Lézer hónolt felületek vizsgálata Dr. Czinege Imre, Csizmazia Ferencné Dr., Dr. Solecki Levente Széchenyi István Egyetem ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN KONFERENCIA 2008. Június 4-5.
Áttekintés A lézer hónolás előnyei, alkalmazási területek Lézer hónolási technológiák Lézer hónolt felületek vizsgálati feladatai Vizsgálatok Felület topológiai Makroszkópos Mikroszkópos Pásztázó elektronmikroszkópos Összefoglalás, következtetések 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 2
A lézer hónolás alkalmazása Hagyományos hónolással az olajnak a felületen való megtapadását segítik A hónoláskor keletkezett karcok nem előnyösek a kenés szempontjából (lásd a következő diát) Ezért a hónolási karcok helyett olajzsákokat (zsebeket) alakítanak ki a felületen, erre legalkalmasabb eszköz a lézer sugaras kezelés Alkalmazási területek (Gehring): 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 3
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)
Lézer hónolási minták és vizsgálati igényeik 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) Vizsgálati igények Alap hónolás geometriai/érdességi jellemzői Olajzsák geometria (szélesség, mélység) Felületi képekből értékelhető jellemzők Üregek alakja, morfológiája Olajterek létrehozása a mikroszerkezet lézeres kezelésével, a grafit kiégetésével (Forrás: Audi) Vizsgálati igények Alap hónolás geometriai/érdességi jellemzői A lézerrel kiégetett grafit szemcsék alakja, mélysége A fémes felület szerkezeti változásai a lézeres kezelés hatására 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 5
Vizsgálati technikák Topológia: 3D felületi kép felvétele lézeres vagy tűs letapogatással, 10 nm felbontással, 0,5x0,5 µm lépésközzel (Taylor Hobson Talysurf CLI 2000) Képi és összetétel jellemzők: Sztereo és optikai mikroszkóp (Zeiss) Pásztázó elektronmikroszkóp, EDS (Hitachi, Bruker) 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 6
A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: alapanyag Öntöttvas motorblokk: OPEL 107 előírás szerint minősítve Maratlan N=100x IA5 = 80%; IB5 = 20% Marószer: Nitál; N=1000x 100% perlit + grafit 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 7
A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: érdesség Sa= 0,529 µm Sq= 0,679 µm Sz= 22,603 µm SSk= -0,754 SKu= 13,519 Sdq= 6,545 Sbi= 0,667 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 8
A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: olajzsák méretek 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 9
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 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 10
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 A mikroszerkezet lézeres kezelése: Lézerezési technológia Eredmény: Olaj fogyasztás jelentős csökkenése Kopás mértékének csökkenése 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 11
A mikroszerkezet lézeres kezelése: Folyamatok Anyagleválasztás (elgőzölögtetés) Grafit lamellák kinyitása Kiég a grafit és kialakulnak a mikro-nyomáskamrák (olajzsákok) Fémes felület megolvasztása kb. 1 µm mélyen, ennek hatása: A felület tükrösödése A nanokrisztallitos szövetszerkezet kialakulása a hirtelen megszilárdulástól (szemcsenagyság ~100 nm) Előnyök: Az olajtároló zsákok magából a mikroszerkezetből jönnek létre A fémes felület keménysége jelentősen megnő Méréstechnikai nehézségek A grafit lamellákban keletkezett bemélyedés néhány µm, a lamellák melletti fém perem kissé kiemelkedik emiatt nehéz letapintani A felületi réteg vastagsága 1 µm körüli érték 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 12
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: Ra=0,1156 Rz=4,209 Rq=0,2245 A felület alap hónolása rendkívül finom, érdességet az 1-2 mikron mélységű grafit kiégések és perem kiemelkedések jelentenek 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 13
A mikroszerkezet lézeres kezelése: SEM vizsgálatok A képződmények jellegzetes alakját jól mutatják a BSE felvételek A grafit lemezek széle jellegzetes domborulatot mutat 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 14
A mikroszerkezet lézeres kezelése: Optikai mikroszkópos vizsgálat A görbült felület miatt a felületi képek nem élesek Megoldás: topológiai felvételek készítése különféle élességgel, majd ezek egyesítése térbeli képpé (Zeiss) N= 200x 500x 1000x 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 15
A mikroszerkezet lézeres kezelése: A felületi réteg vizsgálata (1) A lézer kezelt réteg kimutatása: ~1 µm vastag réteg Optikai mikroszkóp; N=1000x SEM; N=1000x 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 16
A mikroszerkezet lézeres kezelése: A felületi réteg vizsgálata (2) Hipotézis: a magas hőmérsékleten a réteg a levegőből nitrogént vesz fel, ez is növeli a keménységet. Az EDS vizsgálatok ezt nem mutatják ki, további elemzés szükséges. Keménységvizsgálat extrém alacsony terheléssel (Uni Karlsruhe) A mérés erő-benyomódás diagram felvételével történik A görbékből látható, hogy a felületi réteg nagy keménységű A nagy keménység a gyors hülés során kialakult nano szemcsékkel magyarázható 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 17
Összefoglalás A lézeres kezelés előnyösen befolyásolja a felületek tribológiai viselkedését A lézer hónolással kialakított szabályos mintázat minősítése a kezelés sikerességének megítélésére szolgál (geometria, üregek folytonossága) A felületi mikroszerkezet megváltoztatására irányuló kezelés vizsgálata képet ad a kialakuló olajzsákok méretéről, eloszlásáról és a fémes réteg tulajdonságairól A vizsgálatok érdekessége az, hogy µm nagyságú objektumokat kell minősíteni nanométer felbontású mérésekkel Ezekhez a mérésekhez különleges vizsgálótechnika és csiszolat előkészítés szükséges KÖSZÖNJÜK SZÍVES FIGYELMÜKET 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 18