Műanyagmegmunkáló szerszámacélok hő- és felületkezelése és komplex tribológiai vizsgálata

MISKOLCI EGYETEM ANYAGSZERKEZETTANI ÉS ANYAGTECHNOLÓGIAI INTÉZET Műanyagmegmunkáló szerszámacélok hő- és felületkezelése és komplex tribológiai vizsgálata Kutatási jelentés Kidolgozta: Marosné Berkes Mária 1 Szilágyiné Biró Andrea 2 Felhő Csaba 3 Maros Zsolt 4 Vass Zoltán 5 Németh Alexandra 6 1,4 egyetemi docens, 2,3 egyetemi tanársegéd, 3,4 MSc hallgató Készült: a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 Járműipari anyagfejlesztések projekt keretében A projekt szakmai vezetője: Dr. Tisza Miklós egyetemi tanár, tanszékvezető Miskolc 2013

MISKOLCI EGYETEM ANYAGSZERKEZETTANI ÉS ANYAGTECHNOLÓGIAI INTÉZET Műanyagmegmunkáló szerszámacélok hő- és felületkezelése és komplex tribológiai vizsgálata Kutatási jelentés Kidolgozta: Marosné Berkes Mária 1 Szilágyiné Biró Andrea 2 Felhő Csaba 3 Maros Zsolt 4 Vass Zoltán 5 Németh Alexandra 6 1,4 egyetemi docens, 2,3 egyetemi tanársegéd, 3,4 MSc hallgató Készült: a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 Járműipari anyagfejlesztések projekt 2.3. K+F téma keretében K+F témavezető: Dr. Marosné dr. Berkes Mária egyetemi docens Miskolc 2013.

Tartalom 1. Bevezetés... 6 1.1. A 2.3. K+F projektelem feladata... 6 1.2. A jelen beszámolási időszakban végzett kutatások témaköre... 7 2. Szakirodalmi áttekintés... 8 2.1. Műanyagmegmunkáló szerszámacélok hő- és felületkezelése... 8 2.1.1. A műanyagalakító szerszámok anyagaival szemben támasztott elvárások... 8 2.1.2. A szerszámacélok teljesítményét befolyásoló tényezők... 10 2.1.3. A műanyagalakító szerszámok technológia-specifikus követelményei... 12 2.2. A műanyagmegmunkáló szerszámacélok jellegzetes hőkezelései... 13 2.2.1. Térfogati hőkezelések... 13 2.2.2. Felületkezelések... 15 2.2.3. A megfelelő eljárás kiválasztása... 16 2.3. Esettanulmányok... 17 2.3.1. Szálerősítéses műanyagok gyártása... 17 2.3.2. Felületötvöző és bevonatoló technológiák összehasonlítása... 21 2.4. Szakirodalmi előtanulmány karbonitridált próbatestek pin-on-disc típusú kopásvizsgálatának megtervezéséhez... 26 2.4.1. Az X40CrMoV51 acél sajátosságai, hőkezelése... 26 2.4.2. A vizsgálati darabok hőkezelési és kopásvizsgálati paraméterei... 27 2.4.3. Az eredmények kiértékelése... 28 2.4.4. A pin-on disc kopásvizsgálatok eredményei... 30 2.4.5. Következtetések... 36 2.5. Kiegészítő felületvizsgálati technika: A műszerezett keménységmérés... 37 2.5.1. A műszerezett keménységmérés alkalmazási területei... 37 2.5.2. A műszerezett keménységmérés terminológiája... 38 2.5.3. A műszerezett keménységmérésre vonatkozó legfontosabb szabványok... 40 2.5.4. A vizsgálat végrehajtása... 41 2.5.5. A vizsgálat információ tartalma... 42 2.5.6. További mérőszámok... 48 2.5.7. A műszerezett keménységmérés néhány jellemző alkalmazása... 58 2.5.8. További tanulmányozásra javasolt irodalmak... 64 2.5.9. A műszerezett keménységmérés fejlődési iránya... 65 4

3. Karbonitridált próbatestek pin-on-disc kopási kísérleteinek megtervezése... 66 3.1. Modellkísérletek különböző módon karbonitridált acél próbatesteken... 66 3.2. SLS és hagyományos rúdanyagú nitridált próbatestek kopásvizsgálata... 66 4. Előkísérletek a felületi érdesség és a kopási jellemzők közötti kapcsolat vizsgálatára... 71 4.1. Felületgeometriai vizsgálatok... 71 4.2. A kikopott keresztmetszet meghatározása... 73 4.3. A hőkezelés és az érdességi jellemzők hatása a kopási viselkedésre... 74 4.4. A vizsgálatok tapasztalatainak rövid összegzése... 74 5. Összefoglalás... 75 6. A témakörhöz kapcsolódó publikációk és együttműködések... 76 7. Köszönetnyilvánítás... 76 8. Irodalomjegyzék... 77 5

1. Bevezetés 1.1. A 2.3. K+F projektelem feladata A versenyképesség fokozása, a hatékonyság, az anyag- és energiatakarékosság követelményei a járműipari anyagok területén is folyamatos fejlesztést igényelnek, és intenzív alapkutatásokat indukálnak. Ilyen széleskörű kutatások tárgya például a műanyagipari szerszámacélok kopásnak kitett felületeinek hő- és felületkezelése a kopási károsodások csökkentése céljából. A 2.3. K+F témakör alapvető célkitűzései: - új, nagyobb teljesítőképességű felületmódosított járműipari alkatrészek, illetve speciális felhasználási célú, különleges szerszámanyagok előállítására alkalmas új összetételű, illetve szerkezetű anyagok, anyagkombinációk előállítási technológiáinak kutatása, és fejlesztése, - az új típusú anyagszerkezetek és felhasználói tulajdonságaik elemzése, azok kapcsolatrendszerének vizsgálata azzal a korszerű szemlélettel, amely tudatosan teremt kapcsolatot az ipari felhasználók szempontjából meghatározó anyagi viselkedés, és azok jellemzésére, minősítésére szolgáló mérőszámok, valamint az anyagtechnológiai fejlesztések során a méretskála nano-, mikro- és makro szintjén végbemenő anyagszerkezeti változások hatásai között. Ennek során a felületkezeléssel módosított anyagszerkezetek vizsgálata során a projekt keretében megvalósítandó feladataink : - Felületmódosítás eredményeként létrejött gradiens anyagszerkezetek vizsgálata, kiemelten a 2.1 projektelemben megvalósuló, a korszerű termokémiai eljárások továbbfejlesztését támogató célzott alapkutatás tématerületeihez kapcsolódva: o Cementálással, gáz- és plazmanitridálással, illetve aktív ernyős plazmanitridálással kialakított felületek tribológiai vizsgálata, különös tekintettel a kopásállóságra. o Adott anyagminőség esetében a technológiai paraméterek optimalizálása a maximális kopásállóságú felület kialakítása érdekében. o A különböző módon felületkezelt anyagok kopási kinetikájának elemzése az anyagleválási sebesség vizsgálatával. - Bevonatolással létrehozható, heterogén rendszerek vizsgálata: o Új összetételű és szerkezetű mono- és multirétegek kialakítására alkalmas szubsztrát-bevonat lehetséges anyagtársítások kutatása, o Kísérleti prototípus bevonatrendszerek anyagszerkezeti, mechanikai és tribológiai tulajdonságainak komplex elemzése. - Duplex felületkezelések lehetőségeinek vizsgálata: o plazmanitridálást követő bevonatolás révén kialakítható rétegszerkezetek tribológiai és komplex funkcionális vizsgálata. 6

1.2. A jelen beszámolási időszakban végzett kutatások témaköre A kutatások első szakaszában szakirodalmi tanulmányokat folytattunk egyrészt a műanyagalakító szerszámacélok korszerű hő- és felületkezelési eljárásainak áttekintésére, másrészt speciálisan nitridálással módosított felületű, kopásnak kitett szerszámacélok tribológia vizsgálatainak mérési tapasztalataira vonatkozó szakirodalmi anyagokat gyűjtöttünk és tekintettünk át ilyen irányú kísérletek előkészítése, megtervezése és végrehajtása céljából. A komplex felületvizsgálatok keretében a tribológiai vizsgálatokat profilometriai, anyagszerkezeti és különféle mechanikai vizsgálatokkal egészítjük ki. Ez utóbbiak tekintetében a következő beszámolási időszakban tervezett kiegészítő mechanikai vizsgálatokra való felkészülés céljából áttekintettük a műszerezett keménységmérés vizsgálati technikáját és annak alkalmazási lehetőségeit a felületkezeléssel módosított anyagszerkezetek vonatkozásában. A kutatási beszámolóban ezen három témakörre vonatozó szakirodalmi ismereteinket foglaljuk össze, továbbá bemutatjuk gáznitridált próbatesteken végzett tribológiai vizsgálataink eddigi tapasztalatait, amelyek kiváló alapot szolgálattank a további hő- és felületkezelt anyagszerkezetek tribológiai vizsgálatainak megtervezéséhez és kivitelezéséhez. 7

2. Szakirodalmi áttekintés 2.1. Műanyagmegmunkáló szerszámacélok hő- és felületkezelése Habár a műanyagok alig 100 éve léteznek, ma már gyakorlatilag az élet minden területén használjuk őket. Alkalmazásuk kiterjed az tömegcikkektől kezdve, mint például a csomagolóanyagok és újrahasznosítható palackok, a szabadidős vagy kényelmi termékeken keresztül, mint amilyenek a sporteszközök, ruházati termékek, bútorok vagy ruhaneműk, a kiváló és különleges minőségű termékekig, mint amilyenek a különféle gépalkatrészek vagy szerszámok, amelyeket az autóipar, mezőgazdaság, textil, vagy építőipar számára készítenek. Ma már olyan csúcstechnológiai iparágakban is találkozunk velük, mint az űrtechnika. Gyakorlatilag nemigen tudjuk olyan területét említeni a mindennapi életünknek, ahol ne fordulnának elő műanyagból készült termékek, az élet a XXI. században már elképzelhetetlen műanyagok nélkül [1]. A műanyagok felhasználásának mértéke szüntelenül növekszik, 2003-ban először lépte át a világ műanyag alapanyaggyártása a 200 millió tonnás küszöböt. Ez a nagyságrend egyre szigorúbb és költséghatékonyabb termelési folyamatokat igényel mind az anyag- és energiafelhasználás, a környezetszennyezés csökkentése, mind pedig a fokozódó minőségi elvárások kielégítése céljából. A műanyagfeldolgozás teljes folyamatláncában a szerszám- és formagyártás kiemelkedő helyet foglal el, a műanyagfeldolgozó szerszámacélok ezért meghatározó szerepet játszanak a gyártásban, mivel a műanyagtermékek végső minőségét alapvetően meghatározzák. A műanyagtermékek külső megjelenése, felületminősége tökéletesen strukturált vagy makulátlanul fényes mindig a műanyagformázó szerszámacél felületi tulajdonságaitól függ. Ezen túlmenően a szerszámacélnak a műanyag termék előírásaival való összehangolása kihat a késztermék jó minőségére [2]. Minden műanyag terméknek sajátos követelményeket kell teljesítenie, tekintettel a funkcionalitásra, az abból fakadó minőségi és olyan esztétikai követelményekre, mint például az optikai, illetve felületi sajátosságok. Ezen feltételek biztosításához, a műanyagtermékek előállításához a nagy értékű, speciális és különleges minőségű szerszámacélok szükségesek [1]. 2.1.1. A műanyagalakító szerszámok anyagaival szemben támasztott elvárások A versenyképes termelés, a költségek csökkentése a műanyagok folyamatosan növekvő felhasználása mellett egyre hatékonyabb és megbízhatóbb előállítási módszereket követel. Ez a szerszámanyagok optimális kiválasztását is magába foglalja [1]. Ha megnézzük a teljes műanyag-előállítási folyamatláncot, akkor egyértelművé válik, hogy a szerszámtervezés az anyagválasztás és konstrukciós kialakítás valamint a szerszámok megfelelő, pontos kivitelezése kiemelkedő fontosságú. A műanyagalakító szerszámok alapanyagaként leggyakrabban használt acélok kulcsfontosságú szerepet játszanak abban, hogy a használatba veendő műanyag termékek végső minősége, felhasználói tulajdonságai milyenek lesznek [1]. A következőkben vegyük sorra, milyen elvárásokat kell kielégíteniük ezeknek az acélanyagoknak? A műanyagok feldolgozása a fémekkel összehasonlítva lényegesen alacsonyabb hőmérsékleteken történik. A leggyakrabban mindössze 150 280 C körüli hőmérsékletek fordulnak elő. A mérsékelt hőigénybevétel mellett ugyanakkor a megmunkálandó anyag nagy 8

viszkozitása miatt a szerszámanyagok erős koptató-, erodáló hatásnak lehetnek kitéve és bizonyos esetekben nem hanyagolható el a korróziós hatás sem. A műanyagsajtoló, fröccsöntő stb. szerszámok rendszerint bonyolult alakúak, gyakran vékony kiálló bordákat tartalmaznak. A felületüket gondosan kell megmunkálni, minőségükre jellemző, hogy a szerszámok felülete gyakran polírozott, tükrösített. A gazdaságos gyártás érdekében ezekkel a szerszámokkal nagy sorozatban állítanak elő termékeket, ezért hosszú ideig ki kell elégíteniük az elvárt követelményeket, mint például a finom felületminőség, alak- vagy méretpontosság [3]. A műanyagalakító szerszámok további sajátossága, hogy előállításuk nagyon munkaigényes. A jó forgácsolhatóság és szikraforgácsolhatóság mellett fontos a tükrösíthetőség, jó fotómarathatóság is. A szerszámban kialakuló nagy nyomóerőknek a nagy folyáshatárú acélok állnak ellen. Ezeknek a követelményeket és a már említett méretpontosságot, korrózió- és kopásállóságot is beleértve leginkább a közepes C tartalmú Cr,- Mn- Mo ötvözésű, illetve martenzites Cr acélok felelnek meg. Fontos szem előtt tartani, hogy a szerszámkészítők és a szerszám felhasználói más elvárásokat támasztanak az anyagokkal szemben, azaz, mint sok esetben, a szerszámanyagokkal szemben támasztott technológiai és felhasználói tulajdonságok, igen eltérőek. Az 1. táblázat a felhasználók legfontosabb elvárásait tartalmazza. 1. táblázat. A szerszámokkal szembeni felhasználói elvárások [4] Elvárás Nagy szerszám élettartam Kis gyártási ciklusidő A korróziós hatásokkal szembeni ellenállás, így kis karbantartási és javítási költségek Egyenletes szerszámminőség Szükséges anyagtulajdonság Nagy kopásállóság Jó hővezető képesség Jó korrózióállóság Nagy keménység és szívósság, kedvező maradó feszültségi állapot A műanyagalakító szerszámok a gyártandó termékek alakja miatt formailag jellemzően bonyolult kivitelűek, ezért előállításuk nagyon munkaigényes. A forgácsolással illetve a szikraforgácsolással szemben egyre inkább terjed a sajtolással történő előállításuk. Ehhez olyan anyagok kellenek, amelyek jól alakíthatók, a már említett nagy szilárdság mellett. A műanyag alkatrészek finom felületminőségének biztosítása érdekében a szerszám felületét gyakran polírozzák. Ilyen célra csak az egyenletes szövetszerkezetű, minimális zárványtartalmú, különleges gyártástechnológiával előállított, különlegesen nagy keménységű acélok felelnek meg [3]. A magas fényű polírozásokhoz ajánlott acél keménysége 50 HRC-t meghaladó értékű. Ennél kisebb keménységű, vagy inhomogén keménység eloszlású alapanyag esetén fennáll a hullámosodás veszélye (az úgynevezett narancsbőrösödés). A fenti megfontolások alapján a szerszámokkal és szerszámanyagokkal szemben támasztott legfontosabb felhasználói és technológiai tulajdonságok következők [2, 5, 6]: - nagy tisztasági fok, az edzés és ötvözöttség tekintetében egyaránt homogén szerkezet; - jó megmunkálhatóság; - megfelelő szilárdság és szívósság; 9

- megfelelő kopásállóság és keménység; - megfelelő hővezető képesség (erősen ötvözött anyag!); - speciális tulajdonságok, mint például: o korrózióállóság (PVC, tárolás); o polírozhatóság (pl. gépjármű lámpatestek); o fotomarathatóság, texturázásra való alkalmasság (gépjármű műszerfal). Egyes esetekben az üzemben tartás során szükséges lehet [4]: - jó hegeszthetőség a javításokhoz - kis karbantartási és szervizköltség. A mai költségtudatos világban nagyon fontos, hogy a gyártási eljárások és így a szerszámok is megbízhatóak legyenek. A szükséges termék rendelkezésre álljon - a megfelelő időben - a megfelelő minőségben - a megfelelő mennyiségben - a lehető legkisebb költségráfordítással. 2.1.2. A szerszámacélok teljesítményét befolyásoló tényezők A szerszámok teljesítménye döntően a felhasznált szerszámacélok minőségétől függ. A szerszámacél teljesítményét az alábbi tényezők befolyásolják: - kopásállóság - maradó nyomófeszültségek - korrózióállóság - hővezetés - szívósság. A továbbiakban e tulajdonságok részletezése következik. 2.1.2.1. Kopásállóság Az elvárt kopásállóság szintje függ: - a gyártandó termékhez használt alapanyag minőségétől - az alkalmazott technológiai eljárástól - az adalékanyagok mennyiségétől (és minőségétől) - a ciklusidőtől - a tűrésektől és egyéb specifikus tényezőktől. Figyelembe kell venni, hogy a felületi kezelések alkalmazása után a megmunkálhatóság már nagyon nehéz. Fontos azt is megjegyezni, hogy a korrózióálló acéloknak nitridálás után csökken a korrózióállósága. 10

2.1.2.2. Maradó feszültségek A szerszámban célszerűen kialakítandó szükséges, hasznos maradó feszültségeloszlás meghatározásának alapja: - az alkalmazni kívánt eljárás - befecskendezési nyomás - zárási nyomás - és a termék tűrései A szerszámra ható erők annak felületén koncentrálódnak. 2.1.2.3. Korrózióállóság A korrózióállóság az egyik legfontosabb elvárás. Nagyon fontos, hogy a szerszám felületminősége ne romoljon a gyártás alatt, és így állandó és nagy sebességű, és egyenletes termékminőséget biztosító gyártás valósulhasson meg. A korrózió emiatt nagy fenyegetést jelent a termelés hatékonysága szempontjából több okból is [6]: - bizonyos műanyagok gyártása korrozív melléktermékekkel jár. Például a PVC gyártása során sósav keletkezik. Ez a hatás csökkenthető, ha a technológiai hőmérséklet nem haladja meg az ajánlott hőmérsékletet, általában a 160 C-ot. - A hűtőközeg korrozív lehet. Ez csökkenheti a hűtés hatékonyságát, vagy akár a hűtőcsatornák teljes elzáródását eredményezheti. - A páradús vagy korrozív közegben való üzemelés, vagy hosszú ideig tartó tárolás lecsapódást, és így víz okozta károsodást okozhat a felületen, és végül a kialakuló üregek miatt romolhat a termék minősége. 2.1.2.4. Hővezetés A termelési sebesség sok esetben attól függ, hogy a szerszám milyen mértékben képes a forma, a formázott termék hőjét a hűtőközegnek átadni. Erősebben ötvözött acéloknál a hővezetési tényező csökken összehasonlítva a gyengén ötvözött acélokkal. Emellett a termék anyaga is meghatározó a kialakuló hővezetésben. A korrózióállóság is fontos tényező a hővezetésben, kedvezően befolyásolja a hőáatadási/hővezetési tulajdonságokat a hűtőcsatornákban. 2.1.2.5. Szívósság A repedésterjedés, az egyik legveszélyesebb károsodási jelenség, ami a szerszámokban felléphet. A bonyolult és kis sugarú üregek, éles sarkok, vékony falak és hirtelen geometriai változások ma már általánosan alkalmazott megoldások a szerszámokban. E szempont figyelembe vételével a szívósság megtartása fontos követelmény. 2.1.2.6. Súrlódás A kopásállóság mellett fontos, hogy a gyártott termék és a szerszám között fellépő adhézió csekély legyen, és így az elkészült termékek könnyen kivehetőek legyenek a szerszámból anélkül, hogy felületminőségük romlana. 11

2.1.3. A műanyagalakító szerszámok technológia-specifikus követelményei Az egyes műanyaggyártó eljárások alkalmazásakor figyelembe kell venni, hogy miként egészülnek ki/módosulnak a támasztott elvárások a választott gyártástechnológiának megfelelően [6]. 2.1.3.1. Fröccsöntés A fröccsöntéses technológiák során előmelegített képlékeny hőre lágyuló vagy hőre keményedő anyagot fecskendeznek be nagy nyomással a relatíve hideg szerszámüregbe, hogy ott megszilárduljon. Ez egy nagy termelékenységű módszer, azonban a szerszámok igen bonyolult geometriai kialakításúak és rendkívül drágák. A szerszám teljesítménye többféleképpen értelmezhető. A teljesítményt jelentheti a szerszámélettartam, amelyet az alábbi mechanizmusok határoznak meg: o kopás: amelynek okozói, hogy egyrészt a gyártandó alapanyagok különböző erősítő fázisokat tartalmaznak, másrészt o lehet a hosszú futási idő; o felületi hibák általában gyártás közben keletkezhetnek (polírozás, szikraforgácsolás során); o deformáció keletkezhet túl nagy záró nyomás alkalmazásakor; o korrózió léphet fel az erősen korrozív melléktermékek, a hűtőközegek illetve a páratartalom miatt. A termékek minősége fogalom alatt értjük egyrészt a termék esztétikai megjelenését, másrészt a funkcionalitását is. A polírozhatóság miatt nagyon fontos, hogy az alkalmazott anyag nagyon tiszta és zárványmentes legyen. Az inhomogenitásokból adódó egyenlőtlen hőmérséklet eloszlás a hűtőcsatornák mérete és elhelyezkedése mellett hatással van a tűrések alakulására. - A szerszám teljesítményét értelmezhetjük a termelékenység szempontjából is. Ebben a tekintetben fontos lehet a hővezetés. 2.1.3.2. Sajtolás Sajtolás során inkább hőre keményedő műanyagokat helyeznek a formázó üregbe, azt lezárják, majd hő és nyomás alkalmazásával munkálják meg azt. Gyakran alkalmazzák üvegszál-erősítéses műanyagok megmunkálására. Az ilyen technológiákhoz alkalmazott szerszámanyagokkal szemben támasztott legfontosabb követelmények: - kopásállóság - szilárdság és keménység. Általában nagy keménységű anyagokat alkalmaznak. Nagy méretek esetében általában előnemesített anyagokat használnak, nagy keménységű betéteket alkalmazva ott ahol arra szükség van. 12

2.2. A műanyagmegmunkáló szerszámacélok jellegzetes hőkezelései 2.2.1. Térfogati hőkezelések 2.2.1.1. Feszültségmentesítés A forgácsoló és forgácsmentes alakítások során a szerszámok anyagában maradó feszültségek léphetnek fel. Ezek a későbbi hőkezelésnél elhúzódásokhoz, vetemedéshez vezetnek és drága utómegmunkálási költségeket eredményeznek ha egyáltalán javíthatók a kialakult hibák. Főleg bonyolult formájú szerszámoknál ajánlott az előzetes megmunkálás után egy feszültségmentesítés kb. 600-650 C-on, legalább 2 óra hőntartással, nagyobb daraboknál 1 óra/50 mm falvastagság figyelembevételével. Hőntartást követően lassan, a kemencében kell hűteni a darabokat [2]. 2.2.1.2. Edzés Az edzés a szerszámanyagok munkakeménységének kialakítási módja. Az edzési művelet főbb lépesei a következők: Hevítés Az edzendő szerszámok anyagának csekély hővezető képességéből és a változó szerszámkeresztmetszetből adódóan az edzési hőmérsékletre történő gyors felmelegítés során jelentős hőfeszültségek lépnek fel. Ezek a szerszám deformációjához, egyes esetekben repedésekhez is vezethetnek. Emiatt előírt előmelegítési lépcsőket kell betartani, amelyek segítségével csökkenthetők a fellépő termikus feszültségek, így elkerülhetők a nemkívánatos deformációk és a szerszám repedése. A hőkiegyenlítéshez szükséges hőntartási időt az első és a második előmelegítés során kb. fél-fél perc/1 mm falvastagság értékkel számolhatjuk. Erősen ötvözött szerszámacéloknál 900 C-nál nagyobb edzési hőmérséklet esetén egy harmadik előmelegítési fokozat is szükséges lehet kb. 850 C-on, amely a már említett okok mellett arra is szolgál, hogy a karbidok egy része oldódjon. Ennek érdekében a hőntartási idő ezen a hőmérsékleten 1 perc/mm falvastagság, azaz kétszerese az előzőeknek. Az alkatrészt az utolsó felmelegítési fokozat előtt, a szabványban vagy az acélkatalógusban megadott edzési hőmérsékletre kell melegíteni. Az 1. ábra a szerszám falvastagság függvényében ajánlást ad az ajánlott hőntartási időkre vonatkozóan. A hevítési lépcsők között hűtési fázisok foglalnak helyet, amelyek kitüntetett figyelmet igényelnek. A szerszám lehűtése ugyanis a hőkezelés legkritikusabb fázisa. A fázisátalakulások és a szemcseszerkezet átalakulásából adódó feszültségek miatt fennáll ugyanis az edzési repedések keletkezésének veszélye. A repedéskeletkezés veszélyét növelik: - a durva méretkülönbségek; - az eltérő falvastagságú szelvények; - valamint a nagy edzési keresztmetszetek. Az edzési repedés kockázata miatt kompromisszumokat kell kötni, amelyben egyaránt érintett az acél alapanyag gyártója, a hőkezelő és a szerszámgyártó, azaz az általuk támasztott igényeket össze kell hangolni. A javasolt legcélszerűbb hűtőközeget minden acélfajtára az anyagadatlap tartalmazza. Sófürdős edzésnél az anyagok a hőmérséklet kiegyenlítődéséig a sófürdőben maradnak, és utána levegőn hűtik tovább. A feszültségrepedési veszély miatt a szobahőmérsékletre történő lehűtés elkerülendő. Célszerű a szerszámokat csak kb. 80 C-ig hűteni, és egy esetleges forróvizes mosás után azonnal egy kiegyenlítő kamrába kell tenni [2]. 13

1.ábra. Irányértékek az edzési hőmérsékleten történő hőntartás idejére [2] Hőntartás Miután a szerszámokat 80 C-ra lehűtik, általában rögtön átkerülnek egy 100-150 C-os hőmérsékletű kemencébe. A nagyméretű szerszámok hőmérséklet-kiegyenlítéséhez azaz amíg a teljes keresztmetszetükben elérik ezt a hőmérsékletet ezen hőmérsékleten tartják a szerszámot, hogy a magrész szövete is teljesen átalakuljon. Ennek a műveletnek a maradéktalan végrehajtása a melegalakító szerszámoknál igen fontos [2]. Megeresztés Ahhoz, hogy a szerszám megfelelő működéséhez szükséges keménységet és szívósságot elérjük, megeresztésre van szükség. A szerszámokat lehűtés, hőkiegyenlítés és hőntartás után rögtön meg kell ereszteni az edzési repedések elkerülése érdekében (ld. 2. ábra) 2. ábra. Melegalakító szerszámok hőkezelésének jellegzetes hőmérséklet-idő diagramja [2] 14

Ennek során a szerszámokat lassan az előírt megeresztési hőmérsékletre hevítik. A megeresztési hőntartás ideje 1 óra/20 mm falvastagság, de minimum 2 óra jellemzően. a megeresztést követően a darabokat levegőn hűtik, majd megmérik a keménységüket. Melegalakító szerszámoknál minimum kétszeri megeresztés ajánlott, de a hosszabb élettartam eléréséhez előnyösebb a háromszori megeresztés[2]. 2.2.2. Felületkezelések A felületi bevonatkészítő technológiákkal a szerszámacélok tulajdonságait a különféle felületi igénybevételekkel szembeni ellenállás szempontjából célszerűen módosítani tudjuk, ami a szerszámok élettartamát megnövelheti. Az eljárásokat két csoportra oszthatjuk [2]: - bevonatkészítő technológiák, azaz heterogén felületi anyagszerkezet kialakítására szolgáló eljárások; illetve - diffúziós eljárások, azaz fokozatosan változó összetételű, ún. gradiens anyagszerkezetek kialakítására alkalmas eljárások. A legjellegzetesebb felületkezelő technológiákról a 2. táblázat ad összefoglalást. 2. táblázat. A szerszámoknál alkalmazott jellegzetes felülettechnológiák [2] Eljárás Hőmérséklet, C A szerszámacélok szükséges tulajdonságai, illetve a kezelés feltételei Rétegvastagság, mm Felületi keménység, HV Nitridálás 470 570 Boridálás 800 1050 Oxidálás 300 500 Edzett illetve nemesített kivitel esetén további megereszthetőség; passziválatlan felület Túlhevítéssel szembeni ellenállás; lehetőleg csekély szilíciumtartalom Jó megereszthetőség, zsírmentes felület Max 0,5 Max 1100 Max 0,4 Max 2000 Max 0,01 Felületkezelés szikrázással több 1000 Nincs Max 0,1 950 körül Titánkarbid (CVD) bevonat >900 Túlhevítés elleni érzéketlenség, fémesen tiszta felület 6 9 mm Max 4800 Titán karbid (PVD) keménynikkel Ca. 500 Jó megereszthetőség, nagy keménység 2 5 mm 2000 2500 Kemény krómozás 50 70 Lehetőleg csekély széntartalom, passziválatlan felület, hőkezelés semleges atmoszférában 1 mm ig 1000 1200 Az összes felületi bevonási technológia közül a szerszámok nitridálása jelenti a legelterjedtebben alkalmazott és leghatékonyabb, tehát legnagyobb jelentőségű eljárást. [2] Nitridálás előtt amely csak a felületi réteg szerkezetét érintő eljárás a szerszámot a teljes térfogatra kiterjedően elvárt szövetszerkezet biztosítása érdekében hőkezelni kell. Ezeknek a 15

megelőző hőkezeléseknek a megeresztési hőmérséklete feltétlenül nagyobb kell legyen, mint a későbbi nitridálási hőmérséklet. Az olyan acéloknál, amelyeket nemesített állapotban szállítanak, a durva (nagyoló) megmunkálás után 600-650 C-on feszültségmentesítést kell végrehajtani a nitridálás során később fellépő deformációk elkerülése érdekében. A megmunkálások tervezésekor figyelembe kell venni, hogy vékonyabb nitridált rétegek estén a szerszámokat már nem lehet utánköszörülni [2]. Nitridálás előtt a szerszámokat tisztítani és zsírtalanítani kell. A nitridálást a nitrogént leadó közeg típusa szerint sófürdőben, gázzal vagy plazmával lehet végrehajtani. Elérendő rétegvastagságként kb. 0,5 mm mélységű nitridált réteg kialakítását lehet megcélozni. A nitridált felület elérhető keménysége az acélok keménységének függvényében 1100 HV (~70 HRC) lehet [2]. Sófürdős nitridálásnál illetve az ún. Tenifer kezelésnél (sófürdős karbonitridálás) a következőket kell figyelembe venni: először az alkatrészt 400 C hőmérsékletre kell előmelegíteni. A sófürdős nitridálást 520-570 C-on kell végrehajtani. A kezelés idejét a kívánt nitridréteg vastagsága határozza meg, amely általában 2 óra [2]. A gáznitridálást 480-540 C hőmérsékleten végzik. Ez az eljárás általában 15-30 órás kezelést jelent. A felület betakarása rézzel, nikkellel vagy különféle pasztákkal lehetséges, a letakart területeken nitridált réteg nem képződik, ezzel a partikuláris rétegfelépülés biztosítható [2]. A plazmanitridálás egy termokémiai eljárás. A kezelés vákuumos berendezésben nitrogéntartalmú kezelőgáz bevezetésével történik, ahol egy elektromos feszültségmező segítségével a nitrogén tartalmú közeg plazmaállapota jön létre. A jelenlévő elektromosan töltött nitrogénionok az alkatrész irányában haladva felgyorsulnak, és a felületre érkezve bediffundálnak. A kezelés hőmérséklettartománya ezen eljárásnál 400-600 C közötti [2]. 2.2.3. A megfelelő eljárás kiválasztása A megfelelő hőkezelési eljárás kiválasztása elsősorban a megfelelő felülettechnológia kiválasztását jelent. Mindenekelőtt meg kell határoznunk a szerszámra jellemző, annak élettartamát leginkább meghatározó legfontosabb igénybevétel(eke)t. A legfőbb igénybevételekkel szembeni ellenállást és ezáltal a szerszám várható élettartamát legjelentősebben növelő technológiai eljárásokra vonatkozó ajánlásokat a 3. táblázat tartalmazza. 3. táblázat A legcélszerűbb felületkezelő eljárás kiválasztásának szempontjai [7] Meghatározó károsodás Adhezív kopás Abrazív kopás Korróziós kopás Kiváltó ok relatív elmozdulások érintkezéskor abrazív részecskék a műanyagban korrozív gázok, melléktermékek Javasolt felületkezelés TiAlN vagy CrN bevonat N ion implantáció, nitridálás, TiAlN vagy CrN bevonat Cr ion implantációval újraötvözés, CrN bevonat 16

2.3. Esettanulmányok Az alábbiakban néhány olyan esettanulmány bemutatása következik, amelyek alapján összehasonlíthatjuk a műanyagmegmunkáló szerszámoknál alkalmazott különféle anyagminőségeket és az azoknál célszerűen alkalmazható hőkezelési eljárásokat. 2.3.1. Szálerősítéses műanyagok gyártása Az üvegszál-erősítéses műanyagok fröccsöntésekor a szerszámok nagyobb mértékű kopásával kel számolnunk. Minél nagyobb arányban tartalmaznak ilyen típusú, azaz nagy keménységű erősítő fázist, annál erősebb lesz a koptató hatás. 2.3.1.1. A térfogati és a felületkezelések hatásának összehasonlítása A Ryton PPS márkajelű szálerősítéses műanyag nagy arányban tartalmaz üvegszálat (egyes esetekben ásványi szálakat is), így a szerszámra gyakorolt koptató hatása rendkívül erős. Az ilyen anyagok megmunkálásakor a szerszám anyagától függően az egyes anyagminőségektől függően már az edzés is nagy hatással lehet az alkatrész kopásállóságának javulására. Beömlőnyílás Szűkítő belépő keresztmetszete 5 mm (névleges) 2,5 mm (névleges) Szűkítő kilépő keresztmetszete Kiömlőnyílás ANYAGÁRAMLÁS IRÁNYA 3. ábra. Kopásvizsgálatokhoz alkalmazott próbadarab kialakítása [8] A bemutatott kutatások [8] során a szerszám élettartamának elemzésekor egy speciális koptatóvizsgálatot alkalmaztak annak céljából, hogy a valóságos körülményeket minél jobban meg tudják közelíteni. A kopásvizsgálatok során a szerszám kritikus részét modellező, kopásnak kitett alkatrész a 3. ábrán bemutatott speciálisan kialakított elem volt, amelynek segítségével felgyorsították a valós gyártási folyamat során bekövetkező kopási folyamatot. A vizsgálatok során a kopási károsodás jellemzésére 22,7 kg mennyiségű 65% erősítőszálat tartalmazó Ryton PPS előállítását követően megmérték az elem tömegveszteségét. A vizsgálati eredményt tartalmazó 4. táblázatban a fajlagos tömegveszteség látható, amelynek alapján megállapítható, hogy az egyes szerszámanyag minőségeknél már azáltal is csökkenthető a kopás mértéke, ha az a gyártási állapot helyett edzett állapotban kerül felhasználásra. Az elért javulás azonban nem minden anyagnál egyforma mértékű. - Az X100CrMoV5 és 40CrMnMo7 anyagminőség esetében a kísérleti eredmények minimális, vagy kismértékű csökkenést mutattak; 17

- Az X155CrVMo12-1 és X40CrMoV5-1 anyagok esetében az edzés hatására a kopás mértéke harmadára illetve negyedére csökkent. A kísérletsorozat másik fontos eredménye a különböző felületi hőkezelések/ bevonatok alkalmazásának a kopási tulajdonságokra gyakorolt hatására vonatkozó tapasztalatszerzés. Összefoglalóan elmondható, hogy a várakozásoknak megfelelően a különféle felülettechnológiák növelik a kopásállóságot. Az eredmények alapján alábbi következtetések vonhatók le: - A felületötvöző technológiák jelentősen csökkentik a kopás mértékét; azonban - A bevonat-technológiák kopásra gyakorolt hatása még jelentősebb. 4. táblázat A fajlagos kopás különböző hőkezeltségi állapotú próbák esetében [8] Anyagminőség Állapot Tömegveszteség* A 2 X100CrMoV5 ( 1.2363 ) gyártási 1.83 % A 2 X100CrMoV5 ( 1.2363 ) edzett 1.76 % D 2 X155CrVMo12 1 ( 1.2379) gyártási 0.51 % D 2 X155CrVMo12 1 ( 1.2379) edzett 0.16 % H 13 X40CrMoV5 1 (1.2344) gyártási 5.15 % H 13 X40CrMoV5 1 (1.2344) edzett 1.19 % P 20 40CrMnMo7 (1.2330) gyártási 8.77 % P 20 40CrMnMo7 (1.2330) edzett 6.95 % D 2 X155CrVMo12 1 ( 1.2379) edzett, nitridált 0.03 % D 2 X155CrVMo12 1 ( 1.2379) edzett, Borofuse boridálás 0.02 % D 2 X155CrVMo12 1 ( 1.2379) D 2 X155CrVMo12 1 ( 1.2379) edzett, Crystallon II karbidbevonatolás edzett, LSR 1 vákuumos karbid bevonatolás 0.00 % 1 0.00 % 1 *22,7 kg 65% erősítő anyagot tartalmazó Ryton PPS előállítása után 1nem volt mérhető tőmegveszteség 45,4 kg előállítása után sem Tovább elemezve a különböző felületkezelések hatását ld. (5. táblázat), látható, hogy: - a nitridbevonatok biztosították a legnagyobb mértékű javulást a kopásállóság tekintetében - a bevonatokat követően a nitridálás volt a vizsgált esetben a legeredményesebb. 18

5. táblázat A különböző felülettechnológiák hatása a kopásállóságra [8] Anyagminőség Állapot Tömegveszteség* Arány H 13 H 13 H 13 H 13 H 13 X40CrMoV5 1 (1.2344) X40CrMoV5 1 (1.2344) X40CrMoV5 1 (1.2344) X40CrMoV5 1 (1.2344) X40CrMoV5 1 (1.2344) edzett, Nicklon (Ni+PTFE) 0,54% 100% edzett, Electrolyzing elektrolízis 0,31% 57% edzett, plazmanitridált 0,26% 48% edzett, TiN 0,18% 33% edzett, CrN bevonat 0,15% 28% *45,4 kg 40% erősítő anyagot tartalmazó Ryton PPS előállítása után 2.3.1.2. Különböző felülettechnológiák összehasonlítása Egy másik vizsgálati sorozatban kopásvizsgálatnak vetettek alá különböző felülettechnológiákkal kezelt szálerősítéses műanyagok előállításához szokásosan használt szerszám anyagminőségeket. Ebben az esetben egy speciálisan megtervezett koptatóvizsgálattal szimulálták a valós körülményeket. Az ASTM szerinti gumitárcsás koptatóvizsgálatban használt koptatott tárcsát a vizsgálandó acélra (P20-40CrMnMo7-1.2330) cserélték ki és ~200 C-ra, a szerszám jellemző üzemi hőmérsékletére hevítették. Erre a felhevített forgó tárcsára adagolták az üvegszál-erősítéses műanyagot, mint koptató közeget. 4. ábra. Gumitárcsás koptatóvizsgálat elrendezése [9] Vizsgálati eredményként mérték a tárcsa tömegveszteségét, amely alapján a következőket állapították meg: - A lézerrel kezelt és a WC-Co illetve Cr bevonattal ellátott próbatestek tömegvesztesége meghaladta a kezeletlen anyagét, 19

- A N részecskeötvözés és a nitridálás csökkenti a kopás során fellépő tömegveszteséget, e kettő közül tömegvesztés szempontjából a nitridálás volt eredményesebb. 5. ábra. Különböző módon felületkezelt 40CrMnMo7 szerszámanyagon mért kopási anyagveszteségek [9] A tömegveszteség mellett fontos jellemzője lehet a lejátszódó károsodási folyamatoknak az átlagos kopási mélység. E tekintetben a következő tapasztalatok adódtak az alkalmazott felületi kezelésekre vonatkozóan (ld. 6. ábra): - Mindegyik eljárás eredményesen csökkenti a kopásmélységet; - A nitrogén ionimplantáció és a nitridálás eredményesebben csökkenti a kopás mélységét, mint a Cr bevonat, a WC/Co bevonat vagy a lézeres edzés. 6. ábra. Átlagos kopási mélység [9] A kopásnyomok ismeretében meghatározható a kopás sebességét jellemző kopási szám az egyes alkalmazott felülettechnológiák esetében. 20

7. ábra Kopási szám a kölünböző felületkezelések után [9] A 7. ábrán látható eredmények alapján az alábbi az eddigiekkel is összhangban lévő megállapítások tehetők: - A bevonatolt felületek kopása megközelítheti a kezeletlen anyag kopását, - A kopási szám alapján (is) a legkedvezőbb a nitridálás és a N ionimplantáció. 2.3.2. Felületötvöző és bevonatoló technológiák összehasonlítása A felületötvöző és bevonatoló technológiák közül a választás nem túl egyszerű. Egy erre vonatkozó kísérletsorozatban X 38CrMoV5 (0,41% C, 0,6% Si, 0,75% Mn, 1,2% Cr, 0,7% Mo, 0,3% V kémiai összetételű) acélanyag felületét kiválásosan keményített állapotban különböző technológiákkal kezelték és vizsgálták a felületi tulajdonságokat. A felületkezeléseket minden esetben polírozást követően alkalmazták a következők szerint: - Minden esetben P1200-as papírral políroztak; - PVD bevonatolás előtt a felületet tovább polírozták (3 m-es gyémánt pasztával) - A sófürdős nitridálást követő utólagos oxidáció két oxidációs lépcsője között a felületet 2 percig homokszórással polírozták. Az alkalmazott hőkezelések az alábbiak voltak: - Sófürdős nitridálás cianit/cianát sókban 570 C-on; - Sófürdős nitridálás cianit/cianát sókban 570 C-on, utóoxidáció 350 C-on; - Kis nyomású gáznitridálás (NITRAL ) ammónia+n 2 O gázkeverékben, 400 mbar nyomáson, 550 C hőmérsékleten; - Plazmanitridálás 500 C-on, 30% N 2 + 70% H 2 gázkeverékben, 4 óráig, 5 mbar nyomáson. - PVD bevonatolás PlatiN MEDI WC-C eljárással WC-C bevonat létrehozása. A 8. ábra az alapanyag felületi topográfiáját illusztrálja, a 9.-13. ábrák pedig azt mutatják be, hogyan alakult a felületi érdesség a különböző eljárások után. 21

8. ábra Alapanyag felületi topográfiája, (R a =187 nm) [10] 9. ábra Felületi topográfia plazmanitridálás után (R a =262 nm) [10] 10. ábra Felületi topográfia kis nyomású gáznitridálás után (R a =372 nm) [10] 22

11. ábra Felületi topográfia sófürdős nitridálás után (R a =634 nm) [10] 12. ábra Felületi topográfia sófürdős nitridálás és utóoxidáció után (R a =355 nm) [10] 13. ábra Felületi topográfia PVD bevonatolás (WC/C) után (R a =355 nm) [10] 23

A bemutatott felület-topográfiai ábrák alapján elmondható, hogy - minden esetben nőtt a felületi érdesség; - a plazmanitridálás okozta a legkisebb növekedést; - a sófürdős nitridálás után nőtt meg legjobban a felületi érdesség; - a gáznitrádálás kissé erőteljesebben növelte a felületi érdességet, mint a plazmanitridálás; - az utóoxidációs sófürdős nitridálás és a PVD bevonat eredményei jóval kedvezőbbek, mint a sófürdős nitridálásé, de meg kell jegyezni, hogy a felület-előkészítés eltérő. A különféle felületkezelésű mintákon ball-on-disc kopásvizsgálatokkal szobahőmérsékleten meghatározott súrlódási tényezők értékét a körbefordulási ciklusszámok függvényében a 14. ábra, míg a 100 C-on végzett kopásvizsgálatok során kapott súrlódási együttható diagramot a 15. ábra mutatja. 14. ábra Kopásteszt szobahőmérsékleten [10]; Paraméterek: Golyó: 100Cr6, 6 mm, 710 ± 20 HV30, csúszási sebesség: 10 cm/s, terhelőerő: 5N A vizsgálati eredmények alapján megállapíthatók a következők: - Szobahőmérsékleten a sófürdős nitridálás és a PVD bevonat eredményei a legjobbak. - Meglepő eredmény, hogy szobahőmérsékleten a nitridált darabok rosszabb eredményt mutatnak, mint maga az alapanyag. - 100 C-on a nitridált darabok szintén nagyobb súrlódási tényezőt eredményeztek, mint az alapanyag, ami valószínűleg annak tulajdonítható, hogy egyrészt a nitridálással kialakított keményebb felületi réteg hajlamosabb a ridegtöréses kopásra, másrészt a nitridálás következtében kialakult porózus réteg jellemzően törmelékesen válik le, így összességében romlanak a súrlódási viszonyok. - 100 C-on a PVD bevonat eredményei a legjobbak, ezt követi a z utóoxidációs sófürdős nitridálás, majd az oxidáció nélküli sófürdős nitridálás eredménye. 24

15. ábra Kopásteszt 100 C-on [10], Paraméterek: Golyó: 100Cr6, 6 mm, 710 ± 20 HV30, csúszási sebesség: 10 cm/s, terhelőerő: 5N Fontos megjegyezni, hogy a sófürdős nitridálás után lényegesen nagyobb volt a felületi érdesség, a kopás mégis megközelíti a kedvezőbb érdességet eredményező PVD bevonatét. Ez a felületen levő oxidrétegnek köszönhető, amelynek jelenléte utóoxidáció nélkül is megfigyelhető. Mindezek alapján megállapítható, hogy a kopásnak kitett szerszámacél felületek élettartam növelésére általánosan elterjedt a különféle felületkezelő eljárások alkalmazása. A műanyagmegmunkáló szerszámacélok kopásállóságának javítása szempontjából amely anyagok a kutatómunka első szakaszában a kopásvizsgálati tapasztalatszerzés céljából végzett vizsgálatokhoz használt próbatestek anyagául szolgáltak a különféle nitridáló eljárások hatékonyan alkalmazhatók. Az elért kopásállóság növekedés nagymértékben függ az alkalmazott alapanyagtól, és a kezelést megelőző kiinduló felületminőségtől. A továbbiakban a kopásvizsgálati előkísérletek megtervezéséhez szakirodalmi esettanulmány feldolgozásával áttekintjük egy konkrét nitridált acélminőség kopási kísérleteinek vizsgálati módszerét, tapasztalatait, az alkalmazott vizsgálati paraméterek megválasztásnak szempontjait, illetve a kopásvizsgálatból származó információkat, a várható eredmények nagyságrendjét. 25

2.4. Szakirodalmi előtanulmány karbonitridált próbatestek pin-on-disc típusú kopásvizsgálatának megtervezéséhez A Reynoldson, A. Borrowing, J.M. Long: H13 karbonitridált szerszámacél pin-on-disc kopásvizsgálata c. szakirodalmi munka áttekintése A X40CrMoV51 (1.2344) minőségű karbonitridált lemezeket száraz, csúszó koptatással vizsgáltuk rubint golyó(tű) segítségével. Három különböző 4 órás karbonitridáló kezelést hasonlítottunk össze, melynél N 2 /NH 3 /CO 2, N 2 /NH 3 /földgáz és N 2 /NH 3 gázkeverékeket használtunk, amelyek különböző vastagságú, keménységű, porozitású és oxidmorfológiájú vegyületi rétegeket eredményeztek. Az enyhe oxidatív koptatás alatt, az abrazív koptatás során keletkező törmelékekkel együtt, a legtörékenyebb és legoxidáltabb felületek gyengén teljesítettek. A felület polírozása nagyban csökkentette a koptatás hatását. Habár a N 2 /NH 3 /CO 2 mintán nagyon enyhe koptatást tapasztalhattunk, amelyet a koptatást végző felületek között lévő vékony védőrétegnek köszönhetünk, ez eredményezi a súrlódási együttható csökkenését is. A kezelt felület porózus és a felületi réteget összetett durva oxid és ε-karbid borítja. A karbonitridált mintákat és a kopási nyomokat optikai mikroszkóppal, SEM-mel, atom erő mikroszkóppal és profilometriával karakterizáltuk. 2.4.1. Az X40CrMoV51 acél sajátosságai, hőkezelése A karbonitridálás egy hétköznapi, olcsó felületkezelő eljárás amelyet Cr-Mo-V melegalakító szerszámacélokon végezhetünk, ilyen például a X40CrMoV51 acél is. Célja a keménység, valamint a kopással és fáradással szembeni ellenálló képesség növelése. Két fő alkalmazási példának megemlíthetők a kovácsoláshoz és öntéshez használt matricák és süllyesztékek. A sikeresen karbonitridált X40CrMoV51 műanyag melegalakítást végző anyag jól ellenáll az abrazív koptatásnak és a hőfáradásnak. A karbonitridálást a fröccsöntő matricák élettartamának növelése érdekében használják. Az alumínium nagy hőmérsékletű, kenésmentes csúszó érintkezése kopást okoz a matrica falán, amely eltéréseket eredményez az elkészült termék felszínén. A hőkezelési paramétereknek a karbonitridált szerszámacélok felületi mikroszerkezetére gyakorolt hatását számos szakirodalomban megtaláljuk. Különös figyelmet kell fordítanunk a karbontartalmú gázok karbondúsító hatására, amely megváltoztatja a tulajdonságokat az összetett felületi rétegekben. Azt is meg kell jegyeznünk, hogy a karbontartalmú gáz kiválasztása nagyban befolyásolja a vegyületi réteg felületén lévő porozitás és oxidálódási mértékét. Ez nemcsak azért fontos, mert az alkatrészeket általában azonnal a karbonitridálás után üzembe helyezzük, hanem azért is, mert ha a felületet polírozzuk, fontos lehet az eltávolítani kívánt porózus, oxidálódott réteg vastagsága. Továbbá azt is kimutatták, hogy néhány szubsztráton, mint például a X40CrMoV51 melegalakító szerszámacél, a karbon mélyen az egész diffúziós zónában abszorbeálódhat. Ez érinti a teljes diffúziós mélységet, a vegyületi réteg alatt található szemcsehatármenti cementit mennyiségé, sőt még a vegyületi réteg és diffúziós zóna határát is. Ha túlzott mértékben használunk földgázt, az a vegyületi réteg magas karbon koncentrációjához vezet, amely egy kemény réteget eredményez, ezen kívül dekarbonizáció is előfordulhat a felszínen a széndioxid képződés miatt. Ha változtatjuk a hőkezelési körülményeket, lehetőségünk van különböző minőségű karbonitridált felület előállítására. Bár számtalan karbonitridáló eljárás létezik, eddig nagyon kevés erőfeszítés történt annak érdekében, hogy megértsék a technológiai paraméterek hatását a kopási folyamatokra. 26

Ebben az esettanulmányban a vegyületi réteg tulajdonságainak kopásra gyakorolt hatását vizsgáljuk. Pin-on disc módszert használunk, a karbonitridált próbatesteket szárazon, csúsztató koptatással vizsgáltuk. A kopási viselkedést befolyásoló vizsgált fő tényezők a porozitás, keménység, rétegadhézió és szívósság voltak. A fémek csúsztató koptatása során, a súrlódási hő hatására keletkezett oxidokról tudjuk, hogy megakadályozzák az alapfém túlzott mértékű adhéziós sérüléseit, így enyhe kopást eredményeznek. Az enyhe kopás során finom kopási törmelék keletkezik. Metallurgiai vizsgálatok során számos kutató figyelt meg kidomborodó oxidfoltokat a koptatott fémfelületen. Ha az oxidok eltávolítása gyorsabb, mint a képződésük, akkor az erősebb kopást eredményez. Ez az erősebb kopás durva, tépett kopásfelülettel jellemezhető, amelyben rögök által okozott mély szántásnyomok vannak, valamint nagyméretű fémes törmelék jelenik meg. Kato és munkatársai kimutatták, hogy a nitridálás az erős kopás tartományát a nagyobb terhelések és csúszási sebességek felé tolja el, valamint csökkenti a kopás mértékét a nitridálatlan próbatestekhez hasonlítva ugyanolyan koptatási körülmények esetén. 2.4.2. A vizsgálati darabok hőkezelési és kopásvizsgálati paraméterei A 40mm átmérőjű tárcsákat X40CrMoV51 szerszámacélból munkálták ki (0,38% C-4,8% Cr-1,2% Mo-1,1% Si-0,4% Mn-0,2% Ni). A lemezeket 1025 C-on edzették és 580 C-on eresztették meg 48 HRC keménységűre. A második megeresztés elmaradt mivel karbonitridálás során további megeresztődés megy végbe. A jó minőségű felület elérése érdekében a sík felületeket ezután finoman köszörülték (ld. 6. táblázat). A karbonitridálást ipari 160-as átmérőjű fluidágyban végezték, 120-as szemcsenagyságú (átlagos átmérő 100μm) Al2O3 fluidizáló közeggel. Minden kezelést 4 órán át végeztek, 570 C-on, a teljes gázáramlás pedig 1-5 m3/óra volt. Összehasonlításképp három különböző gázkeveréket használtak: - N 2 /25% NH 3 /8% CO 2, - N 2 /25% NH 3 /20% földgáz és - N 2 /25% NH 3. Ezek után a mintákat egy másik fluidágyon kezelték, és szobahőmérsékletű N 2 gázáramban hűtötték. R a hőkezelés előtt R a hőkezelés után Vegyületi réteg 6. táblázat: A felületi érdesség változása hőkezelés és előpolírozás során N 2 /NH 3 /CO 2 N 2 /NH 3 /földgáz N 2 /NH 3 158±28 nm nincs megadott érték nincs megadott érték 250±60 nm 166±21 nm 159±29 nm 150 μm vastag porózus erősen oxidálódott 13μm vastag, erősen oxidálódott, kevés porozitás, magas karbontartalom 9μm vastag, nem porózus Polírozási idő 27 perc 13 perc 6 perc R a polírozás 6±4 nm 18±17 nm 24±14 nm után 27

A 16. ábrán a háromféle összetételű gázatmoszférában nitridált ill. karbonitridált minták felületi rétegének mikroszerkezete látható. Megfigyelhető, hogy maratás során a vegyületi réteg nem maródott eltekintve az oxidtól (szürke), a középső diffúziós réteg erősen maródott, az alsó szubsztrát pedig érintetlen maradt. 16. ábra: Nitállal maratott karbonitridált minták mikroszkópos felvételei. a; N 2 /NH 3 /CO 2, b; N 2 /NH 3 /földgáz c; N 2 /NH 3 ; A karbonitridált próbatesteket egyrészt a hőkezelés utáni állapotban, másrészt polírozott állapotban koptatták. A polírozást Struers RotoSystem nevű automata polírozón végezték, 15 μm szemcseméretű gyémántpasztát használva, 20N-os erővel. Minden mintát periodikus szemrevételezés mellett políroztak, amíg fényes, tükröződő felületet nem kaptak. A kívánt felület eléréséhez szükséges idő változó volt, ahogyan azt az 6. táblázat is mutatja. A vizsgálatokat CSEM pin-on disc tribométeren végezték. A berendezésen a tű egy 6 mm átmérőjű Al 2 O 3 (rubint) egykristály golyó volt. Ezt 20 N-os erővel a próbadarab sík felületéhez nyomva álló helyzetben tartották. Ezután a korongot 0,1 m/s sebességgel forgatták a tűhöz képest, ami egy körkörös kopási lenyomatot hozott létre. A vizsgálatok során különböző átmérőjű kopásnyomokat hoztak létre, de a fordulatszám célszerű változtatásával azonos csúszási sebességgel dolgoztak. Minden próbatestet kenés nélkül és levegőn vizsgáltak. A súrlódási erő értékének adatgyűjtési sebessége 1 sec volt. A kopásnyom keresztmetszeti profiljának vizsgálatához Tencor Alpha step 200 profilométert használtak. Egy 12,5 μm átmérőjű tűt mozgattak a felületen keresztül, amely adatokat gyűjtött minden 1-es μm megtétele után. Profilométert használtak a kezelt felület R a érdességének meghatározásához is. A kopási nyom mikroszkópos felvételeit LEICA S440 típusú pásztázó elektronmikroszkóp segítségével készítették, szekunder elektron üzemmódban, 10-20 kv közötti gyorsító feszültséggel. 2.4.3. Az eredmények kiértékelése 2.4.3.1. A kezelt felületek jellemzése A karbonitridált szerszámacélok diffúziós zónájának és mikroszerkezetének részletesebb ismertetése King nevéhez köthető. A nitridáló hőkezelések során egy kemény, ε-karbid réteg alakul ki közvetlenül a felszín alatt, a diffúziós zóna pedig nagy mennyiségben tartalmaz martenzit mátrixba ágyazott nitrid vegyületeket (16. ábra). 28

Az N 2 /NH 3 /CO 2 hőkezelés eredméynezte a legvastagabb vegyületi réteget, amelyet a gázkeverék magas oxigéntartalmának köszönhető gyors ε-fe 2-3 (N,C) képződés biztosított. A felszínen, amely eredetileg fényes volt lágy köszörülés irányú karcokkal borítva, most egy vastag Fe 3 O 4 réteg alakult ki. A kezelés eredményeként a felszín matt kék színűvé változott. Azt észlelték, hogy ezen külső oxidréteg vastagsága a kezelés során csökkent, az eredeti felszín felett pedig ε-nitrid kristályok válnak ki. Ez a vegyes Fe 3 O 4 /Fe 2-3 N réteg az úgynevezett fedőréteg, amely nitrid tartalmának eredményeképpen fehér színben jelent meg az optikai mikroszkópon. A karbonitridált felületek topográfiáját DME Dualscope DS 45-40 érintkezésmentes atomerő mikroszkóp segítségével készítették. A topográfiai vizsgálat ( ld. 17. ábra) egy durva, rögös felületet mutatott ki. 17. ábra. Különböző karbonitridáló közegekben létrejövő vegyületi rétegek felépítésének felszíni topográfiája. a., N 2 /NH 3 /CO 2 ; b., N2/NH3/földgáz; c., N 2 /NH 3 ; A rögök közötti hézagok eredményeképpen a felületi réteg mikroporózus. Ezzel egyidejűleg, ahogyan a nitrogén szintje a kritikushoz közelít az eredeti felszín alatt, pórusok alakulnak ki, amely a külső vegyületi réteg rendkívül finom porozitását eredményezi (a porozitás elkerülhetetlen egy bizonyos rétegvastagságon túl). Ezen pórusok eloxidálódása hozza létre a friss felületi réteget. Ezért a porózus réteg színe matt szürke a polírozott keresztmetszeten, mivel a pórus térfogatát Me 3 O 4 típusú ötvöző-oxidok töltik ki. A N 2 /NH 3 /földgáz kezelés során kialakuló vegyületi réteg vékonyabb, sűrűbb és kevésbé oxidált volt. Mivel magasabb volt a karbontartalma mint a többi kezelés során keletkező 29