [mm 3 ] HV (10N) CNT MONO CNT MONO K C (100N) [MPa m 1/2 ] CNT MONO Előkísérletek eredményei Kísérletek tervezése eredmény átlag szórás variancia N S n(t c) t c t ε/2, N-1 Δ k n sz q n sz q n sz q n sz (2.m.10.) (2.m.11.) (2.m.12.) (3.m.3.) (3.m.1.) (3.m.4.) (3.m.5.) (3.m.6.) (3.m.7.) 1,03E-03 3,12E-03 9,12E-04 4,21E-04 5,83E-04 6,40E ,88 8,24 7,5 7,2 8,74 7,73 8,6 7,08 6,49 7,54 1,69E- 03 5,48E- 04 1,24E- 03 1,14E ,54 3 0,975 2,8 4,3 3,08E ,27 2,48 2,27 0,6 15 0, ,75 3 0,975 2,8 4,3 2,82E ,27 2,48 2,27 0,6 15 0, ,6 41,7528 3,51 5 0,975 2,8 2,78 51, ,07 1,24 6,07 0,6 15 0, ,8 31,356 2,09 5 0,975 2,8 2,78 38, ,07 1,24 6,07 0,6 15 0,6 15 7,912 0,6064 7,66 5 0,975 2,8 2,78 0, ,07 1,24 6,07 0,6 15 0,6 15 7,488 0, ,47 5 0,975 2,8 2,78 0, ,07 1,24 6,07 0,6 15 0,6 15

139 Az előző táblázat folytatása: A kísérleti mintaszám számítása (R h4, R h3, E) 2. számú melléklet, 4/4 Kísérletek tervezése Szükséges mintaelem-szám számítása A vizsgált tulajdonság és a próbatest típusa Előkísérletek eredményei Kísérletek tervezése eredmény átlag szórás variancia N S n(t c) t c t ε/2, N-1 Δ k n sz q n sz q n sz q n sz R h4 [MPa] CNT MONO R h3 [MPa] CNT MONO E [GPa] CNT MONO 534,3 520,3 542,3 562,4 1076,7 1062,1 722,7 775,4 252,5 262,7 222,6 209,6 (2.m.10.) (2.m.11.) (2.m.12.) (3.m.3.) (3.m.1.) (3.m.4.) (3.m.5.) (3.m.6.) (3.m.7.) 527,3 9,90 1,88 2 0,975 2,8 4,3 30,1 14 1,85 3,04 1,85 0,6 15 0, ,35 14,21 2,57 2 0,975 2,8 4,3 43, ,85 3,04 1,85 0,6 15 0, ,4 10,32 0,97 2 0,975 2,8 4,3 31, ,85 3,04 1,85 0,6 15 0, ,05 37,26 4,97 2 0,975 2,8 4,3 113, ,85 3,04 1,85 0,6 15 0, ,6 7,21 2,80 2 0,975 2,8 4,3 21, ,85 3,04 1,85 0,6 15 0, ,1 9,19 4,25 2 0,975 2,8 4,3 27, ,85 3,04 1,85 0,6 15 0,6 15

140 Profil mélység, m Profil mélység, m Profil mélység, m Profil mélység, m Profil mélység, m Profil mélység, m 3. számú melléklet, 1/6 Kiinduló felületek érdességi profiljai A 0% MWCNT mintákon mért kiinduló érdességi profilok 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 1. mérés 2. mérés 3. mérés -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 1. mérés 2. mérés 3. mérés -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Profil hossz, mm Profil hossz, mm Profil hossz, mm K jelű minta K jelű minta K jelű minta 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 1. mérés 2. mérés 3. mérés Az 1% MWCNT mintákon mért kiinduló érdességi profilok 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 1. mérés 2. mérés 3. mérés -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 1. mérés 2. mérés 3. mérés -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Profil hossz, mm Profil hossz, mm Profil hossz, mm 1196K1 jelű minta 1196K2 jelű minta 1196K4 jelű minta 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 1. mérés 2. mérés 3. mérés

141 Profil mélység, m Profil mélység, m Profil mélység, m 3. számú melléklet, 2/6 Kiinduló felületek érdességi profiljai A 2% MWCNT mintákon mért kiinduló érdességi profilok 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 1. mérés 2. mérés 3. mérés -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 1. mérés 2. mérés 3. mérés -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Profil hossz, mm Profil hossz, mm Profil hossz, mm 1195K1 jelű minta 1195K2 jelű minta 1195K6 jelű minta 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 1. mérés 2. mérés 3. mérés

142 Mélység, m Mélység, m Mélység, m Mélység, m Mélység, m Mélység, m 3. számú melléklet, 3/6 Kiinduló felületek anyaghányad görbéi A 0% MWCNT mintákon mért anyaghányad görbék 0,0 0,2 0,0 0,2 0,0 0,2 0,4 0,4 0,4 0,6 0,6 0,6 0,8 0,8 0,8 1,0 1,2 1. mérés 2. mérés 3. mérés 1,0 1,2 1. mérés 2. mérés 3. mérés 1,0 1,2 1. mérés 2. mérés 3. mérés Anyaghányad, % Anyaghányad, % Anyaghányad, % K jelű minta K jelű minta K jelű minta Az 1% MWCNT mintákon mért anyaghányad görbék 0,0 0,2 0,0 0,2 0,0 0,2 0,4 0,4 0,4 0,6 0,6 0,6 0,8 0,8 0,8 1,0 1,2 1. mérés 2. mérés 3. mérés 1,0 1,2 1. mérés 2. mérés 3. mérés 1,0 1,2 1. mérés 2. mérés 3. mérés Anyaghányad, % Anyaghányad, % Anyaghányad, % 1196K1 jelű minta 1196K2 jelű minta 1196K4 jelű minta

143 Mélység, m Mélység, m Mélység, m 3. számú melléklet, 4/6 Kiinduló felületek anyaghányad görbéi A 2% MWCNT mintákon mért anyaghányad görbék 0,0 0,2 0,0 0,2 0,0 0,2 0,4 0,4 0,4 0,6 0,6 0,6 0,8 0,8 0,8 1,0 1,2 1. mérés 2. mérés 3. mérés 1,0 1,2 1. mérés 2. mérés 3. mérés 1,0 1,2 1. mérés 2. mérés 3. mérés Anyaghányad, % Anyaghányad, % Anyaghányad, % 1195K1 jelű minta 1195K2 jelű minta 1195K6 jelű minta

144 A 0% MWCNT tartalmú minta háromdimenziós felületi érdességének ábrái 3. számú melléklet, 5/6 Kiinduló felületek háromdimenziós érdességi felvételei K jelű minta K jelű minta K jelű minta Az 1% MWCNT tartalmú minta háromdimenziós felületi érdességének ábrái 1196K1 jelű minta 1196K2 jelű minta 1196K4 jelű minta

145 A 2% MWCNT tartalmú minta háromdimenziós felületi érdességének ábrái 3. számú melléklet, 6/6 Kiinduló felületek háromdimenziós érdességi felvételei 1195K1 jelű minta 1195K2 jelű minta 1195K6 jelű minta

146 4. számú melléklet, 1/5 A kopási úthossz számítás levezetése a block-on-block elvű tribológiai vizsgálat során Kopási úthossz abrazív koptatáskor Az abrazív csiszolás sematikus ábrázolása látható a következő ábrán. Jól megfigyelhető a csiszolt mintadarab helyzete a mintatartóban és a korongon. A minta középpontjának mozgása nem adható meg egyszerűen, kiszámítása jelentős matematikai apparátust igényel. A mozgás két azonos irányú, de különböző fordulatszámú, egymáshoz képest eltolt forgástengelyű és eltérő sugarú egyenletes forgómozgás szuperpozíciójaként keletkezik, ún. hipociklois mozgásként jön létre. n R abrazív csiszoló korong mintatartó minta n r minta közepe 1. ábra. Az abrazív csiszolás sematikus ábrázolása A két egyenletes forgómozgás eredőjének analitikus leírása y 2 X 1 = R cos(w R t) X 2 = r cos(w r t) y 1 = R sin(w R t) y 2 = r sin(w r t) w R t y 1 X 1 X 2 R r Az ábrában használt jelölések. 2. ábra. A minta középpontjának mozgása : a mintatartó forgástengelye és a korong forgástengelye közötti távolság : mintatartó középpontja és a minta középpontja közötti távolság : a csiszolókorong szögsebessége : a mintatartó szögsebessége

147 4. számú melléklet, 2/5 A kopási úthossz számítás levezetése a block-on-block elvű tribológiai vizsgálat során A görbe egyenlete az idő függvényében a sík két irányában ( és adható meg trigonometriai függvények segítségével. ) a következőképpen A periódusidő meghatározása Általános esetben a minta középpontjának két koordinátáját a következő képlet határozza meg. A kezdeti, zérus időpontra vonatkoztatva, és és Vezessünk be két egyenletet a kezdeti időpillanatban a minta középpontjának a pozíciójának leírására. az x tengelyen: I. az y tengelyen: II. [ ] [ ] Az ismert azonosságokat figyelembe véve, trigonometrikus Pitagorasz tétel: és koszinusz addíciós tétel: [ ] [ ] a kifejezést, majd pedig -rel egyszerűsítve kapjuk a következő összefüggést. [ ] másképpen felírva

148 4. számú melléklet, 3/5 A kopási úthossz számítás levezetése a block-on-block elvű tribológiai vizsgálat során Egy periódus alatti ívhossz számítása A helykoordináták idő szerinti deriváltjai, [ ]; [ ] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ( )] ( ) [ ( )] Vezessünk be három változót, Visszahelyettesítve, ; ; és [ ] A koordináták időszerinti deriváltjainak négyzetösszegéből vont négyzetgyök a hely idő szerinti deriváltja, vagyis a sebesség. [ ] [ ] áttérve -ről -ra

149 4. számú melléklet, 4/5 A kopási úthossz számítás levezetése a block-on-block elvű tribológiai vizsgálat során az integrálási határt kicserélve Az ellipszis félkerületének képlete, másodfajú elliptikus integrál: Legyen, ekkor, ( ) Az analitikai megoldás numerikus megoldása sorfejtéssel adható meg a következő alakban. ( ) ( ( ) ) ahol, és Az egyes tagok értékeit az első hét tag esetében a következő táblázat tartalmazza (i=0 9) i 2 i a i b i c i 2 c i , , , , , , , , , , , , , , ,09E , , ,63E-09 1,32E , , , , A táblázatból kitűnik, hogy az 5. tag (i=4) után a értéke zérus, ez azt jelenti, hogy az alkalmazott sor konvergens, összege egyértelműen megadható, tehát a numerikus megoldás teljesen pontos eredményt ad! Numerikus számítások Peremfeltételek az adott berendezés és vizsgálati módszer esetén: a mintatartó forgástengelye és a korong forgástengelye közötti távolság, R = 80 mm

150 y irány 4. számú melléklet, 5/5 A kopási úthossz számítás levezetése a block-on-block elvű tribológiai vizsgálat során a mintatartó középpontja és a minta középpontja közötti távolság, r = 30 mm abrazív csiszolás időtartama, t = 600 s a korong fordulatszáma, n R = 300 1/min a mintatartó fordulatszáma, n r =240 1/min Mindezek figyelembevételével egy Microsoft Excel táblázatkezelő szoftvert alkalmazva meghatároztam a minta középpontjának az abrazív koptató korongon az ívhosszát, vagyis a kopási úthosszat. Kopási úthossz, s = 1542,09 m Az ábra bemutatja, hogy a csiszolt minta középpontja milyen görbét jár be egy teljes körbefordulás alatt az idő függvényében az XY síkon. A megjelenített pontok a mintadarab középpontjának pozícióit mutatja a csiszolókorong 30 -os elfordulásának hatására. Az ábra jobb szélén megjelenített árnyékolt pont jelzi a kezdeti és a végső pozíciót Görbe Pont helye 30 elfordulás után x irány 3. ábra. A csiszolt minta középpontja által leírt görbe

151 5. számú melléklet, 1/1 A block-on-block elvű tribológiai vizsgálat eredményei Eredmények a 2. lépés után Block-on-block vizsgálat a μm-es szemcseméretű polikristályos gyémánt abrazív tárcsán Próba típusa 0% MWCNT 1% MWCNT 2% MWCNT Próba sűrűsége, g/cm 3 3,434 3,386 3,293 Tömegveszteség, g A felületelőkészítés 2. lépése után kapott eredmények Kikopott térfogat, V wt, mm 3 Kopási tényező, k t, mm 3 /Nm 0,0009 0,26 4,25E-06 0,0016 0,47 7,55E-06 0,0028 0,82 1,32E-05 0,0088 2,60 4,21E-05 0,0133 3,93 6,37E-05 0,0117 3,46 5,60E-05 0,0052 1,58 2,56E-05 0,0110 3,34 5,42E-05 0,0030 0,91 1,48E-05 k t átlag, mm 3 /Nm k t szórás, mm 3 /Nm k t var. eh., % 8,3E-06 4,5E-06 54,39 5,4E-05 1,1E-05 20,25 3,2E-05 2,0E-05 64,57 Eredmények a 3. lépés után Block-on-block vizsgálat a 9 μm-es szemcseméretű gyémánt adalékos szuszpenzióval végzett vizsgálat után Próba típusa 0% MWCNT 1% MWCNT 2% MWCNT Próba sűrűsége g/cm 3 3,434 3,386 3,293 Tömegveszteség, g A felületelőkészítés 3. lépése után kapott eredmények Kikopott térfogat, V wt, mm 3 Kopási tényező, k t mm 3 /Nm k t átlag, mm 3 /Nm k t szórás, mm 3 /Nm k t var. eh., % 0, ,90 2,09E-04 0, ,40 5,41E-04 2,9E-04 2,2E-04 77,08 0,0249 7,25 1,18E-04 0, ,98 2,75E-04 0, ,88 3,22E-04 2,7E-04 5,8E-05 21,64 0, ,76 2,07E-04 0, ,60 3,99E-04 0, ,12 4,56E-04 3,9E-04 7,5E-05 19,29 0, ,98 3,08E-04 Eredmények a 4-5. lépés után - Block-on-block vizsgálat a 3 szemcseméretű gyémánttal és 0,04 μm-es szemcséjű ZrO 2 -dal adalékolt szuszpenzióval végzett vizsgálat után Próba típusa 0% MWCNT 1% MWCNT 2% MWCNT Próba sűrűsége 3,434 3,386 3,293 Tömegveszteség, g A felületelőkészítés 4-5. lépése után kapott eredmények Kikopott térfogat, V wt, mm 3 Kopási tényező, k t mm 3 /Nm 0,0007 0,20 2,64E-06 0,0013 0,38 4,91E-06 0,0010 0,29 3,78E-06 0,0038 1,12 1,46E-05 0,0025 0,74 9,58E-06 0,0033 0,97 1,26E-05 0,0033 1,00 1,30E-05 0,0030 0,91 1,18E-05 0,0041 1,25 1,61E-05 k t átlag, mm 3 /Nm k t szórás, mm 3 /Nm k t var. eh., % 3,8E-06 1,1E-06 30,00 1,2E-05 2,5E-06 20,49 1,4E-05 2,2E-06 16,40

152 6. számú melléklet, 1/2 A block-on-block elvű tribológiai vizsgálat pásztázó elektronmikroszkópi felvételei A Block-on-block vizsgálat 2. lépését követően készült pásztázó elektronmikroszkópos felvételek ( μm-es szemcseméretű polikristályos gyémánt abrazív tárcsán történő vizsgálat után) 0% MWCNT 1% MWCNT 2% MWCNT

153 6. számú melléklet, 2/2 A block-on-block elvű tribológiai vizsgálat pásztázó elektronmikroszkópi felvételei A Block-on-block vizsgálat 4-5. lépését követően készült pásztázó elektronmikroszkópos felvételek ( 3 és 0,04 μm-es szemcseméretű gyémánt illetve ZrO 2 szemcséket tartalmazó szuszpenzióval végzett vizsgálat után) 0% MWCNT 1% MWCNT 2% MWCNT

154 7. számú melléklet, 1/1 A pin-on-disc elvű tribológiai vizsgálatokhoz tervezett mintatartó alkatrészrajza

155 Súrlódási együttható Súrlódási együttható Súrlódási együttható 8. számú melléklet, 1/15 Súrlódási együttható diagramok a 0% MWCNT mintákon végzett vizsgálatok során A 0% MWCNT mintákon kapott súrlódási együttható diagramok 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 F=10N, v= 10 mm/s, r=3 mm, l= 100m 0, ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Megtett úthossz, m 0%_10N_10mm/s_1 0%_10N_10mm/s_2 0%_10N_10mm/s_3 F=10N, v= 100 mm/s, r=3 mm, l= 100m 0, ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0%_10N_100mm/s_1 0%_10N_100mm/s_2 0%_10N_100mm/s_3 Megtett úthossz, m F=10N, v= 200 mm/s, r=3 mm, l= 100m 0%_10N_200mm/s_1 0%_10N_200mm/s_2 0%_10N_200mm/s_3 0, Megtett úthossz, m

156 Súrlódási együttható Súrlódási együttható Súrlódási együttható 8. számú melléklet, 2/15 Súrlódási együttható diagramok a 0% MWCNT mintákon végzett vizsgálatok során F=40N, v= 10 mm/s, r=3 mm, l= 100m 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Megtett úthossz, m 0%_40N_10mm/s_1 0%_40N_10mm/s_2 0%_40N_10mm/s_3 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 F=40N, v= 100 mm/s, r=3 mm, l= 100m 0, ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0%_40N_100mm/s_1 0%_40N_100mm/s_2 0%_40N_100mm/s_3 Megtett úthossz, m F=40N, v= 200 mm/s, r=3 mm, l= 100m 0%_40N_200mm/s_1 0%_40N_200mm/s_2 0%_40N_200mm/s_3 0, Megtett úthossz, m

157 Súrlódási együttható 8. számú melléklet, 3/15 Súrlódási együttható diagramok a 0% MWCNT mintákon végzett vizsgálatok során F=80N, v= 10 mm/s, 100m/s, 200m/s, r=3 mm, l= 100m 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Megtett úthossz, m 0%_80N_ 10mm/s 0%_80N_100mm/s 0%_80N_200mm/s

158 Súrlódási együttható Súrlódási együttható Súrlódási együttható 8. számú melléklet, 4/15 Súrlódási együttható diagramok a 1% MWCNT mintákon végzett vizsgálatok során Az 1% MWCNT mintákon kapott súrlódási együttható diagramok 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 F=10N, v= 10 mm/s, r=3 mm, l= 100m 0, ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Megtett úthossz, m 1%_10N_10mm/s_1 1%_10N_10mm/s_2 1%_10N_10mm/s_3 F=10N, v= 100 mm/s, r=3 mm, l= 100m 0, ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 1%_10N_100mm/s_1 1%_10N_100mm/s_2 1%_10N_100mm/s_3 Megtett úthossz, m F=10N, v= 200 mm/s, r=3 mm, l= 100m 1%_10N_200mm/s_1 1%_10N_200mm/s_2 1%_10N_200mm/s_3 0, Megtett úthossz, m

159 Súrlódási együttható Súrlódási együttható Súrlódási együttható 8. számú melléklet, 5/15 Súrlódási együttható diagramok a 1% MWCNT mintákon végzett vizsgálatok során F=40N, v= 10 mm/s, r=3 mm, l= 100m 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Megtett úthossz, m 1%_40N_10mm/s_1 1%_40N_10mm/s_2 1%_40N_10mm/s_3 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 F=40N, v= 100 mm/s, r=3 mm, l= 100m 0, ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 1%_40N_100mm/s_1 1%_40N_100mm/s_2 1%_40N_100mm/s_3 Megtett úthossz, m F=40N, v= 200 mm/s, r=3 mm, l= 100m 1%_40N_200mm/s_1 1%_40N_200mm/s_2 1%_40N_200mm/s_3 0, Megtett úthossz, m

160 Súrlódási együttható 8. számú melléklet, 6/15 Súrlódási együttható diagramok a 1% MWCNT mintákon végzett vizsgálatok során F=80N, v= 10 mm/s, 100m/s, 200m/s, r=3 mm, l= 100m 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Megtett úthossz, m 1%_80N_ 10mm/s 1%_80N_100mm/s 1%_80N_200mm/s

161 Súrlódási együttható Súrlódási együttható Súrlódási együttható 8. számú melléklet, 7/15 Súrlódási együttható diagramok a 2% MWCNT mintákon végzett vizsgálatok során A 2% MWCNT mintákon kapott súrlódási együttható diagramok 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 F=10N, v= 10 mm/s, r=3 mm, l= 100m 0, ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Megtett úthossz, m 2%_10N_10mm/s_1 2%_10N_10mm/s_2 2%_10N_10mm/s_3 F=10N, v= 100 mm/s, r=3 mm, l= 100m 0, ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 2%_10N_100mm/s_1 2%_10N_100mm/s_2 2%_10N_100mm/s_3 Megtett úthossz, m F=10N, v= 200 mm/s, r=3 mm, l= 100m 2%_10N_200mm/s_1 2%_10N_200mm/s_2 2%_10N_200mm/s_3 0, Megtett úthossz, m

162 Súrlódási együttható Súrlódási együttható Súrlódási együttható 8. számú melléklet, 8/15 Súrlódási együttható diagramok a 2% MWCNT mintákon végzett vizsgálatok során F=40N, v= 10 mm/s, r=3 mm, l= 100m 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Megtett úthossz, m 2%_40N_10mm/s_1 2%_40N_10mm/s_2 2%_40N_10mm/s_3 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 F=40N, v= 100 mm/s, r=3 mm, l= 100m 0, ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 2%_40N_100mm/s_1 2%_40N_100mm/s_2 2%_40N_100mm/s_3 Megtett úthossz, m F=40N, v= 200 mm/s, r=3 mm, l= 100m 2%_40N_200mm/s_1 2%_40N_200mm/s_2 2%_40N_200mm/s_3 0, Megtett úthossz, m

163 Súrlódási együttható 8. számú melléklet, 9/15 Súrlódási együttható diagramok a 2% MWCNT mintákon végzett vizsgálatok során F=80N, v= 10 mm/s, 100m/s, 200m/s, r=3 mm, l= 100m 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Megtett úthossz, m 2%_80N_ 10mm/s 2%_80N_100mm/s 2%_80N_200mm/s

164 8. számú melléklet, 10/15 Súrlódási együttható számszerű értékei a különböző vizsgálati paraméterek alkalmazása során 0% MWCNT minta súrlódási együttható értékei Minta típusa Vizsgálati paraméterek mért értékek Súrlódási együttható Állandósult szakaszon Maximális érték Maximumhoz tartozó csúszási úthossz, m átlag az adott terhelőerőnél átlag az adott sebességnél mért értékek átlag az adott terhelőerőnél átlag az adott sebességnél mért érték átlag az adott terhelőerőnél átlag az adott sebességnél 0% 0% 10N-10 mm/s 10N-100 mm/s 0,43 0,39 0,43 0,43 0,68 0,55 0,61 0,69 1,11 1,03 0% 10N-200 mm/s 0,47 0,59 0,92 0% 40N-10 mm/s 0,46 0,71 7,03 0% 40N-100 mm/s 0,36 0,44 0,41 0,65 0,67 0,60 2,69 0% 40N-200 mm/s 0,52 0,65 21,76 0% 80N-10 mm/s 0,39 0,66 7,58 0% 80N-100 mm/s 0,47 0,45 0,49 0,60 0,60 0,60 26,19 0% 80N-200 mm/s 0,49 0,55 27,00 1,02 5,24 10,49 9,97 20,26 16,56

165 8. számú melléklet, 11/15 Súrlódási együttható számszerű értékei a különböző vizsgálati paraméterek alkalmazása során 1% MWCNT minta súrlódási együttható értékei Minta típusa Vizsgálati paraméterek mért értékek Súrlódási együttható Állandósult szakaszon Maximális érték Maximumhoz tartozó csúszási úthossz, m átlag az adott terhelőerőnél átlag az adott sebességnél mért értékek átlag az adott terhelőerőnél átlag az adott sebességnél mért érték átlag az adott terhelőerőnél átlag az adott sebességnél 1% 1% 10N-10 mm/s 10N-100 mm/s 0,46 0,45 0,46 0,45 0,81 0,62 0,67 0,76 0,63 1,37 1% 10N-200 mm/s 0,46 0,58 2,04 1% 40N-10 mm/s 0,45 0,79 3,26 1% 40N-100 mm/s 0,40 0,47 0,48 0,67 0,72 0,64 1,91 1% 40N-200 mm/s 0,56 0,69 24,84 1% 80N-10 mm/s 0,43 0,67 3,23 1% 80N-100 mm/s 0,58 0,51 0,52 0,64 0,62 0,60 65,33 1% 80N-200 mm/s 0,52 0,54 96,94 1,35 2,37 10,00 22,87 55,17 41,27

166 8. számú melléklet, 12/15 Súrlódási együttható számszerű értékei a különböző vizsgálati paraméterek alkalmazása során 2% MWCNT minta súrlódási együttható értékei Minta típusa Vizsgálati paraméterek mért értékek Súrlódási együttható Állandósult szakaszon Maximális érték Maximumhoz tartozó csúszási úthossz, m átlag az adott terhelőerőnél átlag az adott sebességnél mért értékek átlag az adott terhelőerőnél átlag az adott sebességnél mért érték átlag az adott terhelőerőnél átlag az adott sebességnél 2% 2% 10N-10 mm/s 10N-100 mm/s 0,44 0,44 0,44 0,46 0,72 0,57 0,61 0,70 1,14 3,32 2% 10N-200 mm/s 0,42 0,55 2,99 2% 40N-10 mm/s 0,47 0,72 2,40 2% 40N-100 mm/s 0,43 0,48 0,48 1,33 0,90 0,85 2,61 2% 40N-200 mm/s 0,53 0,65 14,06 2% 80N-10 mm/s 0,46 0,65 7,92 2% 80N-100 mm/s 0,57 0,52 0,50 0,66 0,63 0,59 73,75 2% 80N-200 mm/s 0,54 0,57 53,93 2,48 3,82 6,35 26,56 45,20 23,66

167 8. számú melléklet, 13/15 Súrlódási együttható értékek matematikai statisztikai értékelése 0-1% MWCNT minták állandósult szakaszon mérhető súrlódási együtthatójának elemzése t-próba alkalmazásával Mérési eredmények μ mintaelemszám 0% 1% n 1 n 2 0,43 0,46 0,39 0,45 0,47 0,46 0,46 0,45 0,36 0, ,52 0,56 0,39 0,43 0,47 0,58 0,49 0,52 μ átlag 0,44 0,48 μ szórás 0,05 0,06 μ variancia e.h. % 12,01 12,68 t-próba Mennyiség jele Számított érték s e 0,06 t -1,36 f 16 t ε 2,262 t < t ɛ az eltérés nem szignifikáns a 0 és 1% MWCNT tartalmú minták súrlódási együtthatói között

168 8. számú melléklet, 14/15 Súrlódási együttható értékek matematikai statisztikai értékelése 0-2% MWCNT minták állandósult szakaszon mérhető súrlódási együtthatójának elemzése t-próba alkalmazásával μ Mérési eredmények mintaelemszám 0% 2% n 1 n 2 0,43 0,44 0,39 0,44 0,47 0,42 0,46 0,47 0,36 0, ,52 0,53 0,39 0,46 0,47 0,57 0,49 0,54 μ átlag 0,44 0,48 μ szórás 0,05 0,05 μ variancia eh. % 12,01 11,45 t-próba Mennyiség Számított jele érték s e 0,05 t -1,40 f 16 t ε 2,262 t < t ɛ az eltérés nem szignifikáns a 0 és 2% MWCNT tartalmú minták súrlódási együtthatói között

169 8. számú melléklet, 15/15 Súrlódási együttható értékek matematikai statisztikai értékelése 1-2% MWCNT minták állandósult szakaszon mérhető súrlódási együtthatójának elemzése t-próba alkalmazásával μ Mérési eredmények mintaelemszám 1% 2% n 1 n 2 0,46 0,44 0,45 0,44 0,46 0,42 0,45 0,47 0,4 0, ,56 0,53 0,43 0,46 0,58 0,57 0,52 0,54 μ átlag 0,48 0,48 μ szórás 0,06 0,05 μ variancia e.h. % 12,68 11,45 t-próba Mennyiség Számított jele érték s e 0,06 t 0,04 f 16 t ε 2,262 t < t ɛ az eltérés nem szignifikáns az 1 és 2% MWCNT tartalmú minták súrlódási együtthatói között

170 9. számú melléklet, 1/3 A különböző mérési paraméterek alkalmazásával kapott kopásnyomok felvételei Mérési paraméterek: F=10N, v=10 mm/s, l=100m Mérési paraméterek: F=10N, v=100 mm/s, l=100m Mérési paraméterek: F=10N, v=200 mm/s, l=100m

171 9. számú melléklet, 2/3 A különböző mérési paraméterek alkalmazásával kapott kopásnyomok felvételei Mérési paraméterek: F=40N, v=10 mm/s, l=100m Mérési paraméterek: F=40N, v=100 mm/s, l=100m Mérési paraméterek: F=40N, v=200 mm/s, l=100m

172 9. számú melléklet, 3/3 A különböző mérési paraméterek alkalmazásával kapott kopásnyomok felvételei Mérési paraméterek: F=80N, v=10 mm/s;; 100 mm/s; 200mm/s; l=100m

173 10. számú melléklet, 1/9 Kikopott térfogat meghatározásához használt háromdimenziós felvételek 0% MWCNT minta A 0% MWCNT mintákon háromdimenziós profilométerrel mért kikopott térfogatok F=10N, v= 10 mm/s, r=3 mm, l= 100m 1. kopásnyom 2. kopásnyom 3. kopásnyom V W = 0,005 mm 3 V W = 0,005 mm 3 V W = 0,007 mm 3 F=10N, v= 100 mm/s, r=3 mm, l= 100m 1. kopásnyom 2. kopásnyom 3. kopásnyom V W = 0,005 mm 3 V W = 0,009 mm 3 V W = 0,005 mm 3 F=10N, v= 200 mm/s, r=3 mm, l= 100m 1. kopásnyom 2. kopásnyom 3. kopásnyom V W = 0,012 mm 3 V W = 0,009 mm 3 V W = 0,009 mm 3