SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM GYŐR Felületi technológiák A felületi technológiák áttekintése Bevezetés Esettanulmányok Igénybevételek Csoportosítás
A tantárgy célja A Felületi technológiák c. tárgy átfogóan foglalkozik a felületi kezelésekkel és bevonatokkal, valamint azok alkalmazási területeivel A tananyag feldolgozásában lényeges szerepet kapnak a szerkezeti elemek és szerszámok élettartamát növelő eljárások Főbb ismeretek A felületi igénybevételek áttekintése A felületi technológiák fajtái és alkalmazásuk A legfontosabb felület kezelő eljárások részletes megismerése Alkalmazási példák 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 2
Program Hét Tananyag 1 Esettanulmányok, felületi igénybevételek, technológiák áttekintése 2 A felületi technológiáknál használt hőforrások, felület előkészítés 3 Anyagfelvitel nélküli felületi technológiák (1) 4 Anyagfelvitel nélküli felületi technológiák (2) 5 Anyagfelvitellel járó kezelések: bevonatok 6 PVD, CVD és rokon eljárások 7 Termokémiai kezelések 8 Fémes bevonatok (Zn, Ni, ) 9 Felrakó hegesztés 10 Duplex kezelések 11 Egyéb felületi technológiák 12 Felületi rétegek vizsgálata 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 3
Alapfogalmak A felületi kezelések célja Kedvező tulajdonságokat biztosítani a felületi igénybevételekkel szemben Esztétikai hatás elérése Miért kell a felületet külön kezelni? Mert a teljes keresztmetszetre ható igénybevételek más anyagtulajdonságokat igényelnek, mint a felületi igénybevételek (kemény kéreg szívós mag) Ezért lokális változásokat kell elérni a felületen Technológiai irányelvek material tayloring tudatos anyagtervezés near net shape gyártás közel a végső alakra maximális teljesítmény minimális költség minimális energia felhasználás környezetvédelem, újrafelhasználhatóság 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 4
Modern felület kezelési példák 1. Dugattyú-hengerfelület súrlódási és kopási viszonyait javító technológiák (Audi, GM) 2. Karosszéria felületkezelése (VW) 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 5
Példa 1: A henger-dugattyú kapcsolat tribológiai viszonyai Hagyományos hónolás: A dugattyúgyűrű mozgása kiszorítja az olajat a karcokból Lokális olajzsákok képzése: Az olaj megmarad az üregekben Dugattyúgyűrű Dugattyúgyűrű Dugattyú haladási iránya Érintkezés lehetséges (vegyes súrlódás) Gyűrű Gyűrű Dugattyúgyűrű úszik (hidrodimamikai kenés) 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 6
Lézer hónolás alkalmazása Cél: a tribológiai viszonyok javítása lézeres kezeléssel Lézer kezelés szabályos geometriai alakzatok kialakítására A felső holtpont közelében elhelyezkedő olajtároló terek (pl. GM) Egész hengerfalra kiterjedő szabályos alakú olajzsákok (Forrás: www.gehring.de) Olajterek létrehozása a mikroszerkezet lézeres kezelésével, a grafit kiégetésével (pl. Audi) 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 7
A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: olajzsák méretek 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 8
A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: morfológia Felső képsor: olajzsák részletei; N = 500x A jobb oldali képen hibás kiégés figyelhető meg Alsó kép: olajzsák széle és alja; N = 2000x A lézer sugár megolvasztja és elpárologtatja a fémet 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 9
A mikroszerkezet lézeres kezelése: Felület topológia A grafit lamelláknál keletkezett bemélyedések és a felület vizsgálata tűs letapogatással (0,6x0,6 mm 2 felület; 0,5 μm lépésköz; 1,440.000 pont) Néhány szemléletes mérési eredmény: R a =0,1156 R z =4,209 R q =0,2245 A felület alap hónolása rendkívül finom, érdességet az 1-2 mikron mélységű grafit kiégések és perem kiemelkedések jelentenek 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 10
A mikroszerkezet lézeres kezelése: SEM vizsgálatok A képződmények jellegzetes alakját jól szemlélteti a BSE felvétel A grafit lemezek széle jellegzetes domborulatot mutat 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 11
A hengerfelület lézeres kezelési technológiája Futófelület megvilágítás EXCIMER-Lézerrel Hullámhossz 308 nm (UV) Frekvencia 300 Hz Impulzus idő 25 ns Lézer tulajdonságai Szélesség 3,4 mm Magasság 6,5 mm Intenzitás 25 mj/mm² 4-szeres megvilágítás A hengerfelület kezelése Motorblokk forgatás Lézer ágyú tengelyirányú mozgatása A besugárzott területek átlapolódnak Eredmény: Olaj fogyasztás jelentős csökkenése Kopás mértékének csökkenése 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 12
Lézermegmunkáló gép az Audi motorgyárában 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 13
Lézer fej kiemelt állapotban 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 14
A berendezés fényképe 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 15
A gépek 3D-s modellje 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 16
Karosszéria korrózió elleni védelme (1) 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 17
Karosszéria korrózió elleni védelme (2) 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 18
Karosszéria korrózió elleni védelme (3) 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 19
Igénybevételek Az igénybevételek csoportosítása Felületi igénybevételek Részletezés: Kopás Korrózió Mechanikus és termikus fáradás 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 20
1. Statikus terhelés 2. Dinamikus terhelés 3. Fárasztó igénybevétel 4. Kopás 5. Korróziós hatás A legfontosabb igénybevételek (térfogatra és felületre hatók) 6. Hőmérsékleti hatások 7. Egyéb igénybevételek Hajlítás Csavarás Húzás Térfogatra ható igénybevételek 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 21
A felületre ható igénybevételek Igénybevételi módok: Hő Vegyi Elektrokémiai Áramló közeg Sugárzás Biológiai Szilárd testekkel érintkezés Főbb felületi igénybevételek: Kopás Korrózió és revésedés Mechanikus és termikus kifáradás Szorító erő Kopás Forgatás 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 22
A kopás fogalma A kopás szilárd testek felületén bekövetkező anyagveszteség, amelyet szilárd, cseppfolyós, vagy légnemű közeggel való érintkezés és relatív elmozdulás (azaz két anyag közötti interakció) okoz 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 23
A kopást befolyásoló tényezők konstrukciós szempontok: elmozduló felületek közé idegen részecskék bejutását megakadályozó, de megfelelő kenést biztosító szerkezeti kialakítás, a felületi mechanikai terhelés és az azzal összefüggő melegedés éppen szükséges mértéken való maximalizálása, esetenként gyorsan cserélhető és olcsó kopó betétek alkalmazása; anyagválasztási szempontok: nagy keménységű és rugalmassági modulusú anyagok választása, egymáshoz kis affinitású súrlódó anyag párok társítása; technológiai szempontok: optimális (sem túl nagy, sem túl kicsi) felületi érdesség és hullámosság beállítása, az adott feladatra előnyös felületkezelési eljárások alkalmazása; üzemeltetési szempontok: felesleges üresjáratok, rezgések csökkentése, kiküszöbölése, hűtés-kenés folyamatos biztosítása, kenőanyag előírás szerinti cseréje. 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 24
Kopási mechanizmusok Adhéziós vagy hegedéses kopás: egymással súrlódó - viszonylag kis sebességgel elmozduló - testek esetén, nagy felületi nyomás hatására, elsősorban fémes anyagok között, folyadékkenés vagy oxidhártya hiányában jön létre. Abrazív kopás: a keményebb felület kiálló csúcsai elmozduláskor mélyedéseket, barázdákat, karcolásokat hoznak létre a lágyabb felületben: mikroforgácsok leválasztásával, vagy ha a két súrlódó felület közé viszonylag apró szemcséjű, kemény, csiszoló hatású szennyezőanyag kerül, ami karcolva a felület(ek)et, anyaglehordást eredményez. Fáradásos kopás: a váltakozó (ciklikus) terhelés hatására a felületi réteg kifárad, mikrorepedések keletkeznek benne, amelyek növekedése a réteg lepattogzását, gödrösödését, pittingesedését, vagy a réteg felbomlását okozza. Tribokémiai kopás: a tribológiai (súrlódó-koptató) igénybevétellel egyidejűleg kémiai reakció is fellép az alap- és az ellentest között, a köztes anyag vagy a környezet hatására. 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 25
Korrózió és revésedés A korrózió jellemzően a fémes szerkezeti anyagok károsodása, mely környezeti hatásra fellépő, mérhető elváltozást (méret- és tömegcsökkenést) ill. a mechanikai terhelhetőség és a felhasználhatóság romlását okozó fázishatár-reakciók folyamata. A kémiai ( száraz ) korrózió során egyszerre megy végbe az oxidáció és a korróziós közeg oxidáló komponensének redukálása Az elektrokémiai ( nedves ) korrózióhoz két elektróda kell: a roncsolódó, nagyobb potenciálú (elektropozitívabb) anód és a nem károsodó, kisebb potenciálú (elektronegatívabb) katód, melyek elektrolitként ható közeg révén kontaktusba kerülnek. Ennek okai: egy szövetszerkezet két fázisának összetétel-különbsége különböző mértékű hidegalakítást szenvedett anyagrészek energiaszintkülönbsége szemcse és környezete közötti energiaszint-különbség alapanyag és eltérő elektrokémiai potenciálú sérült bevonata korróziós közeg oxigénkoncentráció-különbsége. 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 26
Felületi korrózió Behatoló (helyi) korrózió (lyukkorrózió, feszültségkorrózió) Anyagon belüli korrózió az ún. szelektív korrózió, melynek során az anyag egyes összetevői (ötvözői) ill. fázisai, vagy szennyező elemek képezte kiválásokkal terhelt szemcsehatárai (kristályközei) "kioldódnak" Anyagok közötti korrózió során az érintkező, kontaktusban lévő fémek közül a kevésbé nemes fém korróziós fogyása következik be. A korrózió megjelenési formái 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 27
Egyenletes a korrózió akkor, ha a megtámadott felületen többékevésbé egyöntetű elvékonyodást okoz. Atmoszférikus korrózió is lehet egyenletes, bár ez sokszor elszórt, apró bemaródásokkal is párosul. 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 28
Lyuk korrózió Pont vagy pitting korrózió: kis átmérő, nagy lyukmélység. Tűszúrás-szerű. Bemaródásos korrózió: a behatolási mélység kisebb, mint a bemaródás átmérője Szivacsos korrózió: (kóboráramhatásra alakul ki) szabálytalan alakú, mélyre hatoló járatok. 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 29
Kristályhatár menti korrózió: a folyamat a szemcsék határa mentén indul meg. Szelektív korrózió: ha az ötvözetek egyes fázisai vagy alkotói gyorsabban oldódnak mint a többiek. Kristályszerkezeti korrózió 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 30
Korróziós kifáradás Ha a fárasztó igénybevétellel egy időben korrózió is hat a fém felületére, ezáltal a kifáradási határ kisebb lesz, korróziós kifáradás következik be. A kristályközi és a feszültségi korrózió együttes hatására keletkező repedések általában kristályközi jellegűek. 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 31
Korrózió A fémek korróziója lényegében a fém tönkremenetelét jelenti, egy kémiai, vagy elektrokémiai folyamat során, ami a fém felületéről indul ki. A leggyakrabban előforduló korróziós megjelenési formák, melyek fenyegetik az üzemek fém szerelvényeit: Savas korrózió: Elsősorban a szénsav okozza. A szén-dioxid a vízzel érintkezve szénsavat képez, és mint egy gyenge sav a fémek egyenletes korrózióját okozza. Oxigénkorrózió: Igen veszélyes korróziófajta. Ellentétben a savas korrózióval egyenletlen, helyileg támad,pontszerű lyukkorróziót okoz és gyorsan tönkreteszi a berendezéseket. A szénsav okozta korrózió jelentősen felerősödik oxigén jelenlétében, főleg magasabb hőmérsékleten. Kristályközi korrózió: Igen gyakran előfordul régi szegecselt kazánoknál, ahol a kazánvíz a repedésekbe behatol, ott a só és lúgkoncentráció olyan mértékben megnövekszik, ami már káros a fém kazánfalra nézve. Újabb kazánok esetében ez a fajta korrózió olyan helyeken lép fel, ahol gyártási hiba következtében repedések találhatók. Galván korrózió: A vas-réz problémája a kazánüzemeknél, amikor is a kicementálódott réz mellett a vas, mint szerkezeti elem oldani fog és lyukadások keletkeznek. Baktérium korrózió: A szennyiszapot és nyákot képező mikroorganizmusok szerepe különösen nagy ezen korrózió kialakulásában. A szulfátfaló baktériumok is gyakran okoznak korróziót (katód polarizáció). A korrózió fajtájára gyakran utal a víz szennyvízhez hasonló szaga. 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 32
Lyukkorrózió 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 33
Feszütségkorrózió Feszültségkorrózió A feszültségkorrózió a fémben jelenlévő feszültség és a korrozív környezet közös hatását jelenti. Az anyagban hajszálrepedések keletkeznek jelentős deformáció, illetve az anyag szemmel látható sérülése nélkül. A feszültségkorrózió jelenségét gyakran lyukkorróziós meghibásodásnak vélik. A feszültség okai A feszültségek származhatnak a terhelésből adódó feszültségkoncentrálódásból és/vagy a gyártási folyamatból (pl. hideg megmunkálás). A gyártásból visszamaradt feszültséget feszültségmentesítéssel lehet megszüntetni. Feszültségkorróziónak kitett anyagok például: Rozsdamentes acél klórban Réz ammóniában Természetes gumi ózonban 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 34
2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 35
Mechanikus és termikus fáradás Az anyagkifáradás ciklikusan ismétlődő igénybevétel hatására létrejövő, lokális anyagszerkezet-változás nyomán keletkező mikrorepedésből indul ki, szívós repedésterjedéssel folytatódik, majd (rideg)töréssel fejeződik be. A lokális szerkezetváltozás ill. mikrorepedés a maximális feszültség helyén, azaz rendszerint az anyag ill. az alkatrész felületén alakul ki. Egy anyag (ill. termék) fáradásállósága annál jobb, minél finomabb szemcséjű, minél kevésbé tartalmaz külső makroszerkezeti bemetszéseket (éles sarkokat, hirtelen keresztmetszet-változásokat) nem tartalmaz belső makroszerkezeti inhomogenitásokat (folytonossági hiányokat, anyagi heterogenitásokat), minél kedvezőbb a felületi feszültségállapota (pl. húzó helyett nyomó) és kisebb a felületi érdessége 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 36
A felületi technológiák áttekintése Az alapanyag felületére kerül idegen anyag? Nem összetétel változás nélküli kezelés (pl. lézer sugaras edzés) Igen összetétel változással járó kezelés (pl. cementálás) A hőmérséklet az olvadásponthoz képest milyen? Kisebb felület olvasztás nélküli kezelés (pl. galvanizálás) Nagyobb felület olvadásos kezelés (pl. elektronsugaras átolvasztás) 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 37
Felület kezelések csoportosítása Hatások: Termokémiai Kémiai Elektrokémiai Elektrofizikai Fizikai Mechanikai Termomechanikai 2014.10.09. Felületi technológiák - áttekintés 38