Óbudai Egyetem Habilitációs tézisfüzet A felületi mikrotopográfia tribológiai szempontú jellemzése, a működő felületek topográfiai sajátosságai Czifra Árpád PhD, okleveles gépészmérnök Biztonságtudományi Doktori Iskola Budapest, 2018. június 27.
Tartalomjegyzék Jelölésjegyzék... 3 1. A kutatás előzményei... 4 2. Mikrotopográfiák hullámhossz és fraktál jellegű kiértékelése... 6 2.1. A PSD analízis érzékenysége a mérési és kiértékelési körülményekre... 7 2.2. Fraktál analízis alkalmazása eltérő megmunkálású felületek értékelésére... 10 2.3. Bifraktálok és teljes frekvencia spektrum analízis... 11 2.4. Következtetések, új tudományos eredmények (1. és 2. tézis)... 14 3. A felületi érdesség alkalmazása tribológiai felületek jellemzésére... 15 3.1. A felületi érdesség vizsgálata acél-ferrodo anyagpár súrlódási vizsgálatánál... 15 3.2. Vasúti féktuskó kopási viselkedése... 17 3.3. Felületmódosító eljárások hatása gépalkatrész mikrogeometriájára... 18 3.4. Következtetések, új tudományos eredmények (3. tézis)... 20 4. Műszaki felületek mikrotopográfiai sajátosságai... 21 4.1. Felületi sajátosságok értelmezése... 21 4.2. Felületi sajátosságok azonosításának lehetőségei... 22 4.3. A felületi sajátosságok rendszere... 28 4.4. Következtetések, új tudományos eredmények (4. tézis)... 29 5. A kutatás és a bemutatott eredmények hatása, visszhangja... 30 6. Hivatkozásjegyzék... 31 7. A tézispontokhoz kapcsolódó tudományos közlemények... 36 8. További tudományos közlemények... 37 Köszönetnyilvánítás... 38 2
Jelölésjegyzék érdességcsúcsok csúcsszöge [ ] Df vagy D f fraktál dimenzió [-] R átlagos motifmagasság [ m] Ra átlagos érdesség [ m] Rk hordozófelületi magzóna magassága [ m] Rku a profil magasságeloszlásának hegyessége, Kurtosis [-] Rp átlagos csúcsmagasság [ m] Rpk hordozófelületi csúcszóna magassága [ m] RS a profil lokális maximumainak átlagos távolsága [ m] Rsk a profil magasságeloszlásának asszimetriája, Skewness [-] RSm az egyenetlenségek közepes hullámhossza [ m] Rv átlagos völgymélység [ m] Rvk hordozófelületi völgyzóna mélység [ m] Rz érdesség magasság [ m] S q vagy Sdq a felület átlagos lejtése [ ] S10z a felület 10 pont magassága [ m] S5p a felület 5 csúcs magassága [ m] S5v a felület 5 völgy mélysége [ m] Sa a felület átlagos érdessége [ m] Sal autókorrelációs hossz [ m] Sbi hordozófelületi jelzőszám [-] Sku a felület magasságeloszlásának hegyessége, Kurtosis [-] Ssk a felület magasságeloszlásának asszimetriája, Skewness [- ] Str textúra irány viszonyszám [-] Sz a felület érdességmagassága [ m] 3
1. A kutatás előzményei A felületi mikrogeometria és mikrotopográfia vizsgálata az 1930-as években kezdődött, amikor Abbot és Fireston a Michigeni Egyetemen megalkotta az első érdességmérő műszert. Az Óbudai Egyetem (ÓE) jogelődjében, a Bánkin (ma: ÓE, Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar) ez a kutatási terület az 1970-es évek óta folyamatosan jelen van kiemelt kutatási területként. A Palásti Kovács Béla által vezetett szakmai műhely munkájába az 1990-es évek második felében kapcsolódtam be, és kutatásaimat azóta is ennek a műhelynek a keretei között végzem. Munkásságom kapcsolódva napjaink aktuális kutatási irányaihoz a felületi érdesség és mikrotopográfiai tribológiai vonatkozásai felé terjesztette ki a kutatócsoport munkáját. A tribológia, mely az egymáshoz képest elmozduló felületek közötti kölcsönhatás tudománya, technikája és azok eredményeinek gyakorlati hasznosítása 1966 óta létezik önálló tudományágként. A tribológiai rendszereknek négy fő összetevőjét különböztetjük meg, melyek közül az egyik a felület [Bushan, 2001]. A kapcsolódó alkatrészek felületének jellemzéséhez hozzátartozik a felület anyagszerkezettani, mechanikai, fizikai, kémiai, hőtani jellemzésén túl a felület geometriai jellemzése is. A geometriai eltérések a felelősek a valós érintkezési viszonyokért [Thomas, 1998], de amellett, hogy a mikrogeometria, mikrotopográfia befolyásolja a működést, egyúttal információkat is hordoz a felület megelőző állapotáról. Éppen emiatt kapcsolódott az érdességmérés elsősorban a gyártástechnológiához [Thomas, 1998; Stahl et. al., 2011; Zawada-Tomkiewicz, 2011; Palásti-Kovács et. al., 2014; Mikó et. al, 2012]: a legyártott felület értékelésével tulajdonképpen a gyártási folyamatról szerzünk információkat. A műszaki felületek összetettsége kapcsán a felületet jellemző információk összegyűjtése, meghatározása nem könnyű feladat. Az érdességmérés (az érdességmérés kifejezést használom alkalmazkodva a szakmai nyelvezethez, de alatta a felületi mikrogeometria komplex vizsgálatát értem) napjainkra önálló tudományággá nőtte ki magát, melyhez hozzátartozik a felületek méréstechnikájának kérdésköre, a mért felület kiértékelésének témája, a gyártási folyamatok és a felületi érdesség kapcsolatának vizsgálata, valamint az érdes felületek tribológiai folyamatokban betöltött szerepének vizsgálata. 4
Kutatómunkám e tématerületek közül a kiértékelési technika és az érdes felületek tribológiai folyamatokban betöltött szerepének vizsgálatához áll legközelebb. Az elmúlt 10 évben végzett kutatásaim három fő célkitűzés mentén foglalhatók össze: - Műszaki felületek hullámhossz alapú kiértékelése során vizsgáltam, hogy az amplitúdó sűrűség spektrum (PSD) és a PSD analízisre épülő fraktál kiértékelés milyen korlátok közt alkalmazható és a módszer miként használható valós műszaki felületek értékelésére. - Ipari megbízások és alkalmazott kutatási projektek keretében igyekeztem feltárni a felületi érdességmérés egyes kiértékelés módszereinek alkalmazási területeit, ajánlásokat megfogalmazni a hatékony és eredményes mérési és kiértékelési protokollok kidolgozásához. - Kutatásaim harmadik eleme a mikrotopográfiai sajátosságokon alapuló kiértékelés technika, mint új módszertan, módszertani elemeinek feltárása és egy önálló, ugyanakkor komplex rendszer megalkotása, mely képes a felületi mikrogeometria és mikrotopográfia tribológia szempontú kiértékelésre. A vizsgálatok eredményei több kísérletsorozat együtteséből származnak. A további fejezetekben a módszertan és a kísérletsorozatok bemutatására csak a kapcsolódó cikkek révén hivatkozom, a hangsúlyt az eredmények ismertetésére és azok egységes szerkezetbe fűzésére fektetem. 5
2. Mikrotopográfiák hullámhossz és fraktál jellegű kiértékelése A felületi mikrogeometria jellemzéséhez évtizedek óta hozzátartozik az érdesség és hullámosság szétválasztása. A különböző forrásból származó, eltérő hullámhosszú egyenetlenség komponensek szétválasztása fontos információkat hordoz az egyes mikrogeometriai elemek létrejöttéről. Ezek tribológiai folyamatokban betöltött szerepe is eltérő, így a súrlódási, kopási, kenési jelenségek megértésének fontos eleme az egyes hullámhossz összetevők azonosítása. Az érdességmérésben az érdesség és hullámosság szétválasztására hagyományosan az RC és Gauss szűrők kerültek alkalmazásra. A növekvő igények kiszolgálására a továbbfejlesztett kettős-gauss szűrő, a robosztus, vagy spline szűrők állnak az ipar és a kutatók rendelkezésére [Horváth, 2008; Seewig, 2005; Krystek, 2000; ISO4287:1997]. Nagy hagyományokkal bír a motif kombinációkon alapuló kiértékeléstechnika, ahol ugyancsak megvannak az érdesség és hullámosság szétválasztásának módjai [Horváth, 2008; ISO 12085:1996; Blateyron, 2007]. A 2000-es évek elején jelent meg a német autóipari szabványban az ún. domináns hullámhossz fogalma [VDA2007:2006], de újraéledtek a morfológiai szűrési módszerek is [Persson et. al., 2005]. Mindezek mellett egyre nagyobb szerephez jutnak a teljes frekvencia spektrumot jellemző vizsgálatok [Persson et. al., 2005; Le Gal et. al, 2008; Krolczyk et al., 2016], melyek már nem egy-egy frekvencia azonosítását, hanem a felületek frekvenciatérben történő jellemzését célozzák. Ide tartoznak a wavelet alapú jellemzések, a korrelációs függvények és a Fouriertranszformáción alapuló amplitúdó sűrűség spektrumok (PSD Power Spectral Density) [Grzesik and Brol, 2009; Leach, 2013; Scaraggi et. al, 2018]. Ezeknek a módszereknek a legfontosabb előnye, hogy míg a hagyományos konvolúciós szűrők a határhullámhosszak (cut-off) és súlyfüggvények megadásával törekszenek a nagy és kistérközű elemek szétválasztására, addig a PSD analízis (és részben a többi módszer is) valódi frekvencia szeparációt végez. A PSD analízis speciális kiértékelése a felület fraktál jellemzésére alkalmas [Persson et. al., 2005]. A fraktál dimenzió az önhasonlóság jellemzője. Műszaki felületek esetén bizonyított az önhasonlósági jelleg [Leach, 2013; Mandelbrot, 1983], de a felületek fraktál dimenziójának meghatározása és főként a fraktál jellemzés alkalmazása sok ellentmondást mutat (ld. [han et. al., 2005; Wu, 2001]). Jelenleg nincs olyan egységes álláspont és módszertan, amely elfogadná a fraktál 6
technika alkalmazását műszaki felületek jellemzésére, noha számos tribológia (súrlódási és hiszterézis veszteség) számítási elmélet [Persson et. al., 2005; Le Gal et. al, 2008; Pálfi et. al, 2012; Kanafi, 2017] a felület fraktál jellegére épít, és igényli a teljes spektrumú analízist, amit a klasszikus érdességi paraméterek nem képesek megadni, éppen a mérések viszonylag szűk frekvenciatartománya miatt. Kutatásaim célkitűzése a tématerület kapcsán a következő kérdések megválaszolása volt: - A hagyományos technikákkal összevetve milyen paraméterek befolyásolják a PSD technikán alapuló kiértékelési módszereket? - A módszertan alkalmas lehet-e általános alkalmazásra, képes-e új, a paraméter alapú jellemzéssel nem kinyerhető információkat szolgáltatni a felületről? - Műszaki felületek esetén értelmezhető-e a teljes spektrum (full length scale) analízis, és ha nem, akkor miként határozhatók meg a módszer hullámhossz/frekvencia korlátai? 2.1. A PSD analízis érzékenysége a mérési és kiértékelési körülményekre Az érdességmérés hagyományos, paraméter alapú kiértékelés technikájának egyik gyengepontja az érdességi paraméterek mintavételi lépésköztől való erős függése [Thomas and Rosen, 2000; Stout et. al., 1993]. Különböző megmunkálású (mart, köszörült, esztergált és tükrösített) és különböző átlagos érdességű (Ra=0,4 m és Ra=3,2 m) felületeket vizsgáltam annak érdekében, hogy feltárjam a mintavételi lépésköz hatását a PSD analízisre és az abból számolt fraktál dimenzió értékére. A méréseket az ÓE, BGK Mikrotopográfiai laborjának Mahr 3D-s metszettapintós berendezésén végeztem. A mérések részletes ismertetését és az alkalmazott módszertan matematikai hátterének bemutatását a [1] publikáció foglalja össze. A vizsgálatok eredményeként egyértelműen kimutatható volt, hogy a mintavételi lépésköz (2, 4, 6, 8, 10 m) a domináns hullámhosszak azonosítását nem befolyásolta jelentősen. Ahogyan a 2.1. és 2.2. ábrák bal oldali diagramján is látszik a mintavételhez képest lényegesen nagyobb domináns hullámhossz (ez megmunkálásoknál szinte minden esetben jelentősen meghaladja a mintavételt, de sokszor kopási folyamatok estén is fennáll ugyanez) igazolja az előző állítást. A jobb oldali képek viszont már jól mutatják, hogy a kisebb hullámhossz összetevőket előtérbe helyező logaritmikus ábrázolás melyből a felület fraktál dimenzióját 7
származtatjuk mutat eltéréseket. Az illeszkedő egyenesek meredeksége különbözik, ami eltérő fraktál dimenzió értékekhez vezet. a. b. lga A PSD PSD [µm 4 ] A PSD q [1/µm] 3 200 2 y = -2.57x - 4.17 A 160 120 80 40 1/q 0 0 50 100 150 200 250 300 1 lgq 0-2.5-1 -2-1.5-1 -0.5 0-2 lg(1/52.5)=-1.72-3 -4 2.1. ábra. 500x500 mérési pontból álló esztergált felület (Ra=3,2 m) PSD görbéi (balra lineáris, jobbra logaritmikus lépték) a. b. lga A PSD PSD [µm 4 ] A PSD q [1/µm] 3 y = -2.25x - 3.73 350 300 250 200 150 100 50 1/q 0 0 50 100 150 200 250 300 2 1 lgq 0-2.5-1 -2-1.5-1 -0.5-2 -3-4 2.2. ábra. 250x250 mérési pontból álló esztergált felület (Ra=3,2 m) PSD görbéi (balra lineáris, jobbra logaritmikus lépték) Mintavétel [µm] Marás, Ra=0,4 m Tükrösítés, Ra=0,4 m Köszörülés, Ra=0,4 m Esztergálás, Ra=3,2 m Marás, Ra=3,2 m 2 2.94 2.24 2.75 2.41 2.64 4 2.93 2.23 2.76 2.44 2.69 6 3.00 2.30 2.81 2.46 2.70 8 3.00 2.47 2.95 2.61 2.72 10 3.00 2.48 2.92 2.61 2.84 2.1. táblázat. Fraktáldimenzió (Df, [-]) értékei különböző megmunkálásokra eltérő mintavétel esetén. A 2.1. táblázat számszerűsíti is a lépésköz fraktáldimenzióra (Df) gyakorolt hatását. Kis mintavételi távolságok esetén (2, 4 m) nincs 8
jelentős változás, sőt durvább felületeknél (Ra=3,2 m), ahol a felület jellegét (ld. 2.3. ábra) nem befolyásolja jelentősen a mintavételek sűrűsége még a 6 m-es lépésköz sem okoz jelentős eltérést, de e fölötti lépésközöknél a Df emelkedését tapasztaljuk. a. 9.09 µm b. 9.10 µm 300 µm 300 µm -3.45 µm 300 µm 300 µm -3.47 µm 2.3. ábra. Esztergált topográfiák 300x300 µm-es részletei. a. 10 µm-es, b. 2 µm-es lépésközzel. A kiértékeléstechnika módszertani vizsgálata ugyancsak fontos kérdés, mert ez is befolyásolhatja az eredményeket. A frekvenciaanalízis numerikus kivitelezése bizonyos frekvenciaosztást követel, mely jelentősen befolyásolja a CPU időt. A 2.4. ábra köszörült felületnél mutatja a frekvencia lépésköz hatását. Jól megfigyelhető, hogy a domináns elemek (A-val és B-vel kiemelve kettő) azonosíthatók, tehát a módszer viszonylag kis számú frekvencia alkalmazásával is megbízható eredményt szolgáltat. A A a. lga PSD [µm 4 ] PSD b. q [1/µm] 4 y = -2.1688x - 3.6823 y = -2.3912x - 4.0133 3 0-3 -2-1 -1 0 lgq B 2 1-2 -3-4 -5-6 0 lgq -3-2 -1-1 0 2.4. ábra. Köszörült felület PSD görbéi, a. 25x25=625 és b. 125x125=15625 frekvenciából. A fraktáldimenzió meghatározására az illeszkedő egyenes meredekségét használjuk fel, melyet nem csak a mérési lépésköz és a frekvencia lépésköz befolyásol, de az is, hogy mekkora 9 A B lga PSD 4 3 2 1-2 -3-4 -5-6
frekvenciatartományon fektetjük az egyenest a PSD görbére. Ennek hatása elérheti a 22%-ot is (részleteket ld. [1]). 2.2. Fraktál analízis alkalmazása eltérő megmunkálású felületek értékelésére A PSD alapú fraktál kiértékelés figyelembe véve a korábbi megállapításokat elsősorban összehasonlító vizsgálatok elvégzésére alkalmas. A KRISTAL, Knowledge-based Radical Innovation Surfacing for Tribology and Advanced Lubrication, EU6 projekt (2005-2009) keretében eltérő felületkezelésű (surface finishing) fékmunkahengereket vizsgáltunk [Le Gal et. al, 2008]. A vizsgálatok célja olyan felületjellemző paraméter meghatározása volt, mely a felületkezelési technológiához kapcsolható. A projekt partnerek által elvégzett súrlódási kísérletek igazolták, hogy a felületkezelés összefüggésben áll a súrlódási tényezővel, de nem sikerült olyan felületi jellemzőt találni, mely egyértelműen utalt volna a felületkezelés jellegére. Saját mikrotopográfiai méréseim (részleteket ld. [2]) igazolták a korábbi eredményeket. A parafa töltetű köszörűkorongokkal (cork wheel, mintadarabok jelölése: A és B), csiszolóvászonnal (sand paper, mintadarabok jelölése: C és D) és görgőzéssel (rolling, mintadarabok jelölése: E és F; eltérő technológia paraméterekkel legyártva) kezelt felületek érdességmérési paraméterei (ld. 2.2. táblázat) az egyes felületkezelések között elenyésző, míg az egyes megmunkálási típusokon belül jelentős különbséget mutattak. Az amplitúdó jellegű paraméterekre (Sa, Sz), a hordfelületet jellemző- (Ssk, Sku), a hibrid- (Sdq) vagy működési paraméterekre (Sbi) egyaránt elmondható volt ugyanez. Hasonló eredményre vezettek a nagyobb mérési hosszokon elvégzett 2D-s mérések is. Feltételezve, hogy a felületen fellelhető hullámhosszak befolyással bírnak a súrlódási folyamatra (a dugattyúk tömítéseken generált hiszterézis veszteségén keresztül), ezért a felületek vizsgálatát frekvenciatartományba is kiterjesztettük. Az elvégzett PSD és fraktál analízis szigorúan ügyelve az azonos mérési körülményekre a paraméter alapú kiértékelésnél sokkal kedvezőbb eredményeket hozott. A 2.3. táblázat foglalja össze az eredményeket. Az eredményekből világosan látszik, hogy az azonos megmunkálású felületek nagyon kis eltéréssel azonos fraktál értéket mutatnak. Ez kifejezi a felület részleteiben rejlő hasonlóságokat, annak ellenére, hogy pl. a parafakorongos (cork wheel) megmunkálásnál az átlagos érdesség (Sa) a két mintadarab esetén közel 1/2 arányú. A 10
kiértékelés technika hátránya is kidomborodik az eredményekben: a fraktál dimenzió értéke 2 és 3 közötti szám (topográfiai mérés esetén), így viszonylag szűk tartományban értelmezhető, az eredmények nehezen különülnek el. Ezt látjuk a C, D (sand paper) és az F (rolling 2) megmunkálások egyező fraktál dimenziója esetén. cork wheel sand paper rolling 1 rolling 2 A B C D E F 1. 2. 1. 2. 1. 2. 1. 2. 1. 2. 1. 2. Sa 0.551 0.645 0.374 0.302 0.915 0.656 0.912 0.506 0.257 0.584 0.459 0.642 [μm] 0.60 0.34 0.42 0.79 0.71 0.55 Sz 8.56 7.68 6.11 4.73 7.64 7.58 9.03 10.9 13.3 5.96 4.68 7.05 [μm] 8.12 5.42 7.61 9.97 9.64 5.86 SSk -1.74-1.47-1.79-1.45-4.99-2.28-1.11-0.31-1.68-1.37-1.17-0.72 [-] -1.60-1.62-3.64-0.71-1.52-0.94 SKu 5.94 4.24 8.19 5.53 38.17 7.89 3.70 5.23 6.37 4.08 3.686 3.869 [-] 5.09 6.86 23.03 4.46 5.22 3.76 Sdq 6.50 6.07 6.17 5.75 5.23 7.81 7.13 5.64 5.57 4.29 4.86 3.28 [ ] 6.28 5.96 6.52 6.38 4.93 4.07 Sbi 1.07 0.938 0.865 0.545 2.06 1.29 0.815 0.586 0.872 0.923 0.841 0.703 [-] 1.00 0.86 1.68 0.70 0.90 0.772 2.2. táblázat. Különböző felületkezelésű dugattyúk 3D-s topográfiai paraméterei. cork wheel sand paper rolling 1 rolling 2 A B C D E F 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 D f 2.50 2.47 2.53 2.52 2.22 2.20 2.18 2.25 2.39 2.34 2.21 2.22 Átlag D f 2.48 2.52 2.22 2.22 2.36 2.22 2.3. táblázat. Különböző felületkezelésű dugattyúk fraktáldimenziója. 2.3. Bifraktálok és teljes frekvencia spektrum analízis A fraktál analízis ellentmondásait melyekkel a szakterület kutatói napjainkban is küzdenek jól mutatják a 2.1. és 2.2. fejezet eredményei. A felületek önhasonlóságának talán legfontosabb kérdését azonban az jelenti, hogy ez az önhasonlóság valóban teljes spektrumú analízist jelent-e. Azaz, egy frekvenciatartomány vizsgálata, melyet praktikusan az elvégzett mérés mintavételi távolsága korlátoz alulról és a mérési hossz korlátoz felülről, kiterjeszthető-e a teljes frekvencia spektrumra, feltételezve, hogy ez az önhasonlóság minden frekvenciaszinten azonos. [Wu, 2001; Le Gal et. al, 2008; Ţălua et. al., 2018] szerzőknél azt találjuk, hogy műszaki felületek esetén nem áll fent ez a jelenség, hanem a felületet bi-, illetve multi-fraktálokkal tudjuk csak jellemezni. 11
Módszertanilag azonban nem világos, nem tisztázott, hogy miként szabhatunk határt az egyes fraktál jelleg kezdetének és végének. A korábban vizsgált fékmunkahengerek méréseit kiterjesztve széles frekvencia spektrumra erre kerestünk választ. Az atomerő mikroszkópos (AFM atomic force microscope) és metszettapintós mérések együttesen 5 frekvencia nagyságrendet öleltek át (19,61 nm-től 3000 m-ig). A mérési és kiértékelési módszertan részletei megtalálhatók [3]- ban, az elvégzett mérések beállításait foglalja össze a 2.4. táblázat. Két eltérő frekvencia spektrumban készült topográfiát mutat a 2.5. ábra. Jól látszik, hogy a különböző frekvenciatartományok esetén jelentős különbségek figyelhetők meg a topográfiákban. Mérési terület [µm 2 ] Mintavétel (mindkét irányban azonos) [nm] Mérések száma Tapintó 3000x3000 3000 1 1000x1000 1000 1 90x90 352.9 3 50x50 196.1 2 AFM 25x25 98.04 2 10x10 39.21 2 5x5 19.61 2 2.4. táblázat. Dugattyú mérési beállításai. [nm] 1490 [nm] 129-3190 1 mm 1 mm -159 10 µm 10 µm 2.5. ábra. Mért mikrotopográfiák: balra tapintós mérés 1x1 mm 2 felületről (mintavétel 1000 nm); jobbra 10x10 m 2 felületről (mintavétel 39,21 nm). A vizsgálatok eredményeinek megjelenítését újszerű megközelítésbe helyeztük. Nem csupán helytartományból frekvenciatartományba léptünk át (ezt valósítja meg a PSD analízis), hanem létrehoztunk egy frekvenciatartomány-fraktáltartomány kapcsolatot. Ez azt jelentette, hogy az egyes frekvenciatartományokhoz tartozó fraktál dimenzió értékeket jelenítettük meg. Ez látható a 2.6. ábrán. 12
Fraktál dimenzió; D f [-] Plunger A Plunger B D f =2.51 AFM Nano-lépték 2.4 D f =2.22 2.2 lg 2 10 dx 0.001 0.01 0.1 1 10 Mintavétel; dx [µm] 2.6. ábra. Fraktáldimenziók a mintavételi távolság függvényében. A korábbi vizsgálatok kapcsán felmerült bizonytalanság (ld. 2.1. fejezet) figyelembe vétele mindenképpen szükséges az eredmények értékeléséhez. Az eltérő mérési beállítások okozta pontatlanságok hatása nem érzékelhető az eredményekben, melynek oka az alkalmazott mintavételi lépésköz kis értékével magyarázható. Tehát az eltérő mintavételi lépésköz nem okozott jelentős hibát a kiértékelésben. Ezt támasztják alá a különböző mintadarabokon elvégzett mérések (ld. 2.6. ábra lila pontok, kék x-ek) azonos fraktál eredményei. A mérési módszertan okozta hatás sem írható az eredmények számlájára, mert bár a két mérési technika esetén döntően eltérő fraktál eredményeket kaptunk, ugyanakkor az átmenetet is megfigyelhetjük az AFM mérések legnagyobb lépésköze esetén. Továbbá a metszettapintós mérések esetén is fennáll a mintavételi lépésköz hatásának elhanyagolhatósága, mert mindhárom mérés tökéletesen azonos eredményt hozott. Ezek után megfogalmazhatjuk azt, hogy a fenti módszer képes megjeleníteni azt a határpontot, ami a fraktál jelleg megmunkáláshoz köthető szélső értékét jelenti. Vizsgálataink esetén ez az átmenet a 196.1 1000 nm mintavételi távolságba esik. Ez azt jelenti, hogy a megmunkálásra vonatkozó D f =2.22 fraktál dimenzió csak az 1 m-nél nagyobb frekvencialéptékben érvényes. Felső határát a PSD görbe domináns hullámhosszot jelentő törése jelzi (de ez eddig is ismert tény volt; ld. pl. 2.1.-es ábra). Így értelmezhetjük a bi-fraktál és multi-fraktál fogalmakat és a mintavételi lépésköz (logaritmikus skálán) fraktál dimenzió diagram felhasználásával pontosan meghatározhatjuk a határhullámhosszakat és az egyes fraktáldimenziók értelmezési tartományát. 3 2.8 2.6 D f Tapintó Mikro-lépték 13
2.4. Következtetések, új tudományos eredmények (1. és 2. tézis) A vizsgálatok kapcsán az alábbi következtetések fogalmazhatók meg: - A PSD analízis a domináns hullámhossz elemek azonosítására stabil, a mintavételtől és a frekvencia lépésköztől kevéssé függő eredményeket mutat. - A fraktáldimenzió érzékeny a mérési és kiértékelési beállításokra. Megfelelően kis lépésköz alkalmazásával azonban ez az érzékenység csökkenthető. - A fraktál kiértékelés elsősorban összehasonlító vizsgálatok elvégzésére lehet alkalmas, azonos mérési és kiértékelési beállítások mellett. - A felületek részleteiben, a kis hullámhosszú összetevőkben fellelhető információtartalmat képes a fraktál kiértékelés megbízhatóan megjeleníteni, számszerűsíteni. - A mintavételi lépésköz fraktáldimenzió fentiekben bemutatott ábrázolási módja lehetőséget ad az egyes fraktáldimenziók értelmezési tartományának azonosítására. A kutatás új tudományos eredményei: 1. tézis. A PSD analízisen alapuló fraktál dimenzió analízis érzékeny a mintavételi lépésközre. Megbízható eredményeket csak abban az esetben kapunk, ha a mintavételi távolság és a felület domináns hullámhossza jelentősen különbözik egymástól. Az általam vizsgált felületek esetén Ra=0,4 m felületi érdességnél maximum 4 m, míg Ra=3,2 m érdesség esetén maximum 6 m lehet a mintavételi lépésköz. [1] 2. tézis. Műszaki felületek esetén a fraktál dimenzió nem használható teljes spektrum analízisre. Az általam vizsgált felületek bi-fraktál jelleget mutattak. A fraktál dimenzió térbe történő áttérés (a logaritmikus léptékű mintavételi távolság fraktál dimenzió diagram) alkalmas a bi-fraktál határhullámhossz meghatározására. [2, 3] 14
3. A felületi érdesség alkalmazása tribológiai felületek jellemzésére Egy adott tudományterület esetén rendkívül fontos az alapkutatás, mert ez lendíti előre a tudományterületet és nyit meg új utakat és lehetőségeket. A 2. fejezet a felületi mikrotopográfia vizsgálatának alapkutatási vonatkozásait mutatta meg. Ezek mellett kiemelt szerepet kell kapjon az alkalmazott kutatás is, hiszen ennek révén kerülnek át az új tudományos eredmények a mérnöki gyakorlatba. Jelen fejezetben olyan eredményeket foglalok össze, melyek az érdességmérés módszertanában ismert elemekre támaszkodnak, és az egyes módszerek gyakorlati alkalmazására világítanak rá. Az eredmények tudományos értéke kisebb, de gyakorlati jelentőségük kézzelfogható. Mindezek miatt az eredményeket csak röviden ismertetem, rámutatva azokra az alkalmazástechnikai elemekre, melyek a felületi érdességmérés hagyományos módszerein túlmutatnak. 3.1. A felületi érdesség vizsgálata acél-ferrodo anyagpár súrlódási vizsgálatánál Kopási folyamatok esetén a kapcsolódó anyagpárok felülete változásokon megy keresztül. Így a felületi érdesség részben indikátora a változásoknak, másrészt viszont mint input paraméter a további változások befolyásoló tényezője [Ao et. al., 2002; Schargott and Popov, 2006; Eleőd et. al., 2000; Békési and Váradi, 2013; Renner et. al, 2011; Zielecki et. al., 2013]. Az elvégzett acél-ferrodo koptatóvizsgálatok (részleteket ld. [4, 5]) arra kerestek választ, hogy különböző érdességű és a csúszási irányhoz képest eltérő orientációjú felületek esetén milyen változások következnek be. A kísérletek során a finoman megmunkált köszörült felületek eredeti mintázata teljesen eltűnt, míg a durvább köszörülés esetén csak átalakult. A felületek értékelésére szabványos topográfiai paramétereket, érdességcsúcs analízist és fraktál analízist használtunk. A felület változásai a szabványos paraméterek esetén is jól követhetőek voltak, bár itt viszonylag nagy szórást mutatnak az eredmények. Érdemes kiemelni ezek közül a felület átlagos lejtését mutató S q térközi paramétert (ld. 3.1. táblázat). Ez a paraméter a finom és durva köszörülés estén jelentősen eltér egymástól, de a kopási folyamat alatt az értékei közös érték felé tolódnak el. Hasonló folyamatot tapasztalunk a (az érdességcsúcsok átlagos lejtése) paraméter esetén, 15
mely formailag hasonlít az S q-hoz, de tartalmát tekintve jelentősen eltér. Ez a paraméter a saját fejlesztésű érdességcsúcs azonosító és elemző szoftverből került meghatározásra és elsősorban a felület domináns elemeit (érdességcsúcsait) értékeli. Így értéke elméletileg kevésbé függ a mérési beállításoktól (pl. mintavételi lépésköz, mérési terület), de az eredmények tekintetében hasonlóan nagy szórást mutat. A két paraméter eltérő tribológiai folyamatokról számol be. Az S q jelentős változása és közös értéke utal arra, hogy a felületnek nem csak a csúcszónáját, hanem a völgyeket is érik a kopás során fellépő változások, hiszen a durva köszörülésnél ezek nem tűntek el, hatásuk az eredményekben mégsem látszik markánsan. A csúcsszögek esetén már a kapott értékek viszonya az S q paraméterrel fontos információt hordoz: a kisebb értékek azt mutatják, hogy a köszörült felületnél nem a domináns csúcsok okozzák a felület tagoltságát, hanem a lokális kiemelkedések (S q ezek átlagát mutatja, míg esetében csak a domináns elemek kerülnek értékelésre). A csúcsszög koptatás utáni értékei tovább erősítik azt az állítást, hogy a kopási folyamat nem csak a csúcszónában, hanem az elérhetetlennek tűnő völgyekben is változásokat okoz, különösen az ottani lokális kiemelkedésekben. SΔq [ ] δ [ ] D f [-] Merőleges (N) Finom (F) Párhuzamos (P) 16 Merőleges (N) Durva (R) Párhuzamos (P) NF_A NF_B PF_A PF_B NR_A NR_B PR_A PR_B Előtt 2.7 2.9 2.8 3.1 11.8 12.6 11.1 13.4 Után 6.8 5.4 5.4 3.6 5.0 5.2 6.3 7.1 Előtt 1.19 0.92 0.86 1.13 3.99 4.89 4.10 4.36 Után 1.32 0.97 0.83 0.55 0.83 0.89 0.71 0.89 Előtt 2.80 2.81 2.78 2.82 2.71 2.81 2.86 2.81 Után 2.67 2.63 2.73 2.67 2.55 2.62 2.73 2.70 3.1. táblázat. Acél felület mikrotopográfiai paraméterei és fraktál dimenziója a koptatás előtt és után. A fraktál dimenzió is a felület tagoltságával van összefüggésben, mégis jól látható, hogy lényegesen eltérő viselkedést mutat a másik két paraméterhez képest. Itt az azonos típusú megmunkálás azonos, 2,8 körüli D f értékeket ad függetlenül attól, hogy a felület durva vagy finom.
Az eredmények tekintetében pedig elkülönül a merőleges és párhuzamos irány. Párhuzamos esetben az értékek közelebb maradnak az eredeti 2,8- as értékhez, 2,7 körül ingadoznak, míg merőleges koptatás esetén tovább csökkennek 2,6 körüli szintre. Ez utal a különböző tribológia jellegre. Összegzésképpen elmondható, hogy a felületek tribológia szempontú értékelése igényli a komplex vizsgálatokat, mert az egyes módszerekből származó paraméterek más-más aspektusait tárják föl a felület geometriájának. 3.2. Vasúti féktuskó kopási viselkedése Öntöttvas (P10) vasúti féktuskó kopási viselkedésének feltárása során alkalmazott érdességmérési eredményeket foglal össze ez az alfejezet. A vizsgálatok részleteit [6] publikáció foglalja össze. A tribokémiai reakciók során kialakuló nagy keménységű felszíni réteg, mely a magas mechanikai és hőtani igénybevételek hatására megrepedezik, eltöredezik és a felszínről leválik a tribokémiai kopási mechanizmus tankönyvi esetét mutatja [Tallian, 1999]. Ezek mellett azonban néhány érdekes mikrotopográfiai elem megjelenése jelentett kihívást. Ezek elektronmikroszkópos és érdességmérési képét mutatja a 3.1. ábra. 100x150 m 2,55 m 150 µm -5,15 m 3.1. ábra. P10-es öntöttvas féktuskó kopott felületének elektronmikroszkópos (balra) és érdességmérési (jobbra) képe. A 6-7 m mély és a felszínen 100 m, míg a mélyebb zónákban 20-50 m kiterjedésű kráterek nem jellemzők tipikusan egyik ismert kopási mechanizmusra sem. Létrejöttük okát a P10-es anyag sajátos szövetszerkezetében találtuk meg. A 3.2. ábra a féktuskóról készült elektronmikroszkópos keresztmetszeti csiszolatot mutatja. Ezen a képen 17
a kép bal alsó sarkától a felszínig húzódó anyagrész egy grafitkiválás, melyen megfigyelhető, hogy a felszín közelében (5-10 m) mélységben az igénybevételek hatására összetöredezett. Ez az állapot időben a 3.1. ábra előzménye, melyen már az összetöredezett és így meggyengült szemcsék kiválás utáni felszín állapota látható. 3.2. ábra. SEM felvétel: A felszín alatti réteg grafitszemcséjének összetöredezése. A vizsgálatok eredményei felhívják a figyelmet arra, hogy az egyes a felszínen lokálisan megjelenő, ugyanakkor domináns méretű topográfiai elemek egyedi vizsgálata elengedhetetlen a tribológiai folyamatok értékelésénél. 3.3. Felületmódosító eljárások hatása gépalkatrész mikrogeometriájára A tribológia folyamatok sok esetben nem a működéshez, hanem a gyártáshoz kötődnek. Turbófeltöltő lapátok felületkezelési eljárásainak hatását vizsgáltuk a késztermék felületi minőségére. A megmunkálási technológiák titkosítottak, így azok bemutatása és a gyártási folyamat legyártott mikrotopográfia kapcsolatának feltárása és bemutatása nem lehetséges, de az egyes eljárások felületi mikrogeometriai hatásának elemzése megerősíti a korábbi fejezetek eredményeit és új szempontokkal ki is egészíti azokat. Az alkatrészek vizsgálata 2D-s profilmérésekkel történt, és a kiértékelésre is kizárólag szabványos [ISO 4287:1997; ISO 12085:1996] érdességi paramétereket használtunk. Ennek részleteit ld. [7]. Az eredmények értékeléséhez fontos tudni, hogy az alkatrész teljes egészét érintették az egyes felületkezelési eljárások, továbbá a rajzi dokumentáció alapján sík és hengeres felületekre egyaránt voltak felületminőségi előírások. 18
A vizsgálatok kiterjedtek az előgyártmányra (A), valamint 4 típusú felületkezelési eljárásra, melyek közül a C1 és C2 hasonló technológia eltérő gyártási paraméterekkel történő alkalmazása volt, míg a C1+2 a C1 és C2 technológiák kombinációja. 3.3. ábra. A vizsgált felületek átlagos motif magassága (balra) és a sík felületek átlagos motif magasságának szórása (jobbra) A felületkezelés minden technológia esetén javította az előgyártmány felületi minőségét (ld. 3.3. ábra), de a változások megítélése már árnyalt. Sík felületek esetén a C1 és C2 technológiák biztosították a finomabb felületet, míg hengeres felületeknél a B és C2 technológia bizonyult kedvezőnek. A sík felületek durvább minősége miatt megvizsgáltuk az átlagos motifmagasság szórását is ebben az esetben. Itt a C2 kiugróan rossz eredményt mutat, ami a folyamat kézben tarthatóságának hiányosságaira utal. A B C1 C2 C1+2 Rsk min -2,47-3,74-2,87-5,83-3,43 Rsk max 5,36 2,38 3,79 1,09 3,29 Rsk átlag 0,19-0,70-0,81-1,29-1,20 3.2. táblázat. A felület ferdeségi mérőszáma (Rsk) a különböző megmunkálások esetén. Ezt a komplex képet tovább árnyalja, ha megvizsgáljuk a felület ferdeségi mérőszámát (3.2. táblázat). Ezt a paramétert több kutatás is a hordozófelületi jellemzők közül kiemeli és fontos tribológiai minősítő eszközként kezeli [Sogalad et. al, 2012; Boutoutaou et. al., 2013; Novovic et. al, 2004; Menezes and Kishor, 2009; Sedlacek et. al., 2009]. A nagy negatív Rsk értékű felületeket tekinthetjük kedvező hordozótulajdonságú 19
tribológiai felületnek. Az eredmények alapján erre a C2 adja a legkedvezőbb eredményt, bár a paraméter értéke igen széles tartományban ingadozik. A korábbi megállapításokkal összhangban kijelenthető, hogy a felületek kiinduló állapota (sík vagy hengeres) jelentősen befolyásolja az azonos tribológia folyamatban résztvevő felületek módosulását. Elmondható, hogy a B, C1 és C2 technológia egyaránt alkalmas lehet befejező műveletként, de kiválasztásuk mindig az aktuális igények figyelembevételével kell történjen. 3.4. Következtetések, új tudományos eredmények (3. tézis) Az egymástól független alkalmazástechnikai vizsgálatok hasonló következtetések levonásához vezettek: - A felületek tribológiai szempontú értékelése komplex mikrogometriai kiértékelési módszereket kíván. - A megbízható tribológiai elemzések igénylik a felületen lokálisan megjelenő, de domináns méretű geometriai egyenetlenségek részletes vizsgálatát. - A kiinduló felületek alakja (sík vagy hengeres), a felületi textúra iránya (merőleges, párhuzamos) befolyásolja a felület tribológia folyamatban betöltött szerepét és azonos működési körülmények között is eltérő felületi minőséghez vezet. A kutatás új tudományos eredményei: 3. tézis. Tribológiai folyamatokban a kiinduló felületek geometriája (sík vagy hengeres), a felületi textúra iránya (merőleges, párhuzamos) befolyásolja a felület tribológia folyamatban betöltött szerepét és azonos működési körülmények között is eltérő felületi minőséghez vezet. [4-7] 20
4. Műszaki felületek mikrotopográfiai sajátosságai Egy tudományterület fejlődésének három nélkülözhetetlen eleme van. Az alapkutatás, mely új lehetőségeket tár fel, az alkalmazott kutatás, mely az új eredményeket átülteti a mérnöki gyakorlatba és az a rendszerszemlélet, ami képes az egyes eredményeket rendszerbe foglalni, átfogó, egységes szerkezetet képezni és ezáltal a tudományterületen belüli kapcsolati viszonyokat értelmezni. Ebben a fejezetben a felületi érdesség legújabb trendje, a mikrotopográfiai sajátosságokon alapuló kiértékelés technika rendszerszemléletű modelljét mutatom be kutatási eredményeimen keresztül. 4.1. Felületi sajátosságok értelmezése Számos szakirodalom említi a felületi sajátosságok módszerét (pl. [Leach, 2013; Blanc et. al, 2011; Senin et. al, 2013; Chiffre et. al., 2000; Wang et. al, 2018]), ugyanakkor a legtöbb esetben a felületi sajátosságok (features) alatt az ISO/DIS 25178-2 szabvány [ISO/DIS 25178-2:2012] által definiált ún. Wolf féle szeletelő technikát értik (ld.: [Gavin et. al., 2016]). Ez azonban mindössze a felületek érdességcsúcsainak és völgyeinek azonosítására szolgáló módszer, mely az azonosított érdességcsúcsok és völgyek átlagos jellemzését adja egy-egy mikrotopográfiai paraméterrel (pl. S10z, S5p, S5v paraméterek). Néhány esetben találkozunk ezen túlmutató értelmezéssel is. Bruzzone és Costa [Bruzzone and Costa, 2013] a tribológiai folyamatok tükrében a mintázat jellegére utaló geometriai elemeket azonosít felületi sajátosságként ( features in the texture patterns ). Átfogóan kiterjeszthetjük a mikrotopográfiai sajátosságok értelmezését úgy, hogy sajátosságként definiáljuk azokat a geomatriai jellemzőket, melyek dominánsan kapcsolódnak a gyártási vagy működési folyamathoz. Ez szemléletváltást jelent, mert a korábban a felületi érdességmérésre jellemző statikus kiértékelési módot egy dinamikus váltja fel, abban az értelemben, hogy a sajátosság már nem értelmezhető pusztán a mikrotopográfia geometriai jellemzésével, hanem szorosan kapcsolódik a tribológiai folyamathoz. Így egy adott felületi érdességmérés sajátosságai egészen mások, ha a felületet létrehozó gyártási folyamatot szeretnénk jellemezni, mint akkor, ha a tribológiai folyamatba lépő gépalkatrészt vizsgáljuk. (Természetesen a mérés hordozza mindkét típusú geometriai információt, de más-más szempontokat veszünk 21
figyelembe azok meghatározásánál.) A mikrotopográfiai sajátosságok ilyen értelemben vett rendszere jelenleg még nem kidolgozott. 4.2. Felületi sajátosságok azonosításának lehetőségei Kutatásaim az elmúlt években és jelenleg is arra irányulnak, hogy feltárjam, melyek azok a sajátosságok, melyek egy átfogó mikrotopográfiai sajátosságokon nyugvó kiértékelési rendszer elemeit képezhetik. A továbbiakban bemutatok néhány saját eredményt ezen a területen, továbbá több olyan szakirodalmi eredményt, melyek révén egy átfogó rendszer elemei kidolgozhatóak. A szabványos érdességi paraméterek vizsgálata kapcsán számos szerző tett kísérletet arra, hogy kiemeljen olyan paramétereket, melyek egy-egy gyártástechnológiával, vagy tribológia folyamattal kapcsolatba vannak [Zavarise et. al, 2004; Buczkowski and Kleiber, 2016]. A fenti értelmezés szerint tehát a felület egy-egy sajátosságát jellemzik ezekkel a paraméterekkel. A mikrogeometria teherviselő, hordozó tulajdonságainak jellemzésére évtizedek óta használják az Rsk és Rku paramétereket. A kutatások elsősorban 2D érdességmérésekhez és gyártási folyamatokhoz kapcsolódnak [Tóth et. al., 2013; Horváth and Drégelyi, 2013; Grabon et. al, 2010], de találunk kopással vagy súrlódással foglalkozó szakirodalmi forrásokat is [Sedlacek t. al, 2012; Barányi et. al, 2018]. Ezen két paraméter egyidejű alkalmazására tesz javaslatot Whitehouse [Whitehouse, 1994] az ún. topológiai térkép megalkotásával, melyet gyártási eljárások tribológiai minősítésére javasol. [8] munkánkban ISO és Wiper élgeometriájú szerszámokkal forgácsolt alumínium ötvözet anyagú alkatrészek esetén készítettük el a topológiai térképet (4.1. ábra) és elemeztük az alapanyag gyártási folyamat mikrogeometria összefüggéseit. 4.1. ábra. Topológiai térképek különböző elgeometriai kialakítások esetén a) AS12-es anyagra; b) AS17-es anyagra 22
A közel 2000 mérési pontból megalkotott térkép bal oldalán helyezkednek el a Wiper, míg jobb oldalon az ISO élgeometriával gyártott felületek. Rsk=-0,45 alatt kizárólag Wiper élgeometriájú felületek, míg Rsk=0,5 fölött kizárólag ISO élgeometriájú felületeket találunk. A felületi sajátosság, ami alapján a topológiai térképen elhelyezkednek az egyes pontok, az a mikrogeometria hordozófelületi jellege. A 4.2. ábra profiljai jól szemléltetik a plató szerű hordfelülettel rendelkező Wiper lapkával gyártott felületet, míg a hegyes érdességcsúcsok és kevésbé kiugró völgyek pozitív Rsk értéket mutatnak az ISO lapkával történő gyártás esetén. 4.2. ábra. Érdességi profilok részlete a) Wiper élgeometriával gyártva; b) ISO élgeometriával gyártva A tribológiai szempontból optimális felületi geometria megtervezése és legyártása napjaink realitásai közé tartozik, de kizárólag néhány speciális szakterülethez köthető. Ilyen kiemelt terület a belsőégésű motorok henger felületének kialakítása, melyre a hónolási technikát használják. 23
Az egyidejű forgó és alternáló mozgást végző szerszám az abrazív szemcséjű hónoló hasábbal speciális keresztirányú megmunkálási nyomokat hagy a felületen. Napjaink korszerű autóipari technológiájaként precíziós célgépeken történik a megmunkálás. A szakirodalom a többlépcsős megmunkálást ajánlja (plateau honing), melynek eredményeként a kenőanyag megtartó képességet biztosító durvább megmunkálást egy finomabb hónolási művelet követi, melynek eredményeként a korábbi megmunkálás csúcszónája plató-szerű, sima felületté alakul. Az így létrejövő felület jó hordozó tulajdonságokkal és kedvező kenőanyag megtartó képességgel rendelkezik. Számos tesztpadi kísérlet és numerikus modell eredményeként mára részletes megmunkálási irányelvek alakultak ki. A működésre talán leginkább ható tényező a felület mintázata. [Mezghani et. al, 2012] vizsgálatai numerikus modellekre épülnek, ahol a hidrodinamikai kenéselméleten alapulva a súrlódási tényező értékét vizsgálták a hónolási szög függvényében. Vizsgálataik eredményeként a hónolási barázdák optimális szögét 40-55 -ban és 115-130 -ban állapították meg. Több más szerző kísérleti vizsgálatai alátámasztották ezeket az eredményeket, melyeket az ipari gyakorlat is átvett. A súrlódási viselkedést nem csak a barázdák szöge, hanem az érintkező felület minősége is befolyásolja. [Ryk et. al., 2012] kísérleti eredményei a felület platószerű kialakításával, míg [Mezghani et. al, 2013] modelljei a hónoló hasáb szemcseméretével hozzák összefüggésbe a súrlódási viszonyokat. Közös megállapításként elmondható, hogy a simább, platószerűen kialakított csúcszóna kisebb súrlódási tényezőt eredményez. A felületi textúra kialakításának legkomplexebb vizsgálatot igénylő és ezzel együtt legellentmondásosabb kérdése a kenési viszonyok feltárása. A völgyek kenőanyag megtartó szerepének jellemzése több területen is bizonytalan eredményeket hozott. [53] megállapítja, hogy kísérleti eredményei nyomán a felület kenőanyag megtartó képességét jellemző érdességi paraméterek (Rpk, Rvk, Rk) csak gyenge (korrelációs együttható=0,66) korrelációt mutatnak a működési tulajdonságokkal. A szakterület izgalmas és intenzíven kutatott témája a hónolt felületre utólag (pl. lézerrel ) felvitt mintázat hatása. Több kísérlet (ld.: [Ryk et. al., 2002; Grabon et. al, 2013]) kedvező eredményeket hozott ezen a téren, különösen kis terhelések és nagy csúszási sebesség esetén. [Keller et. al., 2009] igazolta, hogy még határkenési állapotban is kedvezőbb súrlódási viselkedés mutatható ki a mintázattal rendelkező felületeken. Napjaink legkomplexebb műszaki megoldásait ezen a téren a Bruzzone és társai (ld.: [Bruzzone et. al., 2008]) által említett self- 24
forming surfaces jelentik. Ezen felületek megmunkálása olyan technológiát jelent, mely a felület lokalizált diffúziója vagy kemény és lágy fázisok kombinációja révén olyan felületet eredményez, mely a kopás révén alakít ki a működés szempontjából ideális felületet. Hengerfelületek kapcsán ezen technológiák alkalmazásáról még nem ad tájékoztatást a szakirodalom. A működési folyamatokra gyakorolt hatáson túl fontos kérdés, hogy a felület mintázata miként befolyásolja a henger felületének tönkremenetelét, kopását. A hengerfelület kopása kapcsán Slattery és társai [Slattery et. al, 2009] több zónára osztják a felületet. A dugattyú véghelyzetéhez közeli zónákat (TRR, BRR) elkülöníti az egyenletes sebességű ( normal ) zónától, továbbá külön kezeli a dugattyú holtpontján kívül eső, ún. skirt kontact területet. Ezek esetében eltérő kopási viselkedés figyelhető meg, mely felveti a henger felületének eltérő megmunkálási igényét. Saját vizsgálataink megerősítik [Michalski and Wos, 2011] eredményét [9]. Méréseinkkel igazoltuk az eltérő felületi minőséget és a felületeken végzett érdességcsúcs és karc analízis segítségével azonosítani, számszerűsíteni is tudtuk azokat a domináns topográfiai elemeket, melyek meghatározzák a felület jellegét. A normál működésű (middle regime) zónában enyhe kopás (mild wear) nyomait találjuk kis mélységű, hosszanti karcnyomok formájában, míg a végállapothoz (dead regime) közel inkább a felület felrakódásai dominálnak. A 4.3. ábra a karc és csúcsanalízis eredményeiből a domináns topográfiai elemek orientációját, valamint a karcok szélességének eloszlásgörbéjét és a csúcsok szélességének (hosszanti irányra merőleges kiterjedésének) eloszlásgörbéjét mutatja. 4.3. ábra. A kopott hengerfelület orientációja (balra) és a domináns topográfia elemek szélességének eloszlásgörbéje (jobbra) a normál működési (midle regime) és a holtponti (dead regime) zónában 25
Jól megfigyelhető, hogy a karcok és felrakódott csúcsok irányultsága 180 -hoz közeli, azaz megegyezik a működési, csúszási iránnyal. Tehát kialakulásukat döntően befolyásolja a működés kinematikája. Méretük (szélességük) azonban jelentős különbségeket mutat. Míg a karcok szélessége 10 m alatti, addig a felrakódott csúcsok szélessége 10-40 m közé esik. Kopott felületek értékelése és a kopási mechanizmus azonosításának nélkülözhetetlen lépése a kopott felszín részletes vizsgálata. A felületen megjelenő kopásnyomok (pl. pitting esetén a gödrösödés, vagy abráziós kopásnál a karcnyomok, spalling típusú fáradásos kopásnál a nagyobb kiterjedésű leválások) értékes információkat hordoznak a lezajlott folyamatokról. Ugyanakkor a hagyományos érdességi paraméterek használhatósága korlátozott, mert sok esetben nagy szórást mutatnak, és nem tárják föl azokat a sajátosságokat, amik a kopási mechanizmus azonosításához szükségesek. Csúszóelemes differenciálmű kopási vizsgálata során a nagy mechanikai igénybevételnek (esetenként akár 600 MPa felszíni nyomás) kitett csapok és a kapcsolódó felületek erőteljes adhéziós kopása figyelhető meg, miközben ezzel párhuzamosan egy felszíni réteg kialakulása is zajlik (vizsgálatok részleteit ld. [9]). A 4.4. ábra a felület elektronmikroszkópos és mikrotopográfiai képét mutatja. 4.4. ábra. Csúszóelemes differenciálmű belső csillagkerekének elektronmikroszkópos (balra) és topográfiai képe (jobbra) kopott állapotban A 4 különböző de azonos funkciójú felületrészről készült 4x10 csúszási iránnyal párhuzamos és 4x10 csúszási irányra merőleges profilmérés esetén az érdességmagasság (Rz) paraméter átlaga 7,19 m, szórása 4,09 m, míg a mérés terjedelme 18,63 m. Hasonló szórást 26
mutat az összes többi paraméter is. Nyilvánvaló, hogy alkalmatlanok a felület jellemzésére. Fontos azonban észrevenni, hogy a felület jellege minden mérés esetén mutat hasonlóságokat. A 4.5. ábra érdességprofilján ezek közvetlenül megfigyelhetők: bár a profil bal oldali szegmense jóval finomabb felületrészletet mutat, mint a jobb középső, vagy jobb oldali felületrész, jellegét tekintve mégis találunk közös pontokat: a felszín viszonylag sík, a völgyek jelenléte dominál, melyek mélysége lényegesen meghaladja a kiemelkedések magasságát, formájuk és alakjuk hasonló, bár méretük eltérő. Fraktál jellegről nem beszélhetünk, mert nem arról van szó, hogy a nagyobb völgyek egyes szegmensei hasonlóak az eredeti geometriára, hanem arról van szó, hogy a kisebb és nagyobb felületi sérülésnyomok hasonlítanak egymásra, azaz ugyanaz a mechanizmus intenzívebb, vagy kevésbé intenzív módon hozta őket létre. 4.5. ábra. Csúszóelemes differenciálmű kopott belső csillagkerekének egy érdességi profilja 4.6. ábra. Rz és Rv paraméterek viszonya differenciálmű kopott csillagkerekének érdességmérése esetén Ennek a jelenségnek a számszerűsítése csak úgy lehetséges, ha az abszolút méretek helyett viszonyszámokat alkalmazunk és elsősorban olyan tulajdonságokat vizsgálunk, ami ezeknek a domináns elemeknek a 27
jellemzője. Választásunk az Rz és Rv paraméterekre esett. Ezek aránya a völgyzóna dominanciáját fejezi ki a teljes érdességhez képest. Miközben az Rz paraméter esetén a relatív szórás 56,9%, az Rv paraméter esetén 54,8%, addig a két paraméter hányadosára Rz/Rv = 1,61 értéket kapunk, melynek relatív szórása mindössze 14,9%. A két paraméter viszonyát mutatja a 4.6. ábra. 4.3. A felületi sajátosságok rendszere A mikrotopográfiai sajátosságok azonosítása tehát sokféle módon történhet, nem szabad kizárólag egy módszerhez kötni azt. Ezeket az eredményeket és alapelveket felhasználva kidolgoztam azt az elméletet, mely a felületi sajátosságokat rendszerbe foglalja [10]. Topográfiai sajátosság megnevezése Csúcszóna Völgyzóna Tagoltság Irányultság Periodicitás Milyen tulajdonságát írja le a felületnek. hordfelületi tulajdonságok, érintkezési viszonyok, abrazív képességek, súrlódási viselkedés kenési viszonyok, megmunkálási nyomok, adhéziós, abráziós és fáradásos kopási nyomok, adhéziós képesség, kenőanyag megtartó képesség, szövetszerkezet, a működés irányát, a kenőanyag áramlás, érintkezési viszonyok, rezgések, zaj, súrlódás 4.1. táblázat. A felületi sajátosságok rendszere. Az adott sajátosságot jellemző tényező, paraméter. érdességcsúcsok mérete (kiterjedés, magasság, forma), érdességcsúcsok sűrűsége, felületi platók kiterjedése, hordfelületi jellemzők (RSk; RKu), csúcsszögek, csúcssugarak, amplitúdó paraméterek (Rz, Rp, Rpk) völgyzóna mélysége, völgyek kiterjedése, kiszakadások, völgyek alakja, karcok szélessége, mélysége amplitúdó paraméterek (Rv, Rvk) fraktál dimenzió, felületarány (Sds), átlagos lejtés (S q), érdességcsúcsok/karcok orientációja, autókorrelációs jellemzők (Str, Sal) domináns hullámhossz, korrelációs függvények, térközi paraméterek (RS, RSm) 28
Megítélésem szerint a felületi sajátosságok azonosításánál öt fő szempontot kell képezzünk: csúcszóna jellemzői, völgyzóna jellemzői, a felület tagoltságát jellemző sajátosságok, orientáció és periodicitás. Ezeken belül természetesen számos módszer és elv felhasználható. A 4.1. táblázat egy lehetséges rendszerezést mutat, kiemelve néhány módszert, mely az egyes sajátosságok meghatározásában szerepet kaphat. 4.4. Következtetések, új tudományos eredmények (4. tézis) Szakirodalmi források és saját kutatási eredményem alapján az alábbi következtetéseket fogalmaztam meg: - A felületi sajátosságok értelmezése kiterjeszthető a szakirodalomban ismert fogalomkörön túlra és sajátosságként értelmezhetünk minden olyan domináns geometriai jellemzőt, ami a felület működési viszonyaival összefüggésbe hozható. - Az érdességi paraméterek egymáshoz való viszonya képes a felület geometriai tulajdonságainak azonosítására. - A felületi sajátosságok rendszere komplex módon kell tartalmazza a domináns geometriai elemek (csúcsok, völgyek) jellemzése mellett a felület irányultságát, tagoltságát és periodicitását is. A kutatás új, tudományos eredményei: 4. tézis. A felületi sajátosságok értelmezése kiterjeszthető a szakirodalomban ismert fogalomkörön túlra, és sajátosságként értelmezhetünk minden olyan domináns geometriai jellemzőt, ami a felület működési viszonyaival összefüggésbe hozható. A felületi sajátosságok rendszere komplex módon kell tartalmazza a domináns geometriai elemek (csúcsok, völgyek) jellemzése mellett a felület irányultságát, tagoltságát és periodicitását is. [8, 9, 10] 29