Új típusú anyagok (az autóiparban) és ezek vizsgálati lehetőségei (az MFA-ban) Menyhárd Miklós Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutató Intézet Támogatás NTPCRASH: # TECH_08-A2/2-2008-0104 Győr, 2010 október 26
Vázlat Új anyag; általában (irodalom) Új anyag autóipar; példák (irodalom) Vizsgálataink: mechanikai vizsgálatok» surlódási együttható mérése» felületi morfológia, kémia meghatározása
Miért kell új anyag? Rengeteg okból! Pl. környezetvédelem
Environmentally friendly tribology (Eco-tribology) Shinya Sasaki The global warming problem has reached a point at which action cannot be delayed. The Japanese government has announced a challenging target: by 2020 reduce greenhouse gas emissions by 25% compared with 1990. To achieve such a high objective, it is necessary not only to expect novel technological development but also to create realistic solutions by extending conventional technologies. Ecotribology, through progress in surface modification, is seen to be an effective engineering technology that can contribute very much to sustainable... Journal of Mechanical Science and Technology 24 (2010) 67-71
Környezetbarát tribológia A tribológia, mint eszköz a felületmódosítás folyamatában, egy hatékony technológia és egy új elképzelés a felületet fedő kopásálló tribó-anyagokról. Gépjárművekre tekinthetők, mint a tribo-rendszer tipikus példájaként, úgy mint motor, átvitel, gumik, stb.. Tribo-anyagok Kenőanyagok Gép elemek Tribo-rendszerek Fenntartás tribológia
Miért kell új anyag; autóipar? Rengeteg okból! Pl. tömegcsökkentés
Table 1. Mechanical properties of beam materials. Materials Yield strength (MPa) Tensile strength (MPa) Elongation (%) SPFC780 534.6 816.6 15.4 Boron steel 1,048.1 1467.8 7.9 Materials (Section) Maximum intrusion (mm) Weight (kg) SPFC780 (ㅁ) 21.3 (100%) 6.5 (100%) SPFC780 ([ ) 31.0 (146%) 4.3 (66.2%) Boron Steel (ㄷ) 24.6 (115%) 4.3 (66.2%) Boron steel (5 stays) 21.2 ( 99%) 4.6 (70.8%)
Hogyan csökkentünk tömeget? Alak tervezés de legfőképpen Könnyűszerkezetes anyagok Alumínium ötvözetek Magnézium ötvözetek Természetes anyagok felhasználásával készült műanyagok Mesterséges módon, polimerizációval készült műanyagok Adalékkal, például karbon-szállal, megerősített műanyagok...
Energia és környezeti kihívások az alumínium iparban Az Al felhasználásának növekvő mértéke jelzi, hogy a végső határ még messze van. Az átlagos felhasználás kb. 90 kg/autó volt 2008-ban, de a lehetőségek akár 300-400 kg/autó-t jeleznek.
Vizsgálati lehetőség Törési vizsgálatok Korróziós vizsgálatok
Magnézium ötvözetek katonai alkalmazása sokrétű A katonai alkalmazást sokszor követi a polgári alkalmazás Várható Mg az autóiparban. A sok előnyös fizikai, mechanikai tulajdonság de az alacsony korrózióval szembeni ellenállás gyúlékonysági szempontok alacsony ellenállás nyújthatósággal szemben.
Karbon-szállal erősített alumínium hab Plazma kezelés hatása Vizsgálat: hajlítási nyirási modulus Kezelés: oxigén plazma Plasma kezelés CFRP-n 7.5% and 650%, javulás a hajlítási és nyirási modulusban Miért: a felületi érdesség növekedett 20%-al a C= O and O C=O kötések megjelenése miatt.
Saját vizsgálatok Minta: ritka és sűrű Vizsgálatok: mechanikai súrlódás röntgen fotoelektron spektrószkópia
Tribológia A koptatási teszt után lehetőség volt a kopási nyomok vizsgálatára egy Talistep Alfa 500 típusú profilométer segítségével. A felvett kopásnyom profilokból kiszámítható az elkoptatott anyag mennyisége (térfogata). Az elkoptatott anyagmennyiségből a következő egyenlet segítségével kiszámolható az anyag kopási rátája (wear rate): W = V/(F n xl), ahol V - az elkoptatott anyag térfogata m 3 - ben, F n - a minta felületére merőlegesen ható erő N - ban, l - a kopási nyom hossza m - ben. Mivel a tesztek folyamán minden esetben kemény rozsdamentes 6 mm átmérőjű acélgolyót használtunk ezért az elvégzett számításokban a golyó kopását elhanyagoltuk.
Tribológiai vizsgálatok
Surlodás mérése: terhelés 10 N, golyó átmérő 6 mm Sűrű Ritka 0.6 0.6 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.2 2 3 4 0.3 0.2 2 3 1 0.1 0 2000 4000 6000 fordulatok száma 0.1 0 2000 4000 6000 fordulatok száma
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; Sűrű
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; minta ritka
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok Minták Sűrű Ritka
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; Sűrű nem koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; ritka nem koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; Sűrű nem koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; ritka nem koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; Sűrű nem koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; ritka nem koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; Sűrű koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; minta, ritka, koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; Sűrű koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; ritka koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; Sűrű koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; ritka koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; Sűrű koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; ritka koptatott
Pásztázó Mikroszkópos vizsgálatok; koptatott tartományok Sürü Ritka
Surlodás mérése: terhelés 10 N, golyó átmérő 6 mm Sűrű Ritka 0.6 0.6 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.2 2 3 4 0.3 0.2 2 3 1 0.1 0 2000 4000 6000 fordulatok száma 0.1 0 2000 4000 6000 fordulatok száma
XPS spektrum 12000 10000 8000 cps 6000 4000 2000 0 0 1000 2000 3000 4000 csatorna szám
XPS terület arányok; minta sűrű 6,7 nem koptatott, 8,9 koptatott 0.5 0.4 0.3 ratio 0.2 0.1 O/C 7*Si/C 0.0 5 6 7 8 9 10 mérés
XPS terület arányok; minta ritka 1,2 nem koptatott, 3,4 koptatott 0.60 0.55 0.50 ratio 0.45 0.40 0.35 0.30 O/C 6.3*Si/C 0.25 0 1 2 3 4 5 mérés
XPS terület arányok; első 2 nem koptatott második 2 koptatott Ritka Sűrű 0.60 0.6 0.55 0.5 ratio 0.50 0.45 0.40 ratio 0.4 0.3 0.35 0.30 O/C 6.3*Si/C 0.2 0.1 O/C 7*Si/C 0.25 0 1 2 3 4 5 mérés 0.0 5 6 7 8 9 10 mérés
Szén csúcsalak
Szén csúcsalak; sűrű minta intensity (cps) 5000 4000 3000 2000 NK NK K K 1000 0 282 284 286 288 290 292 294 296 binding energy (ev)
Szén csúcsalak; ritka minta intensity (cps) 6000 5000 4000 3000 2000 1000 NK NK K K 0 282 284 286 288 290 292 294 296 binding energy (ev)
Szén csúcs alak; koptatott minta; sűrű/ ritka összehasonlítása 6000 intensity (cps) 5000 4000 3000 2000 S S R R 1000 0 282 284 286 288 290 292 294 binding energy (ev)
Szén csúcs alak; nem koptatott minta; sűrű/ ritka összehasonlítása 7000 intensity (cps) 6000 5000 4000 3000 2000 S S R R 1000 0 282 284 286 288 290 292 294 binding energy (ev)
Összefoglalás (kísérletek) A két anyag rövid távú súrlódási viselkedése különböző A két anyag hosszú távú súrlódási viselkedése nem különböző A két anyag morfológiája mindig különbözik A koptatott terület morfológiája és kémiája is különbözik a nem-koptatottól