EME EME BAGYINSZKI GYULA – BITAY ENIKŐ FELÜLETKEZELÉS EME MŰSZAKI TUDOMÁNYOS FÜZETEK 5. BAGYINSZKI GYULA – BITAY ENIKŐ FELÜLETKEZELÉS ERDÉLYI MÚZEUM-EGYESÜLET Kolozsvár 2009 EME A kutatást támogatta: Az MTA–OM, DOMUS HUNGARICA SCIENTIARIUM ET ARTIUM MTA Határon Túli Magyar Tudományosságért Ösztöndíj Program A könyv megjelenését támogatta: a Szülőföld Alap Lektor: Dr. Czinege Imre CSc © Bagyinszki Gyula, Bitay Enikő 2009 Kiadja: Az Erdélyi Múzeum-Egyesület Felelős kiadó: Sipos Gábor Sorozatszerkesztő: Bitay Enikő Olvasószerkesztő: Kerekes György Borítóterv: Könczey Elemér Műszaki szerkesztő: Szilágyi Júlia Nyomdai munkálatok: F&F International Kft. Kiadó és Nyomda, Gyergyószentmiklós Tel./Fax: +40-266-364171 Descrierea CIP a Bibliotecii Naţionale a României BAGYINSZKI GYULA Felületkezelés / Bagyinszki Gyula, Bitay Enikő. - ClujNapoca : Societatea Muzeului Ardelean, 2009 Bibliogr. ISBN 978-973-8231-76-4 I. Bitay Enikő 621.7 EME Tartalom Előszó 9 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai ....................................................... 11 1.1. Alkatrészek és szerszámok felületkezelésének károsodási formái ........... 11 1.1.1. Kopás és megeresztődés ........................................................................ 11 1.1.2. Korrózió és revésedés........................................................................... 15 1.1.3. Mechanikus és termikus fáradás........................................................... 19 1.2. A felületkezelési eljárások szerepe és rendszere ...................................... 23 1.2.1. Technológiafejlesztési irányzatok ......................................................... 23 1.2.2. Lokális anyagszerkezet-módosítás ....................................................... 24 1.2.3. Felületkezelések rendszerezése........................................................... 25 1.3. Nagy energiasűrűségű hőforrások jelentősége.......................................... 29 1.3.1. Lézer...................................................................................................... 41 1.3.2. Elektronsugár ........................................................................................ 45 1.3.3. Plazma................................................................................................... 47 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői.............................................................. 50 2.1. Felületek makro- és mikroszerkezete......................................................... 50 2.1.1. Ideális és reális felület, felületi hibák..................................................... 50 2.1.2. Felületi hullámosság és érdesség......................................................... 55 2.1.3. Anyagfelületek optikai és esztétikai jellemzői ....................................... 57 2.2. Felületek előkészítése kezeléshez............................................................. 59 2.2.1. Oxid- és revementesítés ....................................................................... 62 2.2.2. Zsír- és olajmentesítés .......................................................................... 69 2.2.3. Egyéb előkészítő műveletek ................................................................. 71 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések .............................................................. 72 3.1. Felületszilárdítás......................................................................................... 72 3.1.1. Sörétszórásos felületszilárdítás ............................................................ 74 3.1.2. Ütőtestes felületszilárdítás .................................................................... 77 3.1.3. Ütőszeges felületszilárdítás................................................................... 80 3.1.4. Vasalásos felületszilárdítás ................................................................... 81 3.1.5. Görgőzéses felületszilárdítás ................................................................ 85 3.1.6. Robbantásos felületszilárdítás .............................................................. 87 3.1.7. Lézerimpulzusos felületszilárdítás ........................................................ 88 3.2. Felületedzés ............................................................................................... 88 3.2.1. Lángedzés ............................................................................................. 95 3.2.2. Indukciós edzés................................................................................... 101 3.2.3. Lézeres edzés ..................................................................................... 111 5 EME Tartalom 3.3. Felületi átolvasztás ................................................................................... 118 3.4. Felolvasztó hegesztés .............................................................................. 135 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések ............................................................. 137 4.1. Védőbevonatolás...................................................................................... 137 4.1.1. Ráragasztás ........................................................................................ 137 4.1.2. Műanyaggal való bevonatolás............................................................. 140 4.1.3. Festés, lakkozás.................................................................................. 141 4.1.4. Zománcozás ........................................................................................ 144 4.1.5. Kémiai fémleválasztás......................................................................... 144 4.1.6. Galvanizálás ........................................................................................ 147 4.2. Termikus szórás ....................................................................................... 153 4.2.1. Lángszórás .......................................................................................... 156 4.2.2. Ívszórás ............................................................................................... 159 4.2.3. Plazmaszórás...................................................................................... 159 4.2.4. Robbantásos szórás............................................................................ 161 4.3. Plattírozás................................................................................................. 162 4.3.1. Húzásos plattírozás............................................................................. 162 4.3.2. Folyatásos plattírozás ......................................................................... 162 4.3.3. Hengerléses plattírozás....................................................................... 163 4.3.4. Dörzsplattírozás .................................................................................. 164 4.3.5. Robbantásos plattírozás...................................................................... 165 4.4. Gőzfázisból történő bevonatolások .......................................................... 167 4.4.1. PVD vagy fizikai gőzfázisú bevonatolás.............................................. 173 4.4.2. CVD vagy kémiai gőzfázisú bevonatolás ............................................ 177 4.5. Ionimplantáció .......................................................................................... 181 4.6. Passziválás............................................................................................... 183 4.7. Termokémiai kezelések............................................................................ 186 4.7.1. Acélok cementálása ............................................................................ 186 4.7.2. Acélok nitridálása ................................................................................ 189 4.7.3. Acélok nitrocementálása és karbonitridálása...................................... 195 4.7.4. Acélok boridálása és szilikálása.......................................................... 196 4.7.5. Termokémiai kezelés fémes elemekkel .............................................. 197 4.8. Felületi ráolvasztás................................................................................... 199 4.8.1. Tűzi mártó fémbevonás....................................................................... 199 4.8.2. Termikusan szórt rétegek utókezelése ............................................... 200 4.8.3. Vastag fémbevonatok ráolvasztása .................................................... 201 4.9. Felületötvözés .......................................................................................... 202 4.10. Felrakó hegesztés .................................................................................. 204 4.10.1. Szerszámok felrakó hegesztése ....................................................... 211 4.10.2. Takarékszerszámok készítése.......................................................... 214 4.10.3. Kopásálló rétegek felrakása .............................................................. 217 5. Duplex felületkezelések ................................................................................. 224 5.1. Duplex anyagszerkezet-módosulatok ...................................................... 224 6 EME Tartalom 5.2. Duplex termokémiai kezelések................................................................. 225 5.3. Duplex felületkezelések............................................................................ 225 5.3.1. Lézeres felületedzés és nitridálás kombinálása.................................. 228 6. Egyéb felületi technológiák ............................................................................ 235 6.1. Abrazív felületi megmunkálás .................................................................. 235 6.2. Lézeres hónolás ....................................................................................... 239 6.3. Nyomtatott huzalozású elektronikai áramköri lapok gyártása .................. 242 6.4. Félvezető alapú elektronikai alkatrészek előállítása ................................ 246 6.5. Bevonatos kompozitok készítése ............................................................. 249 6.6. Fémszínezés ............................................................................................ 251 6.7. Átmeneti korrózióvédelem ........................................................................ 253 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése ................................................. 255 7.1. Vizuális vizsgálatok .................................................................................. 255 7.2. Roncsolásmentes vizsgálatok .................................................................. 264 7.3. Fénymikroszkópi vizsgálatok.................................................................... 267 7.4. Elektronmikroszkópi vizsgálatok .............................................................. 271 7.5. Analitikai vizsgálatok ................................................................................ 273 7.6. Keménységmérés..................................................................................... 277 7.7. Tapadási szilárdság vizsgálata ................................................................ 281 7.8. Kopásállósági vizsgálatok ........................................................................ 282 7.9. Korrózióállósági vizsgálatok ..................................................................... 284 7.10. Esettanulmányok, különleges vizsgálati módszerek .............................. 286 Irodalom ............................................................................................................. 333 Surface engineering (Summary)........................................................................ 347 Contents .......................................................................................................... 348 Oberflächenbehandlung (Zusammenfassung) .................................................. 351 Inhalt ................................................................................................................ 352 Tratamente de suprafaţă (Rezumat) ................................................................. 355 Cuprins ............................................................................................................ 356 7 EME Tartalom 8 EME Előszó Az ipari gyakorlatban egyre fontosabb az anyag- és energiatakarékos – ezáltal környezetkonform – gyártást elősegítő technológiák alkalmazása a megmunkálási műveletek, az üzemi igénybevételek, illetve a speciális követelmények szempontjából még éppen szükséges minimális munkadarab-térfogatra korlátozva. E koncepciónak általában megfelelnek a felületkezelő eljárások, melyekkel károsodásállóságot (kopás-, megeresztés-, korrózió-, reve- és fáradásállóságot) javító, gyakran dekoratív felületi kérgek, rétegek hozhatók létre az egyébként – más követelmény vagy előírás hiányában – olcsóbb, könnyebben megmunkálható, szívósabb alapanyagon (alaptesten). A felületkezelésekkel a helyi (lokális) igénybevételekhez, követelményekhez igazítható(k) a munkadarabok arra kijelölt tartománya(i), általában az alapanyag (alaptest) nagyobb tömegének jelentősebb szerkezet- és tulajdonságváltoztatása nélkül. Jelen könyv a „surface engineering”, vagyis a tervezett felületmódosítás módszereit tekinti át, természetesen a teljesség igénye nélkül, koncentrálva a gépészeti alkalmazásokra. A bemutatott felületkezelési eljárásokat általában az anyagszerkezet-módosító technológiák közé sorolják, de egy részük bevonatos kompozitok előállítására is alkalmazható. Rendszerint az alakadó (öntő, szinterelő, alakító, forgácsoló, vágó), illetve esetenként a kötő (hegesztő, forrasztó, ragasztó, mechanikusan kötő) technológiák után következnek a műveleti sorrendben. Nemcsak hőkezelési jellegű (felületedző, termomechanikailag kezelő, fizikai gőzfázisú bevonó, kémiai gőzfázisú bevonó, termokémiailag kezelő, felületi ráolvasztó) eljárások, hanem alakítási (hidegalakítással felületszilárdító), ömlesztő hegesztési (felületi átolvasztó, felolvasztó hegesztő, felületötvöző, felrakó hegesztő) és fizikai-kémiai (felületi rétegbevonó) műveletekkel operáló, illetve ezeket kombináló ún. duplex eljárások is szerepelnek e könyvben. A különböző felületkezelő eljárások bemutatása mellett a könyv foglalkozik azokkal a károsodási formákkal, amelyek a kezelést indokolttá teszik, az anyagfelületek néhány fontos jellemzőjével, a felületelőkészítés módszereivel, valamint a rétegminősítést szolgáló anyagvizsgálatokkal is. A könyv célja alapvető elméleti és gyakorlati információkat nyújtani alkatrészek, szerkezetek, szerszámok konstrukciós és formatervezésére, anyagának kiválasztására és gyártása, avagy felújítása technológiájának kidolgozására irányuló mérnöki feladatokhoz, illetve az ezek megoldására felkészítő mérnökképzéshez. Abban a reményben, hogy ez a célkitűzés akárcsak részben is megvalósul, sok tanulmányi és munkabeli sikert kívánnak, egyúttal köszönetüket fejezik ki az angol, német, román fordításában való közreműködésükért: dr. Chiorean Deliának, dr. Kolozsvári Zoltánnak és dr. Kovács Mihálynak. A szerzők 9 EME 10 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.1. Alkatrészek és szerszámok felületi károsodásának formái Az üzemelés során az alkatrészeket és szerszámokat, illetve azok anyagát érő mechanikai, termikus, vegyi, biológiai, elektromos, mágneses, sugár- és hanghatások, igénybevételek által kiváltott elhasználódási, károsodási formák sokfélék (1.1. ábra). A rövid üzemelés során fellépő károsodási folyamatok nem lehetnek meghatározók egyetlen termék esetében sem, ezek megelőzése alapvető tervezési, gyártási, üzemeltetési és ellenőrzési (állapotfelügyeleti) feladat. A hosszabb üzemelés (tartós használat) során fellép(het)ő károsodásfelhalmozódási folyamatok érint(het)ik a termék anyagának egészét (nem lokalizáltak) vagy egy résztartományát (lokalizáltak), miközben a biztonságos üzemeltetés szempontjából eredetileg helyesen megválasztott anyagtulajdonságok megváltoz(hat)nak. Ezen – gyakran elkerülhetetlen – károsodásfelhalmozódási folyamatok vizsgálatával lehet az anyagok károsodásállóságát (károsodással szembeni ellenállását) megítélni, rangsorolni, illetve az anyagokból készített alkatrészek ún. maradékélettartamát (hátralévő üzemidejét) becsülni, ami sok esetben nem jellemezhető konkrét mérőszámokkal, hanem a (rendszerint nagyszámú) befolyásoló tényezők segítségével határértékeket, kritériumokat lehet felállítani, tervezési, gyártási és üzemeltetési szempontokat megadni. Az igazán korrekt károsodásállósági jellemzőket nem modell- (próbatest-) kísérletekből, hanem üzemszerű- (gyártmány-) vizsgálatokból lehet nyerni, egy-egy konkrét esetben. A felületkezelés mint felületi anyagszerkezetet módosító technológia legfontosabb, leggyakoribb alkalmazási területei a kopásállóság, illetve az azzal szorosan összefüggő megeresztésállóság és a korrózióállóság javítását célozzák, vagyis a kopási és korróziós folyamatokat befolyásolják, lassítják. 1.1.1. Kopás és megeresztődés A kopás szilárd testek felületén bekövetkező anyagveszteség, amelyet szilárd, cseppfolyós vagy légnemű közeggel való érintkezés és relatív elmozdulás (azaz két anyag közötti interakció) okoz. A relatív elmozdulásnak négy alapformája különböztethető meg: csúszás, gördülés, lökés és áramlás, melyek külön-külön vagy kombináltan is jelentkezhetnek. A tribológiai igénybevétellel összefüggő kopási folyamatot sok paraméter befolyásolja, így az előidézett kopás, illetve az ezzel szembeni kopásállóság rendszerjellemző, azaz minden folyamat-„résztvevő” (1.2. ábra) hatásának eredője. 11 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.1. ábra Anyagok károsodási formái 12 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.2. ábra A kopási folyamat összetevői A kopás létrejötte szorosan összefügg az egymáson elmozduló testek között fellépő súrlódással, amit befolyásol az érintkező felületeket összenyomó erő, a felület makroszerkezete (hullámosság, érdesség), az érintkező testek felületi rétegének anyagi minősége, illetve tulajdonságai, az alkalmazott kenőanyag és kenési mód. A szilárd testek felületi tulajdonságai eltérnek az anyag belsejére jellemző „térfogati” tulajdonságoktól. Ez abban is megnyilvánul, hogy a felszíni atomok kötésszerkezete nem szimmetrikus, illetve energiaszintjük magasabb, ezért reakcióképesebbek, megkötnek a környezetükből gáz-, víz-, illetve szerves és szervetlen anyagrészecskéket. A kopás következtében fellépő anyaglehordás, a kopási mechanizmus formái: • 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. Maga az adhézió a súrlódó felületek határrétegében fellépő tapadó kötés, amely a testek egymáson való elmozdulásakor elnyíródik, és következményeként a felületről részecskék szakadnak ki. Ez a hidegen vagy melegen (kisebb vagy nagyobb hőmérsékleten) bekövetkező kopás viszonylag lokalizált, a felület egyes részein intenzív, máshol alig tapasztalható. 13 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai • Abrazív kopás: a keményebb felület kiálló csúcsai elmozduláskor mélyedéseket, barázdákat, karcolásokat hoznak létre a lágyabb felületben, mikroforgácsok leválasztásával, vagy a két súrlódó felület közé viszonylag apró szemcséjű, kemény, csiszoló hatású szennyezőanyag kerül, ami karcolva a felület(ek)et anyaglehordást eredményez. Az ilyen kopási folyamatot hasznosítják is az ún. abrazív megmunkálási eljárásoknál, mint pl. köszörülés, csiszolás. A kavitáció olyan eróziós folyamat, amelyet áramló folyadékokban – gőzbuborékok keletkezésével, majd összeroppanásával keltett – nyomáshullámok váltanak ki. • Fáradásos kopás: a váltakozó (ciklikus) terhelés hatására a felületi réteg kifárad, mikrorepedések keletkeznek benne, ezek növekedése a réteg lepattogzását, gödrösödését, pittingesedését vagy a réteg felbomlását okozza. Kialakulását elősegíti a felület alatt (annak közelében) ébredő, felülettel párhuzamos, váltakozó nyíró feszültség, pl. gördülő súrlódással működő alkatrészeken. • 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. Az egyik esetben a kenőanyag bomlástermékei és/vagy adalékanyagai támadják meg az egymáson elmozduló felületeket. A másik eset kis amplitúdójú alternáló (rezgő) mozgás hatására, oxigén vagy más reakcióképes gáz jelenlétében jön létre, ha az érintkező felületek közül legalább az egyik fémes. Gyakran tapasztalható ez a kopási forma zsugorkötéssel, csavarokkal, ékekkel, csapszegekkel összekötött, illesztett rezgő elemeknél. A kopás csökkentésének, illetve a kopási folyamat lassításának anyagválasztási, konstrukciós, technológiai és üzemeltetési lehetőségei vannak, melyekre néhány példa felsorolásszerűen: • anyagválasztási szempontok: ─ nagy keménységű és rugalmassági modulusú anyagok választása; ─ egymáshoz kis affinitású súrlódó anyagpárok társítása; • 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 kopóbetétek alkalmazása; • 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. 14 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai A megeresztődés a hőmérsékletváltozás (növekedés) következtében létrejövő – szövetszerkezeti átalakulás és/vagy összetételmódosulás miatti – kopásállóságváltozást (meleg kopásállóságot) jellemzi. A megeresztésállóságot különböző hőmérsékleteken tartósan hőn tartott, majd lehűtött – előzetesen edzett – próbatesteken mért keménységek, illetve ezek alapján megszerkesztett megeresztési diagram alapulvételével lehet megítélni. Kritériumként megadható egy határhőmérséklet, amelyen az előírt keménység még tartható, vagy egy minimális keménység, amit egy meghatározott hőmérsékleten biztosítani kell. Az 1.3. ábra néhány szerszámanyag megeresztési görbéjét mutatja, melyben a keménység változása fejezi ki a kopásállóság változását. Egyes nemesíthető (szerszám-) acélokban a megeresztés hatására kiváló szekunder (másodlagos) karbidok egy jellegzetes keménységmaximumot eredményeznek az 500–600 °Cos hőmérséklet-tartományban, ami lehetővé teszi ilyen maximális hőmérsékleten való tartós alkalmazásukat. 1.3. ábra Megeresztési diagramok 1.1.2. Korrózió és revésedés A korrózió jellemzően a fémes szerkezeti anyagok károsodása, mely környezeti hatásra fellépő, mérhető elváltozást (méret- és tömegcsökkenést), illetve a mechanikai terhelhetőség és a felhasználhatóság romlását okozó fázishatár-reakciók fo- 15 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai lyamata. A károsodás többnyire a felület irányából – a környező folyadékokkal és gázokkal (mint korróziós közegekkel) kémiai vagy elektrokémiai reakciók következtében – végbemenő, spontán folyamatok eredménye. Az exoterm (hőtermelő) korróziós folyamatok hajtóereje a fémes anyagok és vegyületeik közötti szabadenergia-különbség. Lényegében a kohászati redukciós folyamatok „ellentétéről” van szó, azaz a fémek újra ércbeli oxid, szulfid, karbonát vagy más stabil (az alacsonyabb energiaszintű) vegyületformájukat érik el. A fémeken a korróziós károsodások gyakran vizes oldatok (elektrolitok) hatására anódos fémoldódásként jelentkeznek. A folyamat a fém ionjainak oldódásából (kristályrácsból való kilépéséből) és az oxidálóelem redukciójából áll, melyek térben elválasztva (az ionátmérőhöz képest nagyságrendileg nagyobb távolságok mellett), helyi galvánelem képződésével mennek végbe. A kémiai hatáshoz társulhat termikus vagy mechanikai igénybevétel is. A kémiai („száraz”) korrózió során egyszerre megy végbe az oxidáció és a korróziós közeg oxidáló komponensének redukálása, általában fémnek száraz gázokkal (nagy hőmérsékletű levegő, füst) vagy elektromosan szigetelő folyadékokkal (szerves oldószerek, kéntartalmú kőolajipari termékek) való érintkezésekor. A fém-, illetve a nemfém-ionok egymáshoz ionátmérőnyi távolságra kerülve hoznak létre kisebb szabadenergiájú vegyületet, ami ha összefüggő, jól tapadó és tömör réteget képez, viszonylagos korrózióállóságot ad (pl. az alumíniumnál). 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. A két „elektróda” lehet két különböző potenciálú anyag vagy egy anyagon belül két eltérő potenciálú anyagrész; így potenciálkülönbséget (ún. oldási potenciált) okozhat, pl.: • egy szövetszerkezet két fázisának összetételkülönbsége (pl. perlitben a ferrit anód és a karbid katód); • különböző mértékű hidegalakítást szenvedett anyagrészek energiaszintkülönbsége (pl. az alakváltozott rész az anód és a nem alakváltozott rész a katód); • szemcse és környezete közötti energiaszint-különbség (pl. a szemcsehatár vagy a kisebb szemcse az anód, illetve a behatárolt szemcse vagy a nagyobb méretű szemcse a katód); • alapanyag és eltérő elektrokémiai potenciálú sérült bevonata (pl. cink az anód és vas a katód, vagy vas az anód és ón a katód); • korróziós közeg oxigénkoncentráció-különbsége (pl. a kisebb oxigéntartalmú közeggel érintkező anyagrész az anód és a nagyobbal érintkező a katód). Fémek savban vagy lúgban történő oldódása helyi elem nélküli károsodási folyamat, hidrogénképződéssel vagy oxigénfogyasztással. A korrózió megjelenési formái (1.4. ábra): • Felületi korrózió, melynek során egyenletesen csökken az anyag vastagsága a közeggel történő érintkezéskor, miközben különböző oldhatóságú korróziós termékek keletkeznek, sőt egyes esetekben a felületen jól tapadó, tömör – ezáltal a további károsodást gátló – passzív védő(oxid)réteg keletkezhet. 16 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.4. ábra Korrózió formái 17 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai • Behatoló (helyi) korrózió, amelynek egyik esete a koncentrációs helyi elem képződésével összefüggő lyukkorrózió, ami főként felületi bevonatok sérülésein alakul ki. Másik eset a feszültségkorrózió, amely a húzófeszültség és a korróziós közeg egyidejű hatásaként repedésképződést, illetve -terjedést okozva. • Anyagon belüli korrózió az ún. szelektív korrózió, melynek során az anyag egyes összetevői (ötvözői), illetve fázisai vagy szennyezőelemek képezte kiválásokkal terhelt szemcsehatárai (kristályközei) „kioldódnak”. Viszont bizonyos közegekben általános (minden fázisra kiterjedő) korrózió is kialakulhat. • Anyagok közötti korrózió során az érintkező, kontaktusban lévő fémek közül a kevésbé nemes fém korróziós fogyása következik be. Azonos anyagok közötti rés miatt is kialakulhat korrózió, ami a résen belüli és a résen kívüli korróziós közeg koncentrációkülönbségei (pl. oxigéntartalom-változás) következtében lép fel. A korrózió intenzitása, illetve sebessége a kopáshoz hasonlóan állandósult, növekvő vagy csökkenő lehet, amit befolyásol a korróziós közeg koncentrációja (töménysége), a hőmérséklet, a nyomás, a statikus vagy változó mechanikai és hőfeszültség, az elektromos áram („kóboráram”), tribológiai hatás stb. is. A korróziós folyamat, illetve a korrózióállóság két úton befolyásolható: 1. A szerkezeti anyagra ható közeg módosításával: • oxigén vagy más korróziós hatóanyag (szén-dioxid, kén-oxidok, nitrózus gázok, füstgázok, vegyipari gázok; gőz, páratartalom, csapadék, felszíni vizek, folyékony és szilárd vegyi anyagok, folyékony fémek és sóolvadékok; talajjal való érintkezés stb.) kizárása; • pH érték kedvező módosítása vagy passziváló anyagok adagolása. 2. A korróziós közeggel érintkező szerkezeti anyag változtatásával, védelmével: • passzívréteges (passziválódó), illetve korróziónak ellenálló ötvözetek (pl. korrózióálló acél, hőálló acél, titánötvözetek, alumínium) alkalmazása; • alternatív (nem korrodáló) anyagok (pl. műanyagok, kerámiák) használata; • passzív korrózióvédelem: felületkezelés (pl. festés, galvanizálás, plattírozás, tűzi horganyzás; termikus szórás nemesebb fémmel, kerámiával, műanyaggal); • aktív korrózióvédelem: katódos védelem elhasználódó anódokkal (Zn, Mg) való összeköttetésben vagy anódos védelem külső áramforrás igénybevételével. A revésedés fogalma egyfajta magashőmérsékleti korróziót takar, azonban itt a korrózió a szó hagyományos értelmében vett oxidációt jelent. Ha a keletkező oxidációs (égés)termék porózus szerkezetű, rossz tapadóképességű, akkor reve formájában leválik a felületről, szabaddá téve az utat a további károsodásnak. Reveállóságról valójában csak a fémeknél, tűzállóságról pedig az oxidkerámiáknál beszélhetünk. Azon fémek tekinthetők jó reveállónak, melyek felületén jól tapadó passziváló védőoxidréteg keletkezik, gátolva a további károsodást. Az igazán tűzálló anyagoknak oxidoknak (oxidkerámiáknak) kell lenniük, hiszen ezek elégetése 18 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai (oxidálása) már lehetetlen, így csak az olvadáspontjuk szab korlátot alkalmazási hőmérsékletüknek. 1.1.3. Mechanikus és termikus fáradás Az anyag(ki)fáradás ciklikusan ismétlődő igénybevétel(ek) hatására létrejövő, lokális anyagszerkezet-változás nyomán keletkező mikrorepedésből indul ki, szívós repedésterjedéssel folytatódik, majd (rideg)töréssel fejeződik be. A lokális szerkezetváltozás, illetve mikrorepedés a maximális feszültség helyén, azaz rendszerint az anyag, illetve az alkatrész felületén alakul ki. A fáradt törés létrejötte tehát három szakaszra bontható (1.5/a. ábra). Halmozódó károsodások eredményeként mikrorepedés keletkezik (1. szakasz), ez az ismétlődő igénybevételek hatására szívósan (energiaközlés mellett) terjed (2. szakasz), végül a maradó keresztmetszet ridegen (energiafelszabadulás mellett) törik (3. szakasz). A három szakasz aránya döntően az anyagminőségtől függ. Ridegebb anyagok, illetve termékek élettartamát a mikrorepedések keletkezése és gyors terjedése határozza meg. Szívósabb anyagoknál – mikrorepedés jellegű hibát eleve feltételezve – a második szakasz, azaz a repedésterjesztés nagyobb energiaigénye mérvadó. Egy anyag (illetve termék) fáradásállósága annál jobb, minél finomabb szemcséjű, minél kevésbé tartalmaz külső makroszerkezeti bemetszéseket (éles sarkokat, hirtelen keresztmetszet-változásokat) és belső makroszerkezeti inhomogenitásokat (folytonossági hiányokat, anyagi heterogenitásokat), minél kedvezőbb a felületi feszültségállapota (pl. húzó helyett nyomó) és kisebb a felületi érdessége. A fáradást kiváltó feszültség időbeli változásának (1.5/b. ábra) egyszerűsített leírása, hogy egy σközép középfeszültség „körül” ± σa feszültségamplitúdó ingadozik periodikusan. A feszültség az anyagban alakváltozást okoz, mely lehet tisztán rugalmas, vagy ha az amplitúdó nagyobb, akkor rugalmas-képlékeny. Az ún. nagy ciklusszámú (Wöhler-féle) fáradás (törésig elviselt ciklusszám: Nt >> 104) során az igénybevétel (σmax < Rp0,2), illetve az alakváltozás teljesen rugalmas, és a tönkremenetelt felületi elváltozásokból, hibákból, feszültséggyűjtő helyet jelentő konstrukciós részletekből kiinduló repedés okozza. Ez jellemző pl. a legtöbb forgó gépalkatrész (tengely, csapágy, kerék stb.) fáradására. A törésig elviselt Nt ciklusszámot az alkalmazott (maximális) feszültség függvényében ábrázolva, a kapott diagram (1.5/c. ábra) szerint minél nagyobb a feszültség, annál hamarabb következik be a törés. Ezekben a Wöhler-görbékben – acéloknál – kijelölhető egy σk feszültségérték, az ún. kifáradási határ, amelynél kisebb feszültséget alkalmazva az anyag fáradással nem megy tönkre, azaz elvben végtelen (gyakorlatban 107-nél nagyobb) ciklusszámot is elvisel. Alumíniumnál, polimereknél nincs vízszintes aszimptota, tehát kifáradási határ sem értelmezhető, hanem egy élettartamérték adható meg, ami az adott feszültségszinten (törésig) elviselhető ciklusok száma. 19 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai a) 1.5/a. ábra A mechanikus fáradás jellemzői 20 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai b) c) 1.5/b–c. ábra A mechanikus fáradás jellemzői Meg kell jegyezni, hogy a Wöhler-görbék és a belőlük származtatható kifáradási határ, illetve élettartam nem tekinthető olyan általános érvényű anyagjellemzőnek, mint amilyen pl. a folyáshatár vagy a szakítószilárdság. Ugyanis a fárasztóvizsgá21 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai latok eredményeit sok paraméter befolyásolja: az igénybevételi jelleg (húzó-nyomó, hajlító, csavaró) és mód (lengő, lüktető) mellett a próbatestek geometriája és felületminősége, a mértékadó, illetve megengedett törési valószínűségi szint (1–5%), a ciklikus igénybevétel frekvenciája és amplitúdója, a terhelésfelfutás sebessége, a hőmérséklet és az esetleges korróziós hatás is. Ezért a kapott eredmények elsősorban különböző anyagok fáradási hajlamának összehasonlítására, technológiák fáradásállóságra kifejtett hatásának megítélésére alkalmasak. Szokás ún. fáradási rátát is megadni, mely a kifáradási határ és a folyáshatár hányadosaként értelmezett, mértékegység nélküli szám: f = σk /Rp0,2. A hőfáradás vagy termikus fáradás olyan anyagkárosodás, melynek során a ciklikusan váltakozó ΔT hőterhelés (vagy hő- és mechanikai terhelés) váltakozó képlékeny alakváltozást idéz elő az anyag felületközeli rétegeiben, a külső és belsőbb anyagrészek eltérő és akadályozott hőtágulása következtében. A termikus fáradással szemben ellenállóbb anyagok magas hőmérsékleti szilárdság-szívósság aránya optimalizált, azaz a szívós repedésterjedéssel szemben is megfelelő ellenállást tanúsítanak. Továbbá hővezető képességük és hőtágulási együtthatójuk viszonya olyan, hogy az anyag, illetve a belőle készült alkatrész felülete és belső részei között kialakuló hőmérséklet-gradiens ne okozzon kritikus mértékű hőfeszültségeket. Ezek a követelmények nem (vagy nehezen) valósíthatók meg együtt, ezért a hőfáradásra igénybe vett gyártmányokat (pl. melegalakító szerszámokat) élettartamra (igénybevételi ciklusszámra) méretezik. A hőfáradási vizsgálatok során az anyagban a valós hőciklus hatására kialakuló feszültségállapotot modellezik. Különböző ciklusszámig terhelt próbatestsorozaton megmérhető a kialakult repedéshálózat átlagos mélysége vagy az összrepedéshossz, illetve a keménységcsökkenés mértéke. Ezeket az igénybevételi ciklusszám függvényében ábrázolva a tönkremeneteli folyamat intenzitása jellemezhető. A kritikus ciklusszám pl. az első repedés megjelenéséhez vagy a repedéshálózat meghatározott átlagos mélységének eléréséhez rendelhető. Ennek és egy biztonsági tényezőnek a hányadosából képezhető a megengedett terhelési ciklusszám (1.6. ábra). 1.6. ábra Hőfáradás termikus ciklusa és jellegzetes ciklusszámai 22 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.2. A felületkezelési eljárások szerepe és rendszere 1.2.1. Technológiafejlesztési irányzatok A technológiák és a gyártási eljárások – köztük a felületkezelési módszerek – kiválasztásakor, tervezésekor célszerű tekintettel lenni a korszerű fejlesztési irányzatokra, illetve elvekre, mint pl.: • „Material tayloring”, illetve „inclusion tayloring” (anyag-, illetve zárványtervezés), azaz kihasználni a technológiákban rejlő anyagszerkezet-módosítási lehetőségeket (mechanikus ötvözés, pórusos szerkezet kialakítása, gradiens anyagok, kompozitok), csökkentve a szükséges műveletek számát is; • Gyártás közel a végső alakra, vagyis a készhez közeli állapotot lehetőleg egy (vagy kisszámú) gyártási eljárással közelítsük meg. Ennek révén az elérhető pontosság, felületi simaság legyen megfelelő, a további megmunkálás csak a legszükségesebb felületekre terjedjen ki. Ez a „near net shape technology” elv tehát azt fejezi ki, hogy olyan technológiát (pl. süllyesztékes kovácsolás) alkalmazzunk, mely a végső (kész) termékalakot minél kevesebb időráfordítással, minél pontosabban megközelítve képes produkálni, csökkentve a költséges – de a pontos méretbeállításhoz és a felületi érdesség biztosításához szükséges – forgácsolás mennyiségi igényét; • „Do it well first step”, vagyis elsőre jót produkálni, megfelelő minőségirányítási feltételek biztosításával; • Maximális teljesítmény – minimális költség, azaz a lehető legtöbbet hozzuk ki a termékből egy meghatározott eladási ár mellett. Ha sorrendbe rakjuk teljesítmény/ár szerint a termékeket, korlátozó tényezőt jelent(het) a fizetőképesség (fizetőképes kereslet); • A minimális energiafelhasználás kifejezi, hogy a szerkezeti anyagok szoros kapcsolatban vannak az energiával, amely előállításukhoz, termékké való feldolgozásukhoz, majd hulladékká válásuk utáni kezelésükhöz szükséges. Ökológiai szempontból nem mindegy, hogy mennyi egy anyag, illetve termék fajlagos (tömegegységre vonatkoztatott) energiatartalma, ami kitermelése, előállítása, feldolgozása energiaigényét jelenti. Ugyanis a hagyományos energiahordozókból (szén, kőolaj, földgáz) történő energiakinyerés jelentős környezetszennyezéssel jár. Így a még „tisztának” nyilvánított elektromos energia alkalmazásakor is tekintettel kell lenni arra, hogy az azt előállító szén-, kőolaj- (pakura-) vagy földgáztüzelésű erőmű tetemes levegő- és vízszennyezést okoz. Tehát ez esetben nem közvetlenül a gyárban, hanem az erőműnél lép fel környezetszennyezés, azaz a gyártás szempontjából közvetetten jelentkezik. • A környezetvédelem, újrafelhasználhatóság igényli, hogy környezetkonform irányba fejlesszük az anyagokat, a termékeket, a szolgáltatásokat és az alkalmazott technológiákat. Különösen fontos a károsanyag-kibocsátás csökkentése, az előzőekben már említett energiafelhasználás mérséklése 23 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai és/vagy újrahasznosítható (reciklálható), illetve biológiailag lebomló anyagok alkalmazása. A reciklálási hányad – mint egy 0 és 100% közötti arányszám – kifejezi, hogy mekkora az adott anyagból készült tipikus termékek használat (üzemeltetés) utáni újrahasznosításának szokásos, illetve ésszerű (elfogadható) mértéke az összmennyiséghez képest. 1.2.2. Lokális anyagszerkezet-módosítás Az anyagokat feldolgozó alkatrész- és a szerszámgyártás gyakori dilemmája a két fizikailag ellentétes tulajdonság (keménység ↔ szívósság) arányának kompromiszszumos (szilárdságot is mérlegelő) beállítása, ami gyakran a felületkezelés alkalmazását teszi indokolttá. Ha ezen két tulajdonság, illetve rokonjellemzői koordináta-rendszerében helyezzük el az anyagcsoportokat (1.7. ábra), jól érzékelhető az előbbi megállapítás. Felületkezelő (felületi kérgesítő) eljárásokkal – a helyi (lokális) igénybevételekhez, követelményekhez igazodva – a felülettől a mag (belsőbb anyagrészek) felé változó tulajdonságok hozhatók létre eltérő fázisátalakulások előidézésével és/vagy különböző kémiai összetétel beállításával, minek révén megvalósítható a két fizikailag ellentétes tulajdonság – a keménység (kopásállóság) és a szívósság (törésállóság) – bizonyos fokú összhangja. Felületkezelési eljárások alkalmazása révén tehát kopásálló, megeresztésálló, korrózióálló, reveálló, növelt kifáradási határú vagy éppen dekoratív felületi kérgek, rétegek hozhatók létre, miáltal csak a felületre (kis anyagtérfogatra) korlátozódik a különleges anyag felvitele és/vagy a nagy fajlagos energiabevitel, általában az alapanyag nagyobb hányadának számottevő szerkezet- és tulajdonságváltoztatása nélkül. 24 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.7. ábra Anyagcsoportok alapvető jellemzői 1.2.3. Felületkezelések rendszerezése Az 1.8. ábra bemutatja a felületkezelési eljárások egy lehetséges felosztási rendszerét. Ezen felosztás alapja az, hogy a kezelendő tárgy felületén várhatóan fellépő maximális hőmérséklet meghaladja-e a tárgy anyagának olvadáspontját, vagy nem, illetve idegen anyag (hozaganyag) rákerül-e az alapanyag felületére, vagy nem. Ezek szerint beszélhetünk felületolvadásos vagy felületolvadás nélküli, illetve összetételváltozásos vagy összetételváltozás nélküli felületkezelésről. A további rendezőelv a kezelésre jellemző anyagtudományi jelenség (folyamat), illetve idegenanyag-kötődési mód: alakítási keményedés és/vagy maradó nyomófeszültség kialakulása; allotróp átalakulás és/vagy nemegyensúlyi szövetszerkezet létrejötte; gyors dermedés és/vagy kristályosodási mikroszerkezet-finomodás; illetve fizikai hatások és/vagy adhéziós kapcsolódás; kémiai átalakulások és/vagy diffúziós folyamat; valamint a metallurgiai reakciók és/vagy kohéziós kötés. A felületolvadásos kezeléseken belül a felületi átolvasztás a felolvasztó hegesztéssel, a felületötvözés a felrakó hegesztéssel rokon alapokon nyugszik, illetve azokat hasonló célból alkalmazzák. 25 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.8. ábra Felületkezelési eljárások felosztása 26 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai A 1.9. ábra a felületkezelő eljárások olyan csoportosítási sémáját mutatja, melyben a rendezőelvet a felületi rétegképzést biztosító alapvető hatás (mechanikai, termomechanikai, termikus, termokémiai, kémiai, elektrokémiai, elektrofizikai, fizikai) jelenti. További rendezőelv a kezelendő felület jellegzetes csúcshőmérséklete, azaz a zárt nyolcszögben a felületolvasztás nélküli, míg a két „túlnyúló” szegmensben a felületolvadásos kezeléscsoportok találhatók. 1.9. ábra Felületkezelési eljáráscsoportok 27 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai A 1.10. ábra az ismert energiaforrások felületkezelésekhez való alkalmazhatóságát szemlélteti (a fekete mezők a járatos, a szürke mezők az elvileg lehetséges eseteket jelölik), vagyis az alkalmazott energia eredete szerint megkülönböztethetők: • elektromos ívhőt hasznosítók, melyeknél gázközegben nagy hőmérsékletű kisülés, illetve részben ionizált állapot – normál- vagy plazmaív – hatása érvényesül; • elektromos ellenálláshőt hasznosítók, melyeknél nagy erősségű áram átvezetése (közvetlen betáplálás) vagy nagyfrekvenciás árammal gerjesztett induktor mágneses tere általi örvényáram-indukálás (közvetett betáplálás) a szilárd vagy olvadék állapotú anyagban Joule-hőt fejleszt; • termokémiai reakcióhőt hasznosítók, melyeknél exoterm (hőtermelő) oxidációs vagy redukciós kémiai folyamatok mennek végbe; • termokémiai transzportfolyamatokat aktiválók, melyeknél az anyagokban atomátrendeződéssel (anyagtranszporttal) járó diffúzió vagy oldódás megy végbe; • mechanikai alakváltozás energiáját hasznosítók, melyeknél a jelentős hidegalakítás vagy nagy nyomásimpulzus okozta deformáció mértéke a meghatározó; Energia forrása FELÜLETKEZELÉSI ELJÁRÁS Összetételváltozás nélküli felületkezelés Felületolvadás nélküli Olvadásos felületfelületfelületi átolv. (termikus) szilárdítás edzés -felolv. heg. szórás Összetételváltozásos felületkezelés Felületolvadás nélküli Olvadásos plattírozás termokémiai felületi felületötv. kezelés ráolvasztás felrakó heg. normálív ÍV plazmaív PLAZMA áramELLENÁLLÁS átvezetés áramINDUKCIÓS indukálás oxidáció LÁNG redukció TERMIT diffuzió DIFFÚZIÓS szilárdoldat OLDÓ képződés hidegsajtoHIDEGALAKÍTÁSOS lás nyomásROBBANTÁSOS impulzus mikroULTRAHANGOS súrlódás makroDÖRZS súrlódás elektronsuELEKTRONSUGAgár RAS ionsugár IONIMPLANTÁCIOS monokromaLÉZERES tikus fény polikromaFÉNYSUGÁRZÁSOS tikus fény 1.10. ábra Energiaforrások felületkezelésekhez való alkalmazhatósága 28 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai • mechanikai súrlódás energiáját hasznosítók, melyeknél az összekötendő anyagfelületek menti mikro- vagy makrosúrlódás okozta dörzshatás érvényesül; • részecskesugárzás energiáját hasznosítók, melyeknél elektronok vagy ionok alkotta fókuszolt sugár anyagba ütközése és lefékeződése hőt fejleszt; • elektromágneses sugárzás energiáját hasznosítók, melyeknél fotonok alkotta fókuszolt monokromatikus lézersugárzás vagy polikromatikus fénysugárzás anyagbeli abszorpciója érvényesül. 1.3. Nagy energiasűrűségű hőforrások jelentősége Az alkalmazható eljárások közül egyre inkább előtérbe kerülnek az ún. nagy energiasűrűségű (nagy teljesítménysűrűségű) felületkezelések, melyeknek összetételváltoztatás nélküli vagy összetételváltoztatásos, illetve felületolvasztás nélküli vagy felületolvasztásos változatai egyaránt jól használhatók lokális, azaz csak az arra kijelölt felületrészekre korlátozandó kezelésekhez. A nagy energia- (vagy teljesítmény-)sűrűségű hőforrások – a plazma, az elektronsugár és a lézer – elvét vázlatosan a 1.11. ábra mutatja további három jellegzetes technológiai hőforrással együtt. 1.11. ábra Fontosabb hevítő hőforrások 29 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai Egyébként a nagy energiasűrűségű megmunkálások (megmunkáló eljárások) családjába sok mindent belefoglalnak, így: • a felületi rétegfelvitelt biztosító termikus (láng-, elektromos ív-, plazma-, lézer-, robbantásos) szórást; • az alakadási (alakítási) célú nagy sebességű szerszámos, nyomáshullámos (robbantásos, elektrohidraulikus, mágneses, ultrahangos) megmunkálást; a lézeres termikus hajlítást, egyengetést és forgácsolást, továbbá az integrált lézeres – mechanikus forgácsoló megmunkálást szerszámcseréléssel; • funkcionális (nem csak geometriai) prototípusok gyors előállítására (rapid prototyping) hivatott lézeres litográfiát, szelektív lézeres szinterelést és közvetlen lézeres gyártást; • a felületi rétegek átalakítására irányuló ─ plazmás, elektronsugaras, lézeres, szilárdító, edző, átolvasztó, ráolvasztó, ötvöző eljárásokat (beleértve a különféle célú megmunkáló hengerek felületérdesítését, illetve -texturálását is), ─ ionimplantációt, ─ indukciós és ellenállásos gyorshőkezelést; • anyagegyesítő, illetve anyagszétválasztó (plazma-, elektronsugaras, lézeres) hegesztést, illetve vágást és a nagy sebességű vízsugaras vágást, hozzáértve: ─ az olcsó és gyors alakítószerszám-előállítási módszert, mely lemezből lézerrel kivágott szerszám-„szeletek” egymásra építését jelenti; ─ lézeres hegesztés és vágás, illetve képlékeny alakítás kombinált alkalmazásával végzett prototípusgyártást, sőt szériagyártást (pl. összeszabott autókarosszéria-lemezrészek gyártása és megmunkálása); • továbbá az üvegfémek (fémüvegek) előállítására alkalmas gyorsdermesztő módszereket. Nagy energiasűrűségről (nagy teljesítménysűrűségről) akkor szokás beszélni, ha a fajlagos teljesítmény- (energia-) bevitel meghaladja a 102 W/mm2 = 104 W/cm2 = 108 W/m2-es értéket. Az 1.1. táblázat összehasonlítja néhány ilyen hőforrással végzett hevítés jellegzetes adatait. Az említett határérték azonban nem különíti el jól és egyértelműen a hagyományos, illetve az általában nagy energiasűrűségűként emlegetett hőforrásokat, eljárásokat. Talán ez indokolhatta, hogy bevezették az ultra- (vagy extrém) nagy energiasűrűség fogalmát is, mely már ténylegesen csak a plazmás, de főképp az elektronsugaras és a lézeres eljárásokat jellemezheti, ami számszerűsítve a 104 W/mm2 = 106 W/cm2 = 1010 W/m2-es érték – sugárfókuszolás útján történő – megvalósíthatóságát jelenti. 30 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.1. táblázat. Hőforrások technológiai jellemzői jellemzők hevítési módok ellenállás és impulzushevíhőfejlődés tés a munkadarab- indukciós hevítés ban indukciós impulzushevítés lánghevítés* hőfejlődés elektromos a ívhevítés** hőforrásban plazmahevítés*** elektronsugahőfejlődés ras hevítés hőforrás– munkadarab lézeres hevítés kölcsönhatáslézeres impulkor zushevítés * C2H2+O2 láng **AWI ív teljesítménysűrűség [W/mm2] jellemző hatásfelületkeze- hőforrás időtarlési réteg- hőmérséklet tam mélység [°C] [s] [mm] 101–103 0,01–0,2 0,2–1,0 - 100–2⋅102 0,1–5,0 0,5–2,5 - 101–3⋅102 0,001– 0,5 0,1–2,0 0,05–0,5 - 0,5–3,0 3000–3200 0,1–2,0 4000–5000 0,01–1,0+ 10 000– 20 000 0,01–0,5+ - 0,01–0,5+ - 0,01–0,5+ - 1 2 10 –5⋅10 5⋅100–2⋅102 0,1–1,0 0 3 5⋅10 –10 0,01–0,1 (5⋅100–106) 0,001– 101–107 0,1 0,001– 1 7 10 –10 0,1 0,001– 2 8 10 –10 0,1 ***Ar-plazma + olvasztáskor ennél több is lehet Az 1.12. ábra csak ezeket az ultranagy energiasűrűségű – tehát plazmás, elektronsugaras, lézeres – felületkezeléseket foglalja össze, zárójelben megemlítve az adott eljárások elterjedt angol elnevezéseit is. Az ábrában szereplő szilárd állapotú és olvadék állapotú, illetve termikus és termokémiai kezeléseken kívül egyes szakirodalmak megemlítenek gőz állapotú felületkezelő (lézerrel intenzifikált pirolízises és fotolízises CVD, lézeres PVD stb.) és elektrolitikus (lézerrel gyorsított árammentes bevonó, eloxáló, stb.) eljárásokat is. Az 1.13. ábra pedig még tovább szűkítve (szemléltető vázlatokkal kiegészítve) a lézeres és az elektronsugaras felületedzést, felületi átolvasztást, felületi ráolvasztást és felületötvözést hasonlítja össze. 31 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.12. ábra Ultranagy energiasűrűségű felületkezelések 32 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.13. ábra Lézeres és elektronsugaras felülettechnológiák és hatásuk (acélok esetében) 33 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai Az extrém nagy energiasűrűségű, azaz fókuszolható hőforrások mint koncentrált hőbevitelt biztosító technológiai megoldások fontosabb technikatörténeti vonatkozásai a következők: • A plazmával (ionizált, vagyis elektromosan vezető gázokkal) H. Gerdiennek és A. Lotznak már 1922-ben sikerült kb. 50 000 K állandósult hőmérsékletet elérni. Az első gyakorlati plazmaíves megmunkálóeszköz az 1955-ben kifejlesztett vágópisztoly volt. Felületkezelési célokra 1961-től, hegesztésre 1963tól alkalmazzák a technikai (viszonylag kis ionizációs tényezőjű) plazmát. • Németországban a Siemens cégnél M. von Pirani már 1907-ben szabadalmi jogot kapott az elektronsugarak hőforrásként való alkalmazására, nagy olvadáspontú fémek olvasztására. Elektronsugaras hegesztőberendezéssel 1950-ben Steigerwald végzett sikeres kísérleteket, majd 1958-ban helyezték üzembe a valóban jól használható berendezések első példányait. Főként megfelelő vákuumtechnikai feltételek hiánya eredményezte ezt az 1907-hez képest jelentős „késést”. • A lézer (LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = fényerősítés a sugárzás gerjesztett emissziójával) alapvető tulajdonságait Albert Einstein már 1917-ben felismerte, de csak a mézer (MASER = Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation = mikrohullámú erősítés a sugárzás gerjesztett emissziójával) felfedezése után 1960-ban sikerült az amerikai Theodore Harold Maimannak kísérletileg bizonyítania a mézerben megvalósuló mikrohullámú erősítést impulzusüzemű rubinlézer konstrukcióval az optikai színképtartományban is. 1962 óta foglalkoznak szerkezeti anyagok lézeres megmunkálásának technológiáival. A fókuszolható technológiai hőforrások beállítási paraméterei közül az anyagmegmunkálási hőciklust (termikus anyagtechnológiai folyamatokat) és annak eredményét lényegesen meghatározza: • a sugárteljesítmény: P [W = J/s], • a fókuszolt sugár által érintett anyagzóna – felületi fókuszfolt – jellemző mérete: df [mm], • a munkadarab és a sugár egymáshoz viszonyított relatív sebessége vr [mm/s]. 34 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.14. ábra Nagy energiasűrűségű technológiák paraméterösszefüggései Az 1.14. ábrán látható technológiai paraméter-háromszögből adódnak a nagy energiasűrűségű megmunkálások fő energetikai, illetve energiasűrűségi jellemzői: • a teljesítmény (P) és a relatív sebesség (vr) hányadosa, ami az ömlesztő hegesztésekre is általánosan értelmezett fajlagos hőbevitel vagy szakaszenergia: q = ⎡ J ⎤ ⎢ mm ⎥ . ⎣ ⎦ P vr (1.1) • a teljesítmény (P) és a fókuszfoltméret (df) négyzetének hányadosa, a teljesítménysűrűség, mely tartalmaz egy fókuszgeometria-faktort (Y) is, aminek értéke négyzetfolt esetén 1, köralak esetén π/4 = 0,785: p= P Y ⋅ df 2 = P 2 Y ⋅ df ⋅ v r 0 ⎡ W ⎤ ⎥. ⎢ ⎣ mm 2 ⎦ (1.2) 35 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai • a fókuszfoltméret (df) és a relatív sebesség (vr) hányadosa, az ún. hatásidőtartam, azaz egy felületi anyagi pont fókuszfoltban való tartózkodási ideje: [s ] d th = f vr (1.3) • a teljesítménysűrűség (p) és a hatásidőtartam (th) szorzata vagy másképpen a teljesítmény (P) és a fókuszfoltméret (df) – relatív sebesség (vr) szorzat hányadosa, ami felületi energiasűrűségnek vagy fajlagos planimetrikus energiabevitelnek is nevezhető a mértékegysége alapján: e = p ⋅ th = P P = Y ⋅ df ⋅ v r Y ⋅ df 1 ⋅ v r 1 ⎡ J ⎤ ⎥. ⎢ ⎣ mm 2 ⎦ (1.4) • a teljesítménysűrűség (p) és relatív sebesség (vr) hányadosa vagy másképpen a teljesítmény (P) és a fókuszfoltméret négyzete (df2) – relatív sebesség (vr) szorzat hányadosa, ami térfogati energiasűrűségnek vagy fajlagos volumetrikus energiabevitelnek tekinthető a mértékegysége alapján: e' = p P = v r Y ⋅ df 2 ⋅ v r ⎡ J ⎤ ⎢ ⎥. ⎣ mm 3 ⎦ (1.5) Ez utóbbi kettő jobban kifejezi a technológia „hatását”, mivel mindhárom paramétert együttesen figyelembe veszi, sőt megadható az energiasűrűségnek egyfajta „súlyozott” értéke is (1.14. ábra alsó része), amelyben a fókuszfoltméret (df) és a relatív sebesség (vr) hatása kitevőiken keresztül „korrigálva” szerepel: e* = p ⋅ t h ⋅ Y = P df ⋅ df ⋅ v r = P d f 3 / 2 ⋅ v r 1/ 2 = P d f 1,5 ⋅ v r 0,5 ⎡ ⎤ J ⎢ ⎥ . (1.6) 2 ⎣ mm s ⎦ Az 1.15. ábra néhány termikus eljárás hőforrását hasonlítja össze a hatásidőtartam (th) és a teljesítménysűrűség (p) logaritmusos koordináta-rendszerében. Jól megmutatkozik az elektronsugaras és a lézeres technológiák hagyományos módszerekkel nem „helyettesíthető” sajátossága, a bennük rejlő technikai lehetőségek különlegessége. Az előzőekben meghatározott teljesítménysűrűség, illetve hatásidőtartam logaritmusos függvénykapcsolatának lineáris paramétervonalai a két tényező szorzataként felírható felületi energiasűrűség állandó értékeit jelölik ki. Eb- 36 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai ben az értelemben az 1.16. ábra az elektronsugaras és a lézeres megmunkálási eljárás(változatok) egyes tartományait ábrázolja. 1.15. ábra Termikus eljárások hőforrásainak jellemzői 37 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.16. ábra Elektronsugaras és lézeres eljárások paramétertartományai Viszonylag kis teljesítménysűrűségeknél – melyek hatására még nem következik be a felület menti réteg megolvadása – a gyors melegedés, illetve lehűlés következtében edződés (keménységnövekedés) vagy rekrisztallizáció (kilágyulás) következik be. A teljesítménysűrűség további növelése révén elérhető a munkadarab felületének megolvadása, majd tovább növelve a sugárintenzitást, megindul az alapanyag elpárolgása. Ha a felület könnyen gőzzé váló szennyezőket tartalmaz, akkor lehetővé válik a felület tisztítása is. Lézer esetében az elpárolgott anyagrészecskék abszorbeálják a beeső fényt, elősegítve ezáltal plazmaáttörés kialakulását. A plazmával járó lökéshullám, UV-sugárzás és magas hőmérséklet hatására lehetővé válik a környező atmoszféra atomjainak, ionjainak az alapanyagba való beépülése (szintézis, oxidáció stb.). A gyors hűtés – egy bizonyos küszöbérték meghaladása után – a felület menti réteg üvegesedését, amorfizálódását okozhatja. Az esetek többségében a felületi réteg keménységének lényeges növekedése figyelhető meg, ami a technológiai felhasználás szempontjából elsődleges fontosságú. 38 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai A nagy energiasűrűségű (nagy teljesítménysűrűségű) hőforrásokkal (lézerrel, elektronsugárral) végezhető lokalizált felületkezelésnek két legismertebb anyagbevitel-mentes (ötvözés nélküli) lehetősége allotróp átalakulást mutató ötvözetek – elsősorban acélok – esetében: • felületkezelés szilárd állapotban, azaz átolvasztás nélküli felületedzés; • felületkezelés olvadék állapotban, azaz felületi átolvasztás és azzal járó edzés. Mindkét variáció azonos elven alapul: a besugárzott területen a hőforrás energiájának abszorbeált része hővé alakul, és egy igen rövid időtartamon belül magas hőmérsékletre (ausztenitesítési, olvadási, párolgási stb.) hevül az anyag vékony felületi rétege. Míg az elsőt inkább szerkezeti acélok, illetve gépalkatrészek, a másodikat elsősorban szerszámacélok vagy megmunkáló szerszámok esetében alkalmazzák. A felületi edzéskor és a felületi átolvasztáskor az önedződés és a gyors dermedés következtében a funkcionális szempontból kijelölt, továbbá jól behatárolt és relatíve vékony felületi rétegben kialakuló keménységnövekedés a meghatározó tényező. Ez átolvasztásnál még szemcsefinomodással is párosul. Meg kell jegyezni, hogy felületkezelt rétegsávok (trackek) átfedésekor bizonyos helyeken a fellépő megeresztő hatás keménységcsökkenést eredményez(het). A kívánt célt (csak olvasztás nélküli edzés vagy átolvasztás is) befolyásoló paramétereket, azaz a nagy energiasűrűségű felületkezelés technológiai jellemzőit három jellegzetes csoportba sorolhatjuk, úgymint anyagminőségi, hőbeviteli és sugárminőségi paraméterek. Ez utóbbiak alap- és segédértékei együttesen az ömlesztő hegesztéstől, a segédértékei önmagukban a nagy energiasűrűségű hegesztéstől teszik eltérővé az olvasztásos felülettechnológiákat. Ezen paraméterek rendszerezett áttekintését teszi lehetővé az 1.2. táblázat. Az alkalmazható nagy energiakoncentráció tehát igen rövid hevítési periódust és nagy hőmérséklet-gradienst eredményez az „exponált” felületi zónában. A hűlési periódusban a hőáram a munkadarab össztérfogatához képest csekély kiterjedésű hevített zónából a hőmérséklet-gradiens irányának megfelelően a hideg(ebb) alaptestbe irányul. Ez az „önhűtési” folyamat az anyag hővezetési tényezőjétől függően rendkívüli hűlési sebességet biztosít, az acélok átalakulási hőmérsékletei eltolódnak, a fázisátalakulást szenvedő anyagmennyiség megváltozik. A munkadarab egészéhez képest alacsony termikus terhelés csekély méret- és alaktorzulást eredményez, általában utánmunkálási igény nélkül. A nagy teljesítménysűrűségű elektron- és lézersugaras hőforrások és a velük végzett felületkezelések további jellemzői: • gyorsan ki-be kapcsolhatók, pontosan, tehetetlenség nélkül, kontaktusmentesen adott helyre és mélységre (bonyolult geometriák követésére) pozícionálhatók; • az egyébként nehezen hozzáférhető kezelési helyek is egyszerűen elérhetők (a sugárforrás–munkadarab távolság nincs szűk tartományra korlátozva); • pontosan beállítható és jól ellenőrizhető a fókuszpozíció és a fókuszméret, illetve a kezelésisáv-követés; 39 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.2. táblázat. Nagy energiasűrűségű felületkezelés technológiai jellemzői szükséges alapparaméterek lehetséges segédparaméterek anyagminőségi paraméterek alapanyag – kémiai összetétel, karbon, illetve ötvözőegyenérték (C, ΣÖi, Ce, Öe) – hőfizikai jellemzők (λ,a,L; Top,(Ts, Tl); Trekr,A1,A3) – geometriai jellemzők (alak, méretek, felülettopográfia) – kiinduló állapot (szemcsenagyság, szövetszerkezet) hozanyag – összetétel (ötvözők, szenynyezők) – finomság (szemcseméret, méretoszlás) – felviteli mód (kezelés előtt, kezelés közben) – réteggeometria (vastagság, pórusosság) energiabeviteli paraméterek közvetlen hőbevitel – teljesítmény (névleges, maximális) – effektív érték (hatásfok, abszorbciós tényező) – üzemmód (folyamatos, szakaszos) – relatív sebesség (mozgó sugár, mozgó munkadarab) közvetett hőbevitel – totális előmelegítés (egész munkadarabra,T0, mód) – lokális előmelegítés (következő rétegsávra, T0*) – lokális utóhőntartás (elöző rátegsávra, sávátfedés) – totális utóhőntartás (egész munkadarabra, TU, mód) sugárminőségi paraméterek sugárkoncentrálás – fókuszolt (méret, alaktényező) – munkatávolság, fókuszpozició (fókuszáram, defókusz) – sugárprofil, módusszerkezet (energiaeloszlás, polarizáció) – környezeti közeg és nyomás (vákuum, védőgáz) sugáreltérítés – kezdőpozició (statikus sugárelpozicionálás) – pályaalak (dinamikus sugármozgatás) – amplitúdó (dinamikus sugármozgatás) – frekvencia, ciklusidő (dinamikus sugármozgatás) • a teljesítmény nagy pontossággal szabályozható (csak az melegszik, amit kezelni akarunk), de az elérhető kezelési mélység limitált; • könnyen (tisztán elektronikus úton) valósul meg a folyamatszabályozás (a folyamatparaméterek egyszerűen, flexibilisen, gyakran fokozatmentesen változtathatók, adott berendezésnél jól reprodukálhatók), a kezelési ciklus gyorsan ki-be kapcsolható, illetve jól automatizálható (minden eljárásparaméter számítógéppel vezérelhető); • a folyamatos mellett impulzusos üzemmód is lehetséges; • a kisebb hőbevitel, illetve kisebb termikus igénybevétel következtében a munkadarab nagyobb tömege hideg rugalmas állapotban marad, keskenyebb hőhatásövezet jön létre, kisebbek a deformációk és a méretváltozások, lehetővé válik előzetesen hőkezelt, illetve hőérzékeny állapotú anyagok felületkezelése is; • a vákuumos, illetve a védőgázas kezelésnél sima, tiszta, szennyezés-, oxidáció- és ötvözőkiégés-mentes felület érhető el különösebb utómunkálási igény nélkül; • a nagyobb alkalmazható kezelési sebesség révén kisebb a főidő, nő a termelékenység, viszont magasak a beruházási és az üzemeltetési költségek, így jó kihasználtsági fokra kell törekedni a meglévő berendezésnél; • a „láthatatlan” sugárveszély egészségkárosító hatása ellen biztonsági eszközökre, illetve intézkedésekre van szükség. 40 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai 1.3.1. Lézer Közzel fél évszázada a lézer felfedezése új távlatokat nyitott számos tudományágban. Az első évtizedben elsősorban laboratóriumi körülmények között kezdődtek meg a lehetséges alkalmazások feltérképezései. A második évtized már hozott jó néhány vitathatatlan eredményt a méréstechnikától egészen a távérzékelésig, míg a harmadik évtizedben a lézer az ipari eszközök rangjára emelkedett. Azóta alkalmazása egyértelműen nagy perspektívát jelent, a kiépült és a fejlesztés alatt álló technológiai háttér révén a tömeggyártásban való alkalmazása is gazdaságossá válik. Az ipari gyakorlatban leggyakrabban a 10,6 μm hullámhosszú CO2- (CO2+N2+He) és a 1,06 μm hullámhosszúságú Nd:YAG = (Nd3+:Y3Al5O12) lézereket használják leginkább, mivel az ezek által kibocsátott fény az infravörös tartományba esik, s ezt a megmunkálható anyagok többsége jól abszorbeálja. A lézersugárzást alkotó fotonok a kezelt felületről részben visszaverődnek, részben elnyelődnek. Ez utóbbiak energiájukat a megmunkálandó anyag atomjainak, illetve molekuláinak rezonanciafrekvenciájukon történő gerjesztéssel adják át. A fotonok behatolási mélysége igen csekély, így a jelentős mélyhatást a koncentrált energia hővezetés útján való terjedése okozza. Természetesen a kezelés közvetlen helyétől távolodva a felhevült részek a külső környezet felé hőt adnak le. Ha a lézersugár intenzitása elegendően nagy, és a relatív mozgási sebesség nem túl gyors, akkor a lézersugár közepén a munkadarab bizonyos vastagságában fémgőz keletkezik, és gőzzel telített csatorna alakul ki. Ebben a gőzcsatornában a sugárteljesítmény jelentős része vagy a plazmaképződés miatt, vagy a Fresnelmechanizmusnak megfelelően a csatorna falán kialakuló abszorpció miatt és a többszörös visszaverődés folytán – amely a gőzcsatornát mint egy fekete testet működteti – elnyelődik. A nagy teljesítményű lézersugár – szemben az elektronsugárral – vákuum nélkül is nagy energiasűrűséget biztosító, térben és időben koherens, kis divergenciájú monokromatikus fénynyaláb, mellyel bármilyen optikailag elérhető felület megmunkálható. A lézersugárforrások hatásfoka viszonylag alacsony, ezért a lézeres megmunkálási folyamatok hatékonyságát döntő mértékben befolyásolja az elnyelt energiahányad. Minél nagyobb hatékonysággal tudjuk elnyeletni az anyagfelületre érkező energiát, annál gyorsabban és gazdaságosabban tudjuk a lézeres kezeléseket megvalósítani. Az elnyelt energia mennyisége nagyon sok tényezőtől függ, amelyek közül a legfontosabbak: a lézersugár teljesítménysűrűsége, módusszerkezete, a besugárzott felület abszorbeáló képessége. Az indukált emissziós folyamattal keltett elektromágneses tér bizonyos megengedett konfigurációk (módusok) felvételére kényszerül a peremfeltételeknek (csőátmérő, tükörablak, rezonátorerősítés, lézeranyag-inhomogenitás, pumpáló teljesítmény) megfelelően. Mivel az ideálistól eltérően általában több átmenetből keletkezik a lézerfény – beleértve az egynél több axiális hullámból keletkező longitudinális, illetve a különböző keresztmetszeti intenzitáseloszlású transzverzális (TEM) módusokat –, így kisugározva bizonyos kitüntetett eloszlásokban lép ki, egyszerűbb vagy bonyolultabb alakzatokat felvéve. A módusszerkezet osztályozása a 41 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai terjedési irányra merőleges síkban látható kimeneti eloszlásképen alapul. A Transzverzális ElektroMágneses (TEM) módusszám jelölése (indexelése) e síkban lévő két merőleges tengelyen található zérushelyek számával történik, azaz a módusszámok eggyel kisebbek. mint a „fényes” zónák számai. A legegyszerűbb, jól fókuszolható, Gauss-energiaeloszlású TEM00-módus, illetve -sugár a még jobb fókuszolhatóság érdekében instabil rezonátorral továbbformálható. A felület abszorbeáló képességét (abszorpciós tényezőjét) befolyásolja az anyag fajtája, felületi minősége (topográfiája, érdessége stb.). A kezelendő munkadaraboknak rendszerint adott az anyaga, felületi mikrogeometriája, így ezeket az abszorbeáló képesség szempontjából – az esetek többségében – nem tekintjük változtatható paramétereknek. Célszerű tehát valamilyen jó abszorpciós tényezővel rendelkező vékony bevonati anyag (fekete festék, grafit, foszfátréteg stb.) felvitele kezelés előtt. Mivel egyes anyagok kezelése csak előmelegített állapotban lehetséges, ezért a munkadarab kiindulási hőmérsékletéhez is igazodni kell a megfelelő abszorpciós bevonatanyag kiválasztásakor. A lézersugár mint monokromatikus (egyszínű) elektromágneses energianyaláb igen jól és pusztán optikai eszközökkel terelhető tetszőleges megmunkálási helyre. A jó fókuszolhatóság, illetve a nagy teljesítménysűrűség érdekében ugyan nincs szükség vákuumra, de bizonyos anyagok, ötvözetek nagy megmunkálási tisztaságot igényelnek, ezért az atmoszferikus (védőgázas) mellett részleges vákuumú vagy nagyvákuumú eljárásváltozatokat is alkalmaznak. A lézeres kezelés kis hatásfoka ellenére az egyik legflexibilisebb eljárás. Adott anyagminőség és adott sugárteljesítmény esetén a kezelt anyagréteg alakját elsősorban a teljesítménysűrűség és azon belül is a teljesítményeloszlás (stacioner sugár esetén többnyire Gauss-eloszlás) szabja meg. A réteggeometria tehát a teljesítménysűrűség és a teljesítményeloszlás változtatásával szabályozható, ami egyenértékű a hőciklus szabályozásával. E szabályozás három legelterjedtebb módszere a következő: • A sugár defókuszálása (szélesítése) a stacioner sugárral való kezelés egyik módja. Ennek célja keskeny és mély hegesztési varrat helyett korlátozott mélységű és adott szélességű felületolvasztott vagy felületedzett anyagsáv(ok) létrehozása. • A sugár oszcillálása (lengetése, rezgetése) a sugár dinamikus eltérítését jelenti. A hőciklus az eltérítés pályájától, irányától, frekvenciájától és amplitúdójától függ. E dinamikus eltérítéskor a hőeloszlás a munkadarabon már nem Gauss-eloszlású. • A sugár pulzálása (szaggatása) elektronikus úton – a sugár be-ki kapcsolásával – impulzusos kezelést tesz lehetővé. Az impulzus frekvenciájának és kitöltési tényezőjének megválasztásával elérhető, hogy a sugárszaggatás ellenére a kezelt anyagsáv folyamatos maradjon. Míg a sugár defókuszolása és lengetése a hőbevitel bizonyos mértékű növelése révén a munkarendet lágyabbá teszi, addig az impulzustechnika célja a munkarend még keményebbé tétele az effektív hőbevitel csökkentésével. Ezzel a kezelt anyagsáv vi- 42 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai szonylagos szélessége – a folytonos sugárral elérhető mérethez képest – tovább csökkenthető. A lézerek fontos működési paramétereivel kapcsolatban a következő további szempontoknak kell figyelmet szentelni: • Hullámhossz: az indukált emissziós lézerfolyamatban részt vevő átmenetek energiakülönbségétől és az optikai üreg (rezonátor) rezonanciahullámhosszaitól függ. A megmunkálandó anyag abszorpciós (elnyelési) tényezőjét befolyásolja, hogy a hullámhossz az optikai tartomány melyik részére esik. A gyakorlatban elterjedt CO2-lézereknél a 10,6 μm az infravörös, Nd:YAG-, illetve Nd:üveg-lézereknél az 1,06 μm a közeli infravörös tartományba esik. Ez utóbbit a fémek jobban abszorbeálják. • Polarizáció: a lézer mint fénysugár viselkedése a fény terjedési irányára merőleges, egymással derékszöget alkotó elektromos és mágneses rezgések fogalmával írható le. Egy sugár akkor síkban poláros, ha az elektromos rezgés csupán egy síkban történik. A lézer kimenete lehet polarizált vagy nem polarizált, sőt polarizált sugárnyalábot a nem polarizáltból is létre lehet hozni megfelelő polarizáló anyagok, prizmák alkalmazásával, de ez együtt jár a kimeneti intenzitás csökkenésével. Ha a polarizáció síkja párhuzamos a kezelés irányával, akkor nagyobb, ha merőleges, akkor kisebb relatív sebesség engedhető meg a megfelelő réteggeometria érdekében. Lineáris polarizáció (nem forgó polarizációs sík) esetén a felületkezelés iránya (polarizációs szög) pontosan tartandó, cirkuláris polarizáció (forgó polarizációs sík) esetén tetszőlegesen megválasztható. • Abszorpciós tényező: a lézersugár és az anyag találkozásakor a sugárzás egy része visszaverődik, más része elnyelődik. Az elnyelődés mértéke alapvetően a sugárzás hullámhosszától és az anyag minőségétől függ. Pl. az acélok rossz abszorpciója a CO2-lézer 10,6 μm hullámhosszán azáltal jön létre, hogy a reflektáló képesség ebben a hullámhossztartományban az elektromos vezetőképességgel növekszik. Az olvadáspont alatti hőmérséklettartományban a fémek elnyelőképessége, abszorpciós tényezője kicsi. Az olvadék- és gőzállapotban, továbbá speciális bevonat alkalmazásakor viszont jelentősen megnövekszik. Mivel pl. a lézeres edzés és az olvasztás előtti felmelegedés általában szilárd állapotban történik, célszerű tehát a munkadarabok felületének elnyelési tényezőjét különböző bevonatok segítségével megnövelni. A legelterjedtebben a grafitot, a magnézium- és cinkfoszfátot, molibdén- és vas-szulfidot alkalmazzák spray, illetve lakk formájában, mivel nagy elnyelőképességet eredményeznek különböző hevítési sebességek esetén is, továbbá a bevonat jól reprodukálható. Az abszorpciós bevonatok vastagságának megválasztásánál figyelembe kell venni: a túl vékony bevonatot a lézer könnyen roncsolja, s ezután a fém újra tükröz; túl vastag bevonat esetén pedig sok teljesítményt emészt fel ennek a rétegnek a „fűtése”. Az optimális rétegvastagság általában 0,065–0,1 mm tartományba esik. Az abszorpció a hullámhosszon és az elnyelő anyag fajtáján kívül nagymértékben függ a sugárzás beesési szögétől és polarizációjától is. Így a CO2-lézer su43 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai gárzásának abszorpciója olyan polarizáció esetén, amelynél az elektromos tér vektora a beesési síkban (az elnyelő felületre vonatkoztatott merőleges és a sugártengely beesési iránya által meghatározott síkban) helyezkedik el, növekvő beesési szögnél megnő, és acélok esetében 80–85°-os beesési szögnél eléri kb. 80%-os maximumát (ilyenkor a beesési szög és az ún. Brewster-szög megegyezik egymással). Abban az esetben, amikor a polarizáció a beesési síkhoz képest merőleges, az abszorpció viszonylag kicsi marad. Az optimális beesési szög és a belőle származtatott abszorpciós maximum anyagjellemzőktől (pl. az elektromos vezetőképességtől) is függ. Az abszorpciós együttható fémek esetében az elektromos vezetőképességgel fordítottan, azaz az elektromos ellenállással egyenesen arányos. Mivel a fémek ellenállása a hőmérséklettel növekszik, a CO2-lézersugár annál jobban elnyelődik, minél magasabb a munkadarab kiindulási hőmérséklete. Arra is tekintettel kell lenni, hogy a hőmérséklet a felületkezelési folyamat alatt bevitt hő miatt változik. Ha a folyamat hosszabb ideig tart, akkor a felületkezelési sáv végén nagyobb hatásmélység adódik, mint a nyomvonal elején. A fémek hevítésekor ún. futtatási színek figyelhetők meg, amelyek a lézersugár előtt és mellett rögtön megnövelik az abszorpciót. Ha a felületi érdesség az alkalmazott hullámhossz tartományába esik, akkor egyébként változatlan paraméterek mellett megnő az abszorpció. Ha az érdesség nagyobb a hullámhossznál, akkor a sugárzás a többszörös visszaverődés miatt még erősebben elnyelődik. Megállapítható, hogy az abszorpciós együttható a legfontosabb lézertechnológiai jellemzők közé tartozik, viszont meghatározása az előzőekben említettek miatt meglehetősen sok bizonytalansági elemet tartalmaz. (Felületkezelés előtt feltétlenül fontos a rozsdától, revétől, kenőanyag-maradékoktól való gondos megtisztítás is.) • Védőgáz: egyik feladata az, hogy az éppen kezelés alatt álló felületet a környező atmoszféra hatásaitól megvédje, a másik az, hogy a lézeroptikát a keletkező gőzöktől, a fúvókát a túlhevüléstől óvja. E feladatokhoz viszonylag kis gázáramlás elegendő. Mivel a védőgázáram érintkezésben van a kezelési sávval, ez bizonyos hűtőhatást eredményez, befolyásolva a kezelési mélységet. Az ismételhetőség érdekében mindig ugyanazon gázhozzávezetési megoldást kell alkalmazni. A védőgáznak jó hővezető képességűnek kell lennie, továbbá nem szabad ionizálódnia (nagy ionizációs feszültséggel kell rendelkeznie), nehogy a lézersugarat visszaverő plazma alakuljon ki. A legjobb megoldást kínáló, de túl drága hélium helyett megfelel az argon is, sőt néhány esetben a nitrogén és a szén-dioxid is szóba jöhet. A lézeres anyagmegmunkálás tehát sok, időnként változó paramétertől függ. Még ha az anyagminőség és munkadarabok méretei abszolút állandóak is – amit az ipari gyakorlatban nem lehet biztosítani –, a folyamatparaméterek változása bekövetkezik a hosszabb megmunkálási időszakok alatt. Ennek következtében mindig állandó minőség csak korlátozott körülmények (feltételek) mellett szavatolható. Ennek oka az optikai rendszerben mechanikailag és hőtanilag okozott változások, az optikai elemek szennyezettsége és elöregedése, a működő (működtető) 44 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai gázt továbbító csőfej kiégése vagy szennyezettsége, a rögzítőelemek kopása, eltérései, hatások az elektromos ellenőrző rendszerben stb. Továbbá az intenzív lézerfény és az anyag kölcsönhatása fizikai értelemben dinamikus folyamat, amelynél a sugárzás-visszaverődés következtében „feedback” (visszatáplálás) történhet a lézerrezonátorba, melynek eredménye a lézerfényintenzitás-eloszlás ingadozása lehet. 1.3.2. Elektronsugár Elektronsugarak katódból kilépő, kis kezdeti energiájú elektronok elektrosztatikus mezőben való felgyorsításával állíthatók elő. Az elektrosztatikus tér a nagy pozitív potenciálú anód hatására alakul ki. A kezdetben párhuzamosnak feltételezhető sugár nagy vákuumban az elektronáram-sűrűség növekedésével tágulást mutat, ami az azonos töltésű elektronok közötti Coulomb-erő okozta ún. negatív tértöltés hatása. Ez az elektronsugárzó geometriai kialakításával a gyorsítási szakaszon, illetve részecskékkel való ütközéssel a gyorsítás utáni szakaszon kompenzálódik. A termikus katód által biztosítható telítési elektronáram-sűrűség a hőmérséklettől függ. Kis teljesítmény esetén a katód közelében negatív előfeszültségű vezérlőelektród található, amellyel állandó gyorsítófeszültség mellett a sugáráram változtatható. Vezérlőelektródával ellátott háromelektródos rendszerben sugárformálás, illetve sugárkeresztezés („cross-over”) jön létre. Itt a legkisebb a sugár keresztmetszete és legnagyobb az áramsűrűsége. A fókuszolórendszer feladata e keresztmetszet leképezése élesen a munkadarab felületére, mely elektrosztatikus vagy mágneses lencsék segítségével valósítható meg. Az elterjedtebb mágneses lencsék tekercsein átfolyó áram változtatásával a képtávolság (fókuszfolt-pozíció) könnyen beállítható, és ezáltal a sugár-teljesítménysűrűség változtatható, de nagy értéke csak vákuumban biztosítható, különben az elektronsugár szétszóródik. Az elektronsugarat elektrosztatikus vagy mágneses eltérítőtér segítségével irányítani is lehet két koordinátairányban, lehetővé téve a bonyolultabb pályakövetést, illetve a lengetést. Elektronsugaras anyagmegmunkáláskor a munkadarabbal ütköző sugár energiamegoszlása a következő: • általában 70%-nál nagyobb energiahányad az anyagban hőfejlesztésre ténylegesen felhasznált energiarész, ez az érték a sugárzótér részecskesűrűségének (gáz, gőz, plazma) növekedésével romlik; • rendszerint 30%-nál kisebb energiahányad a munkadarabról rugalmasan viszszaverődő elektronok okozta energiaveszteség, ami a munkatér parazita melegedését okozza; • 1%-nál kisebb energiarész röntgensugárzássá, főként fékezési sugárzássá alakul, mely nagy elektronenergia esetén a kezelőszemélyzetet veszélyeztetheti; • létező, de elhanyagolható mértékű veszteség a munkadarabon szekunder elektronemissziót vált ki, ami vezérlőhatásként felhasználható; 45 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai • a sugárzótér részecskesűrűség-értéke és -eloszlása által meghatározott energiarész a gőz- és gázrészecskékkel és töltéshordozókkal kölcsönhatásba lépő elektronok hatása, mely hasznos is lehet a negatív tértöltés kompenzálása szempontjából. Az előzőekből következik az elektronsugaras megmunkálások jó hatásfoka. Az elektronsugárral bombázott anyagba az elektronok ún. közvetlen behatolási mélysége mindössze néhányszor tíz mikrométer, ennek ellenére igen mély és keskeny hegesztési ömledék, illetve varrat is létrehozható a nagy teljesítménysűrűségű sugár fókuszfoltja alatt. Az elektronsugaras anyagmegmunkálás technológiai paraméterei: • az időegység alatt a munkadarab felületéhez jutó elektronok számát meghatározó sugáráram, melynek növelése adott gyorsítófeszültség esetén a beolvadási mélységet növeli; • a munkadarab felületéhez érkező elektronok sebességét meghatározó gyorsítófeszültség, melynek növelése adott sugáráram mellett a sávmélység és a sávszélesség viszonyszámát növeli; • az elektronnyaláb koncentrációjának fokát a munkadarab felületén meghatározó fókuszáram, mely adott teljesítményszint és munkatávolság mellett a fókuszfolt átmérőjét szabályozza; • a koncentrált elektronnyaláb és a munkadarab adott térfogatának kölcsönhatási időtartamát meghatározó relatív hegesztési sebesség, melynek növelése adott teljesítményszint esetén a sávmélységet és sávszélességet csökkenti; • a munkadarab környezettisztaságát és reakcióképességét meghatározó kamranyomás; • az elektronsugár munkadarab-környezettel való kölcsönhatásának idejét meghatározó munkatávolság. Az első két paraméter a sugárteljesítményt, illetve az első három a teljesítménysűrűséget határozza meg. A sugárteljesítmény és a kezelési sebesség pedig a fajlagos hőbevitelt. A munkatávolság (az elektromágneses lencse fősíkja és a munkadarab felülete közötti távolság) a fókuszáramot teszi egyértelművé. Valamennyi paraméter hatással van a beolvadási mélységre. A kezelt sáv alakja befolyásolható a sugár eltérítésével, illetve lengetésével is, valamint impulzustechnikával a termikus folyamat munkarendje keményebbé tehető. Egy konkrét esetben az elektronsugaras technológia főbb műveletei a következők: • előkészítő műveletek: munkadarabok tisztítása, demagnetizálása (nemkívánatos sugáreltérülés megelőzése), esetleg előmelegítése, beállítása, rögzítése; • technológiai paraméterek megválasztása és beállítása (anyagminőség és vastagság, illetve berendezésadatok [Ugy, Pmax] ismeretében): munkatávolság → fókuszáram, kezelési sebesség → sugáráram; • szükséges kamranyomás elérése; • sugárpozícionálás kis teljesítménnyel; 46 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai • technológiai ciklus végrehajtása; • belevegőzés a kamrába vagy lassú hűtés vákuumban, esetleg utóhőkezelés. Az elektronsugárnak nincs saját hőmérséklete, így az 1200–1400 °C-ra felhevített katódból kilépő elektronok 108 m/s nagyságrendű – vákuumban nagy gyorsítófeszültséggel elérhető – sebessége révén nyert nagy kinetikai energia hasznosul az anyagmegmunkálás során. A megmunkálandó felülettel ütköző sugárnyaláb kisebb része visszaverődik a felületről, nagyobb része egy vékony rétegbe behatolva lefékeződik, elnyelődik, és energiáját átadja a munkadarab anyagi részecskéinek. Az elektronsugaras eljárásokra jellemző nagy tisztaság és teljesítménysűrűség a vákuumtechnikának köszönhető, ám a vákuumkamra méretei behatárolják a kezelhető darab méreteit, illetve a vákuum létrehozásának időigénye csökkenti a berendezés kihasználtsági fokát és a termelékenységet. A nagyobb termelékenység, a jobb kihasználtsági fok elérése indokolta a nagyvákuumos mellett a középvákuumos és a nemvákuumos eljárásváltozatok megjelenését, bizonyos kompromisszumok árán. 1.3.3. Plazma A plazma az anyagok harmadik és negyedik (azaz a semleges gáz, illetve a teljesen ionizált) halmazállapota közötti átmeneti állapot. Az ionsűrűség és az összes részecskesűrűség hányadosa – az ionizációs tényező értéke – alapján két jellegzetes plazmatartomány különböztethető meg: • nagymértékben ionizált, ún. fizikai plazmák, melyek ionizációs tényezőjének értéke megközelíti az egyet, és hőmérsékletük tízmillió ºC nagyságrendű (pl. magfúziónál); • kismértékben ionizált, ún. technikai vagy technológiai plazmák, melyek ionizációs tényezőjének értéke kisebb 10–4-nél, és hőmérsékletük 5000– 50 000 ºC közötti (pl. anyagmegmunkálásnál). A technológiai gyakorlat szempontjából tehát az utóbbi plazmatípusnak van jelentősége, amely tulajdonképpen molekulák, atomok, ionok és elektronok keveréke. Ha a plazma termodinamikus (hőnek és más energiafajtáknak kölcsönös átalakulását tekintve) egyensúlyi állapotban van, akkor a plazmában található összes részecske közepes hőmérséklete azonos, és ezen állapot hatására kedvezően alakul a hevítendő anyagra történő hőátvitel. A plazma az elektronsugárhoz és a lézerhez viszonyítva kevésbé flexibilis (kötöttségmentes alkalmazhatóságú) hőforrás, azaz gyors mozgatása, pontos pozícionálása (pl. bonyolult geometriák követésénél), valamint energiájának, illetve keresztmetszetének gyors változtatása nehézkes. Viszont a plazma részecskéinek igen nagy energiaszintű (1–106 eV) állapota révén érhető el a nagy hőmérséklet. Megfelelő égőfejjel, jó „fókuszálással” 106 W/cm2 teljesítménysűrűség is elérhető a megmunkálandó felületen. Sőt a hevítési sebesség impulzus üzemmódban (10–5– 10–6 s impulzusidővel), nagy kiáramlási sebességgel (5·103–3·104 m/s) tovább fokozható, forráspontig történő melegedés 10–6–10–5 s alatt is elérhető. 47 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai Valamely gáz plazmává alakításához, azaz a gáz ionizálásához (elektronjának „leszakításához”), elegendően nagy energia hozzávezetése szükséges. Ennek egyik lehetséges módja két elektróda között égő nagy hőmérsékletű ív, ami fújja a gázt, és közben átadja a szükséges energiát. A gáz többszörös ionizálásához (pl. N→N+→N++ vagy Ar→Ar+→Ar++→Ar+++) nagyobb energiára van szükség, de ehhez nagyobb plazmahőmérséklet is társul. Ipari alkalmazásoknál – a kívánt hőátadás létrejötte szempontjából – fontos jellemző a plazma hő(energia)tartalma, fajlagos elektromos ellenállása és hővezető képessége is. Mivel a többatomos (molekuláris) gázokat ionizálás előtt általában disszociálni (atomjaira bontani) kell, energiatartalmuk nagyobb, mint az azonos hőmérsékletű egyatomos gázoké, viszont nehezebb előállítani pl. nitrogénplazmát, mint argonplazmát. Ugyanakkor a kétatomos gázok hővezetési tényezőjének – a molekuladisszociáció tartományában – egy kiugró maximuma van, ami szilárd anyagok olvasztása esetén jobb hőátadást eredményez. Ám a nagyobb disszociációs fok eléréséhez kisebb hővezetőképesség szükséges, nehogy a részecskék energiája gyorsan a környezetnek adódjon át, és ezáltal a munkadarabba kisebb hányad jusson. A technológiai plazmát létrehozó ív katódja (negatív pólusa) oxiddal ötvözött volfrámelektróda, anódja (pozitív pólusa) pedig egy gyűrű alakú, vízhűtéses rézfúvóka vagy a munkadarab. Az első esetben nem átvitt ívről, vagyis plazmasugárról, a második esetben átvitt ívről, vagyis plazmaívről beszélünk. A helyi elektródabeégés csökkentésének (élettartam-növelésének), azaz az ívtalppont áthelyezésének egyik módja axiális irányú mágneses tér alkalmazása, amelynek hatására az elektromos ív pörögni kezd. Másik lehetőség a plazmagáz érintőleges bevezetése és ezáltal pörgő-örvénylő ív- és gázmozgás kialakítása (Vortex-hatás). Kísérletek tanúsága szerint a teljesítménysűrűség szabadon égő ív és 200 A feletti áramerősségek esetén már kevésbé változik. Az átvitt hőfluxus sűrűségének, a gázsebességnek és a hőmérsékletnek a növelésére a fúvókával szűkületet kell létrehozni az ívben. A plazmaív módosítható a plazmagáz és a védőgáz összetételével, térfogatáramával, hideg plazmagáz vagy fókuszáló gáz alkalmazásával. A fúvóka intenzív hűtése az ív további szűkítését eredményezi. Lamináris (párhuzamréteges) plazmaáramláshoz általában nagyobb teljesítményre van szükség, mint a turbulenshez (örvényléseshez), viszont ez utóbbinak kedvezőtlenebb a hőmérséklet-eloszlása. Egy plazmaberendezés fő egységei a következők: • Plazmaégőfej: a feladattól függően különböző terhelhetőségű és alakú lehet. Egyenes polaritású max. 225 A-rel, gépi fej max. 500 A-rel terhelhető folyamatosan. Fordított polaritással tartósan csak néhány plazmafej használható, mivel ehhez vastag és különlegesen jól hűtött elektróda szükséges. • Elektróda: max. 2% tórium-, esetleg cirkónium- vagy lantán-oxid ötvözésű volfrámból készül, mely egyenes polaritás esetén kúpos (20–60º), fordított polaritás esetén félgömb végződésű. Méretét az áramnem és az áramerősség határozza meg. 48 EME 1. A felületkezelés alkalmazási szempontjai • Plazmafúvóka: többnyire rézből készül, és a nagy hőterhelés miatt közvetlenül vagy közvetve hűthető. Mérete elsősorban az áramerősségtől és a plazmagáz mennyiségétől függ. • Áramforrás: a főív áramforrása az esetek többségében fokozat nélkül állítható eső statikus jelleggörbéjű, egyenáramú (DC). Üresjárati feszültsége 65–80 V, esetenként a 100 V-ot is meghaladhatja. Bizonyos alkalmazásokhoz célszerű az olyan áramforrás telepítése, mely rendelkezik áramprogram, illetve gázáramlás-változtatás lehetőségével, egyenáram-pulzálás (Ia, Ii, ta, ti), valamint polaritásváltoztatás (Iep, Ifp, tep, tfp) lehetőségével. A negatív polaritású elektródával létrehozott segédívet (2–10 A) vagy önálló áramforrás, vagy a főív áramforrása áramkorlátozó ellenálláson keresztül táplálja. • Beállító- és vezérlőegység: általában az áramforrásban van elhelyezve (de lehet külön is), mely az áramerősség–idő programok beállítása, illetve végrehajtása mellett ellátja a plazma-, a védő-, és esetenként a harmadik plusz (fókuszoló) gázt adagoló szelepek működtetését, valamint a segéd- és főív gyújtórendszerének vezérlését is. • Hűtőkör: leggyakrabban az áramforrásba van beépítve (de lehet kívül is), melyhez a plazmagenerátor szűk csatornáiból eredő nyomás és a nagy víztisztasági igény miatt hálózati víz nem használható. Plazmagázként gyakran argont használnak, mely semleges jellege révén sem az elektródával, sem a fúvókával, sem a hegfürdővel nem lép kémiai reakcióba. Oxidáció elleni védőgázként ugyancsak argont használnak, esetleg néhány százalék (5–8%) hidrogénnel keverik, ami elősegíti a plazmaoszlop összeszűkülését. Esetenként héliumot is alkalmaznak a védőgázkeverékben vagy önállóan. Az áramerősség értékénél 100–300 A (500 A) a szokásos tartomány. Az impulzustechnika előnye, hogy a megfelelő eredményt nyújtó technológiai adatok sávja lényegesen szélesebb, mint az állandó áramerősségűeké. A szükséges áramerősséggel összefüggésben a plazmafúvóka átmérőjére, az elektróda típusára, a plazmagáz térfogatáramára, illetve a védőgáz összetételére vonatkozóan ajánlások tartalmaznak adatokat. A védőgáz térfogatárama leggyakrabban 5–20 liter/min között változik. A plazmaív (plazmasugár) teljesítményét, párhuzamosságát (koncentráltságát), a munkadarabba jutó teljesítménysűrűséget elsődlegesen a plazmaáram, a plazmafúvóka átmérője és kialakítása, a plazmagáz fajtája és térfogatárama, valamint a védőgáz fajtája határozza meg. 49 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői 2.1. Felületek makro- és mikroszerkezete 2.1.1. Ideális és reális felület, felületi hibák Az ideális felület: • mindig tiszta, azaz idegen atomoktól mentes; • szerkezete az ideális tömbanyag valamely rácssíkjának szerkezetével megegyezik (beleértve az összetétel egyezését is); • az ideális tömbanyag adott Miller-indexű rácssíkja mentén, egy geometriai síkkal történő elmetszés útján keletkezik (2.1. ábra). 2.1. ábra (I.) Ideális felületek származtatása és azokat jellemző ρ felületi atomsűrűségek 50 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői 2.1. ábra (II.) Ideális felületek származtatása és azokat jellemző ρ felületi atomsűrűségek 51 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői 2.1. ábra (III.) Ideális felületek származtatása és azokat jellemző ρ felületi atomsűrűségek 52 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői 2.1. ábra (IV.) Ideális felületek származtatása és azokat jellemző ρ felületi atomsűrűségek A makroszkopikus és mikroszkopikus felületi hibák jelenléte miatt az ideálistól, illetve kváziideálistól eltérő reális felület az anyag (termék) megmunkált, gyakran sokféle eljárással befolyásolt része (2.2. ábra). 2.2. ábra Megmunkált reális felület Az említett makroszkopikus felületi hibák (geometriai eltérések): • egyenetlenségek: hullámosság, görbültség, érdesség, felszíni lerakódás, karcolások, hasadási lépcsők, maratási gödrök, szemcsehatárárkok, növekedési lépcsők (2.3. ábra); • szerkezeti eltérések (tömbanyaghoz képest): deformáció, szemcseméretváltozás; • összetételi különbségek: adszorpciós réteg (oxigénatomok a gázfázis oldalán helyezkednek el), oxidált réteg (oxigénatomok beépülnek a külső atomi rétegek atomjai közé), szegregációs réteg (oldott idegen atomok beépülnek a tömbanyagba és a határok rosszul rendezett tartományába); szennyeződés (gázfázisból, tömbfázisból). 53 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői 2.3. ábra Makroszkopikus felületi hibák 2.4. ábra Mikroszkopikus felületi hibák 54 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői A (szub)mikroszkopikus felületi hibák lépcsők, lépcsőélek, könyökök által elválasztott teraszok, adszorbeált saját vagy idegen atomok (adatomok), vakanciák, továbbá felületre kinőtt él-, illetve csavardiszlokációk, szemcsehatárok lehetnek (2.4. ábra). 2.1.2. Felületi hullámosság és érdesség A 2.5. ábrán forgácsoló – gyakran befejező megmunkálást jelentő – technológiák által kialakított anyagfelületek nagyított metszetei láthatók. Az anyagok (termékek) valóságos felületei, tehát nem ideálisan simák, hanem kiemelkedések (csúcsok) és bemélyedések (árkok) sorozatából állnak. 2.5. ábra Anyagfelületek geometriai jellemzői 55 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői A valós felület nagyított metszetét tekintve az ismétlődő szabálytalanságok relatív nagyságrendje szerint megkülönböztethetünk: • hullámosságot, amelynek periodicitása („hullámhossza”) viszonylag nagy, és ehhez képest mélysége („amplitúdója”) viszonylag kicsi; • érdességet, amelynek periodicitása („hullámhossza”) viszonylag kicsi, és ehhez képest mélysége („amplitúdója”) viszonylag nagy. 2.6. ábra Felületi érdességi mérőszámok értelmezése 56 EME 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői Az érdességet szabványos mérőszámokkal szokás jellemezni. A 2.6. ábra jelöléseit felhasználva definiálható: • a maximális érdesség (Ry), mely a legmagasabb csúcs és a legmélyebb árok közötti távolság. A helyi maximális érdesség (Rmax) az ℓm = 5·ℓe alaphosszon (mérőszakaszon) előforduló legnagyobb csúcs–ároktávolság. • az egyenetlenségi magasság (Rz), mely 5 egymással határos, egyforma hoszszúságú mintaszakaszon (ℓe = ℓm/5) mért helyi maximális érdesség (Zi) számtani középértéke: Z + Z + Z3 + Z 4 + Z5 Rz = 1 2 ; 5 (2.1) • az átlagos érdesség (Ra), mely az észlelt érdességprofil pontjainak az ℓm =5 ·ℓe alaphosszon (mérőszakaszon) megállapítható középvonalhoz képesti átlagos távolsága. Ez a középvonal úgy osztja ketté egy geometriai egyenessel az észlelt érdességprofilt, hogy a felette lévő kiemelkedések területe (ΣAf) és az alatta lévő bemélyedések (ΣAa) területe megegyezik. Az Ra átlagos érdesség tehát az A = ΣAf + ΣAa = ℓm·Ra egyenletből: Ra = 1 lm A= 1 lm (∑ Af + ∑ Aa ) , ami tulajdonképpen az Ra = 1 lm lm ∫ z( x ) dx (2.2) 0 integrál érdességmérő műszerrel meghatározott értéke, ahol z(x) a felületi érdesség profilgörbéjét leíró – analitikus formában nem definiált – függvény. A használatos érdességi osztályok (felületminőségi előírások) Ra és Rz értékeit μm-ben szokás megadni, és az egyes értéktartományokhoz különböző anyagmegmunkáló eljárásokat lehet hozzárendelni (2.7. ábra). Az ábra kapcsán is érzékelhető a felületkezelés jelentősége, amivel az élettartam befolyásolható, ugyanis néhány kivételtől eltekintve a tönkremenetel általában a felületi rétegben keletkező elváltozásból indul ki. 2.1.3. Anyagfelületek optikai és esztétikai jellemzői A szerkezeti anyagok hullámtermészetű, elektromos és mágneses komponensekből álló elektromágneses rezgésekkel, illetve azokon belül például a technológiai lézersugárzással való kölcsönhatása optikai jellemzőiktől függ. A szerkezeti anyagokra eső λ hullámhosszú (vagy színképes sugárzáseloszlású) fénysugárzás intenzitása (I0) megegyezik az anyag által áteresztett (transzmittált It), elnyelt (abszorbeált Ia) és visszavert (reflektált Ir) sugárintenzitás összegével: I0 = It + Ia + Ir . (2.3) 57 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői 2.7. ábra Anyagmegmunkáló technológiákkal megvalósítható felületi érdességek 58 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői Átrendezve: I I I 1= t + a + r , I0 I0 I0 melyből adódnak az anyagok fontos optikai tulajdonságai: • a fényáteresztési (transzmissziós) tényező: τ(λ) = It/I0, • a fényelnyelési (abszorpciós) tényező: α(λ) = Ia/I0, • a fényvisszaverési (reflexiós) tényező: ρ(λ) = Ir/I0. (2.4) Az optikai jellemzők mindegyike függ a λ fényhullámhossztól. A fémek hullámhosszfüggő visszaverődési tényezői közül a nagyobbakat tükrök készítésénél használjuk ki. Amennyiben valamely mutató (főként az elnyelési és visszaverődési tényező) nem kielégítő, úgy lehetőség van módosítására különböző bevonatok alkalmazásával. A lézeres anyagtechnológiáknál (felületkezelés, vágás, hegesztés stb.) abszorpciónövelő (reflexiócsökkentő) bevonatokat (grafit, fekete festék, foszfát stb.) alkalmaznak az anyagfelületen a jobb energiahasznosítás, illetve a technológia eredményes kivitelezhetősége érdekében. A 2.8. ábra néhány – részben felületkezeléssel is befolyásolt – anyagfelület nagyított metszetét mutatja. Az eltávolított, deformált vagy felvitt anyag befolyásolja a felület esztétikai megjelenését, fényes vagy matt voltát. 2.8. ábra Anyagmegmunkáló technológiákkal befolyásolt felületek metszete 59 EME 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői 2.2. Felületek előkészítése kezeléshez A felületkezelés sikeressége, a létrehozott felszíni réteg jósága nagymértékben függ a felületelőkészítéstől, illetve annak gondosságától. A felületelőkészítés azon műveletek összessége, amelyekkel adott felületi sajátosságú és kiindulási állapotú munkadarabokat alkalmassá tesznek arra, hogy felületükön az előírt minőségű és tulajdonságú réteg, illetve bevonat létrehozható legyen, azaz • tiszta, szennyeződésmentes (képződött és tapadt szennyezőktől mentes), ‫ ـ‬oxid- és revementes, illetve rozsda- és korróziónyomoktól mentes, ‫ ـ‬zsirtalan és olajtalan, illetve festék- és lakkmaradvány-mentes; • megfelelően aktivált vagy passzivált; • szükség szerint simított vagy érdesített; • egyéb műszaki és esztétikai követelményeket is kielégítő (repedésmentes, nem kezelendő részeken takart stb.) alapfelület előállítása. A felületi szennyeződések környezeti hatások, gyártási műveletek következtében a munkadarab felületén képződött vagy arra tapadt, a réteg, illetve bevonat kialakítása szempontjából kedvezőtlen hatású anyagok: • szervetlen szennyezőanyagok, melyek külső (atmoszferikus) hatásra vagy a melegmegmunkálás nyomán a munkadarab anyagából képződnek (oxid, reve, rozsda, korróziós termékek), vagy a felületére tapadnak (por, korom, zárvány, forgács, hegesztési salak; savas, lúgos, illetve sós szennyeződések); • szerves szennyezőanyagok, melyek a külső környezetből a munkadarab felületére tapadnak, lerakódnak: zsír, olaj (szénhidrogén-származékok, illetve állati és növényi eredetűek), festék, lakk. A felületi szennyeződések kimutatása, illetve a felülettisztaság meghatározása történhet: • szemrevételezéssel, kézi nagyítóval, illetve műhelymikroszkóppal mindenféle szennyeződés jelenlétének és mértékének kimutatására; • vízcseppterüléses módszerrel, felületre csepegtetett vízzel a zsír- és olajszennyeződések kimutatására, amelyeken a nagy vízcsepp cirádás alakot vesz fel vagy „gurul”; • vízfolyatásos módszerrel a zsír- és olajszennyeződések kimutatására, amelyeken vízhártyaszakadás, vízszigetképződés vagy vízcseppgördülés tapasztalható; • fluoreszcenciás módszerrel, ultraibolya sugárzást kibocsájtó lámpával a fluoreszkáló zsír- és olajszennyeződések kimutatására; • kémhatásvizsgálat indikátorpapírral, a savas vagy a lúgos szennyeződések jelenlétének kimutatására; • felületről származó szennyeződésminta laboratóriumi elemzésével, mindenféle szennyeződés jelenlétének és mértékének kimutatására. 60 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői A felülettisztítás és mosás jellegzetes berendezéseit a 2.9. ábra, míg technológiáit a 2.1. táblázat mutatja. 2.9. ábra Felülettisztítás és mosás berendezései 61 EME 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői 2.1. táblázat. Felülettisztítás és mosás célja és technológiái A tisztítás és a mosás célja technológiái A gép, szerkezeti egység vagy szeremechanikai tisztítás lési egység teljes tisztítása és mosása külső teljes mosás - vízsugaras (zsírtalanítása) - gépesített vegyszeres Az alkatrészek részleges tisztítása és mosás gőzzel és vízzel mosása (zsírtalanítása) mosás alkálikus oldatokban - merítéssel - vízsugaras mosással - zuhanyozással Az alkatrészek műveletek közötti momerítőmosás folyadékba vagy gőzbe sása, tartósítóanyagok eltávolítása merítéssel Festékbevonatok eltávolítása mechanikai eljárás merítés alkálikus fürdőbe triklór-etilén gőzbe helyezés Vízkőeltávolítás mechanikai eljárás alkálikus és savas fürdőbe merítés Koromlerakódások eltávolítása vegyszeres eltávolítás súrolósugaras tisztítás ultrahangos tisztítás 2.2.1. Oxid- és revementesítés Az anyagfelületeken korróziós közeg(ek) és/vagy nagy hőmérséklet hatására képződött szervetlen oxid-, illetve reverétegek eltávolítása mellett a felület aktiválása vagy passziválása, valamint simítása avagy érdesítése is szerepet kap. Mechanikai módszerek Szemcsékkel végzett felületelőkészítés: • erősen kötött (beágyazott) szemcsékkel: korongcsiszolás, szalagcsiszolás; • lazán kötött szemcsékkel: fényesítés és tükrösítés csiszolópasztákkal (polírozás); • kötetlen csiszolószemcsékkel, -porokkal, -szuszpenziókkal: folyadéksugaras vagy sűrített levegős homok-, korund-, acélszemcsefúvás; röpítőkerekes szemcseszórás. A felületi egyenetlenségeket csökkentő korongcsiszolás végezhető kerámia-, műanyag- vagy gumikötésű köszörűkoronggal, ragasztott szemcséjű nemezkoronggal, gumikoronggal, gumiszövetkoronggal, szövetkoronggal, csiszolóvászoncsíkokból álló lemezkoronggal. Természetes csiszolószemcseként korund, gyémánt, mesterséges csiszolószemcseként elektrokorund, szilíciumkarbid, bórnitrid, 62 EME 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői tripoli (körkefe sörte) alkalmazható. Lágyabb anyagokhoz durvább szemcsés, nyitott szerkezetű, keményebb korong, míg keményebb anyaghoz finomabb szemcsés, zárt szerkezetű, lágyabb korong célszerű. Kisebb felületekhez keményebb, nagyobb felületekhez lágyabb korong jöhet szóba. Szalagcsiszolás végtelenített vászon-, gyapjúszövet- vagy papírszalagra enyvvel, illetve műgyantával felragasztott Al2O3-, SiC-, ZrO2-szemcsékkel végezhető. A csiszolásokat merőleges irányokban váltakozva, rezgésmentesen, szárazon vagy nedvesen, különböző szemcsefinomsági fokozatokkal ajánlott végezni. Ez utóbbi azt jelenti, hogy a nagyolást köszörűkoronggal, az előcsiszolást és a durvacsiszolást nemezkoronggal, a finomcsiszolást lemez-, szövet-, gumiszövet- vagy gumikoronggal javasolt megoldani. A csiszolás után visszamaradó érdesség csökkenthető szövetkorong (pamut, gyapjú) működő felületére kent csiszolópasztával (1/3 rész kötőanyag + 2/3 rész csiszolószemcse). Alumínium fényesítéséhez papírzsinórokból, színes- és nemesfémek fényesítéséhez gyapjúfonalakból álló körkefe használható. A tükrösítés mint kímélő fényesítés az anyagi minőségtől függő – legnagyobb fényvisszaverést megközelítő – reflexiós tényezőjű felület kialakítását célozza, a látható fénysugarak hullámhosszához képest minél kisebb felületi egyenetlenségek elérésével. Drótkefézés kézi vagy gépi (kör-, csésze- vagy ecset-) kefékkel tisztítás, revétlenítés, rozsdátlanítás, korábbi csiszolásnyomok eltávolítása, bizonyos mértékű sorjaeltávolítás, éllekerekítés vagy különleges felületmegjelenés (vonalkázott matt, pontszerű matt effektussal) végett alkalmazható. A kefék készülhetnek fémhuzalból (acél, sárgaréz, foszforbronz), szintetikus szálból (perlon, nejlon), növényi szálból (szizál, fibrisz) vagy állati szőrből (ló-, kecskebőr). A rövid szálú kefe keményebb, erősebb hatású, elsősorban egyszerű geometriájú felületekhez, a hosszú szálú kefe lágyabb, gyengébb hatású, főként bonyolultabb geometriájú felületekhez javasolható. A sűrűbb szálú kefe nagyobb csiszolóhatású, míg a ritkább szálú kefe nagyobb ütőhatású. A szemcsefúvás összetett hatású előkészítő művelet, ugyanis egyidejűleg kalapál (hidegen alakít, tömörít, felületet kiegyenlít, szilárdít, keményít), érdesít (durvít, tapadófelületet növel, aktivál), hántol (felületet tisztít, régi bevonatot, illetve felületi réteget eltávolít, revétlenít, rozsdátlanít, sorjáz), csiszol (simít, fényesít vagy mattít). A felgyorsított szóróanyag nagy sebességgel csapódik a felületre, ahol 70– 90º-os becsapódási szög esetén az ütőhatása, kb. 35º-os becsapódási szög esetén a hántoló, csiszoló hatása érvényesül. A szabálytalan vagy szabályos alakú (sarkos, hengeres, gömbszerű) szóróanyagszemcsék kinetikus energiája alakul át az előbbi hatásokká, de a szemcsék bizonyos hányada visszaverődik, visszapattan a felületről. A 4–12 mm belső átmérőjű fúvókában használható legnagyobb szemcseméret a fúvókaátmérő kb. 20%-a. Szóróanyag lehet öntvénysörét vagy -zúzalék, acél, illetve nehézfémhuzal- vagy lemezvagdalék; kvarchomok, murva, korund, kohósalakszemcsék, illetve üveggyöngy. Esetenként favagdalék, gyümölcsmag, tört dióhéj, műanyag-granulátum is szóba jöhet. Szemcsevivő anyagként sűrített levegő, kis- vagy nagynyomású víz, illetve gőz alkalmazható. 63 EME 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői A fémek és a keramikus szórószemcsék keménységét és felhasználási javaslatait teszi összehasonlíthatóvá a 2.2. és a 2.3. táblázat. A csiszolóanyagoknak nemcsak keményebbnek kell lennie a csiszolandó tárgynál, hanem a megközelítőleg egyenletes szemcsenagyság és szemcsealak is fontos. 2.2.táblázat. Fémek Mohs-keménysége Volfrám 4,5–8 Nikkel 3,8 Alumínium 2,6 Acél Kobalt 4,5–6,5 5,5 Sárgaréz Wood-fém* 3,5 3,0 Kadmium Magnézium 2,0 2,0 Vas Platina 4,5 4,3 Réz Arany, ezüst, cink 2,9 2,7 Ón 1,7 * 4 rész Sn + 8 rész Pb + 16 rész Bi + 4 rész Cd 2.3. táblázat. Keramikus szórószemcsék keménysége és felhasználása Anyag Gyémánt Bór-karbid Szilícium-karbid (karborundum) Elektrokorund Természetes korund Naxoszi smirgli Króm-oxid Kvarc Levantei smirgli Timföld Polírvörös Tripoliföld Mohskeménység 10 9,7 9,5 9,4 9,0 8–9 8–9 8 7 7 5 3 Felhasználási terület keményfémek, könnyűfémek műanyagok vas, acél, üveg, öntöttvas, sárgaréz, könnyűfémek vas, acél kovácsolt vas, acélöntvény temperöntvény, kovácsolt vas ötvözött acél, nikkel, króm fa, bőr, fém vas, acél, bronz, sárgaréz fa, bőr, lakk vas, acél színesfém A tisztító, érdesítő és szilárdító szemcseszórás során a szóróanyag-szemcséket nagy fordulatszámú lapátkerekek (szórókerekek) centrifugális erő révén röpítik a munkadarab felületére, mintegy 70–80 m/s becsapódási sebességgel. A szemcsebevezetés a szórókerekekbe a nehézségi erő segítségével, sugár- vagy tengelyirányban történhet. Ömlesztéses előkészítés koptatóadalékkal vagy anélkül lehet: • száraz vagy nedves koptatás, • csúszvacsiszolás forgó dobban, vibrátorban, centrifugában, • merítés álló vagy forgó szemcsetartályba. A munkadarabok egymáshoz verődésével, ütőhatással megvalósuló koptatás 20–40 1/min fordulatszámmal forgatott dobokban vagy harangokban történhet, akár többórás kezelési időtartammal. A száraz koptatás koptatóadalékkal vagy anélkül végezhető. A dörzsölőhatást fokozó koptatóadalék acélokhoz homok, hor64 EME 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői zsakőliszt, csiszolószemcse, acélsörét, míg színesfémekhez fűrészpor vagy bőrhulladék lehet. A nedves koptatás a koptatóadalékhoz adott, annak hatását fokozó és egyben kémiai pácoló hatást is kiváltó vízzel vagy híg kénsavval történhet. A revétlenítő, oxidmentesítő, tisztító, csiszoló-simító, fényesítő, sorjázó csúszvacsiszolásnál az ütőhatás kiküszöbölésével történik a felületelőkészítés. A berendezésekbe helyezendő töltet munkadarabokból + csiszolótestekből (természetes kőzúzalék, folyami kavics, horzsakőpor, csiszolószemcsék, gránitgolyók, mészkőgolyók, acélgolyók, bőrdarabkák, fakockák, fűrészpor) + kémiai kezelőszerekből (oldatokból) áll. Ez utóbbiak a csúszást elősegítik, a lecsiszolódott anyagrészeket elszállítják. A forgó mozgású berendezések gördülő-csúszó mozgással operáló, meghatározott átmérőjű és fordulatszámú hengeres vagy szögletes dobok, amelyekben a töltettérfogat 65–70%-a lehet a dobtérfogatnak. A rezgő mozgású berendezések gördülő-csúszó + harmonikusan gerjesztett rezgőmozgással operáló, meghatározott frekvenciájú és amplitúdójú vibrátorok (vibrációs gépek), amelyekben főként sorjázás, csiszolás, fényesítés érvényesül. A centrifugál-csúszvacsiszolók olyan berendezések, amelyekben a dobok lassú saját forgása és a bolygókerék (rotor) gyors forgása egymással ellentétes, így a különböző tömegű részecskék sebességkülönbsége révén ütközés és ütődés nélküli lágy csiszolómozgás valósul meg. Merítés során vagy a forgó orsóra erősített munkadarabokat merítik be csiszolószemcséket tartalmazó nyitott álló tartályba, vagy az álló befogott munkadarabokat merítik be csiszolószemcséket tartalmazó nyitott forgó tartályba. Hidrodinamikus előkészítés, vízsugaras revétlenítés nagynyomású vízsugár ütő-repesztő hatásával, revetördelés és -lesodrás céljából végezhető. Termikus módszerek A szúrólánggal, lánggereblyével végzett lángsugaras oxidmentesítés az alapanyag és az oxidréteg hőtágulás-különbségét használja ki, illetve annak révén lepattogzást idéz elő. Alkalmazása előtt az éghető és mérgező anyagokat el kell távolítani a felületről és a munkavégzés környezetéből. A munkadarab hőmérséklete max. 200 ºC, minimális falvastagsága acél esetében 4–6 mm, öntöttvas esetében 12 mm legyen. Az egyenes, fésű, gereblye, kör, ív, lapos, T, L alakú égőfejekbe vezetett éghető gázkeverék C2H2+O2, földgáz + O2, PB-gáz + O2 lehet. Az elégetett gáz hője gyors lokális hevítést eredményez, ami egyenetlen hőtágulást okoz az alapfém és a reveréteg határán, miáltal a reveréteg széttöredezik és lepattogzik. A hevített felületen a reve- és oxidréteg dehidratálódása, redukálódása, majd felrepedezése, illetve fellazulása következik be, ami például a drótkefével való eltávolíthatóságot lehetővé teszi. Kémiai módszerek Az oxidmentesítés történhet: • savas pácolással, • kombinált lúgos kezeléssel, • sóolvadékban. 65 EME 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői A 2.4. táblázat ismerteti a fémek oxidmentesítéséhez használható pácfürdők jellemzőit. 2.4. táblázat. Fémek oxidmentesítéséhez használható pácfürdők jellemzői A pácfürdő A fém fajtája Ötvözetlen acélok Ötvözött acélok Nikkel, kobalt Alumínium és alumíniumötvözetek Magnézium és magnéziumötvözetek Réz Bronz Ón Ólom Cink- és ónötvözetek összetétele, tömeg % 10–20 H2SO4 5–10 HCl 10–20 H2SO4+ 10 HCl 15–20 H2SO4+ 7,2 Na2CO3 + 1,8 NaNO3 + 9 NaCl 200 NaOH (vagy Na2CO3)+ 30 NaCl 45–500 HNO3 + 50 HF (vagy 30 NH4F) Előpác: 12 HCl + 146 HNO3 + 4 K2Cr2O7 Pác: 50 HNO3 Előpác: BS-eljárás: 420 HNO3 + 180 K2Cr2O7 BA-eljárás: 50 K2CR2O7 + 10 AlCr(SO4)3 BM-eljárás: 40 K2CR2O7 + 60 MgSO4⋅7H2O BSA-eljárás: 50 K2CR2O7 +14 HNO3 + 10 AlCr(SO4)3 Pác: 50 HNO3 100–200 H2SO4 100–200 H2SO4, utópác: 150 KCN (30 s) 20–30 HCl 20 HNO3 80–800 H2SO4 +80–800 HNO3 Hőmérséklete, °C A kezelés időtartama, min 20–60 20 40–60 5–120 5–60 5–60 70–80 1–10 60–90 30–120 20 15–30 20 2–25 2–5 20 70 20 20 5–45 10–30 60–120 5–15 20–40 20–300 20 30–600 20 20 120–300 60–300 20 30–60 A savas pácolás során a reve- és rozsdaeltávolítás tehát savakkal történik, miközben a tisztítóoldat hatóanyag-töménysége folyamatosan csökken, fémsótartalma folyamatosan növekszik. Egyedi munkadarabokat álló kádban bemártással, szalag- vagy huzaltermékeket áthúzó rendszerű kádban, technológiai utasítás szerinti sebességgel pácolnak. Vas és ötvözetei oxidmentesítése történhet: • kénsavas pácolással, 28%-os töménységgel, 50–80 ºC-on; • sósavas pácolással, 10–20%-os töménységgel, 30–40 ºC-on (esetenként 55– 65 ºC-on); • foszforsavas pácolással, 10–20%-os töménységgel, 40–70 ºC-on (utópácolásnál 2%-os töménységgel, 40–70 ºC-on); 66 EME 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői • savkeverékes pácolással vagy különböző savas pácolások egymás utáni alkalmazásával. Az alapfém (vas) oldódása a pácsavban hidrogéngáz-fejlődéssel jár, aminek egy része – a vasban abszorbeálódva – hidrogénridegséget (pácolási ridegséget) okoz. Megelőzése érdekében célszerű inhibitorok (antimonsók, alifás vagy aromás szerves vegyületek) alkalmazása, míg csökkentése végett utólagos hőkezelés szükséges, 150–200 ºC-on, 2–3 órás időtartammal, gázkemencében vagy olajfürdőben. A felületelőkészítés menete tehát a következő: • mechanikus revelazítás, revetörés; • pácolás, biztosítva a pácoldat fűtését, a keletkező gőzök elszívását, a sav-, illetve sókoncentráció szűk tartományban való tartását, a munkadarab mozgatását, a kezelési idő pontos betartását, inhibitorok adagolását; • alapos öblítés, mosás; • szárítás; • átmeneti védelem, konzerválás. A réz- és más színesfémek (cink, ólom, ón, kadmium és ötvözeteik) pácolása 10%-os kénsavban, 40–50 ºC-on történhet. Az alumínium és ötvözetei esetében a lúgos pácolást NaOH-ban, a savas pácolást HNO3-ban vagy HF-ben lehet elvégezni. Magnézium és ötvözetei esetében a savas pácolást H3PO4-ban vagy H2SO4-ban szokás végrehajtani. Titán és ötvözetei esetében a savas pácolást HNO3-ban vagy HF-ben javasolt végezni. Lúgos kezeléssel végzett kombinált – oxidmentesítő és zsírtalanító – pácolás során: • az oxidmentesítő kelát- és komplexképző szerves adalék az oxidokkal vízben jól oldódó komplex vegyületeket képez pácolási ridegség nélkül; • a forró tömény lúgoldat (ecsetelés, bemártás, szórás útján) a zsírtalanítást biztosítja. Az 1:1 arányban kevert alkálifémhidrid + alkálilúg olvadékában 300–400 ºC-on, mártókezeléssel az oxidréteg egy része lehámlik, másik része színfémmé redukálódik, de hidrogénridegedés nem lép fel. Elektrokémiai módszerek Az oxidmentesítés savas vagy lúgos pácoldatban végzett katódos kezelés, amelynek során a bőségesen fejlődő hidrogéngáz (és oxigéngáz) mechanikai hatása lazítja fel, illetve löki le a rozsdát a fémfelületről. E gyors és hatásos felületelőkészítés folyamán hidrogénridegedés nem lép fel. Az elektrokémiai fényesítő pácolás (elektrofényesítés) bonyolult profilú, homogén szövetszerkezetű és kémiai összetételű alapanyag felületi kiemelkedésein vékonyabb, a bemélyedésein vastagabb, nehezen átjárható folyadékfilmet hoz létre. Ezáltal a kiemelkedéseken gyors, a bemélyedéseken lassú az oldás. Az áramsűrűség növelése erősebbé, csökkentése gyengébbé teszi az oldást. A 2.5. táblázat fémfelületek kémiai és elektrokémiai polírozására használható oldatokat ismertet. 67 EME 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői 2.5. táblázat. Fémfelületek kémiai és elektrokémiai polírozására használható oldatok A fürdő A fém fajtája összetétele, g/l Kémiai polírozás Vas és acél Előpác: 10 HCl vagy 20 H2SO4 Pác: 1400 HNO3 + 10 korom 10–150 H3PO4 Alumínium, Előpác: 5–60 HNO3 + 10–15 HF + AlMg- és + 1–15 CrO3 + 1–6 NiSO-, H2O vagy AlMgSi-ötvöze- Cu(NO3)2 · 3 H2O tek Pác: 600 H3PO4+350 P2O5+ 4 HNO3 Előpác:130 HNO3+5–10 NaCl+ korom Réz és rézPác: 625 HNO3+920 H2SO4+2 HCl ötvözetek 850 H3PO4+ 300 CH3COOH+ +280 HNO3 + 10 melasz Elektrokémiai polirozás Armco-vas, 750 (CH3)CO2O + 295 HClO4 (r=1,6 szürkeöntvény, 3 ötvözetlen acél kg/dm ) + 5 fémalumínium Rozsdamentes 45–67% H3PO4+40–20% H2SO4+ acél +13–15% H2O + glicerinadalék 65–70% H3PO4+12–15% H2SO4+ Ötvözetlen acél +5–6% CrO3+víz 3 H3PO4 (r=1,3 kg/dm ) Réz 530 H3PO4 3 Sárgaréz 70/30, 430 H3PO4 (r=1,6 kg/dm ) 60/40 530 H3PO4 Alumínium Brytal-eljárás 150 Na2CO3 + 50 Na3PO4 Derítés: 2,5–80 NaOH-oldatban (20°C-on) 0,5–30 min-ig Anódos oxidáció: 200 KHSO4 Alzak-eljárás 5–50 HBF4 vagy 100–600 H2SO4(66Bé°) + + 2–15 HF (16Bé°) vagy 10–250 CrO3+2–15 HF(16Bé°) Derítés: 10–80 Na2CO3 + 5–30 K2CrO4-oldatban (70–95°C-on) 0,5–3 min-ig Anódos oxidáció: 70 H2SO4 Cink 250 KOH Ón 850 (CH3CO)2O+320 HClO4 3 (r=1,6kg/dm ) Ólom 650–750 (CH3CO)2O + 3 + 560–400 HClO4 (r=1,6 kg/dm ) 68 Az áram A kezelés hőmérsék- időtartama feszültsége, sűrűsége, 3 lete, °C A/dm V 20–30 20 60–70 5–120 min 1–2 s 1–2 min – – – – 60–70 1–3 min – – 85–90 3–5 min – – 20 0,5–2 – – 20 10–60 s 25 2–4 min – –- 15–20 4–5 min 50 3–6 80–85 4–5 min – 7–20 65–75 10–15 – 35–40 18–20 5 2 0,6–0,8 15–22 18–22 18–22 10–15 5 5 1,6–2 2 2 8–10 13–15 9–11 80 5–10 9–12 3,3–3,8 35 12–15 10 0,55 20–60 30–70 30–70 5–15 3–30 5–30 5–25 8–10 16–22 1–8 1–11 2–15 20 10 20 1,3 18–22 15 6 16 15–20 8–10 25–40 9–15 15–20 3–5 2–3 1–2 EME 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői 2.2.2. Zsír- és olajmentesítés A kezelendő felület aktiválását vagy passziválását is megvalósító, zsír és olajmentesítő, vagyis a szerves szennyeződéseket eltávolító fontosabb eljárásokat és alkalmazási jellemzőiket a 2.6. táblázat foglalja össze. 2.6. táblázat. Zsírtalanító eljárások és alkalmazási jellemzőik Eljárás Tisztítóanyag petróleum A hatás ideje, min 5–10 Hőmérséklet, °C Koncentráció, % – 100 100 Oldószeres triklór-etilén zsírtalanítás perklór-etilén 3–5 60–70 140 Elektrolitikus alkali-hidroxil, zsírtalanítás alkáli-szilikát foszfátok 1,5–2 20–30 – 60–80 1–2 nátriumhidroxid 20–30 10–20 5–10 100 60–70 140 5–10 0,5–3 foszfátok kb. 15 60–80 90–95 1–3 4–7 Emulziós petróleum, zsírtalanítás orsóolaj Alkálikus eljárás alkohol, észter, kénsav, 30–40 sósav, 5–10 foszforsav 30 tömény 1–3 salétromsav, Fémtisztítás fluorsav savas anyagokkal Ultrahangos alkálikus tisztítás oldatok, szerves oldószerek, tisztító emulziók 0,5–5 60 40 40 50–80 15–20 Berendezés szóróberendezés vagy merítőberendezés merítőberendezés, gőzsugaras berendezés 10–30 merítőberendezés Alkalmazási terület zsírtalanítás 15–25 10 – 10 2–15 tömény merítőberendezés függ az az alkal- merítőberendezés oldószer- mazott től, az oldatnak oldatnak megfelemegfelelően lően Hátrány – – nem éghetők zsír, olaj, gyanta, viasz, kátrány, paraffin zsírtalanítás rövid kezelési idő, gazdaságos alkalmazás szóróberendezés vagy zsírtalanítás merítőberendezés főzőberendezés, szóróberendezés, gőzsugaras berendezés szóróberendezés Elöny lakkozás, festés, zsírtalanítás lakkozás, zsírtalanítás – gazdaságos, sokoldalú alkalmazhatóság könnyűfémre, vasféleségekre különösen hatásos bonyolult alkatvékony zsírrészek tisztításáés olajréteg ra gazdaságoeltávolítása sabb, mint a merítés vagy szórozsda-, rás, csekély a kazánkő-, savfelhasználás, reveeltávolítás, zsírtala- kicsi a fémfelület nítás, rozsda- megtámadásának a veszélye, utómentesítés őblítés nem szükséges, a koncentrált sav nem támadja meg az alumíniumot szenesedett rövíd kezelési olaj, kazánkő, idők, munkaerőreve, lakk, megtakarítás rozsda, zsír eltávolítása robbanásveszély, fotokémiai szétbomlás hidrogenfejlődés, alkáli fémek a fürdőben nem kívánatosak kisebb tisztítási teljesítmény, az oldatok hajlamosak a habképződésre a bőrre maró hatású, a lágyés könnyűfémet megtámadja – kézi munka, utópassziválás szükséges hosszú kezelési idő alatt nagy a fémfelület megtámadásának a veszélye, nagyobb savfelhasználás, drágább az ásványi sóknál az ultrahangos berendezés nagyon drága 69 EME 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői Kémiai módszerek Szerves oldószerben végzett mosás zárható berendezésben, egészség- és környezetvédelmi szabályok ellenőrzött betartása mellett valósítható meg. Oldószerként halogénezett (telített vagy telítetlen, klórozott) szénhidrogének (bomlásmegelőző inhibitorokkal), fluorozott (telített, klórozott-fluorozott) szénhidrogének (kisebb bomlékonysággal, jobb zsíroldóképességgel), valamint ásványolaj-lepárlási termékek (gázolaj, petróleum) jöhetnek szóba. Hatékonyság javítása érdekében az oldószer melegítése (lepárlási termékek kivételével), keverése vagy a munkadarab mozgatása alkalmazható. További javító megoldás lehet a folyékony, majd gőzfázisú oldószerrel több szakaszban végzett kezelés. Szóró- vagy permetezőberendezéssel bonyolult vagy furatos darabok tisztítása is megoldható. Lúgos és emulgeáló oldatokban forráspontjuk közelében végzett főzés során a növényi és állati eredetű zsírok elszappanosodnak, az ásványi eredetű olajok és zsírok emulgeálódnak, majd a felületről leoldódnak. Nátronlúg (NaOH), szóda (Na2CO3) és nátrium-foszfát vagy trisó (Na3PO4) vizes oldatába felületaktív anyagokat (nátrium-metaszilikát, nátrium-metafoszfát) is adagolnak a jobb felületnedvesítés és a habzáscsökkentés érdekében. A művelet közbeni mozgatás kedvező hatású, továbbá a zsírtalanító kádba épített nagyfrekvenciás (200–800 kHz) ultrahang-generátor (1 W/cm2 intenzitással) segítségével a hatásosság jelentősen megnövelhető, különösen bonyolult vagy furatos munkadaraboknál, viszont nem alkalmazható repedésre hajlamos darabokhoz. Egyes ötvözött acéloknál lúgridegedés (pl. rugóacéloknál rugalmasságcsökkenés), más fémeknél (pl. Al, Zn, Sn és ötvözeteik) esetében felületi mattulás, illetve bemaródási veszély léphet fel. A 2.7. táblázat a lúgos fémzsírtalanító fürdők jellemzőit foglalja össze. 2.7. táblázat. Lúgos fémzsírtalanító fürdők jellemzői Hőmérséklet, A zsírtalanítanA zsírtalanító fürdő összetétele, g/l °C dó fém 80–100 NaOH + 40–60 Na3PO4 + Vas, öntöttvas, + 10–20 Na2CO3 + 2 alkil-aril-szulfonát ötvözetlen és (vagy alkil-szulfát) ötvözött acél 100–400 NaOH + 30–50 Na2CO3 + + 180 Na2SiO3 • nH2O Alumínium és 50–500 Na2CO3+ 50–300 Na2PO4 + ötvözetei + 50–100 NaOH + 20 Na2SiO3 ⋅ nH2O Réz és ötvözetei 60 Na2SiO3 ⋅ nH2O + 30 NaOH + + 10 NaCN Magnézium és előzsírtalanításhoz triklóretilén, zsírtacink lanításhoz 50 HNO3 Ólom és ón 100 NaOH + 20 NaCN 70 95–100 95–100 Kezelési időtartam 30–60 min 60–90 30–40 min 50–90 s 80–90 2–5 min 20 30–90 s 80–100 5–10 min EME 2. A kezelendő anyagfelületek jellemzői Az emulziós tisztítás egyesíti az oldószeres és a lúgos tisztítás előnyeit. A szerves és szervetlen szennyezőket emulgeálja, diszpergálja, oldja, majd eltávolítja víztelenítő hatású felület létrehozásával. A kolloid rendszerű tisztítóemulziók 10– 50% aromás és alifás halogénezett szénhidrogéneket, illetve keverékeiket, 0,5– 10% felületaktív anyagot és 30–90% vizet tartalmaznak. A gőzsugárfúvatásos tisztítás nagy berendezések, felületek szabadtéri tisztítására szolgál. A kb. 140 ºC-ra túlhevített (5–9 bar túlnyomású) vizet szűk fúvókán bocsátják át, és a kilépő gőz, illetve forró vízpermet hőhatása + kinetikus energiája a felületen lévő szennyeződéseket meglágyítja, fellazítja, leszaggatja. A tisztítóhatás és iszapképződés javítása néhány százalék lúgos adalékanyaggal, az utólagos futórozsda-képződés megelőzése foszfátozószer adagolásával biztosítható. Elektrokémiai módszerek Lúgos oldatokban, elektrolízis közben fejlődő gázok mechanikai hatásával végzett kezelés a felületen és a pórusokban nyomokban visszamaradt szennyeződéseket is eltávolítja. Vasalapú darabok felületelőkészítésekor: • a katódos zsírtalanítás során a munkadarab a katód, kis C-tartalmú acéllemez az anód, miáltal erőteljesebb a mechanikai hatás, de nehézfémkiválás lehetséges a munkadarabra; • az anódos zsírtalanítás során a munkadarab az anód, kis C-tartalmú acéllemez a katód, miáltal gyengébb a mechanikai hatás, de nincs szennyezéskiválás a munkadarabra. Termikus módszerek A leégetéses tisztítás kevésbé hőérzékeny anyagoknál, redukáló atmoszférában oxid- és zsírmentes felületet produkál, ami után vizes vagy vegyi öblítés és párologtatásos, mechanikus, abszorpciós, oldásos vagy vízkiszorításos szárítás következik. 2.2.3. Egyéb előkészítő műveletek A megtisztított felület roncsolásmentes repedésvizsgálatát (a 7. fejezetben ismertetett vizuális, folyadékbehatolásos, mágnesezhető poros, örvényáramos módszerekkel) is célszerű elvégezni a hibás munkadarabok kiszűrése s ezáltal a felesleges további munka elkerülése céljából. Egyes összetételváltozásos felületkezelési eljárásoknál szükséges lehet a nem kezelendő felületrészek takarása, a szelektív (bizonyos felületrészekre korlátozódó) kezelés lehetővé tétele is, például árnyékolódobozzal, műanyag szalaggal, galvanotechnikai védőlakkal vagy más speciális bevonóanyaggal. Lézeres kezeléseknél különösen fontos a kellően nagy abszorpciós tényező beállítása. 71 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.1. Felületszilárdítás A képlékenység a fémek fontos tulajdonsága. Ez annak tulajdonítható, hogy a fémes kristály rácsszerkezetében a fématomok (pontosabban a fémionok) könnyen elmozdulhatnak egymáson a kötés gyengülése nélkül. Ugyanis a fémrács egyik atomsíkját a másikon eltolva a rácspontok „környezete” – szemben az ionos vagy kovalens kötésű rácsokéval – változatlan marad. A fémek legtipikusabb rácsa a felületen középpontos köbös, melynek koordinációs száma a maximális 12. Egy elemi elmozduláskor az atomnak 11 „régi” szomszédja megmarad, és csak eggyel szűnik meg a kapcsolata. Emiatt az alakváltozás ezen elemi lépéséhez csak a kötőerő 1/12-ét kell legyőzni, szemben pl. a rideg gyémánt esetével, melynek négyes koordinációja miatt 1/4-nyi kötést kellene egy elemi elmozduláshoz megbontani, ha egyáltalán képlékenyen alakítható volna. Az összalakváltozást csúszósíkokon bekövetkező elemi elmozdulások sorozata hozza létre. Az alakváltozást tovább könnyíti, hogy a „szomszédjukat cserélő” atomok nem egyedi pontokként vannak jelen az anyagban, hanem folyamatos (általában térbeli) vonalat, azaz diszlokációt alkotnak. Ezáltal nem egyszerre csúszik az egész atomsík, hanem a diszlokáció – mint az elcsúszott és el nem csúszott részek határvonala – atomsoronként, atomtávolságnyi elemi elmozdulások sorozatát teszi lehetővé. A diszlokáció nagyságát az ún. Burgers-vektorral (b) szokás jellemezni. Ha a diszlokációvonalat egy rá merőleges síkban „körbejárjuk”, az egyes elemi „lépések” mint vektorok eredője nem nulla, hanem a Burgers-vektorral egyenlő. A diszlokációvonalak általában összetettek, a kristályrácsban „ágasbogas” hálózatot alkotnak, és a pontszerű hibák is gyakran ezek mentén helyezkednek el. A diszlokációk mennyiségi jellemzésére szolgál a diszlokációsűrűség, mely az egységnyi felületen lévő diszlokációvonal-metsződések számát jelöli. A rekrisztallizációs (újrakristályosodási) hőmérséklet alatt végzett képlékeny hidegalakítást a szemcsék alakjának és a csúszósíkok orientációjának megváltozása kíséri, a nyomott anyagzónákban rövidülés, a húzottakban megnyúlás következik be. A gyakorlatban használt fémek sokkristályosak (polikrisztallinok), így elvileg makroszkopikusan izotrópok, azonban az alakítás ezt bizonyos mértékig megváltoztatja a szálas szerkezet (szemcsehatár menti szennyezések rendeződése), illetve a textúra (szemcsedeformációval együtt járó kristálytani irányítottság) kialakulása miatt. Becslések szerint a nem alakított anyag kristályrácsában a diszlokációsűrűség 108–109/cm2, míg hidegalakítás után 1011–1012/cm2 nagyságrendűvé válik, amiből következik, hogy képlékeny alakváltozás során újabb diszlokációknak kell termelődniük. Az újabb diszlokációkat termelő anyagszerkezeti mechanizmust megmagyarázóikról Frank–Read-féle forrásnak szokás nevezni. Az így megnövekedett 72 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések értékű diszlokácósűrűség következtében a diszlokációk már nem tudják az alakváltozást segíteni, hanem – egymás csúszósík menti mozgását gátolva – ellentétes hatást váltanak ki. Ilyenkor az alakítás akadályozottá válik, vagyis nagyobb mechanikai anyagellenállást, ΔR szilárdságnövekményt, azaz alakítási keményedést tapasztalunk: ΔR = α ⋅ G⋅ b ⋅ ρ = α ⋅ G ⋅ b ⋅ ε b ⋅L ≈ 0,01⋅ G , (3.1) ahol α az anyagminőségtől függő tényező, G a csúsztató rugalmassági modulus, b = b a Burgers-vektor abszolút értéke, ρ a diszlokációsűrűség, ε az alakváltozás mértéke, L a diszlokációk átlagos szabad úthossza. A diszlokációsűrűség polikristályos fémek lágyított (egyensúlyi) hőkezelési állapotára jellemző értékénél a szilárdságnak minimuma van (3.1. ábra). Tehát diszlokációmentes (ideális) anyagban növelve a diszlokációvonalak számát a szilárdság csökken az alakváltozás (elcsúszás) könnyebbé válása révén. A lágyított (egyensúlyi) állapotbeli diszlokációsűrűség külső hatásra (pl. képlékeny hidegalakítás) megnövekszik (megsokszorozódik), és a diszlokációk ilyen nagy számban már egymás mozgását akadályozzák, az alakváltozó-képességet rontják, vagyis a már említett alakítási keményedést okozzák. 3.1. ábra Alakítási keményedés mint a felületszilárdítás alapja 73 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések Ez a hidegalakítási keményedés és maradó nyomófeszültség bevitele jellemzi a felületszilárdítási eljárásokat, amelyek a kifáradási határt, a kopásállóságot növelik, az érdességet csökkentik. 3.1.1. Sörétszórásos felületszilárdítás Ez az eljárás nagy sebességgel becsapódó sörétszemcsék kinetikai energiájával végzett felületszilárdítás. Az előgyártmányokat kezelés előtt megtisztítják, a korróziós nyomokat eltávolítják, de a kiindulási felületi érdesség is fontos befolyásoló tényező. Homogén, nagy keménységű felület elérése céljából a kiindulási érdesség kicsi legyen. Egyébként a kezelés után felére, harmadára csökken a felületi érdesség, ami függ: • a munkadarab és a sörét anyagának keménységétől; • a sörét méretétől; • a sörétezés idejétől. A sörét általában kb. 2,5% szilíciumtartalmú öntöttvas 0,5–3, esetleg 5 mm nagyságú gömb alakban vagy hasonló átmérőjű, kb. 0,9% széntartalmú acélhuzaldarab. Az acélsörét ugyan drágább, de tartósabb. Háromféle sörétszórási mód ismeretes: • Gravitációs sörétszóráskor a sörét 4–10 m magasról, szabadeséssel esik a sörétezendő tárgyra. A sörét sebessége és a berendezés teljesítménye kicsi. • A pneumatikus vagy levegősugaras sörétszórás (3.2/a. ábra) berendezése egyszerű, teljesítménye nagy, a sörét sebessége 30–50 m/s. Hátránya, hogy a berendezés egyes alkatrészei (pl. fúvóka) gyorsan elhasználódnak. • A mechanikus sörétszórás (3.2/b. ábra) berendezése n = 600–3500 1/min fordulatszámmal forgó lapátokkal szórja a sörétet a munkadarabra. A sörét sebessége 70–150 m/s. Teljesítménye igen nagy, ezért ez a leggyakrabban használt sörétszóró berendezés. Lapátja azonban gyorsan kopik, élettartama mindössze 80–120 üzemóra. A sörétező berendezések munkaterei öntöttvasból, bronzból vagy kopásálló gumiból készülnek. A sörétezés koptató hatása miatt ezeket gyakran kell cserélni. Acél munkadarabokat acél, esetleg öntöttvas söréttel söréteznek, színesfémekhez alumínium-, vagy üvegszemcsét használnak, hogy a betapadt szemcserészek ne okozzanak kontaktkorróziót. Az eljárással acél és színesfém alkatrészek kezelhetők, pl. • forgattyústengelyek; • hengerperselyek; • dugattyúgyűrűk; • torzióstengelyek. A sörétezés ideje általában 2–14 min, az elérhető érdesség Ra = 25–50 μm. A keményíthető rétegvastagság 0,2–0,5 mm, 400–800 MPa maradó nyomófeszültséggel. A felületi rétegben maradó nyomófeszültség változását a 3.3. ábra szemlélteti. 74 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések a) b) 3.2. ábra Sörétszórásos felületszilárdítás 3.3. ábra A felületi rétegben maradó feszültség változása anyag 0,4% C-tartalmú ötvözetlen acél; a sörét mérete d = 0,6–1 mm; sebessége v = 65 m/s; a sörétezés ideje 2 min 75 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések A keményedés mélysége függ • a sörét és a munkadarab anyagától; • a sörét sebességétől; • a sörét méretétől. A sörétezés hatása, minősége Almen-próbatestekkel ellenőrizhető. Az 1,3 vagy 2,4 mm vastag acélból készült lap alakváltozásából (görbültségéből) következtetnek a sörétezés hatására. Bizonyos idő után a próbalap görbesége már nem változik, ez a sörétezés telítődési ideje, vagyis legfeljebb ennyi ideig érdemes sörétezni. A sörétezés jellemzőinek hatását a munkadarabra a 3.1. táblázat foglalja öszsze. 3.1. táblázat. A sörétezés jellemzőinek hatása a munkadarabra A munkadarab Jellemzők keményített érdességét rétegének vastagságát rétegkeménységét maradó nyomófeszültségét A munkadarab keménysége csökkenti csökkenti csökkenti növeli A sörét átmérője növeli növeli növeli növeli A sörét sebessége növeli növeli növeli növeli A sörétezés ideje (a telítettségig) csökkenti növeli növeli növeli A sörétfelhasználás növeli növeli növeli növeli A felületi rétegben keletkező nyomófeszültség jelentősen növeli a húzásnak, hajlításnak kitett alkatrészek élettartamát (3.2. táblázat). 3.2. táblázat. Várható élettartam-növekedés sörétezés után Alkatrész Járműlaprugók (húzott oldal) Csavarrugók Hegesztési varratok Belső égésű motor főtengelye Csigafúrók Hidegsajtoló szerszámok 76 Várható élettartam-növekedés 4–10-szeres 10–12-szeres 3-szeres 6–9-szeres 1,3–2-szeres 1,3–2-szeres EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.1.2. Ütőtestes felületszilárdítás Egy gyorsan forgó (15–40 m/s kerületi sebességű) szerszám kerülete mentén golyókat vagy valamilyen más alakú ütőtesteket helyeznek el. A centrifugális erő hatása a golyókat vagy görgőket a legnagyobb lehetséges sugárra nyomja ki. Ezek az ütőtestek ütögetik, hengerlik a keményítendő munkadarabot, kb. 0,6–0,8 mm rétegvastagságban. Tartósságnöveléshez rendszerint golyókat (3.4. ábra) használnak, alakos testek (pl. menetek vagy csapok) pontos méretre munkálásához görgőket (3.5. ábra). A golyók kirepülését a golyófészek vagy kosár, a görgőkét a görgők csapjai akadályozzák meg, az ütésekhez szükséges játékot (kb. 1 mm-t) azonban lehetővé teszik. A golyók vagy görgők legnagyobb lehetséges kitérésének és a munka közbeni kitérésnek a különbsége az „a” átfedés (3.4. ábra). A szerszámba foglalt 7–10 mm átmérőjű golyók vagy görgők kenés (orsóolaj és petróleum 60:40 arányú keverékével) mellett végzik a felületkezelést. 3.4. ábra. Felületszilárdítás golyó ütőtestekkel A szerszámokat rendszerint köszörűgépbe, eszterga-szánköszörűbe vagy marógépbe fogják be (3.6. ábra). A felület keménység-, illetve szilárdságnövekedése függ • a munkadarab anyagától; • az ütőtest alakjától és méretétől; • az ütőtestek számától; • az ütőtestek sebességétől; • a szerszám átfedésétől; • a munkadarab kerületi sebességétől (30–90 m/min); • a fogások számától. 77 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések A technológiai adatok kiválasztásához nagy segítséget nyújt az ütésnyomok vizsgálata, amelyet a kerületi sebesség és az átfedés lényegesen befolyásol (3.7. ábra). A technológiai adatokat a 3.3. táblázat foglalja össze. 3.5. ábra. Felületszilárdítás görgő ütőtestekkel 3.6. ábra (I.) Ütőtestes felületszilárdítás berendezései 78 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.6. ábra (II.) Ütőtestes felületszilárdítás berendezései 3.7. ábra Az ütésnyom az átfedés és a sebesség függvényében folyamatos vonal v = 25,8 m/s; szaggatott vonal v = 12,7 m/s; a golyó átmérője d = 10 mm 3.3. táblázat. Ütőtestekkel végzett felületszilárdítás technológiai irányértékei Munkadarab Acél Öntöttvas Sárgaréz Bronz Kerületi Fordulatonkénti sebesség: előtolás: f [mm] v [m/s] 15–40 15–20 15–20 8–15 0,04–0,16 0,04–0,16 0,08–0,10 0,02–0,20 Járatvagy fogásszám 2–3 2 2 2 Görgőjáték vagy ütésnagyság [mm] 0,1–0,25 0,1–0,25 0,1–0,2 0,1 Várható keménység: HV 350–550 300–600 300–600 250–300 79 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések A felületi réteg keményedését a technológiai adatok, illetve a felülettől mért távolság függvényében a 3.8. ábra szemlélteti. 3.8. ábra A felületi réteg keményedése a technológiai adatok és a felülettől mért távolság függvényében a munkadarab kerületi sebessége vrndb = 60 m/min; fordulatonkénti előtolása f = 0,08 mm; az ütések száma N = 70 1/min; vastag folyamatos vonal v = 41 m/s és a = 0,15 mm; vékony folyamatos vonal v = 41 m/s és a = 0,05 mm; szaggatott vonal v = 15,5 m/s és a = 0,15 mm; pontvonal v = 15,5 m/s és a = 0,05 mm („v” az ütési sebesség, „a” az átfedés) 3.1.3. Ütőszeges felületszilárdítás Az eljárás mechanikusan, pneumatikusan vagy elektromechanikusan rezgetett, gömbvégződésű ütőfejjel vagy ütőszeggel történő felületszilárdítás (3.9. ábra). A felületi rétegben akár 1000 MPa-ig terjedhető maradó nyomófeszültség keletkezik, és a keménység 30–50%-kal nagyobb a kiindulási állapothoz képest. Alkalmazási területek például: • nagymodulú fogaskerekek fogárkai fáradásállóságának növelése, (30–35%os kifáradási határ és keménységnövekmény érhető el 3 mm átmérőjű gömbfej, 1200/min ütésszám, 30 mm/min előtolás mellett), • hegesztési varratok utókezelése, • lépcsős tengelyek keresztmetszet-változásainak egyenszilárdságúvá tétele, • öntöttvas gépelemek lekerekítéseinek kezelése, • forgattyústengelyek egyenszilárdságúvá tétele stb. 80 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.9. ábra Ütőszeges felületszilárdítás 3.1.4. Vasalásos felületszilárdítás Felületek vasalásakor (3.10. ábra) a munkadarabnál keményebb anyagú szerszám nagy nyomóerő és kenőanyag (ásványi olaj + petróleum) alkalmazása mellett végigcsúszva csökkenti a munkadarab felületi érdességét és növeli felületi keménységét. 3.10. ábra Vasalásos felületszilárdítás A külső hengeres felületeket rendszerint esztergán vasalják. A gyémántból vagy szuperkemény anyagból (köbös bórnitrid, szerszámkerámia) készült vasalószerszámot a kés helyére fogják be. Acél- és alumíniumötvözetből készült alkatrészek 81 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések vasalási sebessége 25–200 m/min. A külső hengeres felületek vasalásának technológiai irányértékeit a 3.4. táblázat foglalja össze, míg a technológiai jellemzők hatását a felületi érdességre a 3.11. ábra szemlélteti. 3.4. táblázat. Külső hengeres felületek vasalásának technológiai irányértékei keménysége A szerszám lekerekítési sugara r [mm] 180–200 HB 3,4 45 HRC 3,4 60–61 HRC 1,2 182 HB 3,4 A munkadarab anyaga 0,45% karbontartalmú ötvözetlen acél ötvözött alumínium Vasalóerő F [N] 137 137 93 Fordulatonkénti előtolás f [mm] 0,1 0,02 0,08 420 420 0,2 0,1 137 137 137 117,5 117,5 117,5 117,5 0,02 0,05 0,05 0,05 0,05 0,15 0,08 3.11. ábra A vasalt felület érdessége a technológiai jellemzők függvényében folyamatos vonal Ra az F erő függvényében; szaggatott vonal Ra az f előtolás függvényében; pontvonal Ra a v sebesség függvényében Belső hengeres felületek vasalásakor golyót vagy kettőskúpos vasalószerszámot sajtolnak át a furaton sajtoló- vagy üregelőgéppel (3.12. ábra), 2–7 m/min kezelési sebességgel. A vasalás során nő a furat pontossága, kisebb lesz a felületi érdessége, növekszik a kopással, kifáradással szembeni ellenálló képessége. Belső hengeres felületek vasalására alkalmas szerszámok acélokhoz keményfémből, színesfémekhez golyóscsapágyacélból készülnek. 82 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.12. ábra Belső hengeres felületek vasalása A szerszám természetesen átfedéssel készül a vasalandó furathoz képest. A δ átfedés a következőképpen értelmezhető: δ = δszerszám – δmdb előtte = δmaradó + δrugalmas= = (δmdb utána – δmdb előtte) + (δszerszám – δmdb utána). Az átfedés mértéke függ • a munkadarab anyagától; • a furat méretétől; 83 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések • a furat előző megmunkálási módjától, érdességétől; • a szerszám rugalmassági tulajdonságaitól. Az átfedés nagyságára a 3.5. táblázat ad tájékoztató értékeket. Az átfedés növelésével nő az alakítóerő (3.6. táblázat) és a keményedés, csökken a vasalt felület érdessége. Az átfedés hatását az érdességre a 3.13. ábra szemlélteti. 3.5. táblázat. Az átfedés értéke furatvasaláskor anyaga A munkadarab vasalás előtti megmunkálása 0,10–0,20% karbontartalmú ötvözetlen acél esztergálás 0,30–0,45% karbontartalmú ötvözetlen acél esztergálás dörzsölés üregelés köszörülés dörzsölés üregelés köszörülés esztergálás dörzsölés üregelés köszörülés 280 MPa szilárdságú öntöttvas felületi érdessége, Ra [μm] 4–7 8–20 6–9 2–10 3,2–9,4 4–7 8–20 6–9 2–10 3,2–9,4 4–7 6–9 2–10 3,2–9,4 Viszonylagos átfedés, [mm] 5,8–7,2 6,2–8,0 4,0–5,6 3,5–4,5 4,5–5,7 6,0–7,4 6,4–8,2 5,0–6,2 4,2–5,2 5,0–6,2 6,0–7,6 5,0–5,6 4,0–4,5 4,8–5,5 Megjegyzés: Viszonylagos átfedés: (a/d0)10-3, ahol „a” az átfedés; d0 a kalibráló szerszám átmérője. 3.6. táblázat. A furatvasaló erő irányértékei [MN] Furatátmérő: d [mm] 30 40 84 0,05 18 22 0,1 24 37 Átfedés: a [mm] 0,15 0,2 0,25 30 35 42 48 60 – 0,3 50 – 0,35 55 – 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.13. ábra Az „a” átfedés hatása a vasalt felület Rz felületi egyenetlenségmagasságára 3.1.5. Görgőzéses felületszilárdítás A felületgörgőzés (3.14. ábra) nagy keménységű, szabadon forgó szerszám nagy nyomóerő és kenőanyag alkalmazása melletti gördítésével, belső vagy külső felületen megvalósuló felületszilárdítás. A szerszámacélból vagy golyóscsapágyacélból készített, eszterga szánjára felszerelhető szerszám kenőanyaga transzformátorolaj és oleinsav 95:5 arányú keveréke. A felület az alakváltozás következtében keményedik, érdessége csökken. 3.14. ábra (I.) A felületgörgőzés elve és szerszámai 85 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.14. ábra (II.) A felületgörgőzés elve és szerszámai Görgőzhetők külső, belső hengeres és síkfelületek. Külső hengeres felületek esztergán vagy célgépeken kezelhetők. A görgőzés legfontosabb technológiai irányértékeit a 3.7. táblázat foglalja össze. 3.7. táblázat. A felületgörgőzés technológiai irányértékei A szerszám jellegzetes alakja A szerszám anyaga A szerszám átmérője: d [mm] A szerszám lekerekítési sugara: R [mm] Hengerlőerő: F [N] Előtolás: f [mm/fordulat] Elérhető felületi érdesség: Ra [μm] szerszám- vagy golyóscsapágyacél 20–200 0,5–200 200–200 000 0,2–2 0,01–1 A görgőzéssel elérhető felületi érdesség függ • a hengerlőerőtől; • a henger alakjától és lekerekítési sugarától; • az előtolás nagyságától; • a fogások számától. A görgőzés sebessége nem befolyásolja lényegesen a felületi érdességet. Általában nagyobb hengerlőerővel kisebb felületi érdesség érhető el, nagyobb lekerekítési sugarú görgő simább felületet alakít ki, valamint az előtolás csökkentésével is csökken a felületi érdesség. A fogások számának növelése kezdetben csökkenti a felületi érdességet, de az optimális fogásszám túllépése után a felületi érdesség nő, a felület kihengerlődhet, kipereghet, kifáradás szempontjából igen kedvezőtlenné válhat. A görgőzési technológiai adatok kedvező megválasztásával a kopásállóság és a kifáradási határ nő. A 3.15. ábra a kifáradási határ változását szemlélteti a hen86 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések gerlőerő függvényében. Kopásnak kitett alkatrészeket (lengéscsillapító rúd, vasúti kerékpárabroncs) gyakran görgőznek. Nagyméretű, bonyolult alakú alkatrészek kifáradási határát is görgőzéssel növelik. A 3.16. ábrán öntöttvas forgattyústengelyek kifáradási határa látható görgőzetlen és görgőzött állapotban. 3.15. ábra A kifáradási határ a hengerlőerő függvényében (az acél karbontartalma 0,45–0,48%) 3.16. ábra Forgattyústengelyek kifáradási határa folyamatos vonal: görgőzött állapotban; szaggatott vonal: görgőzetlen állapotban 3.1.6. Robbantásos felületszilárdítás A robbantásos felületszilárdítás az elmozdulásában megakadályozott munkadarab felületi rétegének hidegalakítása detonáció lökéshullámai nem visszaverődő részének energiájával. A levegő, víz, homok, műanyag stb. nyomásközvetítő közeg segítségével, a kezelendő felületre terített robbanóanyag-réteg detonációja révén a nyomáshullám végighalad a fémfelületen, minek következtében a felületi réteg alakváltozik, tömörödik, keményedik. A lökéshullám sebessége 1000–10 000 m/s, 87 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések nyomása 105 bar lehet. Alkalmazások közül megemlíthetők a vasúti sínkereszteződések, illetve -elágazások, valamint a bányászati vágó- és fúrószerszámok felületkezelései. 3.1.7. Lézerimpulzusos felületszilárdítás A lézerimpulzusos felületszilárdítás (3.17. ábra) szintén lökéshullámokkal történik, amelyeket nagy energiájú lézerimpulzusok anyagra hatásakor képződő gőzök plazmaállapotba kerülése vált ki a fókuszált lézersugár hatáskeresztmetszetében. A maradó nyomófeszültséget is eredményező kezelés a lézersugár lengetésével terjeszthető ki a teljes kezelendő felületre, ugyanis a hőfejlődés nélkül terjedő lökéshullám egyszerre csak egy ponton hat. Kezeléskor a fókuszolt lézersugár teljesítménysűrűsége 108–1010 W/cm2, impulzusainak időtartama 10–8–10–6 s. 3.17. ábra Lézerimpulzusos felületszilárdítás 3.2. Felületedzés Az egyensúlyi (állapotábra szerinti) átalakulási hőmérséklethez képest a homogén szilárd oldat jelentős mérvű ΔT túlhűtése a diffúzió (atomelmozdulás, illetve -átrendeződés) lehetőségét gátolja, esetleg meg is szünteti, tehát kellően gyors hűtéssel második fázis kiválása megakadályozható. Az átalakulási folyamatot két ellentétes hatás befolyásolja: a ΔT túlhűtéssel az átalakulási kényszer nő, viszont az így elért alacsony(abb) hőmérsékleten a diffúzió sebessége csökken. E két hatás együttesen eredményezi, hogy az acélok ausztenitje átalakulásainak T hőmérséklettől függő t időszükségletét – T-logt koordináta-rendszerben – C alakú görbék jellemzik (3.18. ábra). 88 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések Az acélok nem egyensúlyi átalakulásának alapja tehát a folyamatok „késése”, vagyis a perlites átalakulás PSK-vonala = A1 = 727 ºC, az α↔γ átalakulás GOSvonala = A3 = f(C%) és a cementitkiválás ES-vonala = Acm = f(C%) hevítési, illetve hűtési sebességtől függő mértékű „eltolódása”. Ezek szerint hevítéskor az egyensúlyihoz képest nagyobb (Ac1, Ac3, Accm), hűtéskor kisebb (Ar1, Ar3, Arcm) hőmérsékleteken megy végbe az átalakulás. A nem egyensúlyi átalakulások nemcsak az átalakulási hőmérsékleteket, hanem a hevítéskor és a hűtéskor keletkező szövetelemek mennyiségi és minőségi viszonyait is megváltoztatják. 3.18. ábra Átalakulási C-görbék származtatása A hevítés során bekövetkező nem egyensúlyi átalakulásokat (kezdete, vége, eredménye) a folyamatos hevítésre vonatkozó és az izotermikus ausztenitesítési diagramok szemléltetik. A folyamatos hevítésre felvett T-lgt diagramban (3.19/a. ábra) egy felhevítési sebességvonalat kiválasztva az ausztenitesedés kezdetét az Ac1, befejeződését az Ac3 görbével való metszéspont fejezi ki. Az Ac1 és az Ac3 függvénygörbék asszimptotái az A1 és A3 egyensúlyi átalakulási hőmérsékletek, melyek elvben a végtelen lassú hevítéshez tartoznak. A diagramból az is látható, hogy a perlit ausztenitesedése nem egy adott hőmérsékleten, hanem hőmérséklet-intervallumban (Ac1s – Ac1f) megy végbe. A diagram szintén mutatja, hogy az ausztenitté alakulás Ac3 hőmérsékleten ugyan befejeződik, de ekkor az ausztenit még inhomogén, vagyis az előzőleg perlites helyeken több, míg a korábban ferrites helyeken kevesebb karbont tartalmaz. Az ausztenit homogenitása így később, a diagramban szintén jelölt vonal felett tekinthető megfelelőnek, ahol viszont megindul a szemcsedurvulás is. Ezért az ausztenitesítés hőmérsékletét és 89 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések időtartamát úgy kell megválasztani, hogy elfogadható homogenitású, de még finomszemcsés ausztenit jöjjön létre az ebből az állapotból induló hőkezelés(ek)hez. Az ausztenitesítés izotermikus viszonyok közötti vizsgálatához a felhevítésnek olyan gyorsnak (pl. 104 °C/s) kell lennie, hogy időszükséglete az ausztenitesedés szempontjából elhanyagolható legyen. Így konstans hőmérsékleten – izotermán – értékelhető az ausztenitesedés folyamata, a kezdetéhez és befejeződéséhez szükséges időtartam (3.19/b. ábra). Meg kell jegyezni, hogy egy-egy ausztenitesítési diagram csak adott kémiai összetételre, konkrét előzetes hőkezelési állapotra és ebből adódó kiindulási szövetszerkezetre értelmezhető, illetve alkalmazható. Az ausztenitesítést követő hűtés (hőkezelés) menetét diffúziós és diffúziómentes átalakulásokra a folyamatos hűtésre vonatkozó ausztenitátalakulási diagramok szemléltetik. A szintén T-logt koordináta-rendszerben felvett diagramok egy bizonyos hűtőközeg által meghatározott hűtési sebességvonal (lehűlési görbe) mentén mutatják az átalakulások kezdő és véghőmérsékletét, a hozzájuk tartozó időtartamokat, valamint a várható szövetelemeket, illetve keménységértékeket is (3.19/c. ábra). Az ausztenitátalakulás izotermikus viszonyok közötti vizsgálatához olyan gyors hűtést kell biztosítani a konstans hőmérséklet eléréséig, hogy annak időtartama elhanyagolható legyen az átalakulásokéhoz képest. Az izotermikus ausztenitátalakulási diagram (3.19/d. ábra) konstans növelt hőmérsékleten (izotermán) diffúziós átalakulásokra mutatja az átalakulások kezdetéhez és befejeződéséhez szükséges időtartamokat, továbbá a kialakuló szövetszerkezet összetevőit, keménységét. Diffúziómentes átalakulásra a diagram nem értelmezhető, mert az elsősorban hőmérséklet-különbség függvénye. Egy ausztenitátalakulási diagram csak adott kémiai összetételre és kiinduló ausztenites állapotra (homogenitás, szemcseméret) vonatkozik, ezért elsősorban a hőkezelési gyakorlat szempontjából kvázioptimális A3 + 50 °C (hipoeutektoidos acélnál), illetve A1 + 50 °C (hipereutektoidos acélnál) hőmérsékleten végzett ausztenitesítést követő átalakulásokra készítik el a diagramokat. Mint látható, nem egyensúlyi viszonyok között az α-ferrit és a „cementitlemezes” perlit mellett „ferrittűs” bénit, illetve martenzit szövetelemek is képződhetnek az acélokban. Az acélok (a vasnak metastabil rendszerben kristályosodott ötvözetei) a legfontosabb fémes szerkezeti anyagok, melyekben a karbon egyensúlyi körülmények között Fe3C (vaskarbid) vegyület formájában van jelen. Ezen Fe-Fe3C ötvözetek fontos C-koncentrációi szerszámacélok esetén 2,14%-nál, szerkezeti acélok esetében 0,76%-nál kisebbek. Ha ezeket az anyagokat az állapotábra szerinti γmezőbe felhevítjük (ausztenitesítjük) és ott hőn tartjuk, akkor a bennük található αszilárd oldat allotróp módon (térben középpontos köbösből felületen középpontos köbössé) átalakul, és a keletkező ausztenitben az összes karbidfázis oldódik. Ha ezután lassan (kvázi egyensúlyi körülmények között) visszahűtjük, akkor diffúzió révén a karbidfázis (cementit) kiválik, és az α-fázis (ferrit) is újra létrejön, az állapotábrának megfelelően (3.20/a. ábra). 90 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések a) b) 3.19/a–b. ábra Ausztenitesítési diagramok (34CrMo4 acélra) 91 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések c) d) 3.19/c–d. ábra Ausztenitátalakulási diagramok (34CrMo4 acélra) 92 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések Az eutektikumhoz hasonló formáció is kialakul, azonban ez nem folyékony olvadékból, hanem szilárd oldatból keletkezik, így eutektoidnak vagy másképpen perlitnek nevezik. Ezen cementit- és ferritlemezekből álló perlit (3.20/b. ábra) mennyisége a karbontartalom függvénye, az acél 0,76% C-nál tisztán perlites (eutektoidos), 0,76% C alatt hipoeutektoidos (ferrit-perlites) acélokról, felette hipereutektoidos (perlit-cementites) acélokról beszélünk. a) b) c) d) 3.20. ábra (I.) Acélok hőkezelése 93 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések e) f) 3.20. ábra (II.) Acélok hőkezelése Tehát ha az acélt ausztenitesre hevített állapotból gyorsan hűtjük (azaz eddzük, 3.20/c. ábra), a γ→α átalakulás diffúzió nélkül (nagyon gyorsan, „hullámszerűen”), rácsátbillenéssel megy végbe. Ez a nem egyensúlyi – folyamatos hűtésre vonatkozó ausztenitátalakulási diagramban (3.20/d. ábra) értelmezhető – martenzites átalakulás karbonnal túltelített α-szilárd oldatot (martenzitet) eredményez, melynek térközepes köbös rácsa tetragonálissá torzult (3.20/e. ábra). A martenzites szerkezet eredményezi az acél legkeményebb, de egyben legridegebb állapotát is, ezért az edzett acélt használat előtt meg kell ereszteni. Ha a keménység (kopásállóság) megtartása a cél, akkor a repedésveszélyt mérséklő – kisebb hőmérsékletű (180– 250 °C) – feszültségcsökkentő megeresztést kell alkalmazni. Ha kedvező szilárdság–szívósság (repedésterjedéssel szembeni ellenállás) arányt kívánunk beállítani, akkor nagyobb hőmérsékletű (500–650 °C) megeresztést célszerű alkalmazni (3.20/c. ábra). Az ilyen megeresztés során a martenzitből – de a kevésbé rideg bénitből is – a karbid apró gömbszerű alakzatok formájában kiválik, és ún. szferoidit (finomszemcsés perlit) jön létre. A létrejövő karbidfázis mennyisége, mérete, eloszlása határozza meg a nemesített acél mechanikai tulajdonságait. Nagyobb hőmérsékleteken (680–710 °C) az acél már kilágyul, a szemcsés szerkezetben durvább karbidok vannak jelen. Egyes ötvözött acélokban a nagyobb hőmérsékletű megeresztés során megeresztésállóságot javító szekunder ötvözőkarbidok válnak ki (3.20/f. ábra). A nem egyensúlyi szövetszerkezetet létrehozó felületedzés akkor valósul meg, ha az edzhetőség három kritériuma (az anyag megfelelő intersztíciós ötvözőtartalma: C≥0,25%, átalakulási hőmérséklet feletti homogenizáló izzítás: T>A3, majd a kritikusnál nagyobb hűlési sebesség: vhűlés>vkrit) közül a második csak bizonyos felületi kéregvastagságban teljesül (3.21. ábra). 94 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.21. ábra Edzhetőségi feltételek A teljes térfogatukban nemesített acél munkadarabok felületének gyors felhevítése só- vagy fémolvadékba mártással, éghető gáz lángjával, illetve reakcióhőjével, nagyfrekvenciás induktorral gerjesztett örvényáram- és mágneses hiszterézisveszteséggel, nagy hőmérsékletű technikai plazmával, elektronsugár kinetikai energiájának átalakulásával vagy lézersugárzás abszorbeálódó fotonáramával történhet. A gyors lehűtést a nagyobb tömegében hidegen maradó munkadarab intenzív hőelvonása és/vagy a ráfújt vízpermet biztosítja. 3.2.1. Lángedzés Lángedzéskor az anyagot az előírt mélységben termokémiai reakcióhővel A3 föléhevítik, majd pl. vízpermettel a kritikusnál nagyobb sebességgel lehűtik. Így a munkadarab felületén kemény kéreg keletkezik, a magja szívós marad. Főleg kopásnak kitett alkatrészek felületi keménységét fokozzák vele, pl. nagyméretű fogas- és lánckerekek, kötélhornyok, tengelyek, hengerek, esztergaszán-vezetékek, orsók, csúszólapok, forgattyústengely-csapok. Különösen ott van jelentősége, ahol a nagy méretek következtében más edzési mód nem jöhet számításba, vagy kicsi a darabszám, mert beruházási költsége nem nagy. Az egyszerű, gyors és olcsó lángedzés annál gazdaságosabb, minél kisebb az edzendő felület az összfelülethez képest. Tömeggyártás esetén a munkafolyamat- 95 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések ba kell a berendezést integrálni, ezzel megtakarítható a felesleges szállítás a hőkezelőüzem és a megmunkálóműhelyek között. Az állandóan üzemkész állapotban levő lángedzőgép (3.22. ábra) gyakran a nem teljesen kihasznált hőkezelő kemence helyébe lép. A berendezés üzembe helyezése gyors, mert nem kell felfűteni, mint pl. a kemencét. Lángedzéshez általában acetilént, ritkábban metánt, propánt vagy világítógázt használnak. 3.22. ábra Lángedzőgép Az acetilén színtelen, nem mérgező, jellegzetes szagú gáz. Nagy égési sebessége és lánghőmérséklete teszi alkalmassá lángedzésre. Előnye, hogy a felhasználás helyén könnyen hozzáférhető palackokban forgalmazzák. Levegővel keveredve 3–65%-os, oxigénnel keveredve 3–93%-os koncentráció között robban. A tiszta acetilén kisebb nyomáson meggyújtva lassan, robbanás nélkül ég. Az önrobbanás határa 0,2 MPa túlnyomás, 100 °C-on. A világítógáz (városi gáz) összetétele előállítási helyétől függően változhat. A nem éghető alkotók (nitrogén, oxigén, szén-dioxid) legfeljebb 8–10%-ot tehetnek ki, különben az égési sebesség és a hőmérséklet igen alacsony lesz. Szénmonoxid-tartalma miatt mérgező. Levegővel keveredve 8–22%-os koncentrációnál robban. Előnye a korommentes égés és az égők hosszú élettartama. Világítógázzal 2000–2900 °C lánghőmérséklet állítható elő. Üzemi nyomása 0,03–0,05 MPa túlnyomás. Ha a távvezetékben ennél kisebb a gáz nyomása, sűrítőt kell beiktatni. A nagy teljesítményű égőkhöz világítógázt használnak. A metánt (CH4) tisztán ritkán használják, inkább földgázban mint fő alkotót (95%-ban). Levegővel keverve 5–15%-os koncentráció között robban. Lánghőmérséklete alacsony (2000 °C), égési sebessége is kicsi üzemi nyomása 0,05–0,1 MPa túlnyomás. Csak kisméretű munkadarabok lángedzésére alkalmas. 96 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések A propán ideális égőgáz lángedzéshez, mivel a láng hőmérséklete 2850 °C. A palackban folyékonyan tárolható, kiáramláskor gőzölög el. Gyulladási sebessége igen kicsi (2,5–4 m/s), ezért a lángvisszacsapás veszélye minimális. Üzemi nyomása 0,05–0,1 MPa. A propánt legtöbbször butánnal keverik, és mint ún. PBkeveréket használják. Fűtőérték szempontjából legkedvezőbb a propán és az acetilén. Ha azonban az égés tiszta oxigénnel megy végbe, az égési hőmérséklet gyakorlatilag független a fűtőértéktől. Sokkal fontosabb a hevítési sebesség és a lángvisszavágásra való hajlam. Fogyasztás szempontjából legjobb a városi gáz. Lökésszerű terhelést is elvisel, mindig a kellő mennyiségben áll rendelkezésre, ezért nagy felületet lehet vele edzeni. Ugyanez a földgázra is vonatkozik. A palackozott gáz hátránya, hogy nagy teljesítményigény esetén sok palackot kell használni. Hevítési sebesség szempontjából az acetilén a legjobb, mert ennek égésekor keletkezik a legtöbb hő, és lánghőmérséklete a legmagasabb, így vékony kérget lehet edzeni vele. Tehát a rétegvastagság a hevítés sebességével szabályozható. A mag érintetlen a hőhatástól, az előzetesen már hőkezelt (pl. nemesített) állapotban megmarad. A kéreg és a mag vegyi összetétele ugyanaz, így kisebbek az edzéskor fellépő feszültségek, mint betétedzés után. A kéregleválás igen ritka; csak akkor tapasztalható, ha valamilyen anyaghiba az edzett réteget megszakítja. Az átmenet a kéreg és a mag között fokozatos. Mivel a hevítés lokális jellegű, kisebb a vetemedés, utólagos egyengetés nem szükséges. Nem fordul elő, hogy egyes helyeken az edzett rétegeket leköszörülik, mivel a réteg vastagsága viszonylag nagy. A lángedzési eljárások két fő csoportba sorolhatók: • szakaszos lángedzések, • folyamatos lángedzések. Szakaszos lángedzés esetén a hevítés és hűtés egymást szakaszosan követi. Először az egész felületet felhevítik az edzési hőmérsékletre, majd ezután kezdődik a hűtés. A kézből való edzést vagy pontedzést akkor alkalmazzák, ha az edzőláng keresztmetszete akkora, hogy az egész edzendő felületet egyidejűleg tudja melegíteni. Lánghegesztésnél is használatos pisztollyal hevítenek, és mártva vagy folyadéksugárral hűtenek. Így edzhetők pl. a szelepvégek, a csavarvégek, a sínvégek és a sínütközők. Az ingamozgásos köpenyedzést akkor alkalmazzák, ha az égő valamilyen irányban túl keskeny ahhoz, hogy az egész felületet felhevítse. Az égőt ilyenkor ide-oda mozgatják a munkadarab felett. A hűtőpermetezőnek viszont már akkorának kell lennie, hogy ne legyen szükség a mozgatására. Az eljárás igen mély edzett réteget eredményezhet éppen a hosszú hevítési idő következtében. A lökethosszt az edzendő hossz szabja meg, az égő szélességét a munkadarab szélessége. Az égőt addig kell ide-oda mozgatni, amíg a munkadarab fel nem veszi az edzési hőmérsékletet. Az ingamozgásos köpenyedzést síkfelületek edzésére ritkán alkalmazzák, ugyanis ott inkább az előtolásos edzés kerül előtérbe. A forgó szakaszos (gyorsforgásos) lángedzés folyamán a munkadarab állandó sebességgel forog a hevítés és a hűtés alatt is. Az égő hossza megegyezik az 97 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések edzendő csap hosszával (3.23. ábra). Az eljárás előnye, hogy a keménység és a rétegvastagság egyenletes. A munkadarab forgási sebességét úgy kell meghatározni, hogy a forgó csapok kerületi sebessége 10–25 m/min legyen. A hevítési idő a csap átmérőjétől függ. Forgó, szakaszos lángedzéshez több égő is alkalmazható, egymástól 180°, illetve 120°-ra. Ezáltal – a növekvő hőteljesítmény következtében – csökken a hevítés ideje, nő a termelékenység, kisebb az energiafogyasztás. Kisebb az edzés következtében keletkező vetemedés és a revésedés lehetősége is. A többégős megoldás hátrányai: a berendezés bonyolultabb, vékonyabb az edzett réteg a fokozottabb hőtorlódás következtében, élesebb az átmenet a kéreg és a mag között. Darukerekekhez pl. 4–8–12–16 égőfejes melegítő berendezést használnak, miáltal a felület keménysége egyenletesebb és a réteg sokkal mélyebb, mint egyégős edzés esetén. a) b) 3.23. ábra Forgó szakaszos edzés a) hevítés; b) hűtés 1 égő; 2 munkadarab; 3 hűtőfej Folyamatos lángedzéskor a láng vagy a lángsor egyszer halad el a melegítendő felület előtt (vagy a felület halad el a láng előtt). A felhevített sávot minden esetben folyamatosan hűtik. Tehát a hevítést és hűtést egy műveletben végzik. Előtolásos (síklap-) edzés (3.24. ábra) esetén az égő és hűtőfej szélessége a munkadarabbal azonos. Vagy az égő és ezt követően a hűtőfej halad el a munkadarab felett, vagy a munkadarabot mozgatják az égő és hűtőfej alatt. A hűtőfej mindenképpen az égőfejet követi úgy, hogy csak egy vékony edzett réteg keletkezzék. Az előtolás nagyságát (5–15 cm/min) úgy állapítják meg, hogy a láng által felmelegített sáv felvegye az edzési hőmérsékletet. Az elérendő rétegvastagság szempontjából fontos az égőfej és hűtőfej közötti távolság. Az edzett réteg ugyanis an98 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések nál vékonyabb, minél nagyobb az égők hőteljesítménye, az előtolás sebessége, és minél kisebb az égő és hűtőfej közötti távolság. 3.24. ábra Előtolásos edzés Az egyfordulatos folyamatos lángedzés elve a 3.25. ábrán látható. A munkadarab (3) megfelelő előtolással folyamatosan egyszer halad el az égő (1) előtt, majd a hűtőfej (2) a felhevített palástrészt folyamatosan hűti. Az edzés egyetlen fordulat alatt megy végbe. 3.25. ábra Az egyfordulatos folyamatos lángedzés elve 1 égő; 2 hűtőfej; 3 munkadarab 99 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések A rétegmélységet a hevítőberendezés teljesítménye, az előtolás, az égő és a hűtőfej közötti távolság, továbbá az edzendő felület és az égőfej közötti távolság befolyásolja. A rétegmélység előírásakor a várható kopásból kell kiindulni. Mivel a feszültségek nem a felületen a legnagyobbak, mély edzett réteg előállítására kell törekedni. A forgó munkadarab kerületi sebességét úgy állapítják meg, hogy a láng által felhevített sáv felvegye az edzési hőmérsékletet. Minél nagyobb a munkadarab átmérője, annál kisebb az előtolás. Minél nagyobb az acél karbontartalma, és minél erősebben ötvözött, annál nagyobb az előtolás. Az edzendő felület és az égő közötti távolság 10–25 mm, ami elsősorban a munkadarab átmérőjétől függ. Minél nagyobb az edzendő munkadarab átmérője, annál kisebb ez a távolság. A távolság az anyag összetételétől is függ. Minél nagyobb az acél karbontartalma és minél erősebben ötvözött, annál távolabb kell vinni az égőt az edzendő felülettől. A hűtővíz hőmérséklete 20 °C-nál nagyobb legyen, nehogy repedések keletkezzenek. Célszerű víztartály beállítása, amely a hűtővíz hőmérsékletét és nyomását stabilizálja. Az egyfordulatos folyamatos lángedzést sokan még ma is fenntartással fogadják a lágycsíkosság (3.26. ábra) veszélye miatt. A lágycsík ott képződik, ahol befejezik az edzést, mert a láng előrehatoló melege a már létrehozott edzett kérget bizonyos mértékig kilágyítja. A lágycsík jelentősége annál kisebb, minél nagyobb a munkadarab. Az egyfordulatos edzésre jellegzetes példa a darufutókerekek és a vasúti kocsik kerekeinek lángedzése. 3.26. ábra Lágycsíkosság Forgó előtolásos edzés során a munkadarab a saját tengelye körül forog, az égő és a hűtőfej pedig a hengeres munkadarab alkotója mentén haladó mozgást végez. A két mozgás eredőjeképpen a láng csigavonalszerűen halad végig a felületen. Főleg kis átmérőjű, hosszú forgástestek edzésére (3.27. ábra) alkalmas, ezek ugyanis egyfordulatos folyamatos vagy forgó, szakaszos lángedzéssel nem kérgesíthetők. A munkadarabot az egyenletes hevítés és az egyenletes rétegmélység végett kell forgatni, mivel a munkadarabot az égőben annyira központosan nem lehet elhelyezni, hogy forgatás nélkül is egyenletesen hevüljön. Az előtolást és a fordulatszámot célszerű fokozat nélkül szabályozni, ugyanis az átmérőnek 100 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések megfelelő előtolással való edzés során akkor is meg tudják valósítani az edzés egyenletességét, ha néhány technológiai adat (pl. a nyomás) üzem közben megváltozik. 3.27. ábra Kis átmérőjű, hosszú tengelyek edzése Az égő vagy teljesen zárt gyűrű, vagy körív alakú, és szegmensekből áll. A nem teljesen zárt gyűrűbe könnyebb behelyezni a munkadarabot és egyszerűbb kivenni. Ha az égő több körív alakú szegmensből áll, akkor az ívek száma szerint 2–3– 4–8-részes égőről beszélhetünk. Az égővel rendszerint egybeépített hűtőfej legtöbbször teljesen körbefogja a munkadarabot, hogy a hűtés minél egyenletesebb legyen. A lángsugár és a vízsugár közötti távolság 10–20 mm. Az égő vagy egybe van építve a hűtőfejjel, vagy a hevítőberendezéstől külön álló hűtőfejet alkalmaznak. Ha az égő és a hűtőfej külön egységet képez, akkor ez módot nyújt a rétegmélység további szabályozására. Minél közelebb van a hűtőfej az égőhöz – változatlan technológiai adatok esetén –, annál vékonyabb edzett réteg állítható elő. 3.2.2. Indukciós edzés Az indukciós felületi edzés (3.28. ábra) célja gépelemek vagy szerszámok felületi keménységének és ezáltal a kopásállóságának, kifáradási határának növelése úgy, hogy a magjuk szívós maradjon. Az acél felületi rétegének igen nagy sebességű felhevítése jellemzi az eljárást. 101 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.28. ábra Indukciós edzés A vezetőben átfolyó váltakozó áram váltakozó elektromágneses mezőt hoz létre, amely az áram útját körkörösen veszi körül. A mágneses mező erőssége a vezetőtől növekvő távolsággal arányosan csökken. A váltakozó áramot tekercsszerű vezetőn, ún. induktoron átvezetve és e tekercsbe mágnesezhető anyagú munkadarabot helyezve (3.29. ábra) a fémben elektromos feszültség indukálódik, amely elektromos áramot hoz létre. Az áram hatására – a fém ellenállása következtében –- hő fejlődik. A hőfejlődés növekvő frekvenciával nő. A melegedést részben a Joule-veszteség, részben a hiszterézisveszteség okozza. A hiszterézisveszteségek csak a Curie-pontig (A2=769 °C) lépnek fel, ahol az acél mágneses permeabilitása nagymértékben lecsökken. 3.29. ábra Munkadarab az árammal átjárt induktor mágneses terében 102 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések A hagyományos hevítési módszerekkel összehasonlítva indukciós hevítéssel lényegesen nagyobb teljesítmény vihető át az acél felületére: • áramlással 0,5 W/cm2, 10 W/cm2, • sugárzással 20 W/cm2, • kontaktussal 1 000 W/cm2, • lánggal 15 000 W/cm2. • indukcióval Indukciós hevítéssel tehát az előírt hőmérséklet lényegesen gyorsabban érhető el, mint hagyományos módszerekkel. Más hevítési eljárásokkal összehasonlítva a legalapvetőbb különbség abban van, hogy a hő magában a munkadarabban keletkezik. Indukciós hevítéskor az indukált örvényáramok erőssége – és ezzel együtt a hőfejlődés – a munkadarabban kívülről befelé haladva csökken (3.30. ábra). E jeleneséget szkinhatásnak nevezzük, ami azt jelenti, hogy az indukált örvényáramok sűrűsége(i) – és ezzel együtt a hőfejlődés – a munkadarabban kívülről befelé haladva csökken, de intenzitása növekvő frekvenciával nő (nagy hőtorlódás lép fel a felületi rétegben → gyors hevítés). – középfrekvenciás forgógenerátor tirisztoros áramátalakító: 10–100 kW, 3–10 Hz; δ = 5–8 mm – nagyfrekvenciás oszcillátor elv alapján működő csőgenerátor: 0,5–500 kW, 400–2500 Hz; δ = 0,4–1 mm 3.30. ábra (I.) Indukciós hevítés jellegzetességei 103 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések örvényáramok homogén, finomszemcsés szövetszerkezet esetén gyorsabb a diffúzió, alacsonyabb a szükséges T 3.30. ábra (II.) Indukciós hevítés jellegzetességei A nagyfrekvenciás áram behatolásának δ mélysége függ az f frekvenciától, a hevített acél ρ fajlagos ellenállásától és μ mágneses permeabilitásától: δ ≈ 503 ρ mm. f ⋅μ (3.2) Az egyenlet szerint növekvő frekvenciával csökken az áram behatolásának mélysége. A gyakorlatban használatos frekvenciatartományok és a hozzájuk tartozó behatolási mélységek: középfrekvencia 3–10 kHz δ = 8–5 mm, nagyfrekvencia 400–2500 kHz δ = 1–0,4 mm, nagyfrekvenciás impulzus 27 MHz δ ≈ 0,1 mm. Az indukciós edzéshez szükséges középfrekvenciás áramot forgó generátorral, tirisztoros vagy tranzisztoros áramátalakítással, a nagyfrekvenciás áramot az oszcillátor elv alapján működő csőgenerátorral állítjuk elő. Az oszcillátor áramát nagyfrekvenciás transzformátoron keresztül az induktorra csatlakoztatjuk. A generátorok teljesítménytartománya: középfrekvenciás generátor: 10–1000 kW, nagyfrekvenciás generátor: 0,5–500 kW. Az indukciós edzőberendezés fontos része az induktor. A hevítés hatása nemcsak a generátor teljesítményétől és a hevítés idejétől, hanem az induktor méretétől, kialakításától és elrendezésétől is függ (3.31. ábra). Az induktor készítése legnagyobbrészt gyakorlati tapasztalatokon alapul. A hevítési képhez szükséges induktor kialakítása számítással nem határozható meg, és általános érvényű szabály is csak korlátozott mértékben állítható fel. 104 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.31. ábra Induktorok kialakítása és elrendezése Az áramsűrűség az induktorokban 4000–6000 A/cm2 is lehet, ezért az ellenállásuk kicsi legyen. E célra rezet használnak, nagyobb igénybevétel esetén ezüstöt, de jól beváltak a rézből készült ezüstözött induktorok is. Az induktorban keletkező hőt – amely a hasznos teljesítmény 20–30%-át is elérheti – hűtővízzel el kell vezetni. Részben ezért, részben a szkinhatás miatt az induktorok csőből készülnek. A nagyfrekvenciás áram szempontjából a vezető ellenállása annál kedvezőbb, minél nagyobb a felülete a keresztmetszetéhez képest. Ezért a négyszögletes keresztmetszetű csőnek jobb a hatásfoka, mint a kör keresztmetszetűé. A vezetőfelület lemezcsík felhegesztésével is növelhető. A kellő alakhűséggel kialakított induktornak hevítéskor is meg kell tartania rögzített helyzetét, ezért stabilan kell felszerelni a nagyfrekvenciás transzformátorra. Az induktort tartó hozzávezetésnek lehetőleg rövidnek és a szárak egymástól való távolságának minimálisnak kell lennie. Ilyen módon az induktor hatásfoka kedvezőbb. Az induktor és a hevítendő felület közötti távolság, az ún. csatolás lehetőleg 0,5–1,0 mm legyen. Minél kisebb, annál jobb az induktor hatásfoka. Az éles sarkok és kis keresztmetszetek a nagy áramsűrűség és a rosszabb hőelvezetés miatt túlhevítésre érzékenyek (3.32/a. ábra). Ezért ilyen helyeken a csatolási távolságokat bizonyos mértékig meg kell növelni (3.32/b. ábra). 105 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések a) b) 3.32. ábra Az élek túlhevülése a csatolás rontásával elkerülhető Az edzendő kéreg vastagsága a fajlagos teljesítménnyel, az előtolás sebességével, az acél kémiai összetételének figyelembevételével állítható be. Az induktor és a hűtőfej közötti távolsággal bizonyos határokon belül jól szabályozható a hevítés mélysége (3.33. ábra). Túl nagy távolság esetén a hevített övezet hőmérséklete annyira lecsökkenhet, hogy a felület keménysége az elérhetőnél kisebb lesz. Többmenetes induktorral a menetek egymás közötti távolságával az edzendő felület hőmérséklete és így a hevített réteg vastagsága is szabályozható (3.34. ábra). 3.33. ábra A hűtés késleltetésének hatása a kéreg vastagságára 3.34. ábra A menetek egymás közötti távolságának hatása a hevített réteg vastagságára Hengeres tárgyak edzésekor a hevítés a csatolási távolságnak, a menetek egymástól való távolságának és az induktor keresztmetszetének növelésével tetszés szerint változtatható. A 3.35. ábra arra mutat példát, hogy miként kell a tengely 106 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések végét egyenletes mélységben beedzeni. Ha a 3.35/a. ábrán látható induktort használjuk, akkor a szoros csatolás miatt a hevített réteg nem lesz egyenletes. A hevítés ideje nagyon rövid, a hőmérséklet kiegyenlítődésére nincs idő, az edzett kéreg ennek megfelelően változó keménységű és változó mélységű. Egyenletesebb hevítés céljából a csatolási távolságot növelni kell (3.35/b. ábra), így a munkadarab homogénebb mezőben hevül, ennek következtében a kéreg egyenletes lesz. a) b) 3.35. ábra Tengelyvég edzése A homlokfelületen fellépő hőtorlódás csökkentésére célszerű az induktort úgy kialakítani, hogy magassága legalább 1 mm-rel kisebb legyen (3.36. ábra). Hasonló szempontból az előtolásos edzés esetén célszerű a hevítést a tárgy felső pereme alatt 1–2 mm távolságban megszüntetni. 3.36. ábra Az edzett kéreg alakjának változása a csatolás módosításának hatására 107 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések A sík felületet (lapot) edző induktorokat hajtűszerűen alakítják ki, és az edzést előtolással végzik, hogy a munkadarab éleinek túlhevülését elkerüljék. A hűtőkészüléket közvetlenül az induktor után helyezik el (3.37. ábra). Ügyelni kell arra, hogy a hűtőfolyadék ne folyhasson az induktor alá. Ezért vagy a hűtőkészülék kifolyónyílásait alakítják ki úgy, hogy ez ne történjék meg, vagy fúvott levegőt használunk. Függőleges irányú előtolásos edzéskor a hűtőfolyadék az induktor alatti övezettől sokkal egyszerűbben távol tartható. Nagy teljesítményű indukciós edzőgépekhez nem használnak külön hűtőkészüléket, hanem az induktoron átfolyó hűtővíz egy részét megfelelően elhelyezett furatokon keresztül a munkadarabra juttatják. 3.37. ábra Hajtű alakú induktor felhajtott végekkel, sík felület edzésére Az indukciós edzés a hagyományos edzéstől a hevítés módjában tér el, ugyanis • a hő magában a munkadarabban keletkezik, • igen nagy a hevítés sebessége. Hagyományos edzéskor a ferrit és a cementit ausztenitté alakulása lassan megy végbe, és néhány perctől órákig tartó időt igényelhet. Indukciós hevítéskor az ausztenit tökéletes átalakulásához – a nagy hevítési sebesség folytán – jóval magasabb hőmérséklet kell, mint hagyományos edzés esetén. A nagy hevítési sebesség és a szkinhatás együttesen a felületi rétegben igen nagy hőtorlódást okoz. A hevített övezet hűlése a felületre juttatott hűtőközeg és a hideg mag erélyes hőelvonása következtében nagyon gyors (3.38. ábra). Az edzett kéreg vastagsága kicsi, és a mag szívós marad. A generátor frekvenciahatárán belül a fajlagos teljesítménnyel és egyéb technológiai adatokkal (hevítési idő, előtolás stb.) az edzett kéreg vastagsága igen jól változtatható. A Curie-pontnál (A2 = 769 °C) alacsonyabb hőmérsékleten a μ permeabilitás igen nagy, a ρ fajlagos ellenállás viszont kicsi. Hevítéskor a 769 °C-ot túllépve a permeabilitás ugrásszerűen csökken (a ferromágneses acél paramágnesessé válik), ugyanakkor megnő a fajlagos ellenállás. E változások következtében 769 °C alatti hőmérsékleten az induktorhoz csatolt felület igen nagy teljesítményt vesz ki a generátorból, míg a Curie-pont túllépése után a teljesítmény jelentősen csökken. E jelenség igen jól észlelhető állóedzéskor. Indukciós edzéssel olyan acélok kérgesíthetők, amelyek karbontartalma legalább 0,35%, hogy az acél A3 hőmér- 108 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések séklete a Curie-pont alá kerüljön, illetve a munkadarab előzetesen megfelelő szilárdságra nemesíthető legyen. Az ötvözőelemek csökkentik a szükséges hűtési sebességet, a repedésérzékenységet mérsékelik, a szemcsefinomságot javítják. Az elérhető felületi keménységet a karbontartalom határozza meg. Az ausztenitesedés időtől és hőmérséklettől függő diffúziós folyamat. Eredményes edzés – legnagyobb keménység – csak homogén ausztenites állapot elérése után való hűtéssel érhető el. Az indukciós edzést jellemző gyors hevítés és az azt követő hűtés következtében igen kis idő áll rendelkezésre a homogén ausztenites állapot elérésére, ezért csak a hőmérséklet jelentős növelésével érhető el a homogén ausztenites állapot. A diffúzió gyorsabban végbemegy, ha a kiindulási szövetszerkezet homogén, finomszemcsés. Ilyen esetben alacsonyabb hőmérséklet is elegendő a homogén ausztenit kialakulásához. 3.38. ábra Hűtési módok indukciós edzéskor Az indukciós edzés üzemi gyakorlatban kialakult és alkalmazott eljárásai két technológiai csoportba sorolhatók: • állóedzés, amikor a munkadarab és az induktor egymáshoz viszonyított helyzete a hevítés és a hűtés során nem változik; • előtolásos edzés, amikor a munkadarab és az induktor egymáshoz viszonyított helyzete a hevítés és a hűtés során változik. Mindkét technológia végezhető a munkadarab forgatásával vagy anélkül. A munkadarab forgatásával megvalósuló állóedzéskor a munkadarab egész felületét egyszerre hevítik az ennek megfelelően kialakított induktorban. A hevítés befejezésekor a munkadarabot hűtőfolyadékba merítik, vagy a felhevített részét hűtőfolyadék-permettel hűtik (3.39. ábra). A hevítés és hűtés ideje alatt a munkadarab 150–200 1/min sebességgel forog a saját tengelye körül, ezáltal a munkadarab szimmetriahibáiból adódó hevítési rendellenességek kiküszöbölhetők. 109 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.39. ábra Állóedzés a munkadarab forgatásával A munkadarab forgatása nélküli állóedzés lényegében ugyanolyan eljárás, mint az előbbi, azzal a különbséggel, hogy a munkadarab nem forog. Főleg szabálytalan, nem szimmetrikus felületek hevítésére alkalmas. A munkadarab forgatása nélküli előtolásos edzéskor az edzendő felületnek csak egy részét hevítik. A munkadarab és az induktor közötti relatív mozgással az induktor szélességének megfelelő szélességű sávban a felület felhevül (3.40. ábra). Miután az induktor a felhevített részt elhagyta, az induktor alatt (vagy mellett) elhelyezett hűtőfejen keresztüláramló folyadékkal lehűtik azt. 3.40. ábra Előtolásos edzés a munkadarab forgatása nélkül A munkadarab forgatásával végzett előtolásos edzéskor a két csúcs közé befogott munkadarabot 200–500 1/min fordulatszámmal forgatják. A fordulatszám az előtolás sebességétől, a munkadarab átmérőjétől és a hevített sáv szélességétől függ. Általános szabály, hogy a munkadarab legalább öt fordulatot tegyen meg az alatt az idő alatt, amíg az induktornak megfelelő szélességű sáv az induktoron áthalad. Az eljárást forgástestek edzésére alkalmazzák. 110 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések Integrációs edzés során a hajtűszerűen kialakított induktor előtt a munkadarabot lassan forgatják (3.41. ábra). Az edzett felületek találkozásánál a kéreg keménysége kisebb lesz, ezért célszerű e lágyabb sávot a kisebb igénybevételű felületen kialakítani. E találkozási sávot nem edzik átlapolva, mert a megeresztési tartományban feszültségi repedések keletkezhetnek. 3.41. ábra Integrációs edzés 3.2.3. Lézeres edzés Az acélok termikus technológiái – a megvalósuló hőciklus csúcshőmérséklete alapján – a következő részfolyamatokat eredményezhetik: 1. ha a csúcshőmérséklet Ac1 alatti, akkor csak megeresztődéssel járó folyamatok mennek végbe; 2. ha a csúcshőmérséklet Ac1 feletti, de szolidusz alatti, akkor részleges vagy teljes ausztenitesedéssel, illetve azzal összefüggő átalakulásokkal – vagyis edzéssel – járó folyamatok is végbemennek; 3. ha a csúcshőmérséklet szolidusz feletti, akkor részleges vagy teljes olvadással, illetve azt követő dermedéssel járó folyamatok is végbemennek. Ha a fenti időbeli változásoknak az anyagban való helyfüggő eloszlását tekintjük, akkor a technológiai eljáráscsoportokra a következők jellemzőek: • a felületi hőkezelő eljárásoknál az első vagy az első két részfolyamat a meghatározó; • a felületi átolvasztó és az ömlesztve hegesztő eljárásoknál mind a három részfolyamat megvalósul, tekintettel a hőhatásövezeti jelenségekre is. Az eljáráscsoportokon belüli fő különbségek abban nyilvánulnak meg, hogy az említett részfolyamatok a maximális hőmérséklettel jellemezhető anyagi pontok mentén – a hely függvényében – milyen arányt képviselnek, azaz milyen a hőmérséklet-gradiens, illetve annak változása. Ezt vizsgálva, az alapvető eltérés a hőforrás koncentráltságában mutatkozik. A hőforrás koncentráltságának (koncentrálhatóságának) elterjedt mérőszáma a már említett teljesítménysűrűség vagy az energiasűrűség. 111 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések Az olvasztás nélküli edzéssel (transzformációval) operáló technológiák a szerkezeti acélok területén terjedtek el. A létrehozott edzett rétegek mélysége néhány tizedmilliméterig terjed. Például gépkocsialkatrészek felületedzését végzik ily módon, a nagyfrekvenciás indukciós edzést vagy – ha a követelmények megengedik – a cementálás + edzést (betétedzést) helyettesítve. A bonyolult alakú felületek keményítésére is jól beváltak ezek a szilárd anyagállapotú felületkezelések. A lézeres edzés (3.42. ábra) lehetséges, pontosabban célszerű alkalmazásai a következőkben foglalhatók össze: nagyméretű alkatrészek, amelyeknek csak néhány kritikus pontjában szükséges a keményítés; nagy kiterjedésű felületek rasztermintás kezelése; kisméretű alkatrészek, melyek lokálisan és torzulásmentesen más módszerrel nem kezelhetők. 3.42. ábra Lézeres edzés A felületi edzés csak akkor lehet gazdaságos lézerrel, ha azt más, hagyományos módszerekkel nem vagy csak káros kompromisszumok árán lehet megvalósítani. Figyelembe kell venni azt is, hogy a lézersugár célszerűen formált, de geometriailag jól meghatározott foltja vándorol a kezelendő felszínen (3.43. ábra), tehát összefüggő homogén hőkezelt réteg többnyire nem érhető el. Az alkatrész szempontjából ez előny is lehet ott, ahol a hagyományos eljárás nem tudott szelektív, azaz csak az érintkező sávokra kiterjedő kezelést biztosítani, elkerülve például a sarkok beedződését. Az egymás mellett futó, lézerrel edzett sávok között mindig van valamilyen mértékben megeresztődött rész. Megfelelő tükrökkel vagy tükörrezgetéssel lehet elérni azt, hogy a hőkezelés egy széles sáv vagy gyűrű stb. alakú felületen egyszerre történjék meg. A kis hőbevitel a munkadarab vetemedési veszélyét csökkenti. 112 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.43. ábra Lézeres felületedzés jellegzetességei 113 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések A lézeres felületi edzés – egy meghatározott ciklusú és teljesítményű hőbevitel mellett – alapvetően az alkatrész anyagának hővezető képessége által szabályozott (3.44. ábra). A hőbevitelt a befolyásolható abszorpció segíti, a hőelvezetést pedig a geometriai viszonyok is befolyásolják. 3.44. ábra Hőmérsékleteloszlás lézeres felületedzéskor A rendkívül gyors hevítés következtében az acélok kritikus átalakulási hőmérsékletei eltolódnak, a fázisátalakulást szenvedő anyag mennyisége megváltozik. Igen nagy számú, elnyúlt alakú ausztenitcsíra keletkezik, a túlhevítés ellenére sincs szemcsedurvulás. Felületkezelés előtt edzett és megeresztett acélokban igen finom szemcsés ausztenit keletkezhet a fázisátalakulást követő rekrisztallizáció eredményeként (3.45. ábra). A réteg hőmérsékletének növelésével megnő a diffúzió sebessége, ezért a kezelési idő rövidülhet, impulzustechnika is lehetséges. A nagyobb diffúziós sebesség növeli a szilárd oldat ötvözőtartalmát, ami nagyobb melegszilárdságot, jobb megeresztésállóságot eredményezhet. Nagyobb teljesítményekkel történő lézeres kezelésekhez hűtött vörösréz parabolatükröt kell használni, mivel a Zn-Se lencsék szétrobbanásveszélye ilyenkor fennáll. Vonalszerű kezelésnél a lézersugár intenzitása a kimenő teljesítmény szabályozásával avagy defókuszálással változtatható. A defókuszálás következtében a gyújtófolt kiterjed, ugyanakkor a teljesítménysűrűség drasztikusan lecsökken. Ahhoz, hogy nagyobb felületen ugyanolyan mélyen lehessen kezelni, szegmensekből álló parabolatükröt kell alkalmazni. A tükör minden egyes szegmense egy-egy sávot képez le a fókuszfoltra, amelyek szuperponálásával egy relatíve egyenletes intenzitáseloszlás nyerhető a fókuszfoltban, s várhatóan a kezelési mélység is egyenletes(ebb) lesz. Ilyen tükörrel defókuszálva a sugár nagyobb felületű négyszöget fog besugározni, illetve azonos folyamatsebesség mellett az egy pontra jutó behatás ideje meghosszabbodik. 114 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.45. ábra Lézeres felületedzés hevítési sebességének hatása Egyes lézergyártók konkrét munkadarab-profilhoz igazodó intenzitáseloszlású tükröket is készítenek. Ha a lefedett terület a felületkezelési folyamathoz nem elegendő, akkor több egymással párhuzamos, egymást átfedő sávot kell elkészíteni. Kis teljesítménytartományú lézerek esetében a szükséges teljesítménysűrűséghez nagyon kicsi fókuszfoltméret tartozik, és ezáltal időegység alatt sokkal kisebb felületrész kezelhető (kisebb a termelékenység), mint a nagy teljesítményű lézerekkel, nem beszélve az elérhető rétegvastagságról. A felületek edzését tehát gyakran egymás mellé rakott sávokban végzik. Különös figyelmet kell fordítani az oldalirányú hőelvezetésre. Ha az átlapolt sáv előzőleg átlépte az ausztenitesítési hőmérsékletet, és az átfedő sáv hőérintett zónája eléri a már megedzett tartományt, akkor minden esetben számolni kell a megeresztési hatással. Ez azt jelenti, hogy a martenzites edzés során az átlapolás következtében csökken a keménység. Ezen csökkent keménységű részek szélességét és mélységét lényegében a martenzit megeresztésállósága (keménységtartása), a hőmérséklet-eloszlás és a sávok közötti távolság határozza meg. Amikor a kezelés hosszabb ideig tart, a munkadarab fokozatosan felmelegszik. Emiatt szükséges lehet egy közbenső hűtés beiktatása is, amint a darab hőmérséklete a martenzitpont közelébe kerül. Ha nem teljes felszínen edzik a felületi réteget, hanem csak egyes nyomvonalak, sávok mentén, tekintettel kell lenni a maradófeszültség-viszonyokra. Az edzett réteg mellett, a hőhatásövezetben húzófeszültségek ébrednek (3.46. ábra). A keresztmetszetbeni maradófeszültség-eloszlást vizsgálva megállapítható, hogy az edzett rétegben kialakuló nyomófeszültség értéke nem függ jelentősen a technológiai paraméterektől, ugyanakkor a nyomvonal mentén ébredő húzófeszültségek nagysága az eljárás csúcshőmérsékletének és a pásztázási sebességnek a függvényében jelentősen változik. Átlapolt nyomvonalak esetén a sávok között jelentős 115 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések húzófeszültségek ébrednek. Ezek káros hatása elkerülhető, ha a szomszédos sávok kezelése olyan gyors egymásutánban történik, hogy az újrahevítés még a martenzites átalakulást megelőzően jön létre. Bizonyos esetekben nem is a keménységnövelésen van a lézeres hőkezelés alkalmazásának hangsúlya, hanem a felületi feszültségállapot olyan megváltoztatásán, amely például a kifáradási határ növekedését biztosítja. 3.46. ábra Lézeres felületedzés okozta maradó feszültségek A diffúziós folyamatok (koncentráció-kiegyenlítődés) gyorsítása érdekében – az − Q Arrhenius-egyenlet D = D 0 ⋅ e R ⋅T értelmében – növeljük a hőmérsékletet. Jelentős mennyiségű karbidképző elemmel ötvözött szerszámacélok karbidoldódása még akkor sem következik be teljesen, ha a hőmérsékletet az olvadáspontig növeljük. Az ausztenitszemcsék durvulása azonban végbemegy. Ilyen okok miatt az ol- 116 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések vasztás nélküli gyors helyi hőkezelés – felületedzés – alkalmazása elsősorban ötvözetlen, illetve gyengén ötvözött szerkezeti és szerszámacéloknál előnyös. Mint minden edzési eljárás, a lézeres edzés is alapvetően három szakaszra bontható. Az első szakasz a hevítés Ac1, illetve Ac3 hőmérséklet fölé, a második egy hőntartási szakasz, amelynek során az alapszövet lehető legnagyobb részének ausztenitté kell alakulnia. A befejező hűtési szakaszban – megfelelően nagy hűtési sebesség esetén – martenzites szövetszerkezet alakul ki. A lézeres edzéskor a hevítés sebessége 103–107 K/s között változik. Ez jelentősen meghaladja a hagyományos hőkezelő eljárásoknál szokásos értékeket, ezért itt az ausztenitesítési hőmérséklet is feljebb tolódik. A magasabb hőmérséklet kedvező az ausztenit kialakulása szempontjából, mivel az diffúziós folyamat eredménye, és a diffúziós folyamatok sebessége exponenciális összefüggésben van a hőmérséklettel. Ezért lézeres edzéskor az ausztenites átalakulás időszükséglete jelentősen lecsökken, kicsi lehet a hőntartási idő. A szükséges hőntartási időt az ausztenitesítési diagramokból szokás meghatározni, de ezeket általában csak 2,4 ⋅ 103 K/s sebességig dolgozták ki, viszont lézeres edzéskor előfordulnak olyan esetek, melyekre nincs adat a szakirodalomban. A külön hűtőközeg nélküli önedződésre jellemző hűlési sebesség 103–105 K/s között változhat. A folyamatos átalakulási diagramokat tanulmányozva belátható, hogy ez mindenütt nagyobb, mint a martenzites szerkezet kialakulásához szükséges kritikus hűtési sebesség. Lézeres hőkezeléssel 0,05–1 mm mélységű edzett kéreg állítható elő, melynek keménysége meghalad(hat)ja a hagyományos eljárásokkal előállítható értéket. Ez megfelel annak a fejlődési iránynak, mely szerint az edzett rétegek vékonyak, de a lehető legnagyobb keménységűek legyenek. A nagy energiasűrűségű és egyben gyorshevítéses technológiák szilárd anyagállapotú változataihoz – acélok esetében – felhasználhatók a folyamatos hevítésre érvényes ausztenitesítési diagramok. Ezen diagramok tulajdonságbecslésben történő felhasználása lehetővé teszi a kiinduló (hőkezelési) állapot mint felületkezelési információ (technológiai alapadat) beépítését, figyelembevételét. Egy tulajdonságbecslő modell segítségével – az ausztenitesítési diagramok és néhány összefüggés alapul vételével – lehetővé válik a várható keménység és az edződési mélység előrejelzése (predikciója). Az edződési mélység kalkulálható azon felülettől mért pontok alapján, amelyek hőciklusa még éppen elérte az A1 átalakulási hőmérsékletet, vagy azon pontok alapján, amelyek keménysége legalább 550 HV értékű. A modell olyan komplex folyamatparamétert vezet be és alkalmaz, mely számszerűen jellemzi a gyors hevítést, ausztenitesítést és hűlést magában foglaló teljes hőciklust. Ugyanis az nemcsak a hőmérséklettől, hanem a hőmérséklet-változás mértékétől is függ. A lehűlés után kialakuló keménység közvetlenül számítható mint ezen komplex paraméter függvénye. A keménységeloszlás predikciója pedig lehetővé teszi az edződési mélység meghatározását, ami a felületi hőforrás körül kialakuló izotermák alapján is kalkulálható. A becsült keménység változása a felülettől mért távolság függvényében összhangot mutat mind az ausztenitesítési diagram mérési adataival, mind az átalakulások kinetikájára vonatkozóan vázolt meggondolásokkal. A keménység lokális 117 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések növekedése, majd csökkenése döntően az ausztenitesítés részleges vagy teljes voltának, valamint a maradék ausztenit előfordulásának szükségszerű velejárója. Mind a részleges ausztenitesedés, mind a maradék ausztenit mennyiségi növekedése hatékonyan közrejátszik abban, hogy a kéreg keménysége helyenként elmarad az ideális karbonkoncentrációjú ausztenitből képződő, elvben teljesen martenzites szövet lehetséges maximális keménységétől. Ez a keménység-előrejelzési, keménységbecslési eljárás mindazon gyorshevítésen alapuló (indukciós, lézeres, elektronsugaras) felületedzési technológiák tervezéséhez felhasználható, amelyeknél a megfelelő folyamatos ausztenitesítési diagramok előzetesen rendelkezésre állnak, továbbá a munkadarab felületi zónájára jellemző hőmérsékletmező ismert (például számítógépi szimuláció révén). A 3.47. ábra ennek szellemében szemlélteti az eljárás folyamatsémáját, és összefoglalóan mutatja az egyes diagramok egymásnak megfeleltethető jellegzetes értékeit. 3.47. ábra Predikciós eljárás folyamatsémája 3.3. Felületi átolvasztás A mikroszerkezet kvalitatív megközelítésben az anyag fázisainak egymáshoz képest való eloszlását, arányát és alaki jellegzetességeit foglalja magában, míg a kvantitatív jellemzők az egyes fázisokra, illetve az azokat alkotó szemcsékre, to118 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések vábbá mennyiségi, illetve dimenzionális jellemzőikre – számszerűsíthető adatokra – korlátozódnak. Különösen fontos a szemcsék méretének ismerete, ugyanis az anyagok tulajdonságai – főként fémek és kerámiák esetében – szemcseméretfüggők. Általában finomszemcsés anyagszerkezetre törekszünk, mert az a mechanikai tulajdonságokra – köztük az R szilárdságra – kedvező hatással van, amit a Hall–Petch-képlet fogalmaz meg matematikai alakban az R0 szilárdsági konstans, a k anyagállandó és a d átlagos szemcseméret segítségével (a képlet közelítésében G a csúsztató rugalmassági modulus): R = R 0 + ΔR = R 0 + k ≈ 0,001 ⋅ G . (3.3) d A szemcseméret meghatározása a szilárd anyag megfelelően előkészített síkmetszetének mikroszkópi vizsgálatán alapul. A d átlagos szemcseméret legegyszerűbben úgy határozható meg, hogy egy L0 hosszúságú egyenes vonal által „metszett” szemcsék száma (N) ismeretében képezzük az alábbi hányadost: L d= o . N (3.4) A lézer-, az elektron- és a plazmasugár kellően nagy teljesítményének igen kicsi felületre (fókuszfoltra) koncentrálásával a munkadarab vékony felületi rétege megolvasztható, sőt elgőzölögtethető. Mivel a munkadarab térfogata túlnyomórészt hideg állapotban marad, így annak hőelvonó (hűtő) hatása igen nagy dermedési sebességet, s azáltal finomszemcsés mikroszerkezetet eredményez az előzőleg megolvadt rétegben. Az olvasztásos kezeléssel a felületedzésnél leírt keménységcsökkenési probléma másképpen jelentkezik. Az átfedési területek optimálásakor elsősorban az egyenletes kezelési mélységre kell ügyelni. Az átolvasztási folyamat után az anyag megdermed és újrakristályosodik, miközben a felületen zsugorodási feszültségek ébrednek, megnövelve a repedésveszélyt. A repedésre való hajlamot általában csökkenteni lehet a munkadarab előmelegítésével. Bizonyos esetekben a visszamaradó feszültségcsúcsok leépítése érdekében utólagos hőkezelésre is szükség lehet, de a hőntartási hőmérsékletet és időt optimálni kell, mivel a repedésképződés elkerülésének ez a módja keménységcsökkenéssel jár együtt. Az olvasztásos technológiák vagy kihasználják a hőciklust egyidejű edzésre is, vagy anélkül dolgoznak. Az előbbit főleg ötvözött (szerszám)acéloknál, az utóbbit Al- és Cu-ötvözeteknél használják. A felületi olvasztások akkor képesek az olvadt zónában gyors dermedést és hűtést biztosítani, ha az olvadék körül elegendően nagy hőmérséklet-gradiens alakul ki (3.48. ábra). A teljesítménysűrűség a rétegsáv alakján, mélység/szélesség arányán keresztül befolyásolja a lehűlési sebességet és az olvadékzóna létidejét. Ez nemcsak a rétegsáv szövetszerkezetét határozza meg, hanem azokat az időtartamokat is, ame- 119 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések lyek alatt a kezelt zóna egy-egy kritikus hőmérséklet-tartományon keresztüljut. Mérsékelt energiasűrűség és a sugár nem túl gyors mozgatása esetén a munkadarab a felülettől kiindulva felmelegszik, és a hővezetés gömbfelülethez közel álló izotermákat hoz létre. 3.48. ábra Felületi átolvasztás hőhatásai Ennek megfelelően a hagyományos ömlesztő hegesztések varrataihoz hasonló alakot kapunk, a rétegsáv mélysége nem vagy alig lesz nagyobb a szélességénél. Ha az energiasűrűséget növeljük – a sugarat kisebb foltra fókuszáljuk, illetve a teljesítményt fokozzuk –, a behatolási mélység jobban nő, mint a szélesség, így relatíve keskeny ömledék-, illetve rétegzóna és hőhatásövezet jön létre. A munkadarabbal közölt teljesítmény és a relatív sebesség (fajlagos hőbevitel) variálásával a kezelt sáv szélessége befolyásolható. 120 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések Az átolvasztott rétegsávok felülete többé-kevésbé pikkelyezett (3.49. ábra), ami azzal függ össze, hogy az ömledéknek bizonyos – időben változó – mechanikai instabilitása van, és ez a megolvadt tömeg mozgása folytán a felületen közel periodikus dermedési struktúrát alakít ki. 3.49. ábra Felületi átolvasztással létrehozott sáv pikkelyezettsége Az eljárásokra jellemző nagy hűlési sebesség a rétegszerkezetre lehet hasznos, de káros is. A keskeny rétegsávoknál megfigyelhető nagy hőmérsékletgradiens ugyanis nagy feszültséggradiens kialakulásához vezethet, ami a repedésveszélyt növeli. Viszont ez az övezet olyan kicsi, hogy a repedésveszély az esetek többségében nem realizálódik folytonossági hiányokban. Az anyag összetételétől, rugalmassági és képlékenységi tulajdonságaitól függ, hogy a két hatás közül melyik a jelentősebb, ezért nincs általános érvényű szabály az optimális olvasztott sávalakra és ezen keresztül az olyan kezelési adatokra, amelyek teljesen hibátlan réteget garantálnak. Az olvadt zóna határán lévő folyékony–szilárd sávban fellépő energiatranszport-, impulzustranszport- és anyagtranszport-folyamatok együttesen határozzák meg a dermedéssel kialakuló réteg szerkezetét. Többkomponensű rendszereknél ehhez még hozzáadódik a fázisok állandóan változó mennyisége és minősége is. Ezek a bonyolult – matematikailag nem vagy csak nehezen kezelhető – mikrofolyamatok és áramlások kíséretében lezajló hőátadások a koncentrációkülönbség és a túlhűtés együttes hatására különböző dermedt mikroszerkezetet eredményezhetnek. Ezt a szövetszerkezetet a kialakult szilárd oldali hőmérsék• let-gradiens (G [K/m]), a hűlési sebesség ( T [K/s]) és a szilárd–folyékony határfelület haladási sebessége (R [m/s]) együttesen határozza meg (3.50. ábra), közöt• tük pedig a dermedés során a következő összefüggés áll fenn: T = G ⋅ R. 121 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.50. ábra Felületi átolvasztás során létrejöhető mikroszerkezetek Fémfelületek nagy energiasűrűségű sugárzással (lézer, elektronsugár) való kezelésekor képződött. Az olvadék megszilárdulása – az intenzív hőelvezetés következtében – 105 K/s vagy még ennél is nagyobb sebességgel következik be. A gyors megszilárdulás miatt metastabil állapotú anyag jön létre, melyet • finom szemcseszerkezet, • metastabilis fázisok kialakulása, • egyes ötvözőelemek oldékonyságának növekedése, • a diszperz fázisok (kiválások) kis mérete és homogén eloszlása, • esetleg amorf (üvegszerű) szerkezet megjelenése jellemez. Amorf szerkezetű ötvözet csak bizonyos összetételeknél képződik. Gyakorlati szempontból a 3d átmeneti fémek (Fe, Ni, Co) bórral, szilíciummal, foszforral és szénnel képzett ötvözetei a legfontosabbak (10–15 atom% metalloidtartalom felett). Amorf szerkezetű ötvözeteket ma már nemcsak olvadékok gyors megszilárdításával, hanem kémiai módszerekkel (vizes oldatból történő leválasztással), szilárd fázisban végbemenő diffúzióval (mechanikai ötvözés), ionokkal történő besugárzással és egyéb módszerekkel is készítenek. Ha a munkadarab felületének összetétele és a megszilárdulás körülményei nem teszik lehetővé amorf réteg képződését, akkor a gyors megszilárdulás révén finom, 122 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések ún. mikrokristályos szemcseszerkezet alakul ki a felszínen. A mikrokristályos ötvözetek további lehetőséget nyújtanak a felület módosítására, a mechanikai és egyéb tulajdonságok javítására. A kedvező hatás ilyenkor a szemcseméret csökkenése, metastabilis fázisok kialakulása, az oldékonysági határ megváltozása, a kiválások méretének csökkenése és nagy ponthiba-koncentráció létrejötte révén alakul ki. Az amorf és mikrokristályos felületi rétegek olvasztással történő létrehozására a lézeres, illetve elektronsugaras berendezéseket használják. Mindkét esetben vagy a sugárnyalábot, vagy a munkadarabot mozgatják. Eredményül „csíkozott” felületet kapnak. A lézeres felületi olvasztásnál leginkább folyamatos üzemű CO2teljesítménylézereket (500 W felett) vagy impulzusüzemű szilárdtest-, illetve excimerlézereket használnak. Utóbbiakkal sikerült az eddigi legnagyobb megszilárdulási sebességeket (>1012 K/s) elérni. Elektronsugaras felületi olvasztásokat általában kissé módosított elektronsugaras hegesztő-berendezésekkel végeznek, a foltátmérő általában néhány mm, a teljesítmény néhány száz W. Az amorf anyagok egyébként olyan szilárd testek, melyekben nincs hosszú távú kristálytani rendezettség. Az amorf fémek gyakorlatilag fontos tulajdonságai, illetve a tulajdonságok sajátos kombinációja alapjaiban ezen két tényezőre vezethetők vissza. A rövid távú rendtől függ a mágneses telítés, a Curie-pont, a magnetostrikciós állandó, a szakítószilárdság, a keménység, az elektromos ellenállás hőfoktényezője stb. A hosszú távú rendezetlenségnek megfelelő homogenitás és izotrópia magyarázza meg a nagy permeabilitást, a kis koercitív erőt, az akusztikus rezgések csillapítását, a nagy elektromos és korróziós ellenállást, az alakítási keményedés hiányát és a szakítószilárdság iránytól való függetlenségét. Az amorf fémek egyedi módon társítanak olyan tulajdonságokat, melyek a hagyományos (kristályos szerkezetű) fémeknél összeférhetetlennek tűnnek, pl. • a mechanikai keménységet és kopásállóságot kedvező lágymágneses tulajdonságokkal; • a nagy magnetostrikciós állandót nagy rugalmassági modulussal; • a kis mágnesezési veszteséget nagy mágneses permeabilitással; • a nagy keménységet és szakítószilárdságot nagy mechanikai szívóssággal. Pol Duwez és munkatársai mutatták meg, hogy egyes fémolvadékok extrém gyors hűtésével hosszú távú kristálytani rendet nélkülöző, üvegszerkezetű fémek (fémüvegek, üvegfémek) állíthatók elő. A kétféle megszilárdulás közötti termodinamikai különbséget a 3.51. ábra mutatja. Az olvadékkristályos fázis közötti átmenet esetén a fajlagos térfogat, az entrópia ugrásszerűen változik meg (elsőrendű fázisátalakulás). Az üvegszerű megszilárdulásnál az olvadék jelentősen túlhűthető, az ún. üvegesedési hőmérsékleten (Tü) a viszkozitás, a fajhő és a hőtágulási együttható szignifikánsan változik. Egyes anyagfajták, pl. szilikátüvegek, egyes műanyagok könnyen vihetők üvegállapotba. Elvileg akármilyen anyag előállítható amorf szerkezetben, ha a megszilárdulás eléggé gyors. Az olvadáspont (Tolv) és az üvegesedési hőmérséklet közötti tartományban kell a hűlési sebességnek nagynak lennie, gyorsabbnak, mint a kristálygócképződés, illetve -növekedés sebességének. Tiszta fémek esetén a kristályosodás csak igen gyors hűtéssel (például tiszta nikkel esetében 3x1010 K/s) 123 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések kerülhető el. Ez a kinetikai feltétel jól látható a 3.52. ábrán feltüntetett TTT diagramon. Az Rcx egyenes, az ún. kritikus hűtési sebességnek felel meg, ez az a sebesség, amely mellett nem lép fel kristályosodás. Számos ötvözetrendszernél a kritikus hűtési sebesség a 102–107 K/s tartományba esik, mely – vékony szalagok esetén – technikailag megvalósítható. 1. stabil fázisok (olvadék, kristályos fázis), 2. üveg, nem fémes, 3. fémüveg, 4. túlhűtött olvadék. a Φ fluiditás a viszkozitás reciproka 3.51. ábra Üvegszerű megszilárdulás jellemzői 3.52. ábra Tiszta fém kristályosodási TTT diagramja A 3.8. táblázat néhány fémre, illetve ötvözetre megadja az üvegképződés szempontjából fontos fizikai adatokat (Tolv.: liquidus hőmérséklet, Tü: üvegesedési hőmérséklet, Tk: kristályosodási hőmérséklet, Rcx: kritikus hűlési sebesség). A táblázatból is látható, hogy az üvegképzésre hajlamos ötvözetek főbb típusai a következők: 124 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések • Átmeneti fém vagy nemesfém + metalloid: pl. Fe80B20, Fe40Ni40B20, Pd80Si20. Au-Si. A vas tág határok között helyettesíthető 3d, 4d átmeneti fémekkel, a metalloid elem leggyakrabban B, Si, P, C, Ge. Gyakorlati szempontból ez az ötvözetcsalád a legfontosabb. • A „korai” és „kései” átmeneti fémek ötvözetei: pl. Ni-Nb, Ta-Ir, (Co,Ni,Cu)-Zr, Ti-Ni, Y-Co. • A II. csoport fémei + átmeneti fémek ötvözetei: pl. Be-Ti, Be-Zr. • Aktinidák és átmeneti fémek ötvözetei: pl. U-V, U-Cr, U-Co. • Lantanidák és átmeneti fémek ötvözetei: pl. Co-Sm, Ni-Gd, Au-La stb. B B 3.8. táblázat. Fémek üvegképződési jellemzői anyag Tolv [K] Tü vagy Tk [K] Tolv-Tü [K] Tü/Tolv Rcx [K/s] 1725 (425) (1300) 0,25 3,0x1010 Fe91B9 1628 (600) (1028) 0,37 2,6x107 Fe89B11 1599 (640) (959) 0,40 3,0x107 Te 723 (290) (433) 0,40 3,2x106 Au77,8Ge13,8Si8,4 629 293 336 0,47 7,4x105 1448 760 688 0,52 1,0x106 Fe41,5Ni41,5B17 1352 720 632 0,53 3,5x105 Co75Si15B10 1393 785 608 0,56 3,5x105 Ge 1210 (750) (460) 0,62 5,0x105 Fe79Si10B11 1419 818 601 0,58 1,8x105 Ni75Si8B17 1340 782 558 0,58 1,1x105 Fe80P13C7 1258 736 522 0,59 2,8x104 Pt60Ni15P25 875 500 375 0,57 4,0x103 Pd82Si18 1071 657 414 0,61 1,8x103 Ni62,4Nb37,6 1442 945 497 0,66 1,4x103 Pd77,5Cu6Si16,5 1015 653 362 0,64 3,2x102 916 602 314 0,66 1,2x102 Ni B B Fe83B17 B B B B B Pd40Ni40P20 Az amorf anyagok hőkezelésekor az atomi szerkezet különféle változásai következnek be. Alacsony hőmérsékleten végzett hőkezelések során relaxációs folyamatok, az amorf állapoton belül végbemenő atomi átrendeződések játszódnak le. Az üvegesedési hőmérsékleten (Tü) kis endoterm effektus jelzi a szerkezet finom megváltozását. A kristályosodási hőmérsékleten (Tk vagy Tx) jelentős exoterm folyamat figyelhető meg, mely a szerkezet, az elektromos ellenállás és egyéb fizi125 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések kai állandók nagymértékű változásával jár együtt. Az amorf anyagok termikus stabilitását általában a kristályosodási hőmérséklettel jellemzik. Értéke kismértékben függ a felfűtési sebességtől (tipikus érték: 20 K/min), a minta előéletétől és természetesen összetételétől. A különböző fizikai módszerek (transzmissziós elektronmikroszkóp, koercitív erő, ellenállásváltozás mérése, röntgendiffrakció, Mössbauerspektroszkópia stb.) különböző érzékenységgel tudják észlelni a kristályosodás kezdetét, ez további bizonytalanságot jelent a Tk megadásában. Az amorf anyagok kristályosodása a többi szilárd fázisú reakcióhoz hasonlóan több lépésben mehet végbe, számos ötvözetnél több kristályosodási hőmérséklet figyelhető meg. Az amorf ötvözetek kristályosodási hőmérséklete nagyon különböző lehet, ahogy az a táblázatból is látható. A gyakorlatban használatos üvegfémek kristályosodása néhány száz °C-on kezdődik, a szakirodalom közel 1000 °C-os Tk-ról is beszámol. A fémüvegek mechanikai tulajdonságainak kísérleti vizsgálatát nehezíti az a körülmény, hogy a fémolvadékok gyorshűtésével csak vékony, 30–100 μm-es szalag vagy huzal készíthető. Ez az alak számos mérésnél, pl. a mikrokeménység meghatározásánál nehézséget okoz. A fémüvegek szívóssága közel négy nagyságrenddel nagyobb, mint a szilikátüvegeké, és többszöröse a vasalapú polikristályos ötvözetekének. A nagyfokú szívósság a fémüveg képlékenységének tulajdonítható. A képlékenység akadályozza a repedések tovaterjedését is. A képlékeny alakváltozás során a fémüvegek esetében nem tapasztalható az alakítási keményedés. A hőmérséklet növelésével egy ún. folyási hőmérséklet figyelhető meg, ez alatt a folyás inhomogén, felette pedig homogén és viszkózusszerű a minta teljes térfogatában. A 3.53. ábrán a feszültség-deformációgörbe hőmérsékletfüggése látható Pd80Si20 üvegfémen, mely ötvözet 200 °C felett képlékenyen alakítható. Ezt kihasználva a szalag alakú üvegfém nyomás alatt tömbösíthető az amorf szerkezet megtartásával, amennyiben a hőmérséklet a folyási és az üvegesedési hőmérséklet közé esik. A fémüvegekben a nagy szívósság nagy szakítószilárdsággal párosul. Egyes vasalapú fémüvegek szakítószilárdsága eléri a 3500 N/mm2-t, amely érték a legjobb acélokéhoz mérhető. A fémüvegek mechanikai tulajdonságaira vonatkozóan néhány jellemző adatot a 3.9. táblázat foglal össze. 126 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.53. ábra Feszültség-deformációgörbe hőmérsékletfüggése Pd80Si20 üvegfémre 3.9. táblázat. Fémüvegek mechanikai tulajdonságai Összetétel HV keménység Rm (MPa) E (GPa) szakítószilárdság rugalmassági modulus Pd77Cu6Si17 455 1570 93 Pd64Ni16P20 452 1600 94 Pd16Ni64P20 541 1800 106 Pt75P25 344 – 93 Co75B25 1155 – 180 Fe75B25 1314 – 179 B B Nb50Ni50 893 – 132 Zr50Cu50 580 – 85 Ti50Cu50 610 – 100 A felületi rétegek egyik legfontosabb jellemzője mikrokeménységük. Általánosságban elmondható, hogy az amorf fémek mikrokeménysége egyes esetekben magas: a Vickers-keménység 300–1300 között változik, az üvegösszetételtől függően. A fém-metalloid típusú amorf ötvözetekben a metalloid koncentráció növekedésével a keménység nő, a kovalens jelleg erősödik. Adott fém (pl. vas) esetén a keménység a P, Si, C, B sorrendben növekszik. Ez azt mutatja, hogy a keménység kialakításában nemcsak a metalloidatom mérete, hanem a töltésátadás is szerepet játszik. Az amorf ötvözetek sorában a legnagyobb mikrokeménységet Mo40Fe40B20 összetételnél találták: HV = 1950 (100 g-os terhelés esetén). Ezen ötvözetek kristályosodási hőmérséklete 800 °C felett van. B 127 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések A korróziós tulajdonságok értelmezése szempontjából nincs alapvető különbség a fémüvegek és a kristályos fémötvözetek között. Mindkét esetben az elektródpotenciál értéke határozza meg az elektronleadási hajlandóságot és ezzel a korróziós feszültség értékét. De kevésbé „nemes” fémötvözet is lehet jó korrózióálló, amenynyiben összefüggő, szilárd védőréteg alakul ki a felszínén. Akár a kristályos fémötvözetek esetén, a fémüvegek számára is a króm hozzáadása biztosítja a homogén, összefüggő, hidratált króm-oxid–hidroxid CrOx(OH)3xH2O védőréteg kialakulását. A fémüvegek homogén, egyfázisú szerkezete (aktív gócok hiánya) növeli, de önmagában nem biztosítja a korrózióállóságot. A széles körben használt Fe-Si-B, Co-Fe-Si-B, Ni-Si-B, Fe-Ni-B fémüvegeknek csekély a korrózióállósága. A Cr hatékonysága függ az ötvözetben lévő metalloidtól is, pl. Fe70Cr10B13X7 fémüveg esetén X = Si, B, C, P sorrendben javul a korróziós ellenállás. A metalloid fajtájától függ a védőréteg kialakulásának sebessége. Leginkább a foszfor segíti a króm oldódását, így a krómmal és foszforral történő ötvözés biztosítja mind a fém–metalloid, mind a fém–fém típusú fémüvegek korrózióállóságát. B 3.54. ábra Szekunder dendritágak szélessége és a dermedés közbeni hűlési sebesség kapcsolata A dermedés közbeni hűlési sebesség növelése a túlhűtés következtében hat a kritikus – azaz stabilissá váló – szilárd csírák méretére. Minél nagyobb a hűlési sebesség, illetve a túlhűtés, annál kisebb a dermedő szerkezet jellemző mérete (szemcseméret, dendritméret). A bonyolult, többfázisú anyagi rendszerek – tipikusan a szerszámacélok – gyors dermedésénél a dermedés közbeni hűlési sebességet a szekunder dendritágak szélességi méreteiből is szokás meghatározni. A szekunder dendritágak szélessége (dII) és a dermedés közbeni hűlés sebes• sége ( T ) közötti kapcsolatot a mindenkori anyag tulajdonságai határozzák meg a •a d II ⋅T 128 = b összefüggés szerint, ahol a és b az anyagtól függő állandók. A EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések 3.54. ábrán egy gyorsacélra, egy meleg-, és egy hidegalakító szerszámacélra láthatók számszerűsíthető értékek. Ezzel visszavezethető a bonyolult dermedési folyamatok eredményének jellemzése egy egyszerű metallográfiai vizsgálatra és a dermedés közbeni hűlési sebesség mérésére. A dermedés közbeni hűlési sebesség növelése számos következménnyel jár a fémes anyagok – így az acélok – szerkezetét és tulajdonságait, illetően: • megnő az oldott ötvözőtartalom szilárd állapotban (a hőmérséklet növelésével jelentősen megnő a diffúzió sebessége, az átalakulások nem egyensúlyi hőmérsékleteken játszódnak le); • csökken a szemcseméret, finomdendrites mikroszerkezet alakul ki; • megváltozik, finomodik a kiválások mérete, eloszlása, minősége (dúsulás nélküli kristályosodás, tökéletes homogenizálódás megy végbe); • metastabil fázisok jönnek létre, az egyensúlyihoz képest eltérő fázisok alakulnak ki, egyes átalakulások elmaradhatnak; • nagy ponthiba-koncentráció alakul ki, és diszlokációsűrűség-növekedés lép fel a dendritekben (a hőmérséklet- és a koncentrációkülönbség növekedés, illetve a dendritághossz csökkenésének hatására); • rendkívül nagy dermedési sebesség esetén amorfréteg keletkezhet, ha a túlhűtés meghaladja az olvadék viszkozitásától függő kritikus értéket; • öntött anyagokban (öntvényekben) a pórusok, zárványok és hidegráfolyások eliminálhatók, az érdességprofil módosítható (simítható: pl. Rz = 25–75μm helyett 9–15 μm), konvex (élek) és konkáv (sarkok) geometriák görbületváltozással átolvaszthatók vonalfókuszos lézerkezeléssel); Vasalapú ötvözeteknél az előzőeken túlmenően: • a karbidok oldódása az erősen túlhevített olvadékban az ömledék rövid létezési idejének ellenére végbemegy; • a karbidok oldódását az erős karbidképző ötvözők befolyásolják, így ezek nagyobb oldódási szintje mellett a karbon oldódási szintje is nagyobb (a durva karbidok eltűnnek); • az ötvözetlen acéloktól és az öntöttvasaktól eltérően az ötvözött (szerszám)acélokban a megnövekedett oldott karbontartalom ellenére a martenzit rácstorzultságában anomália van, a c/a értéke csökken, ami a visszamaradó ausztenit és a δ-ferrit mennyisége növekedésének, továbbá a karbonatomok energetikailag kedvezőbb, de nem egyenletes eloszlásának tulajdonítható; • a nagyobb oldott ötvözőtartalom miatt csökken az Ms hőmérséklet; • a finom szemcseméret, a kis szemcsékben létrejövő igen finom tűs martenzit és kialakuló diszperz mikrokiválások a szilárdság, illetve a keménység jelentős növekedését idézik elő (egyes karbidtípusok nem jelennek meg); • a finom szemcseméret miatt nem tudnak kialakulni nagyméretű inkoherens kiválások, amelyek bizonyos esetekben a szívósság növekedését is eredményezhetik; • erőteljesebb kiválásos keményedés, ezáltal nagyobb melegszilárdság, illetve melegkeménység érhető el megeresztéskor (3.55. ábra); 129 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések • az erőteljesebb intersztíciós oldódás, a nagyobb diszlokációsűrűség, a martenzites átalakulás és a kiválásos keményedés egyfajta „eredőjeként” ún. szuperkeménység érhető el; • öntöttvas termékek felületi rétegében stabilis grafit helyett metastabilis vaskarbid precipitátumok hozhatók létre kopásállóbb ledeburitba foglalva (helyettesíthető az AWI felolvasztó hegesztés). 3.55. ábra Melegalakító szerszámacél növelt megeresztésállósága A felületi átolvasztással létrehozott finom dendrites szövetek dendritjeiben mért karbon- és ötvözőtartalom nagyobb, mint a szokásos hőkezeléseknél, ami az eutektikus karbidmennyiség csökkenésének a következménye. A nagyobb oldott karbon- és ötvözőtartalom lehetőséget ad a nagyobb mennyiségű finom, diszperz karbidkiválásra a megeresztés során. Azoknál a szerszámacéloknál, amelyeknél a gyors dermedést és a lehűtést követően csak martenzites átalakulás játszódik le (pl. X 40 CrMoV 5 1 1), az olvasztott és megeresztett réteg keménysége és megeresztésállósága – az előzőek következtében – nagyobb, mint a szokásos hőkezelések esetén. Melegalakító szerszámok működő részeinek felületi átolvasztásával csökken a képlékeny alakváltozás miatti méretnövekedés, nő a tartósság 130 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések Azoknál a szerszámacéloknál, amelyeknél a gyors dermedést és lehűtést követően a martenzit mellett ausztenit, ferrit és jelentős mennyiségű eutektikus karbid is jelen van (pl. X 210 Cr 12), újraedzéssel elő lehet állítani olyan réteget, amelynek keménysége és megeresztésállósága – a nagyobb karbon- és ötvözőtartalom miatt – nagyobb, mint a szokásos hőkezelések után. A felületi átolvasztással létrehozott rétegben a ledeburitos acélok hajlítószilárdságát elsősorban az eutektikus karbidok finomsága befolyásolja, a megeresztés hatása nem számottevő. Az átolvasztott réteg hajlítószilárdsága eléri a jól átkovácsolt anyagra jellemző értékeket. A felületi átolvasztásnak főképp a forgácsmentes alakítás szerszámainak gyártásában van nagy perspektívája. Az alakítószerszámok közül a melegalakító szerszámoknál nemcsak a keménység (kopásállóság) fontos, hanem a megeresztésállóság, a felületi rétegek termikus stabilitása is. Természetesen ez a nagy sebességű forgácsolás szerszámaival szemben is alapkövetelmény. A felületkezelt alkatrész utólagos megeresztésekor vagy az üzemszerű alkalmazás közben a szövetben különböző változások játszód(hat)nak le, mint például a maradék ausztenit átalakulása vagy a szekunder karbidok kiválása. Megjegyzendő, hogy a megeresztésállóság lényegesen nagyobb mérvű javítása felületötvözéstől, azaz átolvasztás és ötvözőbevitel együttes alkalmazásától remélhető. A probléma összetettségét tovább fokozza, hogy a pontról pontra változó szerszámtömb élettartama akkor a legnagyobb, ha egyes felületrészei más-más ötvözöttséggel készülnek. Ugyanis a melegalakító szerszámok igénybevételéből adódóan háromféle jellegzetes tönkremenetel figyelhető meg a szerszám különböző részein: anyagáramlásból származó melegkopás a felületeken, hőfáradás a legnagyobb hőingadozás helyén (pl. a vállaknál, peremeknél) és mechanikai fáradás a sarkoknál. Alakítószerszámok élettartam-kritériumaként pl. a gyártott (megmunkált) darabszám függvényében értelmezett: • kibővülést, méretváltozást, kopást szokás megadni melegalakító szerszámok esetében; • munkadarab-sorjamagasságot, felületi érdességet hidegkivágó szerszámok esetében. Mindkét esetben a kopásállóság, azaz a felületi keménység növelésével élettartam-javulást lehet remélni. A felületi átolvasztás során – a szerszámok működő felületein – az acélátolvasztás (finomítás) és a porkohászati porgyártás gyorsdermesztési folyamatához hasonlóan szándékozunk finomítani az eutektikus karbideloszlást. Mivel teljes keresztmetszetben ez a hatás nem lenne kihasználva, ott általában nem is gazdaságos elvégezni. Felületi átolvasztásnál ugyanazok az elektronsugaras és lézeres berendezések használhatók, amelyek hegesztés céljára készültek, illetve terjedtek el. Azonban a sugár mozgatását, pozícionálását és a kezelendő munkadarab manipulálását (forgatás, mozgatás, helyzetbeállítás) elektronikus, illetve számítógépes vezérléssel célszerű megoldani az elfogadható termelékenység és reprodukálhatóság érdekében. 131 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések A korábban említett anyagminőségi, energiabeviteli és sugárminőségi paraméterek közül a felületolvasztási hőciklust és annak eredményét lényegesen meghatározza: • a munkadarab anyagának hővezetési tényezője (λ), • a munkadarab anyagának több hőfizikai jellemzőjét (a hővezetési tényezőt, a sűrűséget és az állandó nyomáson értelmezett fajhőt) „összefogó” hőmérsékletvezetési tényező (a), amely a vizsgált felületkezelések tranziens hőfolyamatai sebességének alapvető meghatározója; • a munkadarab anyagának olvadási hőmérséklete (Tolv); • a sugárteljesítmény (P); • a fókuszolt sugár által érintett zóna – felületi fókuszfolt – jellemző mérete (df); • a munkadarab és a sugár egymáshoz viszonyított relatív sebessége (vr). A technológiatervezés alapfeladata a teljesítmény, illetve a teljesítménysűrűség (teljesítmény – fókuszméret) és a relatív sebesség értékének együttes helyes megválasztása, továbbá a sáveltolás mértékének meghatározása. Természetesen ebbe beleértendő a felület megfelelő előkészítése, az abszorpciós tényező „beállítása”. Ehhez kiinduló információként szükséges az alábbiak ismerete: a munkadarab anyagminősége, különös tekintettel a hőfizikai jellemzőkre; a munkadarab jellemző méretei és alaki sajátosságai; a létrehozandó felületi réteggel szemben támasztott követelmények: réteggeometria, keménység. A legnagyobb hatáserősséggel bíró teljesítmény megválasztása függ: • a munkadarab és a kialakítandó réteg geometriájától; mivel a munkadarabok geometriája általában nem egyszerű, az alak és a méretek a kialakuló termikus folyamatot és így a teljesítményigényt jelentős mértékben befolyásolhatják; • az anyag hőfizikai tulajdonságaitól: hővezetési tényezőtől, fajhőtől, sűrűségtől, olvadási hőmérséklettől, olvadáshőtől; a különböző anyagból készült, de hasonló geometriájú darabok felületolvasztási teljesítményigényének aránya az olvadási hőmérsékletek és hővezetési tényezők szorzatának arányával kb. megegyezik; • bizonyos mértékben, illetve tartományban a relatív sebességtől, amelynek olyan értékét kell beállítani, hogy megfelelő, egyenletes rétegszélesség és -mélység legyen elérhető; a lézeres felületkezelés sebessége állandó fókuszátmérő mellett a növekvő lézerteljesítménnyel arányosan növelhető, mivel az egységnyi idő alatt bevitt energia nagyobb, és így állandó rétegsávszélesség esetén az időegység alatt felolvasztott anyagmennyiség is megnő; ugyanezen okból a beolvadási mélység növeléséhez a relatív sebesség csökkentendő; • a felületi réteg mentén kialakuló hőkezelt (hőhatott) zóna nagyságának megengedhető mértékétől, mely befolyásolható az energiasűrűség változtatásával vagy impulzus-üzemmódú kezeléssel. Ahhoz, hogy a szükséges beolvasztó hatás ki tudjon alakulni, az energiasűrűségnek el kell érni a kritikus feletti értékeket, amit a lézerteljesítmény és a relatív sebesség helyes megválasztása mellett a fókuszméret is befolyásol. A fókuszálha- 132 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések tóságot a hullámhosszon, az optika fókusztávolságán, illetve az optikára érkező sugárnyaláb átmérőjén kívül befolyásolja a módusszerkezet, a divergencia mértéke és az aberráció (leképezési hiba) nagysága is. A fókuszfolt jellemző mérete – aminek a definiálása eltérő lehet tekintettel az energiaeloszlás nem egyenletes voltára – általában a tizedmillimétertől néhány milliméterig terjedő nagyságrendben mozog. Ez a fókuszméret vagy a felületen jelenik meg, vagy ahhoz képest negatív, illetve pozitív irányban „eltolható”, azaz alá- vagy föléfókuszálás (defókusz) valósítható meg. A lézer kimenete lehet folytonos vagy impulzusos. Ez utóbbinál a névleges teljesítmény gyakran wattokban fejezhető ki, de mivel az impulzus időtartama rendkívül rövid is lehet (Q-kapcsolás), a kimenő teljesítmény a megawatt nagyságrendet éri el (igen kicsi összenergia mellett). A gázlézerek kimenő teljesítménye alapvetően a gerjesztett térfogat függvénye. Folyamatos gázáramlás hatékony hűtéssel nagy teljesítmények elérését teszi lehetővé. Olyan bonyolult folyamatokat, mint amilyenek a lézeres felületi átolvasztást – különösen ötvözött (szerszám)acélok esetében – kísérik, pusztán csak elméleti úton nem lehet „megközelíteni”, mindenképpen szükség van célszerűen kivitelezett kísérletekre, azokból származtatott empirikus összefüggésekre. A kiválasztott modellanyag az X 32 CrMoV 3 3 típusú melegalakító szerszámacél. A melegalakított, 46–48 HRC keménységűre nemesített (edzés: 1040 °C/olaj; megeresztés: 550 °C) darabokon az olvasztott rétegek lézeres berendezésen kerültek kialakításra. a) b) 3.56. ábra Lézeres felületi átolvasztás sávgeometriai adatai Szerszámacél lézeres felületi átolvasztása kapcsán az olvadási sávszélesség (B) – a felületi fókuszfoltméret (df) arányszámának (B/df) 1.1–1.6 (1.3. alfejezet) technológiai paraméterformuláktól való függését vizsgálva, az elvégzett lineáris regressziós analízisek eredményei szerint a súlyozott energiasűrűség adott legjobb (R = 0,97776) korrelációt (3.56/a. ábra). Ennek megfelelően az alábbi számítási képlet adódott: 133 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések B = 0,581 + 1,52 ⋅ 10 − 3 ⋅ e * df ⇒ B = d f (0,581 + 1,52 ⋅ 10 − 3 ⋅ e*) . (3.5) Az előzőek szerint kalkulálható olvadási rétegszélesség (B) és a beolvadási mélység (H) viszonyát is elemezve, a kapott R = 0,9337 korrelációjú egyenes (3.56/b. ábra) egyenletével H is számítható: H = 0,146 + 0,16 ⋅ B [mm] . (3.6) A beolvadási profilgörbék 5 jellegzetes pontjukra illesztett y = a0 + a1 ⋅ x + a2 ⋅ x2 alakú polinommal közelíthetők. A minden esetben R>0,98 korrelációs együtthatóval illeszkedő görbe szakaszok és a felület síkja (vetületi egyenese) közötti területet numerikusan integrálással meghatározva, az olvadási keresztmetszetre (Aolv) felírható, hogy: Aolv ≈ 0,72 ⋅ H ⋅ B [mm ] . 2 (3.7) Ennek és a relatív sebességnek az ismeretében számítható az időegység alatt felolvasztott anyagtérfogat: Volv = Aolv ⋅ v r ≈ 0,72 ⋅ H ⋅ B ⋅ v r ⎡ mm 3 ⎤ ⎢ ⎥ . ⎣⎢ s ⎦⎥ (3.8) Ebből pedig – az L olvadáshő pontos értékének ismeretében – kalkulálható az átolvasztás teljesítményszükséglete: Polv = Volv ⋅ L ≈ 0,72 ⋅ H ⋅ B ⋅ v r ⋅ L [W ] . (3.9) A technológiatervezés alapfeladata a teljesítménysűrűség (teljesítmény és fókuszméret) és a relatív sebesség értékének helyes megválasztása. Természetesen ebbe beleértendő a felület megfelelő előkészítése, illetve az abszorpciós tényező „beállítása” is (pl. igen vékony, de egyenletes grafitbevonattal). Kiinduló információként szükséges az alábbiak ismerete: • a munkadarab anyagminősége, különös tekintettel a hőfizikai jellemzőkre (hővezetési tényező, fajhő, sűrűség, hőmérséklet-vezetési tényező, olvadási hőmérséklet, olvadáshő); • a munkadarab jellemző méretei és alaki sajátosságai, illetve előmelegítési hőmérséklete; • a megmunkálás eredményével szemben támasztott követelmények: réteggeometria, rétegkeménység és annak eloszlása; • az alkalmazandó védőgáz összetétele, illetve áramlási sebessége; 134 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések • a lézerberendezés „gépállandói”: módusszerkezet (pl. TEM00), működési hullámhossz (a gyakorlatban elterjedt CO2-lézereknél a 10,6 μm az infravörös, Nd:YAG-, illetve Nd:üveg-lézereknél az 1,06 μm a közeli infravörös tartományba esik, s ez utóbbit a fémek jobban abszorbeálják), polarizáció (lineáris vagy cirkuláris). 3.4. Felolvasztó hegesztés A felolvasztó hegesztés is tulajdonképpen felületi átolvasztás, de az elérhető energiasűrűség, dermedési sebesség, illetve szerkezetmódosulás „szerényebb”. Olyan ömlesztő hegesztési eljárások jöhetnek itt szóba, amelyek hozaganyag-adagolás nélkül is „működnek”. Ezért gázhegesztéssel és volfrámelektródás semleges védőgázos ívhegesztéssel (3.57. ábra) lehet felolvasztó kezeléseket végezni, pl. öntöttvas termékek felületi rétegében grafit helyett metastabil, kopásállóbb vaskarbid (ledeburit) létrehozásával. Tulajdonképpen egyfajta kéregöntvényt hoznak létre, melynek felületi rétege karbidosan, belső magja grafitosan kristályosodott. Így kombinálhatók a kopásálló fehér (karbidos) öntöttvas és a kevésbé rideg szürke (grafitos) öntöttvas előnyei. 3.57. ábra Felolvasztó hegesztés gázhegesztéssel 135 EME 3. Anyagfelvitel nélküli felületkezelések fordított polaritás esetén Váltakozó áram esetén 3.58. ábra Alumínium felolvasztó hegesztése volfrámelektródás semleges védőgázos ívhegesztéssel 136 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.1. Védőbevonatolás Védőbevonatolás alkalmazása során különféle fémes vagy nemfémes, elsősorban korrózió és kopás elleni védőbevonatok hozhatók létre a védendő tárgy felületén. 4.1.1. Ráragasztás Ráragasztáskor megfelelő arányban kikevert, egyenletesen vékony rétegben felhordott, majd előszárítás és térhálósítás útján kikeményedő ragasztóréteg köti a por, lemez vagy fólia alakú bevonatanyagot a – kikeményítéshez szükséges hőkezelés során nem kilágyuló fémötvözetből készült – tárgy felületéhez. A ragasztott kötés tulajdonságait a ragasztandó anyagpár felületállapota, illesztésük módja és résmérete, a ragasztó nedvesítőképessége, illetve felületi feszültsége, a megszilárdult ragasztó egyedi tulajdonságai (pl. szilárdság, hőállóság), a kötési reakciót elősegítő esetleges hőkezelés határozza meg (4.1. ábra). A ragasztók zöme szerves vegyület, mely fizikai úton (pl. oldószervesztéssel) vagy kémiai reakció által (pl. polimerizációval) szilárdul meg. A kötés adhéziósan vagy esetenként a ragasztandó felület részbeni oldásával jön létre. 4.1. ábra Ráragasztáskor létrejövő kötés jellemzői 137 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések Megfelelő mértékű átlapolással és szorítónyomással kialakított kötésben a hidegragasztók szobahőmérsékleten is kikeményednek, de 100 °C-ig terjed(het)ő hőmérséklet-intervallumban kötésük meggyorsítható. A melegítés nem csupán a kötési időt rövidíti, hanem a létrejövő kötés szilárdsága és megbízhatósága is nagyobb a szobahőmérsékleten végbemenő keményedéshez képest. Az illesztés és a rögzítés után kezdődő kikeményedési idő 20 °C-os hőmérsékleten max. 24 óra. A végleges szilárdságot többnyire még megnöveli az utókeményedés. A hidegragasztók rendszerint folyékony halmazállapotúak, amelyeket 0,05–0,2 mm egyenletes rétegvastagságban kell a felületre juttatni. A hideg- és a melegragasztók kötési módjuk szerint lehetnek: • kémiai reakció nélkül (fizikai úton) kötő ragasztók: ─ oldó- vagy diszpergálószer elpárolgásával kikeményedő folyékony ragasztók; ─ vízfelvétel hatására kikeményedő gittek; ─ megolvasztandó, majd újradermedő szilárd ragasztók; • kémiai reakcióval kötő ragasztók: ─ polimerizációs ragasztók: monomerek folyamatos „összeadódásával", katalizátor jelenlétében kötnek, számottevő térfogatcsökkenés nélkül; ─ polikondenzációs ragasztók: kötési reakciójukban melléktermék keletkezik, s mivel a ragasztó kötés közben jelentősen zsugorodik, az adhéziós erők nagyon lecsökken(het)nek, ezért különösen fontos a megfelelő szorító nyomás. A meleg- és részben a hidegragasztók fizikai tulajdonságaik alapján lehetnek: • folyékony ragasztók, amelyek polimerizálandó vagy polikondenzálandó monomerek, oldószeres oldatok és diszperziók (finom eloszlású ragasztóanyag– víz szuszpenziók); • szilárd (rúd, film, por) ragasztók, amelyek szobahőmérsékleten amorf szerkezetű túlhűtött olvadékoknak tekinthetők, és általában megolvasztva, majd újradermesztve létesítenek kötést az összeerősített anyagok között; • ragasztópaszták, amelyek sűrű (nagy viszkozitású), gittszerű anyagok, nagymennyiségű és speciális töltőanyag-tartalommal. Oldószeres ragasztók használatakor nagyon fontos az ún. nyitott (előszárítási) időtartam gyártó által ajánlott értékének betartása, amit az oldószer elillanásának lehetővé tétele végett pormentes körülmények között, összeillesztés előtt kell biztosítani. A ragasztóréteg kikeményedése nagyobbrészt ezen időtartam alatt következik be, ami néhány perctől több óráig terjedhet. A száradási idő jelentős csökkentése a ragasztóréteg illesztés utáni zsugorodását növelheti, rontva a kötés szilárdságát. A diszperziós ragasztók felhordásuk után, illetve. a bevont felületek öszszeillesztése előtt a diszpergálószer elpárolgása (száradás) folytán keményednek. Az olvadékragasztók lehűlésük folyamán keményednek, ezért célszerű az öszszeillesztést követően még néhány percig az olvadási hőmérsékleten tartani, hogy nedvesítő hatásuk fokozódjék. A szobahőmérsékleten kötő reaktív ragasztók térhálósodása a ragasztóanyag kémiai felépítésétől függően néhány perctől egy 138 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések napig tarthat. Térhálósodásuk előrehaladását a viszkozitásuk és a keménységük növekedése jelzi. A melegen kötő reaktív ragasztók adott hőmérsékleten, meghatározott kezelési időtartammal és nyomáson térhálósodnak. Erre a célra ellenállásfűtésű kemencék, nagyfrekvenciás indukciós hevítőberendezések, infrasugaras lámpák stb. alkalmazhatók. Lehetőség van önmagában kopás-, korrózió- vagy vegyszerálló, majd térhálósodás után megmunkálható fémgittek, paszták önálló alkalmazására (akár kopott alkatrészek felújításakor) vagy kompozitok létrehozására (4.2. ábra) 4.2. ábra Ragasztott kompozitok A ragasztás alkalmazási előnyei: • különböző anyagok között a potenciálkülönbségből adód(hat)ó kontaktkorróziót hatástalanítja; • a kötés kikeményítéséhez elvégzendő (hő)kezelés nem okoz kilágyulást; • a terhelés egyenletesen oszlik el a kötésben, nincsenek feszültséggyűjtő helyek; • ragasztás után a felület közvetlenül festhető, polírozható, a kifolyt ragasztófelesleg legtöbbször könnyen eltávolítható és így a kötés „varratdudor"-mentes, sima, aerodinamikailag kedvező felületminőségű; • a ragasztóréteg sok vegyszernek ellenáll, nem korrodál, rezgéscsillapító, könnyű; • egyes ragasztófajták, illetve fémgittek repedések, törések, felületi porózusság és egyéb tömítetlenségek javítására is alkalmasak; • különböző anyagkombinációk is egyesíthetők; • tetszőleges nagyságú felületek köthetők össze; 139 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések • általában nem indokol költséges beruházást, nem igényel szakképzett munkaerőt. A ragasztás felmerülő hátrányai: • gondos felületelőkészítést igényel; • gyakran rögzítő-, szorító- és hőkezelő-berendezésre van szükség; • csak a kikeményedési idő (néhány perc–24 óra) eltelte után terhelhető a kötés, az átfutási idő így viszonylag nagy; • a kötés csak max. 70–150 °C-ig tartja meg a szilárdságát; • a húzó- és a lefejtő igénybevétellel szemben kicsi a ragasztóréteg ellenállása. 4.1.2. Műanyaggal való bevonatolás Minimum 50 °C-ig szemcsés szerkezetű, 40–400 µm részecskeméretű, hőre lágyuló műanyagporokkal kialakítható bevonatok jellemzői: • igen jó korróziós védőhatás időjárás és vegyszerhatás ellen; • festékénél jobb vízmentesség és fizikai-kémiai stabilitás; • egyetlen művelettel 100–1000 µm vastag, elfolyásmentes réteg kialakíthatósága; • tűzveszélyes, egészségre ártalmas oldószerektől való mentesség; • viszonylag kopásálló, elektromosan szigetelő bevonat megvalósíthatósága. A kisebb szemcseméretű porok elektrosztatikus szórással, a nagyobbak fluidágyas lebegtetéssel vihetők fel (4.3. ábra). 4.3. ábra (I.) Műanyagbevonatok felvitele 140 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.3. ábra (II.) Műanyagbevonatok felvitele 4.1.3. Festés, lakkozás Festés, lakkozás során természetes és/vagy műgyanta kötőanyagú, szobahőmérsékleten száradó vagy növelt hőmérsékleten kikeményedő szerves bevonat(rendszer) alakítható ki szabadtéri vagy erősen igénybe vett beltéri objektumok felületén. A kellő védelmet biztosító bevonatrendszer kialakításának műveleti sorrendje a következő: • felületelőkészítés: zsírtalanítás, oxidmentesítés, esztétikailag vagy műszakilag zavaró egyenetlenségek eltávolítása; 141 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések • egyes szabadtéri vagy erősen igénybe vett zárttéri acélszerkezetek esetében fémbevonat létrehozása; • fémek felületén összefüggő, tapadásjavító, termodinamikailag stabilabb állapotot jelentő védő oxid-, kromát- vagy foszfátréteg kialakítása; • alapozás, vagyis a fémfelület és a festékbevonat-rendszer többi rétege közötti megbízható kötés biztosítása, összhangban az alapanyag, a közbenső és a bevonóréteg minőségével, továbbá a klímaállósági követelményekkel; • felületi hibák javítása tapaszolással, a védőbevonat esztétikai értékének növelése érdekében, de a bevonatrendszer klímaállóságának bizonyos fokú romlását előidézve; • száraz és nedves csiszolás a tapaszolás felületi egyenetlenségeinek megszüntetése végett, de az alapozóréteg megsértése nélkül; • az alapozó- és a leendő fedőbevonat közé közbülső réteg felvitele matt vagy félmatt kivitelben, elsősorban nagyobb klímaállósági követelmények esetén; • fedőlakk- vagy átvonó zománcréteg létrehozása egy vagy több rétegben; • szárítás (esetleg beégetés) az oldószer elpárologtatása, illetve a polimerizációs, polikondenzációs vagy poliaddíciós kikeményítési reakciók elősegítése érdekében. 4.4. ábra (I.) Festékek felhordása A festékek • kötőanyaguk szerint: ─ természetes kötőanyagúak, ─ műgyanta kötőanyagúak 142 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések ─ vagy természetes és műgyanta kötőanyagúak; • száradásuk és kikeményedésük szerint: ─ levegőn (20±5 ºC-on) száradók, ─ alacsony hőmérsékleten (60–80 ºC-on) kikeményedők, ─ közepes hőmérsékleten (120–180 ºC-on) kikeményedők, ─ magas hőmérsékleten (180–300 ºC-on) kikeményedők lehetnek. Az egyes rétegek ecseteléssel, szórással, bemártással vagy más eljárással (pl. elektroforézissel) juttathatók a védendő felületre (4.4. ábra). A szórás sűrített levegővel (hidegen vagy melegen), nagynyomású porlasztással, elektrosztatikus szórással, elektromágneses rezgődugattyúval porlasztva történhet. 4.4. ábra (II.) Festékek felhordása 143 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.1.4. Zománcozás A (tűz)zománcozás (4.5. ábra) kerámiai módszerekkel létrehozott – a védendő fém hőtágulási együtthatójához „hangolt", anyagával színezett – zománcüveg, vagyis nem teljesen felolvasztott oxidkerámia-réteggel történik. A zománcozható alapanyagok közé hidegen hengerelt mélyhúzható acéllemezek, szürke öntöttvasak, kohóalumíniumok, Al-Mn ötvözetek, réz, ezüst, arany és ötvözeteik tartoznak. Az előállítható bevonat kopás-, hő- és vegyszer- (sav-, lúg-) álló, dekoratív, de rideg (lepattogzásra hajlamos). A zománcok összetevői: • hálózatképző elemeket tartalmazó anyagok: kvarc, kaolin stb. • átmeneti (üvegképző) elemeket tartalmazó anyagok: Al2O3, TiO2 stb. • módosító (olvadási hőmérsékletet, rugalmasságot, fényességet szabályozó, illetve a hőtágulási együtthatót az alapfémére növelő) anyagok: Na2CO3, CaCO3, Li2CO3, BaCO3 stb. • oxidáló (szerves szennyeződéseket szén-dioxiddá és vízzé alakító, illetve azokat eltávolító) anyagok: NaNO3, KNO3, MnO2 stb. • kötő (zománc–alapfém közötti) anyagok: CoO, Co3O4, NiO, Ni2O3, MoO3 stb. • fehérítő (átlátszóból átlátszatlanná tevő) anyagok: Na3AlF6, Na2SiF6, CaF2, SnO2, Sb2O3, TiO2 stb. • színtestek: CdS (sárga), Cr2O3 (zöld), Fe2O3 (barna) stb. 4.5. ábra Tűzi zománcozás A zománcozás főbb műveletei: felületelőkészítést követő savas pácolás → semlegesítés → zománciszap-felvitel bemártással, szórással vagy más módszerrel → szárítás (60–120 °C-on) → beégetés (550–900 °C-on). 4.1.5. Kémiai fémleválasztás Az áram (külső áramforrás) nélküli kémiai fémleválasztás (4.6. ábra) során az elektronegatívabb (bevonandó) fém az elektropozitívabb (bevonó) fémet erős savakkal képezett sóinak oldatából (15–90 °C hőmérsékleten) a felületére leválasztja 144 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések (4.1. táblázat), miközben kismértékben oldatba megy (pl. Fe + CuSO4 → Cu bevonatú Fe + FeSO4). Ezen ioncserén (töltéscserén) alapuló, nagy vegyszerköltségű eljárás során csak rendkívül vékony (0,1–0,5 µm), nem túl jól tapadó bevonatok választhatók le, ugyanis, ha az elektronegatívabb fém felületét az elektropozitívabb beborítja, megszűnik a potenciálkülönbség és így a további fémleválás. A két fém közötti potenciálkülönbségen kívül a bevonat leválási sebessége függ a fémsóoldat koncentrációjától és a hőmérséklettől. A túl gyors vagy a túl lassú leválás szivacsos, csekély védőértékű bevonatot eredményez. Fontos a kezelendő tárgy felületének megfelelő előkészítése és kezelés közbeni mozgatása. 4.6. ábra Kémiai fémleválasztás 145 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.1. táblázat. Kémiai fémleválasztás anyagai kevésbé nemes alapfém Fe nemesebb bevonófém kezelő fémsó + adalék Cu, Sn, Ni, Ag CuSO4, SnCl2, NiHCl, AgNO3 Cu Sn, Ag SnCl2, AgNO3 Al Zn ZnO + NaOH Cu-Zn (sárgaréz) Ni, Hg, Ag, Au NiCl2, K[Hg(CN)2], AgNO3, AuCl3 Zn Ag, Au, Ni, Cu AgCN, AuCl3, NiSO4, CuSO4 A kontakt eljárás akár 0,5 µm-nél is vastagabb réteget biztosító, gyorsított ioncserés eljárás, melynél a fémsóoldatba (CuSO4, NiSO4, SnCl2, AgNO3, AgCl2) még az alapfémnél (pl. acél, réz) is elektronegatívabb (kontakt) fémet (pl. Al, Zn) merítenek, és azt vezető huzallal az alapfémmel összekötik. Így a bevonandó alapfém és a kontaktfém külső áramforrás nélkül is galvánelemet alkot, a kontaktfém mint anód oldódik, majd az alapfémre mint katódra az oldatban lévő fém leválik. Kisebb alkatrészek esetében a bemártókosár készül kontaktfémből. Ha a kontaktfém bevonódik, gyorsító hatása megszűnik, ezért HNO3-val le kell oldani. A redukciós eljárás során a fémbevonat (Me = Ni, Cu, Ag, Pd, Co) leválasztásához szükséges elektronokat (e–-) a leválasztani kívánt fém sóoldatában egyidejűleg jelen lévő redukálószer (Re) oxidációja szolgáltatja: Ren+→Re(n+z)++z • e–, illetve. Mez++z ⋅ e–→Me. Előfeltétel, hogy a redukálóanyag redukciós potenciálja negatívabb legyen, mint a leválasztandó fémé. Ha túl nagy a redoxpotenciál-különbség, akkor iszapszerű bevonat válik le. A redukálószer utánadagolásával elvileg bármilyen vastag fémréteg leválasztható, sőt megfelelő előkezelés után elektromosan nem vezető anyagok (műanyagok) is fémezhetők. A megfelelő hőmérsékletű redukciós oldat főbb összetevői az ellenőrizhető fémleválás, illetve a fémsóoldat önbomlásának megakadályozása érdekében: • a leválasztandó fémionokat adó fémsó: NiSO4, NiCl2, CuSO4, AgNO3; • a külső áramforrás helyett elektronokat átadó redukálószer, ami savas közegben hipofoszfit, foszfit, hidrogén-szulfid, szulfit stb., illetve lúgos közegben formaldehid, formiát, hidrazin, borát stb.; • pufferanyagok és komplexképzők (citromsav, ecetsav, almasav, borkősav és sóik; NH4Cl, KCN) a kívánt pH állandó értéken tartására, a leválasztandó fém kis ionkoncentrációjának biztosítására, idegen fémszennyeződések, illetve oldhatatlan melléktermékek komplexben tartására, az oldat stabilizálására, redoxipotenciál kialakulásának elősegítésére; • gyorsítók (borostyánkősav, adipinsav és sóik; alkáli-fluoridok, tetraborátok, szelenátok) a redukálószer aktiválására, a fémleválás gyorsítására; • stabilizátorok (tiokarbamid, PbS, SnS; Pb-, Sn-, As- és Mo-ionok) a spontán redukciós folyamatok, illetve. az oldatönbomlás megakadályozására; • nedvesítő- és fényesítőanyagok: alkil-aril-szulfonátok stb. 146 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.1.6. Galvanizálás A galvanizálás (4.7. ábra) mint elektrokémiai eljárás során a katódként kapcsolt bevonandó fémtárgyra elektrokémiai úton fémes bevonatot választanak le elektrolitként ható, fémsókat tartalmazó vizes oldatból. Ilyen módon vörös- vagy sárgaréz; fényes vagy fekete nikkel; fényes, kemény vagy fekete króm; Zn-, Cd-, Sn-, Pb-, Fe-, Co-, Ag-, Au-, Rh-, Pd-, Pt-, Ru-, As-, Sb- vagy ötvözetbevonatok hozhatók létre acél, réz, cink, nikkel anyagú munkadarabokon. Míg a fémek elsőrendű vezetők (bennük elektronok „szállítják” az áramot), addig az elektrolitok másodrendű vezetők (bennük ionok „szállítják” az áramot). 4.7. ábra A galvanizálás elve Az elektrolitok mint elektromosan töltött részecskéket tartalmazó oldatok vagy olvadékok komponensei a következők: • fémsók, a rétegleválasztáshoz szükséges fémionok leadására; • vezetősók az oldat vezetőképességének növelésére, melyek nagy ionmozgékonyságú, jól disszociálódó, az anód oldékonyságát növelő savak vagy lúgok; • pH-beállítók (pufferanyagok): savak, lúgok, foszfátok, citrátok, borátok; • fényesítők a kristály-, illetve szemcseszerkezet finomítására, keménységnövelésre, fényfokozásra; • kiegyenlítők a felületi érdesség csökkentésére; • felületaktív anyagok a jobb nedvesítés elősegítésére, a pórusosság csökkentésére. 147 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések Az anódnál oldódás (Me→Mez++z ⋅ e–) vagy oldhatatlanság esetén oxigénfejlődés (4 OH-→ 2 H2O + O2 + 4 e–), míg a katódnál fémkiválás (Mez++z ⋅ e–→ Me) történik. A leválasztott fém tömege (m = ρ·V) – Faraday I. törvénye értelmében – elsősorban áramerősség (I) és az idő (t), vagyis az elektromos töltésmennyiség Q = I • t függvénye: m=A⋅I⋅t⋅η, (4.1) ahol „A” az anyagminőségtől függő elektrokémiai (leválasztási) egyenérték: A = M/(F ⋅ z) = moláris tömeg/(Faraday-állandó • elektromos töltések száma); F = 96 500 C; η az elektrolit fajtájától, töménységétől, hőmérsékletétől függő áramkihasználás vagy áramhatásfok (a gyakorlatilag leválasztott fémmennyiség és az elvileg leválasztható fémmennyiség hányadosa). A bevonat rétegvastagsága s= A ⋅I⋅ t ⋅ η , ρ ⋅K (4.2) ahol ρ a leválasztandó fém sűrűsége, K a katódfelület. Ezek alapján a fémleválasztás s A ⋅ I ⋅η v= = ; sebessége: t ρ ⋅K s ⋅ ρ ⋅K t= időtartama: ; A ⋅ I ⋅η s⋅ρ i= áramsűrűsége: . A ⋅ t ⋅η (4.3) (4.4) (4.5) A galvanizálásra kerülő felületek helyes és helytelen kialakításait mutatja a 4.8. ábra. A rezezés világosvörös színű, levegő hatására vékony oxidréteget képező és barnásfeketére színeződő, de oxidálósavakban, illetve nátrium-cianidban oldódó bevonatot eredményez. Alkalmas közbenső rétegként korrózióvédő nikkelezés alá, végső bevonatként elektroformázó nyomóhengerek bevonására, nyomtatott huzalozású lemezek készítésére, finommechanikai és elektronikai alkatrészek bevonatolására, acélalkatrészek szelektív hőkezelés előtti védelmére. 148 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.8. ábra Galvanizálásra kerülő felületek helytelen és helyes kialakítása A nikkelezés az egyik leggyakrabban alkalmazott bevonat fémtárgyak korrózió elleni védelmére, ugyanis semleges, lúgos és gyengén savas atmoszférának jól ellenáll. Korrózióállósága mellett keménysége, fényvisszaverő-képessége és díszítő jellege is fontos műszaki követelmény. A védendő tárgy alapanyaga legtöbbször acél-, réz- és cinköntvény, illetve ezek ötvözetei, amelyekre – a felhasználás körülményeitől függően – matt, fényes, selyemfényű, fekete, kemény stb. nikkelbevonatot lehet leválasztani. Levegőn gyorsan vékony oxidréteg alakul ki rajta, miáltal fénye jelentősen csökken, így ennek megelőzésére vékony krómbevonatot választanak le rá. A fényes vagy matt nikkelrétegre felvitt kb. 2 μm-es fekete nikkelréte- 149 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések get dekoratív, illetve műszaki célokra, elsősorban az autó-, a szerelvény-, a fegyver- és az optikai iparban alkalmazzák. A krómozás kemény, kopásálló bevonatot eredményez, aminek felületén oxidálóanyagok hatására korróziócsökkentő vékony oxidréteg alakul ki. Jól ellenáll gázok, savak (HCl és HF kivételével), sók, lúgok korróziós hatásának. A 0,25–0,5 μm-es díszítő krómozás közbenső vékony Ni bevonaton csökkenti a mattulást, és növeli a korrózióállóságot. A műszaki vagy keménykrómozás viszonylag vastag bevonatot választ le tengelyeken, dugattyúkon, szelepeken, prés-, fröccsöntő- és hidegalakító szerszámokon. Jól keménykrómozhatók a gyengén és közepesen ötvözött acélok, a finomszemcsés öntöttvasak. Az erősen ötvözött acélok, az Al, Cu, Ni és ötvözeteik esetében a következő, speciális előkezelést is magában foglaló technológia javasolt: oldószeres zsírtalanítás → feszültségmentesítő hőkezelés → szemcsefúvás → szerszámozás, felfüggesztés → előmelegítés → anódos maratás → meleg vizes öblítés → krómozás → takaréköblítés → végöblítés → szárítás → leszedés a függesztő szerszámról → hidrogénmentesítő (ridegségcsökkentő) hőkezelés → ellenőrzés. Az optikai, röntgen-, fotó- és műszeripari alkalmazású feketekrómozás 900 ºC-ig stabil bevonatának színét a 20–30% Cr2O3 beépülése okozza. Nagy hőmérsékleten működő gépalkatrészek felületi keménységét és kopásállóságát növelő diszperziós krómozás bevonatába SiC épül be. A horganyzás (cinkezés) acélalkatrészek, acélöntvények, acélszalagok és huzalok korrózióvédelmére szolgál. Mivel a cink elektronegatívabb, mint a vas, így amíg van bevonat, addig a védelem is fennáll. A díszítőhatással is bíró cink a legolcsóbb galvanizálásra használható fém, melynek felületén szürkésfehér oxid és karbonát (fehérrozsda) képződik, lassítva a bevonat további korrózióját. 10–15% Ni vagy 0,2–0,3% Co bevitelével a korrózióállóság 3–4-szeresére növelhető, elsősorban kötőelemek horganyzásakor. A kadmiumozást nem élelmiszeripari célú acéltárgyak korrózió elleni védelmére, elektronikai iparban felhasznált színesfémek forraszthatóságának javítására alkalmazzák. Atmoszferikus hatásoknak, tengeri és trópusi klímának jól ellenáll, de szerves oldószerek és kénvegyületek megtámadják. Az ezüstfehér színű fém felületén a levegő szén-dioxidjának hatására szürkésfehér színű, karbonáttartalmú réteg képződik. Az ónozás élelmiszer- és konzervipari gépek, berendezések és csomagolóanyagok felületvédelmét szolgálja, de alkalmazzák híradástechnikai, illetve mikroelektronikai alkatrészek forraszthatóságának javítására, továbbá nyomtatott huzalozású lemezek fémes maszkolására is. Az ezüstfehér bevonaton vékony, összefüggő oxidréteg képződik, ami védi a további korróziós károsodástól. Híg savak nem támadják meg, de a sósav és a kénsav oldja. Sárgarezek és cinkötvözetek bevonása előtt diffúziógátló (kedvezőtlen intermetallikus vegyületek képződését megakadályozó) Cu-, Ni-, Fe-, Co-bevonatot kell készíteni. A vasazást alkalmazzák öntöttvas tárgyak köztes bevonására (tapadásnövelő előkezelésként) tűzi ónozás előtt, forrasztópákák diffúziógátlására, hibás alkatrészek felújítására, mágneses bevonatok, illetve. árnyékolások előállítására híradástechnikai alkatrészeken, porózus krómbevonatok leválasztása előtt, nehezen 150 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések foszfátozható ötvözetek előkezelésére. A vasbevonat jól tapad gyengén ötvözött acélokon, öntöttvasakon, Ni- és Cu-ötvözeteken, de a bevonatba beépülő hidrogént hőkezeléssel (900 ºC-on, védőgázban) el kell távolítani. A kobaltozás során létrejött bevonat a nikkelnél jobb kopásállósággal rendelkezik, közel azonos alakíthatóság, illetve jó mágnesezhetőség mellett. Mivel költséges eljárás, a korrózió elleni védelemben nem használatos. Az ezüstözés eredményét nagyfokú kémiai ellenálló képesség (vegyiparban), jó hővezető képesség, kiváló elektromos tulajdonságok és forraszthatóság (híradástechnikai, műszer- és elektronikai iparban), nagyfokú fényvisszaverő képesség (optikai iparban tükrökhöz), kiemelkedő dekorativitás és esztétika (ékszer-, ötvösés díszműiparban, vendéglátóiparban) jellemzi. Az aranyozást dekoratív hatása miatt az ékszer-, óra- és bizsugyártásban, kiváló kémiai és klimatikus ellenálló képességet + nagy és állandó elektromos vezetőképességet + tökéletes forraszthatóságot + jó hőállóságot + állandó keménységet és kopásállóságot biztosító bevonata miatt elsősorban elektronikai, számítástechnikai alkatrészek (pl. érintkezők, kontaktusok, tranzisztorok, félvezetők, nyomtatott áramköri elemek) és űrkutatási műszerek gyártásában alkalmazzák, leggyakrabban Cu, Ni és ötvözetei bevonására. Takarékos megoldásokra törekedve igen vékony bevonatokat hoznak létre, csak az éppen szükséges kiterjedésű felületeken. A palládiumozás jó korrózióállóságot eredményez, pl. ezüstbevonat védelmére ipari gázok (CO2, H2S, SO2) korrodáló hatásával szemben. 1,5–2,5 μm Pd- vagy Pd-Ni-bevonat kombinálva 0,2–0,4 μm keményarany (0,2% Co, 0,24% C, 0,3% N, 0,14% K) bevonattal, gazdaságos és műszakilag egyenértékű megoldása az aranybevonat helyettesítésének. A ródiumozással előállítható bevonat különlegesen nagy kémiai ellenállóképességet, keménységet és karc-, illetve kopásállóságot biztosít műszer-, híradástechnikai és elektronikai ipari érintkezők, csúszókontaktusok felületkezelésekor, viszonylag jó elektromos vezetőképesség mellett. Az elváltozás nélkül –60 – +300 ºC között alkalmazható ródiumbevonat savakban, lúgokban nem oldódik, de a klórgáz nagy hőmérsékleten megtámadja. Dekoratív, rideg színű (hideg fényű), emberi izzadtságra nem érzékeny bevonatot képez ezüstözött vagy színezüst tárgyakon, gyémántköves fehérarany ékszereken. Nagyobb hőmérsékleten és agresszív atmoszférában üzemelő reflektorok, tükrök bevonására is alkalmas ott, ahol az ezüst már nem felel meg. A 0,05–0,3 μm vastag ródiumbevonat közvetlenül leválasztható Ni-re, Ag-re, Au-ra, Pt-ra és ezek ötvözeteire, míg a többi fémre Ni-, Ag- vagy fehérarany közbenső bevonat után. A ruténiumozás a palládiumozásnál jobb elektromos vezetőképességet biztosít, azonos technikai tulajdonságok, de kisebb költségek mellett. Termikusan erősen igénybe vett elektromos érintkezők, kontaktusok gyártásán kívül platina helyettesítésére is alkalmazzák nem oldódó nemesfém- és galvanotechnikai titánanódokon. A platinázás ezüst és fehérarany ékszerek dekoratív bevonására, gyógyászati és laboratóriumi eszközök, vegyipari berendezések és szerelvények felületkezelésére alkalmazható. Nagy kémiai ellenálló képességet biztosít, de költséges. Az ólmozás igen jó csúszási jellemzőket eredményez siklócsapágyak gyártásában. Alkalmazzák továbbá gázkazánok és kénsavas akkumulátorok csatlakozó 151 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések szerelvényeinek bevonására is. A felületén képződő szürke, összefüggő védőréteg további védelmet biztosít. Acélra, öntöttvasra, rézre és ötvözeteire közbenső réteg nélkül leválasztható. Az indiumozás siklócsapágyakhoz igen jó csúszási tulajdonságot biztosít, továbbá jól forrasztható és légköri korróziós hatásoknak ellenálló bevonatot eredményez. Az alumíniumozás acélból készült tárgyak hőálló bevonatának alapját képezi, pl. rakétatechnikai alkalmazásokhoz. Az arzénozás és az antimonozás sötétszürke, dekoratív díszítőbevonatot produkál vörösrézen, sárgarézen és bronzon. Színfémbevonatok mellett ötvözetbevonatok is leválaszthatók többek között réz-, nikkel-, ón-, cink-, kobalt-, vas-, ezüstötvözetekből: • Jellegzetes rézötvözet-bevonatok: tombak (82–90% Cu + 18–10% Zn), sárgaréz (60–80% Cu + 40–20% Zn pl. Ni-bevonat alá), spekulum (45–60% Cu + 55–40% Sn), nikkelex (85–90% Cu + 15–10% Sn), ónbronz (70–80% Cu + 16–20% Sn + 5–7% Zn), kadmiumbronz (80–90% Cu + 20–10% Cd); ez utóbbi kettő Al-galvanizálás köztes bevonata. • Ni-Fe-ötvözetek révén 20–30% Ni-megtakarítás érhető el, több esetben a tiszta Ni helyettesítéseként. Fe, Co, Mn ötvözéssel keménységnövelés, mágneses tulajdonságok javítása, hőállóság fokozása érhető el. 15–20% vastartalmú ötvözetekkel jó korrózió- és nedvességállóság, jó krómozhatóság is biztosítható. Jól tapadnak az alapfémhez, köztes bevonatként alkalmazhatók vörös- és sárgaréz bevonatokhoz. A vastag bevonatokba beépülő hidrogén hőkezeléssel eltávolítható. A Ni-Co és a Ni-Mn-ötvözetek műanyag-, cink-, alumínium-, üveg-présszerszámok, illetve fröccsöntő szerszámok elektroformázásához is használhatók. • Az ónötvözetek jó korrózióállósággal, duktilitással, kiváló forraszthatósággal rendelkeznek. A kedvező csúszási tulajdonságokkal bíró, 40% Pb-tartalmú ötvözet siklócsapágyakhoz, nyomtatott huzalozású lemezek forrasztást elősegítő bevonataként alkalmazható. A pórusmentes, jól polírozható, jó sav- és lúgállóságú, 35% Ni-tartalmú ötvözet nemesfém bevonatok helyettesítésére szolgál elektronikai és laboreszközök gyártásában. A 25% Co-tartalmú ötvözet jól helyettesítheti apró alkatrészek dekoratív Cr-bevonatát. • Cinkötvözetek közül a jól krómozható és passziválható Cu-tartalmúak helyettesíthetik a Ni-t; a jól forrasztható Co-, illetve a Sn-tartalmúak pedig a Cr-t helyettesíthetik azonos színük, kiváló korrózióállóságuk révén, elsősorban apró alkatrészeken. • A kobaltötvözetek közül a W-ötvözésűek keménykróm bevonatok helyett, a 10% Ni-tartalmúak mágneses tárolók gyártásában jöhetnek szóba. • A Ni-, Cr-, W- vagy Zn-tartalmú vasötvözetek kopásálló bevonatként, továbbá az elektroformázásban kaphatnak szerepet. • Az ezüstötvözetekre az ezüst kis olvadáspontja, kis keménysége, gyenge kénhidrogén-állósága miatt lehet szükség. A Cd-, Pb-, Sb-, Cu-, Pdötvözésűek elektromos kontaktusok bevonására, a Pb-, Tl-, In-tartalmúak 152 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések nagy igénybevételű csapágyak súrlódáscsökkentő bevonataként alkalmazhatók. A max. 25% Zn-tartalmú ötvözetekkel elkerülhető a homályosodás, és Ag-takarékosság érhető el. Az alumínium a felületi védőoxidrétegének eltávolítása, illetve tapadásbiztosító alapozóréteg (nemfémes réteg elektromosan vezető pórusokkal; Zn-, Fe-, Cu-, Snréteg) létrehozása után galvanizálható. A bevonóanyagok általában elektropozitívabbak, így laza, rosszul tapadó réteget eredményeznek, ráadásul a hőtágulási együtthatójuk kisebb az alumíniuménál. Műanyagok is galvanizálhatók maratás (Van der Waals-kötésre aktív gócok képzése), érzékenyítés és aktiválás (azaz fémrétegkötődést elősegítő kristálymagok létrehozása), illetve kémiai előbevonás (Cu, Ni) után. Cél a fémek mechanikai és dekoratív tulajdonságainak egyesítése a műanyagok egyszerű és nagy termelékenységű gyártásával, illetve kis sűrűségével. 4.2. Termikus szórás Termikus szóráskor a por, granulátum, pálca vagy huzal formájában adagolt hozaganyag (4.2.–4.4. táblázat) részleges vagy teljes megolvasztásával és így folyamatosan képződő nagy hőmérsékletű részecskék kezelendő felületre szórásával, termomechanikai úton jön létre bevonat. 4.2. táblázat. Szórt bevonatok készítéséhez használható fémek és kerámiaanyagok Tiszta fémek Ötvözetek Fémkarbidok Boridok Szilicidek Nitridek Oxidkerámiák Ni, Cr, Ti, Mo, Cu, Al, W NiCr, NuCrFe, CoCrFe, CuAl, CuAlIn, NiCrAl, NiCrW, FeCr, NiAl, NiTi, NiC (álötvözetek), NiCrBSi, CoNiCrBSi stb. WC, Cr3C2, TiC, MoC stb. leggyakrabban NiCr, Co, NiAl fémes mátrix anyaggal szórva TiB2, ZrB2, CrB2 MoSi2 TiN, HfN Al2O3, Al2O3+TiO2, Al2O3+Cr2O3 stb. Zr2O2, Zr2O2+CaO, Zr2O2+Y2O3 stb. TiO2, HfO2, Cr2O3 B 153 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.3. táblázat. Szórt bevonatok készítéséhez használható fémek és kerámiaanyagok jellemzői Az anyag neve Vegyjel, képlet Olvadáspont °C Sűrűség kg/m3 Felületi tömegsűrűség 0,1 mm rétegvastagságnál g/m3 Vas és acél Réz Cink Ón Ólom Sárgaréz Bronz Alumínium Volfrám Kvarc Titán-oxid Alumínium-oxid Króm-karbid Mg-Al-spinell Szilicium-karbid (karborundum) Króm-oxid Cirkonszilikát Berillium-oxid Cirkónium-oxid Volfrám-karbid Magnézium-oxid Titán-karbid Fe Cu Zn Sn Pb CuZn CuSn Al W SiO2 TiO2 Al2O3 Cr3C2 MgO.Al2O3 SiC Cr2O3 ZrO2.SiO2 (ZrSiO4) BeO ZrO2 W2C, WC MgO TiC 1250–1528 1083 407 232 327 1050 1000–1050 658 3370 1477 1775 2050 2060 2115 2250 2700 19100 2650 3840 3900 6720 3600 3190 780 780 700 740 1140 870 890 270 – – – – – – – 2275 2500 5210 4690 – – 2580 2690 2700 2800 3250 2990 5800 17330 3490 4880 – – – – – 7860 8930 7130 7280 11340 A hőt láng, elektromos ív, plazma- vagy lézersugár, illetve gázkeverék ciklikus robbanása biztosítja (4.5. táblázat), míg a felületre szórást sűrített levegő, plazmaáramlás vagy detonációsorozat „végzi”. Fémek, fémötvözetek, fémvegyületek, kerámiák vagy műanyagok alkotta bevonat kötési (tapadási) szilárdsága arányosan növekszik a szórt részecskék mozgási energiájával és hőmérsékletével, a kezelendő felület tisztasági fokával, a felületelőkészítő aktiválás és a szórás között eltelő időtartam rövidítésével, a felületi érdesség megfelelő profilalakjával. A szórt bevonat porozitása elsősorban a részecskebecsapódási sebesség növelésével csökkenthető. Az alkalmazási területek mintegy 60%-át a kopásálló bevonatok jelentik, kb. 1%-ot tesz ki a korrózióvédelem, 10% körüli az elektronikai vékonyrétegek aránya, míg a megmaradó kb. 15% egyéb célokat szolgál. 154 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.4. táblázat. Szórt bevonatok készítéséhez használható fémek és kerámiaanyagok alkalmazásai Alkalmazási terület Repülőgépgyártás Textilgépgyártás Gépipar Vegyigépgyártás Kohászat Papíripar Alkatrész Bevonóanyag nagynyomású kompresszorlapátok felülete turbinalapátok felülete, fúvócső égőkamra szálvezető villák, tépő hengerek, műszálgyártó berendezések siklócsapágyak dugattyúgyűrűk dízelmotor-dugattyúk felülete hengerfej bélése, előkamra szerszámgép csúszófelületek szivattyúk tömítései szelepek, tolózárak, csúszófelületek szivattyú-járókerekek vegyi reaktorok védelme öntőüstök, olvasztókemencék falazata hengerek felülete hengerek felülete Cr3C2, NiCr CoCrAlY, NiCrAlY, CrNiAl Al2O3+TiO2 Al2O3+TiO2 Cr Mo, AlBz Mo ZrO2+Al2O3 ZrO2+Y2O3 FeCr13, Cr2O3 Al2O3, Cr2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3, Cr2O3 Al2O3 WC+Co+NiCr Al2O3+TiO2 4.5. táblázat. Termikus szórási eljárások alkalmazástechnikai jellemzői Energiahordozó közeg Elérhető hőmérséklet [°C] Szórható anyag fajtája Szórható anyag formája Részecskesebesség [m/s] Szórási teljesítmény [kg/h] Huzal- C2 H2 , C2 H4 , C3H8, H2+O2 ≤3160 fém huzal ≤200 6–8 Por- C2 H2 , C2 H4 , C3H8, H2+O2 ≤3160 minden anyag por ≤50 3–6 (kerámia: 1–2) C2 H2 , C2 H4 , C3H8, H2+O2 ≤3160 minden anyag por ≤550 4–8 (kerámia: 2–4) C2 H2 , C3H8, +O2 ≤3160, de CO2 műanyag granulátum ≤30 2–4 Ívszórás elektromos áram ≈4000 elektromosan vezető anyagok huzal ≈150–300 8–20 – 50 Plazmaszórás Ar, He, H2, N2, ≤20000 minden anyag por ≤450 4–8 Lézerszórás CO2, He, N2, Ar, ≤10000 minden anyag por >1 1–2 >3160 minden anyag por ≈600 3–6 Nagy sebességű lángszórás Megnevezés Műanyag Robbantásos szórás elektromos áram elektromos áram C2H2+O2, elektromos szikra hűtés kell 155 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.2.1. Lángszórás Az oxigén–acetilén gázos lángszóró berendezésekkel (4.9. ábra) elérhető viszonylag kicsi tapadási szilárdság (10 N/mm2) és nagy porozitás (5–25%) a lángban repülő részecskék kis sebességéből (80–100 m/s) ered. Az oxigén–acetilén keverék égési hőmérséklete tökéletes keveredés esetén 3160 °C. 4.9. ábra (I.) Por lángszórása Az acetilén gáz nyomását biztonsági okokból 1,5 barnál nagyobb értékre nem célszerű növelni (önbomlás miatt), ezért ilyen kis túlnyomással nem növelhető az égő gáz sebessége a hangsebesség fölé. Egy másik eljárásnál metilacetilén– propadién gázkeveréket használnak égőgázként, oxigénben elégetve. Ez MAPPgázként ismert, égési hőmérséklete 2900 °C, munkanyomása 4–5 bar körüli érték. Az eljárás ismert Hypersonic Spray System, Hypersonic Flame Spraying, illetve Jet Kote Process néven is. A MAPP-gázt és az oxigént egy előkeverő rendszerben összekeverik és a tengely körül koncentrikusan elhelyezkedő furatokon az égőkamrába vezetik A kamrába befújt gázkeverék köpenyszerűen körülveszi az égő tengelyében nitrogén gázáramban fluidizálva befújt port. A MAPP-gáz és az oxigén begyújtása hidrogénnel történik, ami folyamatosan is éghet, míg a MAPP-gáz adagolása csak a porszórás időtartama alatt történik. Az égőkamrából az égő gázkeverék expanziós Laval-fúvókán keresztül távozik. A MAPP-gáz égése lassú, és ez biztosítja, hogy a fúvóka teljes (120–150 mm) hosszában (sőt azon túl is) folyamatos a hőtermelés. A porok adagolása és nitrogénnel történő fluidizálása külön adagolóval történik. A MAPP gáz elnyújtott égése és a láng nagy sebessége miatt a szórandó tárgyat távol, kb. 300 mm-re helyezik el a fúvóka nyílásától. Az 5–45 μm szemcseméretű 156 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések WC-Co porokkal (88% WC + 12% Co) végzett sebességmérések szerint 8 bar O2, 4 bar MAPP-gáz és 4 bar N2 vivőgáz nyomásnál, a fúvókától 300 mm távolságban a részecskék közepes sebessége 315 m/s (min. 100 m/s, max 500 m/s). Nikkel alapú fémporral (szemcseméret: 5–45 μm) végzett kísérletnél 400 m/s közepes sebességet értek el. 4.9. ábra (II.) Huzal lángszórása A szórt bevonatok tulajdonságaira jellemző, hogy a WC-Co (88/12) bevonatok porozitása 2% alá csökkenthető, a pórusok mérete 10 μm-nél kisebb. A mikroszkópi csiszolatokon mért keménység (HV 200 g) 940–960 HV közötti, a merőleges tapadási szilárdság nagyobb, mint 70 MPa. Az eljárás alkalmazására jellemző, hogy főként WC-Co-bevonatok szórását végzik vele, és a robbantásos porfelszórást is kiválthatja az olcsóbb berendezés révén. Az eljárás mindazokon a területeken alkalmazható, ahol a plazmaszórás és a robbantásos szórás használatos. 4.2.2. Ívszórás A huzal formában kialakított bevonóanyagot elektromos ív hőenergiájával megolvasztják, és az olvadékcseppeket sűrített levegővel szétporlasztva a bevonandó tárgy felületére repítik (4.10. ábra). Az ívet közvetlenül a két huzalvég között hozzák létre úgy, hogy a két huzalt görgős előtoló szerkezettel 60–90°-os szögben egymásnak ütköztetik. A görgők stabil feszültségű egyenáramú tápegységhez csatlakoznak. Az íven sűrített levegősugarat fújnak keresztül, amely a huzalvégekről leolvadó cseppeket szétporlasztja. Az ív hőmérséklete meghaladja a 4000 °C-t, az ívoszlopban felszabaduló hőenergia nagy része a sűrített levegőárammal távozik. A huzalok előtolási sebessége és a huzalok leolvadása között az egyensúlyt az ívet fenntartó tápegység karakterisztikája biztosítja, a hegesztő áramforrások ún. belső szabályozásához hasonlóan. Ha a leolvadás gyorsabb, mint az előtolási se157 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések besség, a huzalvégek (ívtalppontok) távolodnak egymástól. Ekkor az ívfeszültség növekszik, és ennek eredményeként az íváram csökken. Ez a leolvadási sebesség csökkenését és az egyensúly helyreállítását eredményezi. Gyorsabb előtolási sebesség az előzőekkel ellentétes irányban hat. Másodpercenként mintegy ezer részecske szakad le, és kb. 300 m/s-os sebességgel ütközik a tárgyfelületre. 4.10. ábra Ívszórás Egyes ívszóró berendezéseknél a cseppleolvadást szabályozzák. Az egyenáramú tápegység feszültségére középfrekvenciás impulzusokat modulálnak tranzisztoros tápegységről. Az áramimpulzusok hatására gyors leolvadás történik, és az olvadékcseppek száma megnő, tehát finomabb porlasztás érhető el, mint a hagyományos eljárással. Másik irányzat a zárt fúvókarendszerek alkalmazása, ahol az ívtalppontokat a tengelyirányú főfúvókán kívül levegősugárral, ferdeszögben fújják, ezáltal a porlasztás intenzitását növelik. A huzalos ívszórással készült bevonatok tapadási szilárdsága és tömörsége lényegesen nagyobb, mint a lángszórt bevonatoké, de nem éri el a plazmaszórt bevonatok értékeit. A legnagyobb szóróberendezések teljesítménye Al-szórás esetén eléri akár az 50 kg/h értéket. A felhasznált hőenergia – a felszórt fém súlyegységére vonatkoztatva – a lángszóráshoz viszonyítva 1/9-e, a plazmaszóráshoz viszonyítva 1/15-e. A huzalos ívszórási eljárást nagy teljesítményénél, széles (nagy keresztmetszetű) szórósugaránál fogva nagyméretű tárgyak korrózió- vagy kopásálló réteggel való bevonására alkalmazzák. A leggyakoribb területeket a 4.6. táblázat tartalmazza. Ezeket a bevonatokat minden esetben szerves tömítőanyagokkal (festékekkel), egy vagy több rétegben tömítik. A szórt Al- vagy Zn-bevonat érdességénél fogva kiváló tapadást biztosít a festékbevonatok számára, pl. 175 μm vastag Znbevonat élettartamát 20–25 évre adják meg hídszerkezeteken. 158 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.6. táblázat. Huzalos ívszórás alkalmazási területei Alkalmazási terület Alkatrész Bevonóanyag légköri korrózióvédelem olajtároló tartály külső felülete acéltornyok (tv, rádió) hidak vasúti kocsi, mozdonyalvázak távvezeték-oszlopok, lámpaoszlopok zsilipszerkezetek hajótestek olajfúró-szigetek Al, Al Zn Al Al Zn hőkorrózió elleni védelem kazánszerelvények kemencealkatrészek Al Al gépipari alkatrészek korrózió elleni védelme tengelyek hengerek szárítóhengerek reaktoralkatrészek tartályok 13% Cr-acél monel-fém, Mo rozsdamentes acél Ti, Ta (Ar-védőgázas kamrákban) víz alatti létesítmények korrózióvédelme vegyipari gépgyártásban felületkezelés Al Zn Al Al, Zn 4.2.3. Plazmaszórás A plazma előállítására szolgáló eszköz a plazmagenerátor, amelynek a gyakorlatban két fő típusát alkalmazzák: a „belső íves" rendszerűt és a „külső íveset". A plazmagenerátort leggyakrabban egyenáramú tápegységből táplálják. A plazmagenerátorokban tóriumozott volfrámelektródát alkalmaznak katódként, és hengeres furatú rézhüvelyt vagy gyűrűt anódként, a kettő közötti szűk résben áramlik a plazmaképző gáz. Az elektromos ív nagyfeszültségű, nagyfrekvenciás szikrakisülés csatornájában alakul ki, amit a gázáramlás vagy mágneses tér stabilizál. Az eső jellegű tápegység karakterisztika és az ív karakterisztikájának a metszéspontjában jön létre a stabil munkapont, amellyel a berendezés üzemel. Gyakorlatilag minden plazmás berendezéstípusban megtalálhatók a következő részegységek: gázellátó-egység, fő tápegység, segédív tápegysége, hűtőegység, szivattyú, poradagoló, plazmagáz, vivőgáz, gyújtóegység, plazmagenerátor. A különböző célú berendezésekben csupán a részegységek paraméterei változnak az igényektől függően. A plazmaszóró berendezések működése a belsőíves rendszeren alapszik (4.11. ábra). A bevonatképzéshez szükséges anyagot por (néha huzal) állapotban a plazmagenerátor fúvókáján kilépő nagy sebességű és nagy hőmérsékletű plazmasugárba juttatják A bevonóanyag részecskéit a plazmasugár gyorsítja, és hőcsere révén hevíti. A részecskék a tárgyfelületbe való ütközés pillanata után ellapulnak, és a tárgyfelülethez vagy egymáshoz tapadnak. 159 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.11. ábra Plazmaszórás A belső íves plazmagenerátor termikus hatásfoka 50–85% között változik, az üzemelési paraméterektől függően. A por állapotú bevonóanyagnak a plazmasugárba adagolása történhet a fúvókán belül vagy kívül, különböző adagolási szöghelyzetekben. Ez lehetővé teszi, hogy plazmaszórással a hőre lágyuló műanyagoktól a volfrámig minden olyan szilárd anyagból bevonat készülhessen, amely határozott olvadási vagy lágyulási hőmérsékIettel rendelkezik. A plazmagáz és a szilárd bevonóanyag közötti intenzív hőcsere érdekében majdnem kizárólag por állapotú bevonóanyagokat használnak. A nem tiszta anyagok leggyakrabban mechanikus keverékek, azonban a bevonatos formák is előfordulnak. Például a Ni-AI-nál az Al-részecske Ni-lel van bevonva, a WC-Co-nál a WC-ot Co-burok veszi körül. Az eljárás nemcsak az új termékek előállításánál terjedt el, hanem alkatrészek felújításánál is alkalmazzák. Plazmaszórási eljárások főbb jellemzői és a velük elérhető bevonatok tulajdonságai: • Hagyományos plazmaszórás: 20–40 kW közötti teljesítménnyel történik, az elérhető gázsebességek kb. 400–1000 m/s közötti értékek, míg a porrészecske-sebességek kb. 80–300 m/s között vannak. A rétegek tapadási szilárdsága 7–25 MPa, porozitás fémeknél 4–10%, kerámia anyagoknál 5–15%. A bevonási teljesítmény fémeknél 5–8 kg/h, oxidkerámia anyagoknál 3– 5 kg/h. • Nagy energiájú plazmaszórás: 50–80 kW teljesítménytartományban, de a hagyományoshoz képest 2–3 szoros gázfelhasználással történik. Az elérhető gázsebességek 1000–3000 m/s, a porrészecske-sebességek 200–610 m/s lehetnek. A bevonatokkal elérhető tapadási szilárdság 20–67 MPa, míg a porozitás fémeknél 1–5%, kerámia anyagoknál 2–10%. A bevonatok kopásállóság szempontjából kb. 30–50%-kal felülmúlják a hagyományos plazmaszórással készült bevonatokat. Nem túl gazdaságos, mert 50–70% között van a porrészecskék feltapadási aránya (a többi visszaverődik a felületről). 160 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések • Alacsony nyomású vagy vákuum plazmaszórás: 40–60 kW teljesítménnyel, alacsony nyomású (20 mbar) kamrában történik. Hatására a plazmasugár hosszúsága 400–600 mm-re növekszik, és a sebessége is jelentősen megnő. Mivel a részecskék nem kerülnek kapcsolatba a környezet O2- és N2tartalmával, az így készült bevonatok tömörebbek, kevesebb oxidzárványt tartalmaznak, mint a levegőn végzett szórásnál. A tapadási szilárdság növelése céljából egy külön áramforrásról kb. 100–150 A áramot hoznak létre a plazmagenerátor katódja és a munkadarab között. • Vízgőz munkagázos plazmaszórás: 150–200 kW teljesítményű berendezéssel történik. Munkagázként vízgőzt alkalmaznak, katódként grafitot, anódként rézből készült forgótárcsát, fúvókaként rézhüvelyt használnak. Az anódfolt a tárcsa peremén alakul ki, a grafit katód a vízgőz hatására fogy, előtolása kb. 5 mm percenként. Szórási teljesítménye igen nagy, kb. 15 kg/h AI2O3-bevonat létrehozására is képes, de fémek szórására nem igazán alkalmas. A plazmagenerátor nagy tömege és zajszintje (kb. 135 dB) csak gépesített szórásra teszi alkalmassá. • Sűrített levegős plazmaszórás: munkagázként sűrített levegőt alkalmaznak, katódja réz hűtőtömbbe sajtolt cirkónium. A levegő munkagáz következtében fémek szórására nem igazán alkalmas, továbbá jelentős mennyiségű nitrogén-oxid és ózon képződésével kell számolni az üzemeltetés alatt. 4.2.4. Robbantásos szórás Az 1950-es évek végétől elterjedt technológia a detonációs vagy lökéshullámos bevonatolás. Az eljárás lényege, hogy nagy sebességgel ütköztetik a munkadarabot a bevonat anyagával; vagyis rárobbantják, rálövik az erre a célra kialakított ágyúból a megfelelő keveréket a hordozóra. Több vállfaja ismeretes attól függően, hogy milyen állapotú a bevonásra szánt anyag (szilárd por, folyadék, keverék stb.); milyen a robbantási folyamat (közös terű robbantás, rálövés stb.). 4.12. ábra Robbantásos szórás 161 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések A legegyszerűbb eljárás (4.12. ábra) során a felszórandó poranyagnak szabályozott gázrobbantással igen nagy kinetikus energiát adnak, és a hordozó felületének ütköztetik. A gázrobbantáshoz általában oxigén–acetilén gázkeveréket használnak. A folyamatos robbantás gondos por- és gázadagolást igényel. Az így készülő bevonatok vastagsága változó (általában néhány tized mm), porozitásúk elég alacsony (0,5%), keménységük esetenként igen nagy. A kötés tapadási (adhéziós) szilárdsága kb. 70 MPa, és a bevonat érdessége 6–10 μm. 4.3. Plattírozás A plattírozási vagy borítási eljárások egyik csoportja a bevonatot képező plattíranyag és a plattírozandó anyag együttes képlékeny alakításával valósul meg. Az eljárások másik csoportjánál a nagyobb tömegű, fixen alátámasztott plattírozandó darabra robbantás vagy súrlódás (dörzsölés) révén kerül rá a plattírréteg. 4.3.1. Húzásos plattírozás Húzásos plattírozás (4.13. ábra) során a plattírozandó csövet vagy rudat a ráhúzott plattíranyagcsővel együtt egy meghatározott alakváltozást biztosító húzógyűrűn húzzák át. 4.13. ábra Húzásos plattírozás 4.3.2. Folyatásos plattírozás Folyatásos plattírozáskor (4.14. ábra) a plattírozandó, illetve a plattíranyagegyüttes hátrafolyatásával hozzák létre a bimetall csövet, amelyben a plattírréteg a külső vagy a belső oldalon is lehet. 162 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.14. ábra Folyatásos plattírozás 4.3.3. Hengerléses plattírozás A hideg- vagy meleghengerléses plattírozásnál (4.15. ábra) a plattírozandó anyagot és a plattíranyagot együttesen hengerlik a méreteiktől (vastagságuktól) és alakítási szilárdságuktól függő hőmérsékleten. A plattírréteg a kezelendő lemez, illetve szalag egyik vagy mindkét oldalára felvihető. 4.15. ábra (I.) Hengerléses plattírozás 163 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.15. ábra (II.) Hengerléses plattírozás 4.3.4. Dörzsplattírozás Dörzsplattírozáskor (4.16. ábra) a plattíranyag rudat forgatás (n) közben hozzányomva (Fh) a munkadarabhoz (plattírozandó anyag) a két anyag határán súrlódási hő, illetve dörzshatás alakul ki. Megfelelő elmozdítással (ve) a teljes felületre kiterjedő folyamatos plattírréteg hozható létre. 4.16. ábra (I.) Dörzsplattírozás 164 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.16. ábra (II.) Dörzsplattírozás 4.3.5. Robbantásos plattírozás A robbantásos plattírozás (4.17. ábra) célszerűen beállított plattírlemezre kerülő robbanóanyag-réteg teljes szélességben történő begyújtásával indul. A kialakuló detonációs nyomáshullám a plattírlemezt nagy sebességgel felütközteti a stabilan rögzített alaplemezre, melynek felületén kialakuló normál- és csúsztatófeszültségek hatására kötődik a plattírréteg. 4.17. ábra (I.) Robbantásos plattírozás 165 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.17. ábra (II.) Robbantásos plattírozás Azonos vagy különböző anyagminőségű fémek felületi kötését kialakító eljárás energiaforrása a robbanóanyag, „szerszáma" a detonáció kiváltásával létrehozott nyomáshullám. A kötés kialakulásának mechanizmusát a 4.18. ábra szemlélteti. 4.18. ábra A kötés kialakulásának mechanizmusa robbantásos plattírozásnál A plattírlemez (1) és az alaplemez (3) összecsapódásánál fellépő nagy nyomás miatt az alaplemez benyomódik, és a benyomódás mellett kidudorodás jön létre. Ugyanakkor az összecsapódási zónából kifröccsen egy megolvadt fémsugár (4), ami az alaplemez és a plattírlemez anyagából tevődik össze. A fémsugár létrejötte következtében a lemezeken fémtiszta felületek alakulnak ki, amelyek kötésbe kerülnek egymással. A fémsugarat a folyamat előrehaladása során az alapfém kidudorodása fokozatosan eltéríti, és a rácsapódó plattírlemez bezárja. Ezután a becsapódási pont a kidudorodás tetejére tevődik át, majd az egész ciklus megismétlődik, és jellegzetes hullám formájú kötés jön létre. Jó minőségű kötés létrehozása érdekében a technológia paramétereit (vd detonációsebesség, vö összecsapódási sebesség, l1 légrés, R = robbanóanyag/burkolólemez tömegarány) úgy kell méretezni, hogy az összecsapódás pontjában a fémek képlékeny alakváltozása bekövetkezzék, de a létrejövő feszültségek a fémeket ne roncsolják. 166 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések A robbantásos plattírozás elvét alkalmazó eljárások a kötendő fémek alakja szerint: • lemezplattírozás: ez esetben a kötést lemez formájú anyagok között hozzák létre, pl. réz–ezüst összetételű, kétrétegű villamos érintkezőanyag készítésekor; a plattírozott tömbből hengerelhető ki az érintkezők alapanyagául szolgáló szalag; • rúdplattírozás: ez esetben a kötés egy rúd külső felülete és az azt teljes hosszában vagy egy szakaszán körülvevő cső belső felülete között jön létre; példaként acélrúd és rézcső kötése említhető. Robbantásos plattírozással a gyártmányokat vagy különleges műszaki paraméterek elérése érdekében, vagy egyszerűen gazdasági megfontolásból készítik. Az ismertebb alkalmazás két- vagy többrétegű plattírozott alapanyagok gyártása, melyek a következő iparágakban kerülnek felhasználásra: • villamosipar: alumínium–réz, alumínium–acél, réz–acél síncsatlakozások és kábelösszekötő szerelvények; réz–ezüst, acél–ezüst, réz–acél érintkezőanyagok; • vegyipar és reaktortechnika: acél–titán, acél–tantál, acél–bronz anyagú tartályok, autoklávok, hőcserélő csőfalak, csatlakozóidomok; • járműipar: ötvözetlen acél – rozsdamentes acél, alumínium–acél, alumínium– titán anyagok, autók, hajók és repülőgépek karosszériáihoz és szerkezeti elemeihez. A következő plattírozott termékek gyártása is megvalósítható: • többrétegű érintkezőanyagok (acél–ezüst, réz–ezüst, réz–alumínium stb.); • acél–alumínium csatlakozóidomok alumíniumkohászati célokra; • alpakka–ezüst, acél–nikkel szalagok gombakkumulátorok gyártásához; • réz–acél, réz–alumínium, acél–alumínium kétrétegű csavaralátétek kontaktkorrózió csökkentése céljára. 4.4. Gőzfázisból történő bevonatolások Ezek a bevonatolási technológiák bizonyos területeken máshogy nem megvalósítható bevonatok létrehozására alkalmasak. Elterjedésük különösen széles körű a forgácsolószerszámok gyártása területén. Például a keményfémlapkák ma már többségükben ilyen bevonatolással készülnek. A gőzfázisból történő bevonatolások két alapvetően különböző alcsoportja: • a fizikai típusúak (PVD, Physical Vapour Deposition), • a kémiai típusúak (CVD, Chemical Vapour Deposition). Mindkét eljáráscsoport a mikroelektronikai ipar talajából nőtt ki és került szélesebb körű felhasználásra. Alkalmasak arra, hogy tribológiai célokra elemeket, vegyületeket, ötvözeteket és kompozitanyagokat válasszanak le finomra köszörült vagy polírozott felületekre. A keletkező rétegek tömörek, vastagságuk 0,1–15 μm között folyamatosan szabályozható, felületi érdességük, tapadásuk kiváló. A réteg167 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések épülés sebessége a PVD-technológiáknál kb. 1–100 μm/óra, a CVDtechnológiáknál kb. 1–3 μm/óra. A PVD- és CVD-eljárások lényege, hogy a felületi bevonat kialakításakor a megfelelő reakciók a hordozó felületén jönnek létre, biztosítva ezzel a bevonás egyenletes minőségét. A PVD-eljárásokban a gőzfázis átalakítandó vegyületet vagy nem tartalmaz, vagy a meglévő vegyület bomlása még gőzfázisban megtörténik fizikai úton. A CVD-eljárások ezt a célt valamilyen vegyületnek (vagy vegyületeknek) felületen történő termokémiai bontásával és újabb reakcióval érik el. A felületi reakciók alapjelenségeit a kétféle eljáráscsaládra a 4.19. ábra mutatja be. 4.19. ábra A PVD és CVD felületi reakcióinak alapjelenségei Mind a CVD-, mind a PVD-technológiáknak több altípusát alkalmazzák. Ezen belül is szinte mindenfajta bevonathoz, alapanyaghoz más-más paraméterek megválasztása szükséges. Az egyes altípusoknak nem minden esetben alakult ki a nemzetközileg egységesen használt elnevezése. Összehasonlítás végett a 4.20. ábra mutatja az egyes eljárásváltozatok legfontosabb jellemzőit. 168 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.20. ábra (I.) A PVD- és CVD-alapeljárások legfontosabb jellemzői 169 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések PVD DS-PVD MS-PVD LPPD CVD EARE IP ARE Physical Vapour Deposition Diode Sputtering-PVD Magnetron Sputtering-PVD Low Pressure Plating Deposition Chemical Vapor Deposition Enhanced ARE Ion Plating Activated Reactive Evaporation Fizikai gőzfázisú bevonatolás Diódás porlasztású PVD Magnetronos porlasztású PVD Alacsony nyomású bevonatolás Kémiai gőzfázisú bevonatolás Növelt aktiválású reaktív párologtatás Ionos bevonás Aktivált reaktív párologtatás 4.20. ábra (II.) A PVD- és CVD-alapeljárások legfontosabb jellemzői Új CVD- vagy PVD-bevonatos hidegalakító szerszámok gyártásának vázlatos műveleti sorrendje a következő: 1. kiválasztott anyag beszerzése rúd, tömb vagy lap formájában 2. nagyoló megmunkálás 3. feszültségcsökkentő hőkezelés 600 ºC-on 170 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4. simító megmunkálás 5. vákuumedzés 6. megeresztés kb. 500 ºC-on, min. kétszer 58–60 HRC-re 7. szerszámblokk összeszerelése és beállítása 8. 5000–10 000 darabos előszéria alakítása a megfelelőség ellenőrzésére 9. felületelőkészítés: homokfúvás, polírozás, tisztítás a felületi érdesség beállítása, illetve. a kis súrlódási tényező (kedvező siklási jellemzők) biztosítása érdekében (Ra<1 μm tükörfényes állapot beállítása) 10. CVD- vagy PVD-bevonatolás 11. CVD esetén második edzés és megeresztés vákuumkörnyezetben 12. szerszámblokk-összeállítás 13. szerszámblokk-beállítás 14. terheléspróbák Használt hidegalakító szerszámok felújításakor további feladatként felmerülő javító hegesztés műveleti sorrendje: 1. szerszámanyaghoz, hegesztési eljáráshoz és a geometriai torzulások minimalizálásához igazodó hegesztőanyag kiválasztása és beszerzése 2. előmelegítés 400 ºC-ra 3. hegesztés 4. hevítés 450 ºC-ra, 2–3 órás hőntartással 5. lassú hűtés CVD és PVD bevonatok alkalmazási jellemzői (4.7. táblázat): • összetétel • típus • azonosító szín • bevonatoló eljárás • bevonatolás hőmérséklete • rétegszerkezet (mono-, multi-, gradiens-, nano-) • rétegvastagság [μm] • mikro- vagy nanokeménység (HV0,05) • súrlódási tényező (száraz acélon) • hővezetési tényező [W/mK] • termikus stabilitás határhőmérséklete (oxidációs hőmérséklet) – maximális alkalmazási hőmérséklet [ºC] • bevonat belső (nyomó)feszültsége [GPa] • megmunkálható anyagok • kulcsfontosságú jellemzők, illetve. előnyök • korrózióállóság • vízoldhatóság • újrabevonatolhatóság • alkalmazási adatok – elsődleges alkalmazási javaslatok (4.8. táblázat) 171 mono = egyrétegű; multi = többrétegű; gradiens = többrétegű, elmosódott határfelületű; nano = nanoszerkezetű (A bevonatos kompozitok egy része az ún. gradiens anyagok közé tartozik. Ez azt jelenti, hogy mikroszerkezetük és/vagy összetételük megtervezett, minek révén fokozatos változásokat – elmosódott réteghatárokat – tartalmazó darabok gyártására alkalmasak a várható üzemelés helyileg változó követelményeinek megfelelően ) 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 172 4.7. táblázat. PVD- és CVD-bevonatok jellemzői EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.8. táblázat. Ajánlott PVD- és CVD-bevonatok az alkalmazás függvényében Alkalmazás Jó Jobb TiCN CVD TiC/TiN Legjobb Lyukasztás (Piercing) TiN (Lemez)kivágás (Blanking) TiN CVD TiC/TiN TiCN Finomkivágás (Fine Blanking) TiN TiCN MoSTTM (Mély)húzás (Drawing), Peremezés (Flanging), Profilalakítás (Forming), Folyatás (Extrusion) CrN CVD TiC/TiN vagy TiCN CVD TiC vagy MoSTTM Hidegfejezés (Cold Heading) / Ütvesajtolás (Impact Extrusion) TiN CVD TiC/TiN MoSTTM MoST TM 4.4.1. PVD vagy fizikai gőzfázisú bevonatolás Fizikai gőzfázisú bevonás (Physical Vapour Deposition ≡ PVD) esetében a bevonóanyagot (4.21. ábra) vagy a leendő bevonat komponenseit (melyek átalakítandó vegyületeket nem tartalmaznak) fizikai módszerekkel (párologtatással, porlasztással) szilárd állapotból gőzfázisba viszik, és az így létrejött bevonatalkotórészeket a munkadarab felületére csapatják. A kezelés vákuumban történik, és a munkadarab-felület hőmérséklete nem haladja meg az 550 °C-ot, így előnyös készre forgácsolt, illetve. nemesített gyorsacél szerszámok bevonására is, pl. max. 4 μm vastag TiN-réteggel (2 Ti + N2 → 2 TiN), hiszen nem következik be allotróp átalakulás miatti méretváltozás vagy nagyfokú megeresztődés (kilágyulás). Az eljárásváltozatok – vákuumgőzölés, katódporlasztás, ionsugaras bevonatolás, illetve leválasztás – megkülönböztetésének alapja az, hogy megolvasztott párolgó vagy hideg atomütköztetéssel porlasztott bevonóanyaggal, illetve elektromosan semleges (földelt) vagy negatív potenciálra kapcsolt bevonandó anyaggal működnek-e (4.22. ábra). Az ionsugaras eljárásváltozatoknál a keletkező plazma lehetővé teszi keményebb, tartósabb rétegek képződését a bevonatoló kamrából, vákuumrendszerből, hevítőberendezésből és gázellátó egységből álló célberendezésben. 173 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.21. ábra Tribológiai és dekoratív célú bevonatoló vegyületek Alkalmazási jellemzők: • vékonyabb és kisebb szilárdságú lemezek alakító szerszámaihoz; vékony bevonatos lemezek alakításához; kedvezőtlen kenési viszonyokhoz, felülethevüléssel járó alakításokhoz; továbbá szerszámfelújításra is alapos felületelőkészítés és szükség szerinti javító hegesztés után; • kemény, kopásálló, kedvező súrlódási tényezőjű, vékony filmszerű bevonatok előállítására; • „kis hőmérsékletű” eljárás, rendszerint 500 ºC-os, illetve annál kisebb hőmérséklettel, a geometriai torzulások minimalizálása érdekében, de limitált adhéziós tapadással, számottevő diffúziós hatás nélkül; • nagyvákuumos (10–5 mbar) környezetben, a reaktív fém vagy vegyülete elgőzölögtetésével és ionizálásával, az ionok hozzávezetett gázzal való reakciójával, majd a reakcióterméknek – munkadarab és kamrafal között alkalmazott feszültségkülönbség hatására – felületre történő lecsapatásával; • általában 1–6 μm bevonatvastagság elérésével; • kezelés után 150 ºC-ra történő lehűtéssel, felületi oxidáció elleni védelemmel; • a bekövetkező kilágyulás miatti utólagos hőkezeléssel – edzéssel és megeresztéssel – minimalizálva a bekövetkezhető geometriai torzulásokat; • a katódporlasztással, majd a hordozó felületén való lecsapolással. 174 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.22. ábra (I.) PVD-eljárásváltozatok 175 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.22. ábra (II.) PVD-eljárásváltozatok A bevonati anyagok és a bevonandó felület tisztasága (oxigén-, vízgőz- stb. mentes), valamint a párologtató források működése végett a fenti folyamatokat nagyvákuumban, kb. 10–4 Pa nyomáson kell elvégezni. A vákuumrendszer alkalmazása ugyan költséges, de így rendkívül tiszta, homogén, jól tapadó réteg állítható elő. A felületi minőség olyannyira kiváló, hogy a technológia dekoratív bevonatolásokra, fényvisszaverő felületek kialakítására is alkalmas utólagos megmunkálás nélkül. A vegyületi rétegek csaknem teljes spektrumban, széles sztöchiometriai tartományban vihetők fel, tetszőlegesen alacsony hőmérsékletű szubsztrátra. A vegyületek kialakításához szükséges energiát nem termikus gerjesztéssel, hanem fizikai aktiválásokkal biztosítják: • önfenntartó gázkisüléssel; • elektrongerjesztéssel (az elektronsugaras párologtató szekunder elektronjaival), segédelektróda termikus emissziójával; • rádiófrekvenciás gerjesztéssel. A hordozó hőmérsékletét ennek ellenére érdemes néhány száz ºC-osra választani. A magasabb hordozóhőmérséklet és az alacsonyabb gáznyomás ugyanis bizonyos határokon belül fokozza a felületi részecskék mozgását, vagyis csökkenti a keletkező réteg strukturális hibáit és ezen keresztül a belső feszültségeit. Természetesen a paraméterek változásával megváltoznak a fázisviszonyok is, amelyet a réteg színe is jellemez. PVD-technológiával lehetőség van szubmikronos rétegek leválasztására is, amelyeknek súrlódáscsökkentő hatása sok területen előnyös lehet. A PVDtechnológiák hátránya ugyanakkor az alak- és kontúrhűség megoldásának nehézsége. Az egyenes vonalú anyagátvitelt megvalósító eljárások esetén külön kell gondoskodni a munkadarab megfelelő, egyenletes mozgatásáról, forgatásáról. A 176 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések rendezetlen anyagtranszport esetén (plazmaeljárások) már jobb a helyzet, de nem mindig kielégítő. 4.4.2. CVD vagy kémiai gőzfázisú bevonatolás Kémiai gőzfázisú bevonás (Chemical Vapour Deposition ≡ CVD) során két vagy több szabályozott összetételű, gőz-, illetve. gázállapotú vegyületet – megfelelő hőközlés mellett – kémiai reakcióba visznek, aminek során a bevonandó tárgy felülete közelében termokémiai bomlás és további reakciók játszódnak le. Az így keletkező gőzfázisú reakciótermék a munkadarab felületére lecsapódva szilárd bevonatréteget képez és rendszerint gázfázisú melléktermékek is keletkeznek. A kezelés a PVD-hez hasonlóan vákuumban történik, 850–1050 °C-os hőmérséklettartományban. Mivel a kezelendő tárgy jelentős hőhatásnak van kitéve, ezért főként keményfémszerszámok felületkezelésére alkalmas, max. 10 μm rétegvastagságban. Az eljárásváltozatok (4.23. ábra) – hagyományos CVD: pl.: (TiCl4) + {1/2 N2} + {2 H2} → [TiN] + {4 HCl}; kombinált CVD: {CH4} → [Cgyémánt] + {2 H2}; kémiai szórás: pl. (TiCl4) + {CH4} + [2 Fe] → [TiC] + (2 FeCl2) + {2 H2}; reaktív kémiai szórás – aszerint különböztethetők meg, hogy a leendő bevonatkomponens gőzállapotba vitele párologtatással vagy porlasztással történik-e, illetve a reakciókat csak hőközlés (hőkezelés) vagy plazmaaktiválás is segíti-e (a reakcióegyenletekben a ( ) folyékony, a { } gáz és a [ ] szilárd állapotot jelöl). 4.23. ábra (I.) CVD-eljárásváltozatok 177 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.23. ábra (II.) CVD-eljárásváltozatok 178 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések Alkalmazási jellemzők: • 2 mm-nél vastagabb és akár 400 MPa szilárdságú lemezek kivágó-, alakító-, mélyhúzószerszámaihoz; korrózióálló és bevonatos lemezek kivágásához és alakításához; kenéshiányos, felülethevüléssel járó alakításokhoz; továbbá szerszámfelújításra is, alapos felületelőkészítés és szükség szerinti javító hegesztés után; • általában Ti-komponensű bevonatok – pl. TiC, TiCN, TiN – előállítására (4.24. ábra), mono- vagy multiréteg formájában; • „nagy hőmérsékletű” eljárás, esetenként 1000 ºC-os, illetve annál nagyobb hőmérséklettel, a jó adhéziós tapadás és a kölcsönös diffúzió érdekében, de geometriai torzulások veszélyével; • inert (Ar) vagy redukáló (H2) gázatmoszférában történő felhevítéssel, majd reaktív gázok – CH4 karbidokhoz, N2 nitridekhez – és 550 ºC-on elgázosított folyékony TiCl4 fémes prekurzor (elővegyület) hozzávezetésével; • általában 8–10 μm bevonatvastagság elérésével; • kezelés után 150 ºC-ra történő lehűtéssel, felületi oxidáció elleni védelemmel; • a bekövetkező kilágyulás miatti utólagos hőkezeléssel – edzéssel és megeresztéssel – minimalizálva a bekövetkezhető geometriai torzulásokat. 4.24. ábra Acélfelületek titánkarbiddal történő bevonatolása CVD-technológiájának vázlata 179 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések A reakciótérben elhelyezett szubsztrát hőmérsékletét a reakciófeltételnek megfelelő értékűre kell beállítani, míg az áramló gőzökét ennél alacsonyabbra, hogy a reakció a hordozó felületén jöjjön létre. A rétegnövekedés sebessége a felületen kialakuló egyensúlyi állapottól függ. Néhány jellemző reakció egyenletét a 4.9. táblázat adja meg. 4.9. táblázat. Néhány jellemző CVD-reakció Réteg anyaga TiC Cr7C3 W2,3C Al2O3 TiN Képzési reakció TiCl4 + CH4 YTiC + 4 HCl TiCl4 + C + 2 H2 YTiC + 4 HCl CrCl2 + H2 Y Cr + 2 HCl 7 CrCl2 + 3 CH4 Y Cr7C3 + 14 HCl 2 WF6 + C6 + 13 H2 Y W2C + 5 CH4 + 12 HF 2 WF6 + CH4 + 4 H2 Y W2C + 12 HF 2 AlCl3 + 3 CO2 + 3 H2 Y Al2O3 + CO + 6 HCl 2 TiCl4 + N2 + 4 H2 Y 8 HCl + 2 TiN Vivőgáz H2 Ar Hőmérséklet (K) 1200– 1350 1200– 1400 Réteg vastagság (mm) 6–8 8–12 Ar 600–800 20–50 H2 1100– 1500 2–4 H2 950–1300 5–10 Kemény ség (HV) >300 0 ~200 0 ~200 0 >240 0 >180 0 Az előállított rétegek sztöchiometriai aránya a reagens gáz adagolásával szabályozható, továbbá megfelelő gázadagolással arra is lehetőség van, hogy egyidejűleg több elemet, vegyületet válasszanak le. Az előállított rétegek nagy tisztaságúak, jól kötődnek a szubsztráthoz és kontúrhűek. Még bonyolult geometriájú munkadarabokon is viszonylag homogén réteg képződik. Számos esetben viszont a rétegépülés magas hőmérséklete nehezen megoldható (pl. acélnál), vagy leküzdhetetlen problémát (pl. műanyagoknál) jelent. Acél esetében a legtöbb CVD-folyamat meghaladja az ausztenitesítési hőmérsékletet. Ha kezelést követő in situ edzésre nincs lehetőség, úgy az acélhordozó a bevonatolást követő lehűlés során kilágyul. Az utólagos nemesítő hőkezelés rendkívül kényes művelet, mert védőatmoszférában vagy vákuumban kell elvégezni úgy, hogy sem a felvitt bevonat ne károsodjon, sem a munkadarab ne deformálódjon. Bizonyos anyagok felvitele (pl. ZrC, HfC, TaC) még keményfém hordozóra is gondot jelent a túl magas (~1600 ºC) reakcióhőmérséklet miatt. A WC-vegyületen kívül bizonyos bórvegyületek (pl. TaB2, TiB2, H-BN stb.) alacsonyabb hőmérsékletű felvitelét is megoldották. További lehetőség a gázaktiválás nem termikus úton történő növelése (pl. rádiófrekvenciás gerjesztéssel), ami a szükséges kémiai reakciók hőmérsékletét csökkenti. Ezzel a megoldással a CVD-technológia kombinálttá válik, CVD–PVD folyamatokat egyaránt magában foglal. B 180 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.5. Ionimplantáció Ionimplantációnál (4.25. ábra) kb. 1017 ion/cm2 mennyiségű, nagy sebességre gyorsított N-, Mo-, Ti-, Co- stb. ion bombázza a vákuumban, illetve hűtött asztalon elhelyezett tárgy felületi rétegét, és max. 1 μm mélységre behatol abba, járulékos nyomófeszültséget is létrehozva. A belőtt ionok vegyületet képezhetnek, növelik a rácshibák számát és így a szilárdságot is. Mivel a kezelés irányfüggő, az éppen kezelés alatt álló felületrész normálisának az ionforrás irányába kell mutatnia, azaz a munkadarabot pozicionálni kell. 4.25. ábra (I.) Ionimplantáció Fémes és nemfémes anyagok ionsugaras kezelésével olyan anyagszerkezet-módosítás érhető el, melynek során az adott gyártmány élettartama, igénybevételekkel, korrózióval szembeni ellenállása jelentősen nő. Ugyancsak ezen eljárással oldható meg a mikroelektronikai ipar egyes alkatrészeinek előállítása. A technológia alkalmas továbbá metastabil szerkezetek előállítására, valamint a termék felületének bizonyos mélységű „atomötvözésére". Ez hagyományos metallurgiai folyamattal megvalósíthatatlan. Lehetséges az ionsugárzás más eljárásokkal való kombinációja. Az eljárásvariációkon alapuló technológiák segítségével megoldható a szerkezeti anyagok tartós korrózióvédelme, a működő felületek élettartam-növelése, a különböző fizikai tulajdonságokkal rendelkező rétegek együttdolgozása. Az ionsugárzással – számottevő anyagfelhasználás nélkül – olyan anyagtulajdonságok érhetők el, amelyeket monolit anyagok csak részben biztosítanak. Azo- 181 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések nos eljárás és berendezés alkalmazható a gépipar, a műanyagipar, a mikroelektronikai ipar területén. Ebből következően a beruházás összege gyorsan megtérül. 4.25. ábra (II.) Ionimplantáció A 4.10. táblázat az ipari alkalmazásokból sorol fel néhányat, melyek célja lehet: • az elektronikai iparban használatos nyákfúrók élettartamának növelése, • volfrám-karbid-alapú szerszámok éltartósságának növelése, • abrazív kopásnak kitett felületek ellenállóképességének növelése, • korrózióállóság növelése, • az ionsugárzás és egyéb technológiák kombinációja. 4.10. táblázat. Nitrogénimplantációval javított kopásállóság Alkalmazás Alumínium sörösdoboz présszerszáma Huzalvezető Rézrúd finisher-henger Papírszeletelő Szintetikus gumi vágószerszáma Fenolgyanta kinyomó Menetvágó Szerszámbetétek 182 Anyag Élettartam-javulás D2 szerszámacél 3-szoros kemény Cr-lap H13 acél 1,6% Cr + 1% C acél WC + 6% Co M2 gyorsacél M2 gyorsacél 4% Ni + 1% Cr acéI 3-szoros 3-szoros 2-szeres 12-szeres 5-szörös 5-szörös 3-szörös 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések Alkalmazás Alakító szerszám Anyag 12% Cr + 2% C acél Fűtőanyag-fúvóka mérő szerszámacél Műanyagvágó gyémántszerszám Izületprotézis Ti(6AI)4V Fogorvosi fúró WC + Co Precíziós lyukasztó WC + 15% Co Keréksajtó WC + Co Rézrúdmegmunkáló WC + 6% Co Vágószerszámok WC + Co Fúvókák üveg és fémtöltésű mű- szerszámacél és krómoanyagokhoz zott acél Nitridált acél öntőforma szerszámacél Műanyagsajtoló P20 szerszámacél Élettartam-javulás csökkent adhéziós kopás 100-szoros 2–4-szeres 100-szoros 2–7-szeres 2-szeres 2-szeres 5-szörös 3–4-szeres 4–6-szoros jobb, mint bármelyik eljárással külön 4-szeres 4.6. Passziválás Passziváláskor a kezelendő tárgy felszíni rétege – megfelelő kezelőatmoszférában – kémiai összetételét és szerkezetét tekintve is módosul (4.26. ábra). 4.26. ábra Anódos oxidréteg szerkezete A kémiai oxidálás, az anódos oxidálás, a vegyületréteg-kialakítás célja a termodinamikailag instabil állapotú fém felületén egy alacsonyabb energiaszintű, stabi- 183 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések labb állapotú réteg előállítása a fém azon természetes „törekvésének" kihasználásával, mely összefüggő védőréteg kialakításában nyilvánul meg. A kémiai oxidálás kisebb védőértékű rétegek előállítását teszi lehetővé sóolvadékba mártással, vas és színesfémek felületén. Az anódos oxidálás savelektrolitokban áramátvezetéssel (elektrokémiai folyamatként) alumíniumhoz, illetve ötvözeteihez alkalmazható (4.27. ábra). 4.27. ábra Anódizálás A felületi oxidfilm számos esetben hasznos védelmet nyújt adhéziós kopás ellen. Fémek felületén a természetes folyamatban kialakuló oxidhártya igen csekély, ezért erősítésére célirányos technológiákat dolgoztak ki. A vas és acél anyagokat sók vizes oldatába vagy megolvasztott nitrát–nitrit fürdőbe mártják, majd 300– 600 ºC-os vízgőz atmoszférában tartják. Alumíniumon és ötvözetein az ún. anódos oxidálást alkalmazva, a munkadarabokat higított sófürdőben anódként kapcsolják, ahol a felületük aluminium-oxiddá alakul át. Ez a védőfelület elsősorban esztétikai és korrózióvédelmi célokat szolgál. Fokozott kopási igénybevétel esetén lehetőség van „kemény anódos oxidálás" alkalmazására, amivel 70–80 μm vastagságú, abrazív kopásnak is ellenálló oxidos kéreg készíthető. Magnézium-, horgany- és titánötvözetek is oxidálhatók anódos eljárással. Eljárások alumíniumötvözetböl készült alkatrészek kopás- és korrózióvédő kezeléséhez: • „Hart-Coat": 0,2 mm vastagságot is elérő, 350–550 HV keménységű kérget eredményez; 184 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések • „Hart-Coat-Cu": elsősorban rezet tartalmazó Al-ötvözetek kezeléséhez; kéregvastagság 0,15 mm-ig, keménység : 300–450 HV; • „Hart-Coat-GD": nagy szilíciumtartalmú, nyomásos Al-öntvényekhez; kéregvastagság ~0,06 mm, keménység ~450 HV. A vegyületréteg-kialakítás foszfátozást, kromátozást (4.28. ábra) stb. jelent savban, sóban, vagy lúgban végezve. Az ilyen kezelés célja lehet többek között hidegalakítás elősegítése, lakktapadás javítása, megmunkáló szerszámok élettartamának növelése. 4.28. ábra Kromátozás Foszfátozásnál a felületeken vas, mangán/vas, cink/vas, cinkfoszfát fázisok keletkeznek, amelyek gátolják a súrlódó felületek közötti hideghegedést. A kezelendő munkadarabokat 5–40 percig, 70–100 ºC hőmérsékletű, megfelelő foszfátokat és reakciót gyorsító katalizátorokat tartalmazó oldatba mártják, esetleg ilyen oldattal felszórják. Ezzel az eljárással vas, acél, alumínium, cink stb. felületek egyaránt kezelhetők, de a hatása csak korlátozott időre terjed ki. A kén és néhány szulfid igen jó kenési tulajdonságokkal rendelkezik, több elektrokémiai eljárás ismeretes a felvitelükre. A „Sulf-BT" eljárásnál nátrium és kálium-tiocinát megolvasztott keverékét alkalmazzák elektrolitként. Áramsűrűség kb. 3,2 A/dm2, hőmérséklet kb. 190 ºC, kezelési idő kb. 10 perc. Így 7–8 μm vastagságú FeS konverziós kéreg nyerhető acél munkadarab felületén. A „Molymuz" eljárásnál molibdén- és kénvegyületek vizes oldatából elektrolízissel szintetizálnak a munkadarab felületén MoS2-ot. Vas, acél és színesfém felületeken egyaránt alkalmazható. 185 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.7. Termokémiai kezelések Ötvöződúsítás vagy termokémiai kezelés történhet aktív szabad ötvözőatomokat leadó porközegben, sóolvadékban vagy gázközegben. Az eljárás célja a kezelendő tárgy felületének feldúsítása a tárgy anyagában oldódó fémes vagy nemfémes elemmel (vagy elemekkel), növelt hőmérsékleten, diffúzió révén, megfelelő koncentrációra törekedve. Szükség szerint – eljárástól függően – további hőkezelésekkel együtt érhetők el a kívánt tulajdonságok. Egyes bediffundáló elemfajták esetében szilárd oldat létrejötte mellett vegyületfázisok is képződhetnek. A termokémiai kezelések fő paraméterei: a felületi ötvözőpotenciál, a hőmérséklet és a diffúziós időtartam, melyek elsődleges meghatározói a kialakuló rétegvastagságnak, illetve. a koncentrációeloszlásnak. Fémes elemekkel a kromálás, alitálás, titánozás, vanádiumozás, volframozás stb.; nemfémes elemekkel a cementálás, nitridálás, boridálás, szulfidálás, szilikálás stb.; több elemmel a nitrocementálás, karbonitridálás, titánnitridálás, oxinitridálás, szulfonitridálás, oxikarbonitridálás, krómalitálás, krómboridálás stb. valósul meg. Ezek közül széles körű ipari alkalmazást mutat az acélok felületkezelésére alkalmazott cementálás és nitridálás. 4.7.1. Acélok cementálása Az ausztenites állapotban (A3 hőmérséklet felett) történő cementálás (4.29. ábra) során az egyébként nem edzhető, azaz „betétben edzhető" (C < 0,2%) acél vékony felületi kérgét karbonban feldúsítják (C > 0,35%). A cementálást követő „magraedzés" során a szívósan maradó magot finomszemcséssé teszik, illetve a „kéregedzéssel" nagy kopásállóságú kemény felületet állítanak elő. Ebben a folyamatban a munkadarab felületi rétegében a karbontartalmat 0,75– 1,2%-ra dúsítják fel diffúzió útján. A szokásos kéregvastagság 0,1–3,0 mm. A legtöbb esetben a cementálást követően edzik a munkadarabot (ún. betétedzés), így viszonylag egyszerű eszközökkel jó minőségű kéreganyag-kombinációt valósítanak meg. A létrejött kemény, kopásálló felületi zóna és a szívós, nagy szilárdságú mag klasszikus példája az anyagtulajdonságok célirányos egyesítésének. Cementálásnál mód van parciális kezelésre is, a nem kívánt felületek levédésével (pl. galvanikus rézbevonattal). A hagyományos cementálási technológiák (szilárd közegű szemcsés, pasztás; folyékony közegű sófürdős, csepegtetős; gázközegű eljárások) mellett újabb technológiák is megjelentek: ionos, fluidizált közegű, vákuumos cementálás. A 4.11. táblázat cementálósókról, a 4.12. táblázat cementálógázokról ad információkat. 186 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.29. ábra Acél cementálása 187 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.11. táblázat. Cementálósók Csoport Összetétel, tömeg % A 80 NaCN 20 KCl B 50 NaCN 10 KCl 40 BaCl2 I. 98 NaCN 2 faszénpor C Üzemi hőmérséklet, Tü, °C 750–800 800–900 850–930 Felhasználás Megjegyzés Kisméretű műszeralkatrészekhez, 0,1– 0,3 mm kéregvastagságig 0,5–0,8 mm kéregvastagságig Grafittakaró nélkül használandó; vízben jól oldódik Grafittal lefedhető egyalkotós cementáló fürdő 0,3–1 mm kéregvastagságig Csak 25% I. aktivátorsóval keverve használható; vízben jól oldódik II. 85 BaCl2 850–930 0,5–1,8 mm kéregCsak 60% II. 10 NaCN vastagságig aktivátorsóval és 5% NaCN-nel keverve hasz5 NaCl nálható; vízben rosszul oldódik 850–930 Aktivátor a C I. ceCsak 25% I. AktiI. 50 mentáló sóhoz aktivátorsóval keverve vátorNa2CO3 50 KCl használható; vízben jól sók* oldódik II. 50 BaCl2 Csak 60% II. 850–930 Aktivátor a C II. aktivátorsóval és 5% 30 KCl mélycementáló sóhoz NaCN-nel keverve hasz20 NaCl nálható; vízben rosszul oldódik * Az aktivátorsók erősen széntelenítő hatásúak, és csak 3–30% cianiddal keverve alkalmasak edzésre. az I. aktivátorsó széntelenítő hatása erősebb. 4.12. táblázat. Endogázas és nitrogén-hordozógázas (szintetikus) cementáló gázatmoszférák jellemző tulajdonságai Atmoszféra CO % H2 % CH4 % CO2 % Harmatpont, °C Oxigén potenciál, kJ/mol 188 Dúsított endogáz propán földgáz 23–25 30–32 0,4–0,8 0,12–0,35 +5 – –10 –445 – –462 20–22 40–42 0,5–1,5 0,1–0,3 0 – –15 –449 – –446 Dúsított nitrogen rendszer propán földgáz 4–6 8–10 0,5–1,5 1,3–0,1 –20 – –40 –470 – –504 2–4 10–12 3–5 0,02–0,08 –20 – –40 –483 – –525 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.7.2. Acélok nitridálása A ferrit-perlites, illetve nemesített állapotban (A1 alatt) végzett nitridáláskor (4.30. ábra) a felületbe juttatott atomos nitrogén – az ott lévő nitridképző ötvözőkkel (Cr, Al, Mo) történő reakciója révén – elsősorban nagy keménységű nitridvegyületek létrejöttével biztosít jó felületi kopásállóságot. Az így kapott kéreg keményebb és megeresztésállóbb, mint a cementálás + edzés, illetve a felületedzés utáni martenzites kéreg, mely a 180–220 °C-os feszültségcsökkentő megeresztés hőmérsékletéig alkalmazható (4.13. táblázat). 4.30. ábra Acélok nitridálása 189 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.13. táblázat. Acélok felületkezeléseinek összehasonlítása felületkezelés jellemzője elérhető Vickerskeménység HV 610 érték felülettől mért távolsága keménységcsökkenés kezdeti hőfoka vetemedés mértéke dinamikus igénybevételi ellenállás cementálás + betétedzés felületedzés nitridálás 670–800 500–800 600–1100 0,4–1,5 mm 0,5–10 mm 0,1–0,5 mm 150°C 150°C 400°C nagy mérsékelt kicsi nagy közepes kicsi 4.31. ábra Nitridálás 600 ºC alatt 190 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések A nitridálás az egyik legelterjedtebben alkalmazott diffúziós eljárás. Nitridálás következtében az acél alapanyagú munkadarabok felületén vékony, tömör vas-nitrid réteg (Fe2N, Fe4N) képződik, amelynek kopási és siklási tulajdonságai kedvezőek, alatta pedig egy nitridekben szegényebb diffúziós zóna helyezkedik el. A vegyületi zóna keménysége elérheti az 1100 HV értéket, vastagsága a néhány mikront, a diffúziós zónáé pedig a 0,1–1,0 mm-t. A nitridálási technológiák nitrogénleadó közeg és berendezés tekintetében a 4.31. ábra szerint csoportosíthatók. 4.32. ábra A nitridálás jellegzetességei (I.) 191 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.33. ábra A nitridálás jellegzetességei (II.) A nitridálás jellegzetességei (4.32. és 4.33. ábra): • A nitridált kéreg maximális keménysége növekvő kezelési hőmérséklettel csökken, növekvő kezelési időtartammal növekszik. A nitridált kéreg vastagságát – vagyis a növelt nitrogénkoncentrációjú zóna mélységirányú kiterjedését – a hőmérséklet és az idő növelése egyaránt növeli, miközben a felszín nitrogénkoncentrációja gyakorlatilag nem változik. • Az 500–550 °C-os nitridálás megfelelő (kb. 0,3–0,4% C-tartalmú, nitridképzőkkel ötvözött, 600–650 °C-os megeresztéssel nemesített) acélon keményebb kérget hoz létre, mint a betétedzés (cementálás + edzés). • A nitridált kéreg legkeményebb része nem közvetlenül a felületen van, hanem a beljebb lévő γ'-fázisú vagy a martenzitessé alakuló nitro-ausztenites 192 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések rétegbe esik. A hatásos nitridképzők (Al, Cr, Mo) az elérhető kéregvastagságot ugyan csökkentik, de keménységnövelő hatásuk bizonyos értelemben szuperponálódik. • Az ötvözött acélok kérgesítésének eredménye (maximális keménység, kéregvastagság) az ötvözetlenekétől eltérően alakul, hiszen Fe3C, illetve Fe4N mellett M3C, M4N stb. vegyületek is képződnek. Nitridálás sófürdőben Alapeljárásnak azt a technológiát tekinthetjük, ahol a fürdő kénvegyületek és cianidsók megolvasztott keverékéből áll. A szokásos kezelés hőmérséklete 540– 600 ºC, időtartama 2–3 óra. A kéregben nitridek mellett karbidok és szulfidok is létrejönnek. A Tenifer-eljárás levegőátfúvással kombinálva kénmentes módszert alkalmaz. A munka- és környezetvédelmi követelmények szigorodása miatt előtérbe kerültek a cianidsómentes technológiák. Ilyen például a „Sursulf" eljárás, ahol alkálicianátból naszcensz nitrogén szabadul fel, miközben a cianátok karbonátokká oxidálódnak. A jelenlévő lítiumsók az oxidáció sebességét mintegy a felére csökkentik. Speciális regeneráló sók hozzáadásával a karbonátok újra aktív nitridálószerré, cianáttá alakíthatók. Ha a fürdő ként is tartalmaz, a kezelt darabok kérgében kénvegyületek keletkeznek. Megfelelő folyamatvezetés esetén a Sursulffürdők cianidtartalma kisebb, mint 0,2%. A Tenifer-TFI eljárásnál ezt az értéket 3%ban adják meg. Nitridálás gázközegben Rendszerint ammónia gázt disszociálnak 500–550 ºC-on, és a keletkező naszcensz nitrogén a felületbe diffundál. A szükséges kezelési idő 12–96 óra, a diffúziós rétegmélység 0,15–0,70 mm. Ion- (plazma-) nitridálás A nitrogént alacsony nyomású munkatérben, áramerős glimmkisülés plazmájaként juttatják a munkadarab felületére (4.34. ábra). A munkadarab felmelegedését a diffúzióhoz szükséges 350–600 ºC-ra az ionok ütközési energiája biztosítja. A kezelési idő a kívánt kéregmélységtől és a munkadarab anyagától függően 10 perc és 36 óra között változik. 193 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.34. ábra Ion- (plazma-) nitridálás Ez az egyetlen olyan nitridálási eljárás, ahol lehetőség van monofázisú vegyületi zóna és nitridhálómentes diffúziós zóna kialakítására. Az ionos nitridálás további előnye, hogy minimális a munkadarabok elhúzódása, illetve méretváltozása, ami többnyire szükségtelenné teszi az utólagos megmunkálást. Kielégíti a munka- és környezetvédelmi követelményeket, jól automatizálható, így alkatrészgyártó sorokba közvetlenül beilleszthető. Ionos nitridálásra szinte valamennyi acél- és öntöttvasféleség alkalmas. 194 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.7.3. Acélok nitrocementálása és karbonitridálása A munkadarab felületi rétegében a karbon és a nitrogén egyidejű dúsításával egyesítik a két különálló eljárás előnyeit (4.14. táblázat). Magas hőmérsékletű folyamatoknál (nitrocementálás) a karbon diffúziója a döntő, és szén–nitrogén tartalmú, martenzit jellegű fázis alakul ki. Alacsony hőmérsékletű technológiáknál (karbonitridálás) karbonitrideket tartalmazó vegyületi zóna és alatta növelt nitrogén- és karbontartalmú diffúziós zóna képződik. 4.14. táblázat. Nitrocementáló gázatmoszférák összetétele és óránként adagolandó mennyisége A kemence térfogata, típusa m3 Szakaszos 0,288 üzemű 1,415 2,830 Folyamatos 8,050 üzemű 25,0 25,0 Forgó retortás 0,057 A gáz összetétele, térf. % hordozóföldgáz ammónia gáz 68,8 20,8 10,4 90,0 6,0 4,0 83,3 8,3 8,3 94,3 2,3 3,4 86,0 7,0 7,0 91,0 4,0 5,0 95,0 2,5 2,5 Átáramló összes gáz, m3/h 6,8 14,2 10,2 42,0 28,3 31,1 6,2 A karbonitridálás só- és gázközegből egyaránt elvégezhető (4.35. ábra). Néhány jellemző paraméterét a 4.15. táblázat tartalmazza. Gyakorlati megvalósítására számos eljárást szabadalmaztattak a hőkezelő berendezéseket gyártó világcégek (Nidroc-eljárás az Aichelin cégnél, Nikotriev-eljárás az Ipsen cégnél, Oxycadeljárás a Safed cégnél stb.). 4.35. ábra Karbonitridálás 195 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.15. táblázat. A karbonitridálás paraméterei Karbon-, nitrogénleadó közeg % Endogáz (80–90) + NH3 (2,5–5) Földgáz (5–8) + NH3 (2,5–5) Na2CO3 (25–30) + NaCl (25–50) + NaCN (20–25) BaCl2 (50) + NaCl (40) + NaCN (10) Endogáz (50) + NH3 (50) EXO gáz (50) + NH3 (50) NaCN (25–30) KCNO (25–40) Hőmérséklete °C 840 860 820–870 Kezelés Időtartama óra 5–9 5–9 <1 Kéregmélysége mm 0,5–1,0 0,5–1,0 <0,35 840–900 570 570 560 580 <4 3 2 <3 <3 <1,0 0,5 ~0,5 <0,4 <0,4 Megjegyzés 15–20 mm vegyületi zóna ötvözetlen és gyengén ötvözött acélok 4.7.4. Acélok boridálása és szilikálása A bór rendkívül kis mértékben oldódik vasban, ezért bórleadó közegben a termikus kezelés során FeB és Fe2B-ből álló vegyületi zóna képződik a munkadarabok felületén. A réteg vastagsága ~0,15 (max. 0,3) mm, mikrokeménysége eléri a 2000 HV-t. A kéregnek az alapszövethez kapcsolódására az igen kedvező „fokozatos" kötődés a jellemző. A boridált felületek jó siklási tulajdonságokkal rendelkeznek, alacsony a hideghegedési hajlamuk, kiváló a korróziós, eróziós és kavitációs ellenállásuk. A boridálás (4.36. ábra) történhet (4.16. táblázat) gázközegből, sófürdőből és szilárd közegből (por, szemcse) vagy ionosan is. 4.36. ábra Boridálás 196 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.16. táblázat. Boridálás paraméterei Közeg Gáz Boridáló anyag BCl3 + H2 B2H6 + H2 Na2B4O7 + Ba2O3 / Na2SiO3, vérlugsó amorf bór + Al2O3 + katalizátor / aktivátor B Sófürdő Por B Kezelés Hőmérséklete Időtartama °C óra 850 3–6 800 3–4 950 2–6 1000 6 Szilikálásra általában gázközegű eljárást alkalmaznak. A kezelendő munkadarabokat szilicium-karbiddal együtt, klórgázzal átáramoltatott, fűtött forgócsöves kemencébe helyezik. A kezelési hőmérséklet 950–1000 ºC, kezelési idő ~2 óra. A legfeljebb 1 mm vastagságú réteg 15%-ig terjedő Si-tartalmú α-keverék-kristályból áll, de kisebb mennyiségben Fe3Si-fázis is előfordul. A szilicides rétegek korrózióállósága kiváló, elsősorban savakkal szemben. 4.7.5. Termokémiai kezelés fémes elemekkel Fémtárgyak felületvédelme fémes anyagok (Al, Zn, Sn, Cu, Cr) termikus diffúziójával is kialakítható. Tribológiai célokra elsősorban krómot diffundáltatnak magas karbontartalmú acélok felületi rétegébe, és a keletkező krómkarbidok keménységnövelő hatását használják fel. Porba ágyazásnál ferro-krómot alkalmaznak megfelelő katalizátorok jelenlétében 8–15 órás, 950–1050 ºC-os izzítással (4.37. ábra). Gázközegű eljárásnál króm-, ferrokrómporból sósavval vagy klórgázzal krómkloridot állítanak elő, és azt reagáltatják a munkadarab felületével. A kezelés ideje és hőmérséklete azonos az előzőével. A kialakuló réteg legfeljebb 0,1 mm vastag, keménysége függ az alapacél karbontartalmától: 250–1350 HV értékű. 4.37. ábra Kromálás 197 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések A 4.38. ábra az alitálás, a 4.39. ábra a serardírozás vázlatát mutatja. 4.38. ábra Alitálás 4.39. ábra Serardírozás Ismeretesek olyan kombinált technológiák is, amelyeknél a kezelendő fémtárgyra galvanikus úton viszik fel a kiválasztott fémet és azt utána aktív gázban bediffundáltatják. Ilyen eljárások például a következők: • acél anyagra ón leválasztása és nitrogén atmoszférában történő diffundáltatása („Stanal"); • acél anyagra bronzötvözet leválasztása és nitrogénben történő diffundáltatása („Forez"); • sárgaréz és bronz anyagokra ón + kadmium leválasztása és levegőben történő diffundáltatása („Delsun"); • alumíniumötvözetekre indiumalapú komplex ötvözet leválasztása és levegőn történő diffundáltatása („Zinal"). 198 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.8. Felületi ráolvasztás A felületi ráolvasztásra (4.40. ábra) jellemző, hogy a felületre előzetesen vagy kezelés közben felvitt bevonatréteg részlegesen vagy teljesen megolvad, de a kezelendő tárgy felülete nem. 4.40. ábra Lézeres felületi ráolvasztás 4.8.1. Tűzi mártó fémbevonás A fémolvadékba mártással (4.41. ábra) végzendő tűzi mártó fémbevonás (cinkezés, ónozás, ólmozás, alumíniumozás stb.) után a legkülső, tisztán bevonófémet tartalmazó réteg többszörös átmeneti diffúziós réteggel kötődik a kezelt tárgy felületéhez. Természetesen csak olyan bevonó fémek jöhetnek szóba, amelyek a munkadarab anyagának olvadáspontjánál lényegesen kisebb hőmérsékleten olvadnak meg. 4.41. ábra (I.) Tűzi mártó horganyzás 199 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.41. ábra (II.) Tűzi mártó horganyzás 4.8.2. Termikusan szórt rétegek utókezelése A hőkezeléssel, lánggal, plazmával, elektronsugárral vagy lézerrel végezhető kezelés (4.42. ábra) egyik fő alkalmazási területe a termikus szórással felvitt adhéziósan tapadó, porózus, inhomogén rétegek utókezelése. Hatására a felszórt réteg tömörödik, homogenizálódik, simább felületűvé válik, illetve a nagy hőmérsékletű diffúziós folyamatok révén növekszik az alapanyaghoz való tapadásának szilárdsága. 4.42. ábra (I.) Termikusan szórt rétegek utókezelése felületi ráolvasztással 200 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.42. ábra (II.) Termikusan szórt rétegek utókezelése felületi ráolvasztással 4.8.3. Vastag fémbevonatok ráolvasztása Fontos alkalmazást jelent a tűzi mártó fémbevonással nem létrehozható vastagságú, agresszív korróziós közegek hatásának ellenálló fémrétegek kialakítása a védendő tárgy felületén. Ilyenkor a bevonó fémet nem olvadékfürdő alakjában használják, hanem a munkadarab megfelelően előkészített felületén hozzák olvadék állapotba. Jellemző példa az acéltartályok belső felületének savállóvá tétele ún. homogén ólmozással. A csíkokra vágott ólomlemezeket az előónozott vasötvözet felületére felhelyezve nagy hőmérsékletű lánggal végzik a ráolvasztást. Az ón párnarétegre azért van szükség, mert a vas és az ólom kölcsönösen oldhatatlan, így direkt kötés nem jönne létre. A hőkezeléskor, azaz kemencében történő ráolvasztáskor semleges vagy redukáló atmoszférában végzik a hevítést, a hőntartást és a lehűtést is, lehetőséget adva a diffúziós folyamatok megfelelő lejátszódásának, illetve belső sajátfeszültségek kialakulása elkerülésének. 201 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.9. Felületötvözés A felületötvözés, nagy energiasűrűségű hőforrásokkal (lézer, elektronsugár) végzett felületi átolvasztás, amelynek során az előzetesen vagy a folyamat közben felvitt ötvözőanyag belekeveredik, beleolvad, beleötvöződik az alapanyag megolvasztott, majd gyorsan megdermedő felületi rétegébe. A rendszerint por alakú ötvözőanyag felvihető kötőanyaggal vagy anélkül. Kötőanyagként pl. acetonban oldott cellulózt alkalmaznak, míg kötőanyag nélküli felvitelhez a termikus szórás vagy a közvetlen ráfúvás (rászórás) jöhet szóba. Némely ötvözőanyag felületre juttatható vékony fóliaként vagy galvanikus úton is. A lézer-, elektron- vagy plazmasugárral végezhető felületötvözés célja elsősorban sav-, hővagy kopásálló réteg kialakítása. A 4.43. ábra elektronsugaras felületötvözéssel elérhető megeresztésállóság-javulást mutat egy hidegalakító és egy melegalakító szerszámacél esetében. 4.43. ábra Felületötvözés hatása alakító szerszámacélok megeresztésállóságára A lézeres felületötvözés (4.44. ábra) lehetőséget ad arra, hogy olcsó szerkezeti anyagból készült munkadarab felületeinek tulajdonságait szelektíven úgy változtassák meg, hogy a helyi igénybevételnek leginkább ellenálljon. Mivel a viszonylag olcsó alapanyag kedvező felületi tulajdonságai kevés drága ötvözővel létrehozhatók, az eljárás alkalmazása a műszaki előnyök mellett jelentős gazdasági megtakarítással is jár. Műszaki előnyökön egyrészt a termékminőség javulása, másrészt az újabb konstrukciós lehetőségek értendők. 202 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.44. ábra Lézeres felületötvözés A vonal mentén haladó (pásztázó) fénysugár csak azon a területen vált ki olvadékáramlást, ahová fókuszálódik. A haladási irányra merőlegesen rezgetett sugárnál a helyi olvadékáramlás a teljes szélességre kiterjed. Ekkor az áramlás többirányú, ami az ötvöző keveredését elősegíti. A dendritek morfológiájából arra következtetnek, hogy a hűlési sebesség az ötvözött kéregben, a teljes megolvadt vékony felületi rétegben azonos. A lézersugaras felületötvözés igen nagy előnye az is, hogy az oldódási határt többszörösen túllépő összetételű ötvözetek hozhatók létre (pl. Fe-Mo 28–36%). A 4.45. ábra az ötvözőelemek hatását mutatja a szerszámacélok tulajdonságaira. A lézeres felületötvözés műszaki gazdasági előnyeinél fogva rendkívül széles körben alkalmazható, különös tekintettel bonyolult kialakítású alkatrészek felületi tulajdonságainak helyi megváltoztatására. A gyakorlati alkalmazások azt mutatják, hogy gyorsacél szerszám kiválasztott felületeit volfrám-karbiddal ötvözve a forgácsoló szerszám élettartama 100–200%-kal nő, míg az alumínium felületének a hőállósága Fe vagy Mn és Ni felületi beötvözésével jelentősen növelhető. 203 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.45. ábra Ötvözőelemek hatása a szerszámacélok tulajdonságaira 4.10. Felrakó hegesztés A felületötvözéshez hasonló elvet, de kisebb teljesítménysűrűséget és dermedési sebességet megvalósító felrakó hegesztési eljárások a vastagabb rétegek létrehozásának módszerei. A kötőhegesztésnél megismert ömlesztő eljárások közül elsősorban ívhegesztéssel lehet felrakó hegesztést végezni. Szikrahegesztéskor (4.46. ábra) a felhegesztett réteggel megegyező anyagú rezgetett elektróda és a munkadarab érintkezésekor – az áramforrás feltöltött kondenzátorainak kisülése révén – keletkező szikrakisülés az elektródából darabokat tép le (elektroerózió), amelyek a munkadarabbal kohéziós kapcsolatba kerülnek. A hegesztőfej a rezgőmozgáson kívül az elektróda fogyási sebességével megegyező sebességű előtolómozgást is végez. 4.46. ábra Szikrahegesztés 204 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések Bevont elektródás kézi ívhegesztés (4.47. ábra) során a hegesztőív – mint hosszan tartó elektromos kisülés – megömleszti az alapanyag felületi rétegét és a keramikus bevonatú elektródát, amelyek közös ömledékfürdőjéből dermed meg a felrakott varratfém. 4.47. ábra Bevont elektródás kézi ívhegesztés Porbeles huzalelektródával végzett ívhegesztés (4.48. ábra) esetében az elektromos ív által megömlesztett elektródahuzal portöltetének egy része gázzá alakulva védi az ömledékfürdőt. 4.48. ábra (I.) Porbeles huzalelektródával végzett ívhegesztés 205 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.48. ábra (II.) Porbeles huzalelektródával végzett ívhegesztés hozaganyagának keresztmetszete Fedett ívű hegesztés (4.49. ábra) során a tekercselhető, fogyó csupasz elektródahuzal (tömör vagy porbeles) és a munkadarab között létrehozott ív fedőpor alatt ég. A fedőpor feladatai: salakképzés, ötvözés, ívstabilizálás, levegő kizárása. 4.49. ábra Fedett ívű hegesztés Elektro-salakhegesztéskor (4.50. ábra) a varratömledék védelmét biztosító, fedőporból képzett folyékony salak – az ívköznél jobb elektromos vezetőképessége révén – az ív kialvása után zárja az áramkört. A fellépő ellenállás hatására a salakban hő fejlődik, kb. 2300°C-ra felhevül, és a folyamatosan előtolt elektródahuzalt, valamint keskeny sávban a munkadarabokat megolvasztja, közös varratömledéket képezve. 206 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.50. ábra Elektro-salakhegesztés Plazma-fogyóelektródás védőgázos ívhegesztés (4.51. ábra) esetében elsőként az AFI-ív gyullad ki, majd néhány másodperc után a plazmasugár önmagától létrejön. A plazma által stabilizált AFI-ív nagy huzalkinyúlással nagy fajlagos leolvadást eredményez, a hegesztési sebesség megnövelhető. 4.51. ábra Plazma-fogyóelektródás védőgázos ívhegesztés Fogyóelektródás védőgázos ívhegesztés (4.52. ábra) során a tárolódobra feltekercselt elektródahuzalt – a leolvadással megegyező sebességgel – előtolóberendezés juttatja el a hegesztés helyére. Az elektromos ív a huzal és az alapanyag között ég. Az áramhozzávezetés közel az ívhez történik, így nagy áramsűrűségek érhetők el. A megömlesztett anyag levegőtől való védelmét az elektródahuzal körül koncentrikusan elhelyezkedő fúvókán kiáramló védőgáz által létesített gázburok biztosítja. 207 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.52. ábra Fogyóelektródás védőgázos ívhegesztés Kettősgázfúvókás fogyóelektródás ívhegesztéskor (4.53. ábra) két fúvókán keresztül 80–85% szén-dioxid és 15–20% argon védőgázt vezetnek az ívhez úgy, hogy az argon gázburok csak a huzalvég környezetében létesítsen semleges védőgáz-atmoszférát. Az elrendezés következtében a hegesztőhuzalról finomcseppes fémátvitellel jut a hozaganyag a huzal tengelyirányában a hegfürdőbe. 4.53. ábra Kettősgázfúvókás fogyóelektródás ívhegesztés Volfrámelektródás semleges védőgázos ívhegesztés (4.54. ábra) során a volfrámelektróda és az alapanyag között ég az ív. Az ömledéket semleges (nemes) védőgáz védi. Ha a védőgáz argon, AVI-hegesztésről beszélünk. Az ív gyújtására 208 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések egy nagyfrekvenciás, nagyfeszültségű áramforrás szolgál, amely szikrakisülés révén ionizálja az ívközt, és ezzel lehetővé teszi az ív begyújtását az elektróda alapanyaghoz való érintése nélkül. 4.54. ábra Volfrámelektródás semleges védőgázos ívhegesztés Plazmasugár-hegesztésnél (4.55. ábra) az ív a volfrámelektróda és a rendszerint vízhűtésű rézfúvóka belső fala között ég (nem átvitt ív), s így a plazmasugár kiválik az ívoszlopból. Az ívgyújtást nagyfrekvenciás áramforrás (NF) által létrehozott szikrakisülések biztosítják.A hegfürdőt külön védőgáz óvja, amit a külső fúvóka vezet az ív, illetve. a plazmasugár köré. 4.55. ábra (I.) Plazmasugár-hegesztés 209 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.55. ábra (II.) Plazmasugár-hegesztés Plazmaívhegesztés (4.56. ábra) során a plazmafúvóka által leszűkített ív a volfrámelektróda és a munkadarab között ég (átvitt ív). A plazmaív megfelelő koncentrálását fókuszáló gáz segíti elő. A többi azonos a plazmasugár-hegesztésnél említettekkel. 4.56. ábra Plazmaívhegesztés A bevonatos elektróda, pálca, huzal, (tömör, porbeles), szalag (tömör, porbeles) hozaganyagból, hegeszthető vagy előmelegítéssel (esetleg közbenső réteg felra- 210 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések kásával) hegeszthetővé tett alapanyagokon (gyakran acélokon) akár 15 mm vastag rétegek is kialakíthatók. A hozaganyagok összetételüket tekintve vasalapúak vagy vasban szegények lehetnek. Míg az előbbiek között alacsony és közepes ötvözőtartalmúak (túlnyomórészt martenzites szövetszerkezetű réteget eredményezők), magas ötvözőtartalmúak (kopásálló vagy korrózióálló ausztenites szövetszerkezetű réteget eredményezők) vagy szívós anyagrétegbe beágyazódó nagy keménységű fázisokat tartalmazók lehetnek, addig az utóbbiak a Co- vagy Nibázisú keményötvözetek, a fémkarbidok vagy a nem vasfémek, illetve ötvözeteik közül kerülnek ki. A szerszámok és gépalkatrészek felrakása, illetve javítása igen előnyös lehet, mert nemcsak az eredetinek megfelelő minőség érhető el, hanem a hegesztőanyag és -technológia körültekintő megválasztásával a felújítás az eredetinél hoszszabb élettartamot is eredményezhet. A felrakó és javító hegesztések varratának összetétele általában nagyon eltér az alapanyagétól, előfordulhat, hogy a keveredés miatt az első varrat vagy réteg tulajdonsága merőben különbözik az alapanyagétól és a varratétól. Megnő pl. az edződési hajlama, vagy olyan kiválások jelentkeznek, amelyek következtében elrepedhet. Ezek csak az acélok tulajdonságváltozásait figyelembe vevő hegesztéstechnológia kidolgozásával és megvalósításával kerülhetők el, amihez az alapanyag és a hegesztőanyag összetételének ismerete elengedhetetlenül szükséges. 4.10.1. Szerszámok felrakó hegesztése A szerszámacélok az összetételükből következően edződésre rendkívül hajlamosak, ezért hegesztéskor elő kell melegíteni azokat. Erősen ötvözött (hideg- és melegalakító, forgácsoló) szerszámacélok közös jellemzője, hogy az edzési hőmérsékletről 400–600 °C hőmérséklet-tartományba (az előmelegítési hőmérsékletre) kb. fél órán belül lehűtve, több napon át is lágyak, ausztenites szövetszerkezetűek maradnak. Tekintettel arra, hogy az alapanyaghoz hasonló összetételű hozaganyaggal kell hegeszteni, az említett hőmérséklet-tartományban még többórás munka után is képlékeny mind az alapanyag, mind pedig a varrat, ezért a repedésveszély elhanyagolható. A hegesztés befejezése után, anélkül hogy tovább hűtenének, lágyítást végeznek, hogy a „működő” felület a varratból forgácsolással kimunkálható legyen. A megmunkálást edzésnek és keményítő megeresztésnek kell követnie, a szerszám felhasználási területének megfelelően. A hegesztéssel öszszefüggésben előforduló hőkezeléseket a 4.17. táblázat tartalmazza, amelyben az összetétel és a keménység csak tájékoztató érték. A „Keménység" oszlop esetében a számlálóban levő számok az edzés utáni, a nevezőben levők a keményítő megeresztés utáni értékek. 211 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.17. táblázat. Felrakó hegesztéssel összefüggő hőkezelések A hőkezelés megnevezése és hőmérséklettartománya, ° C A varrat összetétele, % C Cr W V Co Mo edzés megeresztés 0,8 0,8 1,3 1,2 1,3 0,9 0,9 1,3 1,0 1,0 4 4 4 5 4 4 4 4 4 4 18 18 12 12 10 6 7 7 2 2 1,5 1 4 3 3 2 2 3 1 2 5 – 5 – 10 5 5 12 8 – 0,5 0,5 1,0 – 4,0 5,0 5,0 5 10 9 1240–1280 1250–1290 1210–1250 1220–1270 1200–1240 1190–1230 1190–1230 1200–1240 1170–1210 1170–1210 520–580 500–570 550–580 510–550 500–560 520–560 500–570 540–570 500–560 520–580 lágyítás 770–840 770–840 770–840 770–840 770–840 770–840 770–840 770–840 770–840 770–840 előmelegítés hegesztéshez 380–500 390–500 400–500 400–500 320–500 350–500 370–500 400–500 380–500 400–500 2,0 1,0 0,4 13 5 5 – – – – – 1 – – – – 1 1,5 920–1000 950–980 1020–1090 480–510 480–520 430–470 800–850 800–850 800–840 380–450 380–450 380–420 0,4 0,3 0,4 0,4 0,4 0,4 2,5 2 5 3 5 5 10 5 1,3 0,2 0,1 – 0,4 0,3 0,5 1,0 0,6 – – – 3 – – – – 1,5 3 1 3 1080–1150 980–1080 1000–1050 1000–1070 1020–1080 1030–1080 560–620 560–620 470–500 500–570 480–520 480–520 810–830 780–850 750–800 750–800 750–800 750–800 460–500 480–500 400–450 450–500 380–450 440–480 KeAlkalmény mazási ség terület HRC 65/55 65/66 65/66 64/65 Gyors65/68 acél 65/67 jellegű 65/66 varratok 65/66 64/68 65/66 Varratok hideg64/60 alakító és 65/58 56/48 vágószerszámokhoz 53/58 48/50 54/55 54/53 54/55 55/54 Varratok melegalakító és vágószerszámok hoz A javító hegesztés során nem kell feltétlenül elérni az edzési hőmérsékletet, elegendő ennél 100–150 °C-kal kisebb hőmérséklet is, amelyen a munkadarab gyakorlatilag már ausztenitesnek tekinthető. Ha nem áll rendelkezésre kellően nagy méretű és nagy hőmérsékletű kemence, amelyben az ausztenitesítési hőmérséklet elérhető, elegendő a szerszámot csak az előmelegítési hőmérsékletre hevíteni. Az alapanyag ilyenkor hegesztés közben keményebb, mint az előbbi esetben, amikor az edzési hőmérsékletről hűtötték le erre a hőmérsékletre, de legfeljebb 100 mm hosszúságú varratszakaszokban – és e szakaszokat kalapácsütésekkel nyújtva –, a 4.57. ábrán megadott sorrendben hegesztve, a felújítás repedésmentesen elvégezhető. 212 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.57. ábra Kivágószerszám javítóhegesztésének sorrendje az elkopott él teljes hosszában Hegesztés után egy órán át hőkiegyenlítő hőntartást végeznek, majd ezt követően nyugvó levegőn vagy homokba ágyazva hagyják lassan szobahőmérsékletre lehűlni a munkadarabot. Ezután a keményítő megeresztés hőmérsékletén kétszer egymásután félórás hőntartást végeznek. A varrat forgácsolással nem vagy csak nehezen munkálható meg, ezért a hegesztéshez réz- vagy grafitgyámot kell használni a fürdő megtámasztására. Kicsorbult felületek vagy élek köszörülésekor futtatási szín nem jelenhet meg. Tekintettel arra, hogy a kezdő- és a végkráter gyakran zárványos, ez pedig elsősorban finom éleken nem engedhető meg, az ívet a homloklapon húzzák, és ezután viszik át a leendő varrat helyére, majd ismét a homloklapra kilépve szakítják meg. Ezeket a nyomokat a homlokfelületről később köszörüléssel el lehet távolítani, de köszörülés azért is szükséges, mert előmelegítés, hőntartás és az esetleges hőkezelések közben a felület oxidálódik, és némi vetemedéssel is számolni kell. Javasolt műveleti sorrendek: a) sorrend: 1. hevítés az ausztenitesítési hőmérsékletre, majd hűtés az előmelegítés hőmérsékletére; 2. hegesztés; 3. lágyítás; 4. forgácsoló megmunkálás; 5. edzés és keményítő megeresztés. b) sorrend: 1. hevítés az előmelegítési hőmérsékletre; 2. hegesztés gyám mellett, 3. hőkiegyenlítő hőntartás egy órán át; 4. hűtés nyugvó levegőn vagy homokban; 5. keményítő megeresztés egy órán át; 6. megmunkálás köszörüléssel. Ha a felrakás, illetve javítás az élnek vagy a felületnek csak kis részére terjed ki, számolni kell azzal, hogy a varrat és az eredeti alapanyag találkozásának kör- 213 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések nyezetében a szilárdsági tulajdonságok kedvezőtlenül megváltoznak. Az ilyen javítások csak szükségmegoldásként fogadhatók el; ezért kedvezőbb, ha a teljes élt vagy felületet eltávolítják, és ezután végzik el a felrakó hegesztést. Közepesen ötvözött és ötvözetlen szerszámacélok előmelegítési hőmérsékletét a kisebb karbontartalmúak esetében 200–300 °C-ra, a többihez 300–400 °C-ra választják, ha az alapanyaggal közel azonos összetételű hozaganyaggal javítanak. Célszerűbb azonban erősen ötvözött hozaganyagot használni olyan módon, hogy hegesztés előtt a teljes dolgozó felületet eltávolítják. Ilyenkor a b) hegesztési sorrendet kell követni, esetleg azzal a módosítással, hogy a 3. pont után az a) sorrend 3., 4. és 5. művelete következzen. Süllyesztékek és melegmunkáló szerszámok vállai és tüskéi nagy hőingadozásnak vannak kitéve. Ilyen helyeken nikkel- vagy kobaltalapú 50–60% Ni + 15–17% Mo + 15–17% Cr + 0,03–0,05% C összetételű vagy 50–60% Co + 15–25% Cr + 0–10% Ni + 0,3–0,4% C összetételű, ún. lágyötvözetű hozaganyagot használnak. Ezek még 600–700 °C-ra hevülve is jól viselik az igénybevételeket, és hőingadozásra (hősokkra) viszonylag érzéketlenek. A nikkel- és a kobaltalapú lágyötvözetű hozaganyagok használata esetén a szerszámtest anyagminőségének megfelelő előmelegítés elegendő. A varratok jól megmunkálhatók, de az első ütések hatására némi méretváltozás mellett 500–550 HV-re keményednek. A nikkelalapú varratok 760–800 °C hőmérsékleten 3–4 órás hőntartás után levegőn hűtve 300–350 HB keménységet érnek el, és ezt kb. 800 °C üzemi hőmérsékletig megtartják. 4.10.2. Takarékszerszámok készítése Az erősen ötvözött elektródákkal, illetve az említett helyeken nikkel- és kobaltalapú hozagnyagokkal javított, közepesen ötvözött vagy ötvözetlen acélból készült szerszámok élettartama hosszabb, mint új állapotukban volt. Ennek az a magyarázata, hogy javításkor a különböző felületrészeket az igénybevétellel szemben legmegfelelőbb összetételű hozaganyaggal lehet elkészíteni. Ezeket a varratokat azonban a szerszámacéloknál olcsóbb nemesíthető acélokra is fel lehet rakni; így készülnek az ún. takarékszerszámok. A forgácsoló és a hidegalakító takarékszerszámok készítéséhez általában C 45, C 55 vagy S 70, esetleg M 1 acélt használnak. A süllyesztékek és a melegalakító szerszámok használat közben néhány száz °C-ra hevülhetnek, ezért az ilyen szerszámok alapanyaga legalább NK minőségű melegalakító szerszámacél legyen. A varratok erősen ötvözött acélok, illetve az előbb említett helyeken nikkelvagy kobaltalapú lágyötvözetek. Az alapanyag összetétele ettől lényegesen eltér, ezért a tapasztalat szerint csak a harmadik varratsor vehető a hozaganyaghoz már közel azonos összetételűnek. Hegesztéskor az áramerősség csökkentésével és az elektróda döntésével érhető el az, hogy a beolvadás mértéke (azaz az alapanyag részaránya a varratban) minél kisebb legyen. 214 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések Nagyméretű kivágólap készítéséhez gyámot (4.58. ábra) használnak. Az előmunkált padka mérete kb. 10 × 10 mm legyen azért, hogy mind függőlegesen, mind vízszintesen legalább a harmadik varratból lehessen a vágóélt kimunkálni. Egy-egy varratszakaszt célszerű teljes keresztmetszetében feltölteni, ilyen módon ugyanis kisebb a valószínűsége, hogy közben a szakasz hőmérséklete az előírt előmelegítési hőmérséklet-tartomány alsó határértéke alá süllyed. Ügyelni kell arra, hogy a kezdő- és a végkráterek ne kerüljenek egy síkba. 4.58. ábra Nagyméretű kivágólap készítése takarékszerszámhoz a) hegesztési sorrend; b) a varratszakaszok elkészítése; c) a rézgyám használata Az ún. horonyba rakás módszerével a leendő vágóél helyén megfelelő méretű vályút készítenek, és a belső részeket hegesztés után eltávolítják (4.59. ábra). Természetesen ilyenkor a varratot forgácsolás előtt lágyítani kell, majd edzeni, keményíteni. A kezdő- és végkrátert 0,5–1,0 mm mélységben köszörüléssel el kell távolítani a homlokfelületről hegesztés után. Kisméretű lyukasztó- vagy forgácsolószerszámot a 4.60. ábrán látható rézgyámban célszerű készíteni. A takarékszerszámok készítésekor a b) műveleti sorrend az általános. Kis tömegű szerszámok készítésekor a varrat környékének hőmérséklete esetleg túllépi az előírt előmelegítési hőmérséklet-tartomány felső határértékét, ez káros, mert a varrat kilágyul, ezért ilyenkor utólagos edzés szükséges. 215 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.59. ábra Takarékszerszám készítése a horonyba rakás módszerével (a kimunkálandó vágóélt szaggatott vonal jelöli) 4.60. ábra Kisméretű lyukasztószerszám egytömegű felrakó hegesztése 1 C 55 minőségű szerszámszár; 2 varrat; 3 salak; 4 két félből álló rézgyám A kis, 1–2 kg tömegű szerszámok, kaparókörmök felrakott rétegének legfelső varratait 5–6 mm mélyen 1200 °C-nál nagyobb hőmérsékleten tarthatja a hegesztéssel bevitt hő. Ilyenkor a hegesztést befejezve olajedzés, majd keményítő megeresztés végezhető. 216 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 4.10.3. Kopásálló rétegek felrakása A koptatásnak kitett alkatrészek keményfémből vagy keményötvözetből, esetleg erősen vagy közepesen ötvözött acélból, valamint nemesíthető acélból készülnek. A keményfémből vagy keményötvözetből készült alkatrészek hegesztéssel nem javíthatók. Az erősen ötvözött acélból készült alkatrészekre az előzőkben ismertetett technológia érvényes. Általában a b) műveleti sorrendet követik, és az alapanyaghoz közel azonos összetételű hozaganyagot választanak. A legfeljebb közepesen ötvözött és az ötvözetlen nemesíthető acélból készült gépalkatrészeket hegesztéskor a 4.18. táblázatban feltüntetett előmelegítési hőmérsékletre kell hevíteni akkor, ha a varrat keménysége nem haladja meg a 35 HRC értéket. 4.18. táblázat. Felrakó hegesztésekhez használatos acél alapanyagok előmelegítési hőmérséklete Összetétel, % Az anyag jele C 25, A 44 B C 35, A 50, Aö 50 C 45, A 60, Aö 55 C 55, A 70, Aö 60 C 60 Mn 1, Aö 20 Mn Aö 35 Mn, Aö 30 MnSi Mn 2 BC 2 BC 3 Cr I Cr3 BNC 2 BNC 5 BNCMo 3 Aö 40 CrNi, CMo 1 CMo 3 CMo 4 NCMo 3 NCMo 4 NCMo 5 NCMo 6, Aö 30 CrNiMo, NCMo 7 AöMn 12 C Mn Cr Ni Mo 0,20–0,30 0,30–0,40 0,40–0,50 0,50–0,60 0,55–0,65 0,25–0,35 0,35–0,45 0,35–0,45 0,35–0,45 0,1–0,2 0,15–0,20 0,30v0,40 0,35–0,45 0,1–0,2 0,1–0,2 0,1–0,2 0,3–0,4 0,2–0,3 0,3–0,4 0,4–0,45 0,35–0,45 0,35–0,45 0,3–0,4 0,25–0,35 0,3–0,4 0,8–1,4 0,40–0,70 0,50–0,80 0,50–0,80 0,60–0,90 0,60–0,90 1,2–1,7 0,8–1,1 1,1–1,4 1,6–1,9 0,4–0,6 1,0–1,3 0,6–0,9 0,6–0,9 0,4–0,7 0,4–0,7 0,4–0,8 0,4–0,8 0,5–0,8 0,5–0,8 0,5–0,8 0,7–1,0 0,5–0,8 0,4–0,8 0,3–0,6 0,3–0,6 11,0–14,0 – – – – – – – – – 0,4–0,7 0,8–1,1 0,9–1,2 0,9–1,2 0,5–1,0 1,0–0,7 1,0–0,4 1,0–2,0 0,9–1,2 0,9–1,2 0,9–1,2 0,4–0,6 0,6–1,2 1,2–1,7 1,2–2,2 1,5–2,0 – – – – – – – – – – – – – – 3,0–4,0 1,0–1,7 3,5–4,5 – – – – 0,4–0,7 0,7–1,0 1,0–1,7 1,7–2,2 3,0–4,0 – – – – – – – – – – – – – – – – 0,2–0,3 – 0,12–0,3 0,15–0,3 0,15–0,3 0,15–0,3 0,15–0,3 0,15–0,3 0,30–0,5 0,30–0,5 – Hőmérséklet, T, °C 100–200 200–300 230–320 260–340 300–350 230–300 260–350 300–350 330–400 150–250 200–300 300–350 350–400 200–300 200–300 250–350 250–400 250–350 300–400 320–400 200–300 230–300 260–350 300–350 350–400 Előmelegítés tilos Mivel ezek az alapanyagok viszonylag lágyak, és így gyorsan kopnak, az alkatrészeket az alapanyagnál erősebben ötvözött varratösszetételt eredményező hozaganyaggal célszerű felrakni, és ekkor az előmelegítés hőmérsékletét a varrat összetétele szabja meg: 217 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések • 35–45 HRC keménységű varratok felrakásakor az alapanyag összetételétől függetlenül 150–200 °C; • 45–55 HRC keménységű varratok készítésekor 200–300 °C; • erősen ötvözött, edződő varratokhoz a b) műveleti sorrend ajánlott, így az előmelegítés hőmérséklete 400–600 °C; • a keményötvözetű varratok készítésekor szintén 400–600 °C, függetlenül az alapanyag összetételétől. 4.19. táblázat. Hozaganyagok összetétele kopásálló felületek felrakó hegesztéséhez Összetétel, % Sorszám C Mn Cr Ellenálló képesség* W egyéb HRC Ko(HB) pással Kor- °C hő- ÁrÜtésrózió mér- szorsel zó** val sékletig szemben 250 1 9 1 (250) Mo 0,0–0,8 1,5 250 1 8 2 (300) 1 250 1 9 2 (300) Mo 0,7–1,2 2,5 250 1 7 3 (350) 2 1 8 3 0,8–1,4 Ni=9–11 (350) 3 300 1 7 4 (400) Si 3 250 10 10 4 Si, Mo (250) 8 300 1 7 5 50 Mo, Si 3 300 2 6 5 Mo=5–6 55 3,5 400 3 5 6 60 V 3,0–6,0 4 400 2 4 6 60 16–18 10 500 2 3 7 63 13 550 4 2 7 63 4 400 6 400 4 3 7 55 Si, Mo 10 400 3 2 8 60 0,0–5,0 Mo, Co 20 600 3 2 9 65 Nb=7,0 145 700 9 7 5 40 4,0–6,0 145 700 8 6 6 50 8,0–10 140 700 7 6 7 55 12–15 140 750 6 5 8 60 17–23 Si=1; B=1 40 5 6 8 700 45 21. 0,9–1,1 30–35 8,0–10 60 7 4 7 700 40 22. 0,4–0,6 13–16 Si=4, B=4 23. 70–80 % WC + 20–30% Fe 70 10 1 3 300 90 24. 70–80 % WC + 20–30% Ni 70 10 3 4 400 110 3 200 1 8 5 (220) 25. 0,7–1,2 12–13 4 200 1 8 6 (250) Ni=3 26. 0,8–1,1 14–16 6 250 5 9 5 (250) 20–24 27. 0,4–0,7 15–20 7 300 10 10 4 Ni=8–10 (200) 17–19 28. 0,1–0,2 5,0–7,0 * A 10 a legjobb, az 1 a legrosszabb. ** Ha 1 kg OK 48.00 hazai elektróda árát vesszük egységnek. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 0,1–0,3 0,2–0,4 0,5–0,6 0,2–0,4 0,8–0,9 0,3–0,5 0,1–0,15 0,4–0,6 0,5–0,7 0,6–0,8 0,6–0,8 0,7–0,9 1,0–1,3 3,0–4,0 4,0–5,0 5,0–6,0 1,0–1,5 1,5–2,0 2,0–2,5 2,2–2,6 0,2–2,0 1,0–2,0 0,2–0,4 2,0–3,0 0,3–0,5 2,0–3,0 0,5–1,0 0,5–1,5 0,4–0,7 0,5–2,0 0,5–1,5 0,2–0,5 0,3–0,6 0,0–5,0 - 0,0–1,0 1,0–2,0 2,0–3,0 2,0–3,0 28,0–30,0 1,5–2,5 2,0–9,0 7,0–9,0 3,0–5,0 4,0–6,0 11–13 20–25 20–35 20–25 25–30 25–30 25–30 30–35 A különféle kopásfajtákkal szemben ellenálló hozaganyag kiválasztásához a 4.19. táblázat ad segítséget. Az 1–13. sorszámú hozaganyagok tulajdonságai a 7. sorszámú kivételével hőkezeléssel változtathatók. 218 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések • Az 1–6. sorszámú hegesztőanyagok sínekhez, görgőkhöz, futó- és lánckerekekhez, kapcsolótárcsákhoz stb. ajánlhatók. A hegesztési sorrend a hegesztési eljárástól függően a 4.61. ábrán látható. Az egymással kapcsolódó felületek közül a könnyebben cserélhető 30–40 HV-vel legyen lágyabb. • A 7. sorszámú, 29/9 típusú ausztenites acél hozaganyagokat külön ki kell emelni. Ezek varrata csak kb. 200 HV keménységű. Az alapanyag összetételétől függő előmelegítési hőmérséklet szükséges. Fogaskerekek hiányzó fogainak pótlására, prés és sorjázószerszámok stb. javítására használják. Szívósak, nehezen megmunkálhatók, ütésre, nagy felületi nyomásra keményednek. • A 8–9. sorszámú hegesztőanyagok lánctalpak, vezetőgörgők stb. felületének védelmére alkalmasak, azaz olyan helyekre, ahol az egymással érintkező felületek közé homok, föld, ásványi anyag stb. kerülhet. • A 10–11. sorszámú hozaganyagok tégla- és cserépipari prések, bányászati fúrószerszámok stb. felületének védelmére alkalmasak. • A 12–13. sorszámú, erősen ötvözött hozaganyagokat földmegmunkáló, kőzetdaraboló, szénfejtő stb. szerszámokhoz használják (4.62. ábra). • A 14–16. sorszámú vasalapú keményötvözetek (Fe = 55–65%) rendkívül ridegek, csak egyetlen varratsor készíthető velük, a második sor már repedne, sőt hőkezeléssel nem lágyíthatók. A hegesztési sorrend célszerű megválasztásával el kell érni, hogy a munkadarabok vetemedése hegesztés után a megengedhető határon belül maradjon, mert utólagos egyengetés közben a varrat reped. Az alapanyag összetételétől függetlenül 400–600 °C-os előmelegítéssel érhető el repedésmentes varrat. Ennek elmaradása esetén a varrat számos hajszálrepedést tartalmaz. Ez csak olyan alkatrészekben engedhető meg, amelyeknek az alapanyaga és a hőhatásövezete annyira szívós (HB~300), hogy a repedést elszigeteli, és az esetleges törés balesetet nem okozhat (pl. ekevasak, földmegmunkáló szerszámok, érc- és ásványbányászati őrlőművek álló részei, cement-, tégla- és kerámiaipari prések és keverőlapátok élei). A varrat szívósságát fokozza, ha az alapanyagra egy vagy két sor párnaréteget készítenek 29/9-es hozaganyaggal, és csak ezután rakják fel a vasalapú, keményötvözetű varratot, amely alapjában véve krómmal erősen ötvözött rideg, fehér öntöttvas. • A 17–20. sorszámú hozaganyagok kobaltalapú keményötvözetek (Co = 45– 60%), hegesztésükkor 200–400 ° C előmelegítés ajánlott. Belső égésű motorok és kompresszorok szeleptányérjain a szelepülékkel érintkező felület felrakására, továbbá szelepülékekhez, gőzt, gázt, vizet és korróziós termékeket szállító csővezetékek elzáró szerelvényeinek tömítőfelületéhez használják. 219 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések a) b) c) d) 4.61. ábra Darukerék és darusín felrakó hegesztése a) bevont elektródás kézi ívhegesztéssel végzett felrakás és hegesztési sorrendje; b) felrakó hegesztés porbeles huzallal; c) sín felrakó hegesztése bevont elektródás kézi ívhegesztéssel; d) felrakó hegesztés porbeles huzallal (a számok és a nyilak a hegesztés sorrendjét és irányát jelzik) • A 21–22. sorszámú hozaganyagok nikkelalapú keményötvözetek (Ni = 60– 80%), felhasználási területük a kobaltalapúakéhoz hasonló. • A 23–24. sorszámú hozaganyagok WC- és Fe-, illetve Ni-por keverékének szinterelésével készülnek. Bevonat nélkül AVI- és gázhegesztésre alkalmas pálcák vagy bevonatos elektródák alakjában kerülnek forgalomba. Gázhegesztéshez 1 mm átmérőjű nikkelhuzalra műanyag foglalatú, WC-port tartalmazó bevonatos, kb. 1 m hosszú pálcákat is forgalmaznak. Ez utóbbit és az AVI-pálcát olyan módon hegesztve, hogy közben az alapanyag felülete éppen hogy megolvadjon, szívós alapszövetbe ágyazódott WC-szemcsékben dús varrat keletkezik. Ha az alapanyag nem kíván előmelegítést, akkor 65– 70 HRC keménységű varrat készíthető előmelegítés nélkül. Huzalhúzó dobok, kötélvezető tárcsák, kőzetmegmunkáló szerszámok stb. élettartama je- 220 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések lentősen növelhető velük. A WC-port vékony Fe-, illetve Ni- vagy Colemezből készült, 300–400 mm hosszú csövecskébe töltik. Így készülnek a hasonló célú csőpálcák gázhegesztéshez és AVI-eljáráshoz, valamint a vékony bevonatos csőelektródák kézi ívhegesztéshez. Elhasználódott keményfém lapkákat néhány mm szemcseméretűre aprítva és rézbe ágyazva mélybányászati koronafúrók, havariafúrók felrakására szolgáló gázhegesztőpálcák készíthetők. a) c) b) d) e) 4.62. ábra Kotrókörmök felrakóhegesztése a) ötvözetlen vagy közepesen ötvözött acélöntvényhez kovácsolt darab hozzáhegesztése célszerű; b) ötvözetlen vagy közepesen ötvözött alapanyag felrakása durvaköves, illetve; c) puha talajban folyó munkához; d) és e) kemény ötvözetű varratokkal végzett felrakás • A 25–28. sorszámú hozaganyagok hegesztés után lágyak, ezért homokban, földben (abrazív kopás esetén) hamar elkopnak. Csak olyan alkatrészek felrakó hegesztésére alkalmasak, amelyek nagy felületi nyomást viselnek el, vagy igen nagy ütő igénybevétel alatt állnak. • A 25–26. sorszámú hozaganyagok csak a 12–14% Mn-tartalmú (pl. AöMn 12) ún. Haedfield-öntvényekhez (érc- és ásványbányászati törő- és őrlőpofák őrlőhengerek, vasúti csúcsbetétek, lánctalpcsapok stb.) használhatók. Előmelegíteni nem szabad, a varratot a lehető leggyorsabban kell hűteni. Az alapanyagot ezért célszerű vízzel telt edénybe helyezni olyan módon, hogy csak a hegesztésre előkészített felület álljon ki. A varratot 40–60 mm hosszú lépésekben kell hegeszteni, és azonnal, még vörösen izzó állapotban erőteljes kalapálással nyújtani. Az újabb lépés hegesztéséhez csak azután szabad hozzáfogni, miután az előző kézmelegre hűlt. • A 27. sorszámú hozaganyag alkalmazásakor sem használnak előmelegítést, bár a varrat lassúbb hűlés közben sem veszíti el szívósságát. Ezek, valamint a 28. sorszámú hegesztőanyagok bármilyen összetételű acél alapanyagon kielégítő eredményt adnak. Nagy teljesítményű hegesztési eljárásokhoz feltétlenül ilyen összetételű hozaganyagot kell választani. Vezetőkerekek, nagy terhelésű görgők, darusínek stb. javítására, felrakó hegesztésére alkalmasak. 221 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések A felrakó hegesztési, illetve a termikus szóró eljárások főbb jellemzői a 4.20. táblázatban találhatók, a 4.21. táblázat pedig útmutatást ad a felrakó hegesztési eljárás kiválasztásához. 4.20. táblázat. A felrakó hegesztési, és termikus szóró eljárások fő jellemzői A felra- A beol- A felraA munElérhető vadás kás kás kaEljárás kemény- egyenle- mérté- vastagMegjegyzés darab ke, sága, ség, HV tessége, mérete mm % mm GázhePálca 300–.400 0,5–2,0 2–20 1–3 kicsi Nem gépesítgesztés (800) hető, a berendezés olcsó Ívhegesz- Elektróda 1,0–3,0 250–800 1,0–2,0 20–35 2–4 tetszés Nem gépesíttés bevont szerinti hető, a beelektródárendezés val olcsó AVIPálca 2,5–3,5 200–600 0,5–1,5 2–20 1–3 kicsi Gyakran hegesztés vagy előmelegítés vékony szükséges élek AFITömör 1,0–10,0 200–600 0,5–1,5 10–30 2–4 tetszés Közepes hegesztés vagy szerinti költség, jól porbeles gépesíthető huzal CO2Tömör 1,7–8,0 170–400 0,5–1,5 10–60 1–3 tetszés Közepes védőgázos huzal. 1,7–8,0 200–700 0,5–1,5 10–60 1–3 szerinti költség, alaívhegesz- Védelmet kos daraboktés igénylő hoz is vagy önvédő porbeles huzal Fedett ívű Tömör tetszés Közepes 5–20 250–500 0,5–2,0 30–50 2–5 hegesztés vagy 5–20 200–700 0,5–2,0 20–40 2–5 szerinti költség, jól porbeles 10–40 250–400 0,5–1,0 5–10 2–5 gépesíthető huzal vagy szalag PlazmaPor 3–15 350–650 0,1–1,0 5–20 0,5–1,5 tetszés Költséges hegesztés szerinti berendezés Termikus Por 1–5 200–400 0,5 0,1–2 0,5–2 kicsi Közepes szórás költség, neutókezemesített és léssel edzett alkatrészekhez nem javasolt Huzal, 2,0–14,0 280–600 0,5–1,0 0,0–0,1 0,1–1,0 tetszés Beruházási Termikus por szerinti költség kicsi, szórás utókezelés tapadó-nyíró nélkül szilárdság < 100 MPa Hozaganyag 222 Leolvadási sebesség, kg/h 0,81–1 EME 4. Anyagfelvitellel járó felületkezelések 1 1 4 4 1 1 1 4 4 2.,3.,4.,5.,6. 2 1 4 4 1 1 1 1 2 4 1 1 7.,28. 2 1 2 2 5 1 2 5 5 4 5 2 CO2védógázos portöbemör les Fedett ívű tömör huzal huzal portöbemör les szalagelektróda 1 1 Plazma AFI AVI 1. Anyagminőség a 4.19. táblázat szerint Láng Bevontelektródás 4.21. táblázat. Ajánlás felrakó hegesztési eljárás kiválasztásához, a felrakott réteg anyagminőségétől függően Termikus szórás, ha utóhevítés van nincs 4 8.,9.,10. 3 1 2 5 3 1 1 1 5 1 1 1 11.,12.,13. 5 1 1 5 5 1 5 5 5 1 3 3 14.,15.,16. 5 1 5 5 5 1 5 5 5 4 5 2 17.,18.,19.,20.,21.,22. 1 1 1 5 5 1 5 5 5 1 1 1 23.,24. 1 1 1 5 5 5 5 1 5 1 1 1 25.,26.,27. 5 1 5 5 5 1 5 5 5 5 5 5 1. alkalmas; 2. ritkán kerül rá sor, nem szokásos, de megoldható; 3. az átlagosnál több szakértelmet kíván; 4. túl drága e célra, ha lehet, más eljárást célszerű választani; 5. nem ajánlott vagy nem elvégezhető 223 EME 5. Duplex felületkezelések Az acélok anyagszerkezet-módosulásai, illetve az azokat kiváltó technológiai hatások kapcsán a „duplex” jelző többféle értelemben fordul elő, de „közös nevezőként” felmerül valamilyen hőkezelés, termokémiai kezelés, felületkezelés alkalmazása és/vagy a nitrogén mint ötvöző jelenléte, bevitele. 5.1. Duplex anyagszerkezet-módosulatok Ausztenitesítő izzításkor alumínium és/vagy vanádium mellett nitrogént is tartalmazó, ún. finomszemcsés acélok szövetében kb. 950 °C-on, a többi nitridképzővel (Ti, Zr, Nb) ötvözött acélokban pedig kb. 1050 °C-on a finom ausztenitszemcsék környezetében igen nagyok is megjelennek, s egy kb. 50 °C-os hőmérséklettartományban egymás mellett találjuk azokat. Az anyag ilyen jellegű mikroszkópi képét duplex szövetnek nevezik. Ezen átmeneti állapotot – a szemcsehatárokat „rögzítő” nitridkiválások felbomlása miatt – szemcsedurvulás követi, és a szemcsenagyság eléri, sőt meghaladja a nitridképzőket nem tartalmazó, ún. normálszemcsés acélokét. A duálfázisú vagy duplex szerkezeti acélok a HSLA (High Strength Low Alloy) acélok jobb képlékenységi (duktilitási) jellemzőkkel rendelkező válfaját képviselik. Mikroszerkezetük két fázisból, ferritből és martenzitből áll. A kedvezőbb képlékenység a ferrites, a növelt szilárdság a martenzites fázisnak köszönhető, így ezek megfelelő részarányával az eredő tulajdonságok célszerűen befolyásolhatók, de a mechanikai jellemzőkre hatással van a fázisok morfológiája (alakja), a szemcseméret, a martenzites fázis eloszlásának egyenletessége, illetve „térköze”, valamint a ferrites fázis méreteloszlása és tisztasága is. Ilyen duálfázisú szövet előállítása pl. interkritikus (A1 és A3 átalakulási hőmérsékletek közötti) hevítést, majd azt követő gyors hűtést magában foglaló hőkezeléssel történhet. A hőkezelés kombinálható alakítással is, azaz termomechanikus kezelés végezhető az acélon. A kétfázisú vagy duplex korrózióálló acélok jellemzői: a ferrit és az ausztenit kb. egyenlő részaránya a szövetszerkezetben, a viszonylag nagy szilárdság (az ausztenites acélok folyáshatárának kétszerese) és a kiváló feszültségkorrózióállóság elsősorban kloridos közegben. E duplex ötvözetek általában több krómot (22–27,5%) és kevesebb nikkelt (4–6,5%) tartalmaznak, mint a hagyományos 18/8-as acélok. Molibdén (1,5–3%) hozzáötvözése javítja a korrózióállóságot, sőt egyes ötvözetek 0,08–0,35% nitrogént is tartalmaznak, ami ausztenitképzőként ferrit–ausztenit egyensúlyt hoz létre. Ez a módosított összetétel jó pitting- és általános korrózióállóságot biztosít ipari környezetben, de hegeszthetőségi problémákat vet fel. Ezek közé tartozik, hogy a heganyag gyors megdermedésével – különösen kis hőbevitelű hegesztésnél – együtt járó túlzott ferrittartalom kedvezőtlenül 224 EME 5. Duplex felületkezelések befolyásolja a korrózióállóságot és a szívósságot. A probléma orvoslása szabályozott hőbevitel és nikkellel túlötvözött hegesztőanyag alkalmazása révén lehetséges. 5.2. Duplex termokémiai kezelések A duplex termokémiai kezelés a cementálást és a nitridálást kombináló eljárás, ami a cementált (majd edzett, illetve megeresztett) felület nitridálását jelenti. Ehhez az acélnak 500–550 °C-on stabil cementites-karbidos szerkezettel, azaz kellő megeresztésállósággal és megfelelő mennyiségű nitridképző-tartalommal kell rendelkeznie. Az ilyen kezelés célja lehet a berágódással, hegedéssel (adhéziós kopással), felpattogzással, pittingesedéssel (fáradásos kopással), továbbá az üzemszerű viszonyok között rövid időtartamra nem kizárható kenés nélküli súrlódással szembeni károsodásállóság javítása. A technológia kivitelezése során a kb. 925 °C-os, 10–12 órás gázcementálást megelőző „előoxidációt” (950 °C/30 perc/levegő) is alkalmaznak, melynek eredményeként az oxid–fém határfelületen oxidpenetráció megy végbe, és az így képződő határfelületi háló elősegíti a karbon diffúzióját. Ez az előkezelés célszerű a króm és a szilícium képződhető oxidrétegének karbonabszorpciót gátló hatása „ellen” is. A cementálást, az edzést és a kb. 540–550 °C-os megeresztést követően a gázvagy a plazmanitridálás 500–520 °C-os hőmérsékleten végezhető. A rétegroncsolódás elkerülése érdekében fontos, hogy a rétegvastagság a Herz-féle nyírófeszültség maximumának felülettől mért távolságához igazodjon. A duplex termokémiai kezelés a kifáradási élettartamot is növeli, ugyanis a fáradási jelenségeket akadályozó felületi nyomófeszültségek (σny) kedvezőbb eloszlást mutatnak (σny nitridált ≈ 550–600 MPa, míg σny cementált ≈ 250–300 MPa). A duplex termokémiai kezelések egy másik változatánál a cementálást alacsony hőmérsékletű nitridálással kombinálják. Így a megeresztés 425 °C-on, majd az azt követő plazmanitridálás 400 °C-on (pl. 25% N2 + 75% H2 atmoszférában, 60 órán át) végezhető. Ennek előnye abban van, hogy bizonyos acélok így magasabb törési szívósságot mutatnak, ugyanis éppen az 500–600 °C-os megeresztési hőmérsékletek eredményezik a KIc minimumát, míg 425 °C-on ennél lényegesen nagyobb (akár kétszeres) értékei mérhetők. A megeresztési ridegedés elkerülése érdekében tehát egyes acéloknál 500 °C alatt célszerű tartani az edzés utáni termikus folyamatok hőmérsékletét. 5.3. Duplex felületkezelések A duplex felületkezelések két egymást követően végrehajtott felületkezelést kombináló, anyagok, illetve belőlük készülő termékek károsodásállóságának javítása érdekében alkalmazható technológiák. Az 5.1. ábra – a kombinálható eljárásokat 225 EME 5. Duplex felületkezelések rendszerezve – a már említett duplex termokémiai kezelést is magában foglalóan tartalmazza a duplex felületkezeléseket. Az X-szel jelölt változatok előnytelenek, illetve nem értelmezhetők, a ?-lel jelöltek elvileg elképzelhetők, míg az 0-val jelöltek a gyakorlatban (kísérletileg, iparilag) már kipróbált, illetve publikált lehetőségeket takarnak. Ez utóbbiak közül kiemelhetők azok, amelyek valamilyen termokémiai elő- vagy utókezelést foglalnak magukban. Az egyik eljárásnál termokémiai kezelés (pl. plazmanitridálás vagy gázcementálás) után igen kemény, de rideg, keramikus jellegű (pl. TiN, TiCN, TiAlN, CrN stb.) tribológiai réteget képező PVD vagy CVD alkalmazására kerül sor. Egy másik eljárás során a felületi réteg gyors dermedését – mikroszerkezetének finomodását, nem egyensúlyi átalakulásait – kiváltó elektronsugaras, illetve lézeres felületi átolvasztást vagy felületötvözést nitridálás követi. A termikus (láng-, plazma-) szórás és a (plazma-, gáz-, gázoxi-) nitridálás (illetve gáznitrocementálás) javítóiparban is jól használható kombinációja lehetővé teszi olyan bevonatok készítését, amelyek nagyobb ellenállást tanúsítanak komplex terhelési (feszültségi) viszonyok esetén. A korrózió-, kopás- és hőálló, illetve elektromosan vezető vagy éppen szigetelő réteget eredményező termikus szórás mind a kezelendő, mind a felszórandó anyagok tekintetében széles alkalmazási kört fog át, és az előállítható réteg vastagsága is tág intervallumban – néhány mikrométertől több milliméterig – változhat. A nitridálás viszonylag alacsony költségű és hőmérsékletű eljárás, mely a kopás- és a korrózióállóság javítása mellett a felületi feszültségállapotot is kedvezőbbé teszi, növelve a fáradással szembeni ellenállást. A nitridálást (vagy nitrocementálást) követően elvégzett ionimplantáció hatása is elsősorban a felületi feszültségállapot még kedvezőbb megváltoztatását célozza. Egy további eljárásnál a kopásállóság fokozása végett a normalizált vagy nemesített alapanyagon 570 °C-os, 4–8 órás, gázközegű (pl. 56,3% NH3; 34–41% H2; 1,3–2,0% CO2) nitrocementálást, majd azt követően CO2-lézerrel – megfelelő teljesítmény, előtolási sebesség és defókusz beállításával – felületedzést végeznek. Egy újabb eljárás során a lézeres felületedzést nitridálással kombinálják a tribológiai igénybevételekkel szembeni élettartam-növekedés elérése, illetve a Herz-feszültség okozta fáradásos kopás csökkentése érdekében. Ez utóbbi eljárás egyik alkalmazhatósági kérdése az lehet, hogy milyen előnyökkel jár egy kétlépcsős, ezért minden bizonnyal többletköltséggel járó kezelés, mint külön-külön a lézeres felületedzés vagy a nitridálás valamelyik változatának alkalmazása. További kérdésként felmerül, hogy ha duplex felületkezelést alkalmazunk, akkor melyik sorrendet válasszuk: nitridálás majd lézeres edzés vagy lézeres edzés és azt követő nitridálás? Újabb kérdésként vetődhet fel: milyen az így kapott felületi réteg termikus stabilitása (megeresztésállósága). 226 EME 5. Duplex felületkezelések fel. olv. nélküli fel. olvasztó felületolvasztás nélküli fel. olvasztó összetételváltoztató összetételváltoztató összetételhagyó felületszilárdítás (ütőtestekkel, szerszámmal, lökéshullámokkal) felületedzés (indukciósan, elektronsugárral, lézerrel) felületi átolvasztás (elektronsugárral, lézerrel) átolvasztó hegesztés (gáz, AWI- vagy plazmahegesztéssel) fémleválasztás (külső áramforrás nélkül, galvanizálás) termikus szorás (lánggal, ívvel, plazmával, lézerrel, robbantással) plattírozás (alakítószerszámmal, dörzshatással, robbantással) PVD (hagyományosan, plazma- vagy lézererősítéssel) CVD (hagyományosan, plazma- vagy lézererősítéssel) ionimplantáció (lánggal, plazmával, lézerrel) passziválás (kémiai vagy anódos oxidálás, vegyületréteg-képzés) termokémiai kezelés: cementálás termokémiai kezelés: nitrocementálás termokémiai kezelés: nitridálás felületi ráolvasztás (lánggal, plazmával, lézerrel) felületötvözés (elektronsugárral, lézerrel) felrakó hegesztés felületötvözés felületi ráolvasztás fel. olvasztó nitridálás nitrocementálás passziválás cementálás ionimplantáció CVD PVD plattírozás termikus szorás összetételváltoztató felületolvasztás nélküli felületi átolvasztás felolvasztó hegesztés védőbevonatolás felületedzés 1.kezelés felrakó hegesztés (gázvagy ívhegesztéssel) összetételhagyó fel. olv. fel. nélküli olvasztó felületszilárdítás 2. kezelés X X X X ? XX? X 0 ? X X X X X X X X X X ? XXX X 0 ? X X 0 X X X X ? X X ? ?X? ? ? ? ? ? 0 X X X X ? X X ? ?X? ? ? ? ? ? ? X X X X X ? X 0 XXX X 0 ? X X X X X X X X 0 ? X 0XX X X X X X 0 0 X X ? ? X X ? X?X X ? ? X ? ? 0 X X X X X XXXX? ? ? X X X X X X X X ? X X X X X 0 0 X ? X 0 0 0 X 0 0 X X X X X X ? X X X X X X X X X X X X ? 0 ? ? ? X ? ? X X ? X X ? X X X X X X X X X X X X 0 X 0 0 0 0 X 0 X ? X 0 0 0 0 X X X ? ? ? ? 0 0 X ? ? X ? ? ? ? ? ? ? ? X ? X X X X X ? ? X ? X X X X X ? ? X ? X 0 X X ? 0 ? X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 5.1. ábra Kombinálható eljárások rendszere 227 EME 5. Duplex felületkezelések 5.3.1. Lézeres felületedzés és nitridálás kombinálása Válasszuk alkalmazási példaként a 40 CrMnMo7 jelű, nitridálható „műanyagmegmunkáló szerszámacélt” (ötvözött melegalakító szerszámacélt). Javasolt felhasználási területe szerint közepes és nagyméretű műanyagfröccsöntő szerszámok anyaga, műanyag- és fémfröccsöntő szerszámok keretanyaga, továbbá az általános gépépítés különböző szerkezeti elemeinek is anyaga. Felhasználási előnyeként fogalmazhatók meg: a javított forgácsolhatósági jellemzők, a kiváló polírozhatóság és fotomarathatóság, valamint az igen jó szívósság. Kémiai összetétele: 0,37% C, 0,29% Si, 1,50% Mn, 1,88% Cr, 0,17% Mo, 0,39% Ni a többi Fe. Edzése 840–860 °C-ról olajban, 860–880 °C-ról levegőn történhet, amely utáni megeresztés hatására kb. 300 °C-ig kevésbé, felette intenzívebben csökken az acél (meleg)kopásállósággal, illetve megeresztésállósággal összefüggő keménysége. Szilárdsága nemesített szállítási állapotban kb. 1000 MPa, keménysége kb. 300 HB. Szükség esetén feszültségmentesítő hőkezelését 650 °C-on, 2 órás hőntartással, majd kemencében történő hűtéssel ajánlott végezni. Indokolt esetben argonvédőgázas volfrámelektródás ívhegesztő eljárással, rövid és kalapáccsal azonnal nyújtott varratszakaszokkal végezhető javító hegesztés rajta. Nagyobb kiterjedésű és mélységű javító hegesztése csak lágyított állapotában lehetséges. A munkadarabok „Graphite 33” abszorpciónövelő bevonattal ellátott oldalfelületein a következő lézertechnológiai paraméterekkel valósult meg a felületedzés: a felületi fókuszfoltméret df = 7,2 mm; a sugárrezgetés frekvenciája fs = 100 Hz, illetve amplitúdója As = 10,5 mm, míg jelalakja Δ; a P lézerteljesítmény 1250, 1850, 2500 és 3150 W; a munkadarabok vr relatív (lézersugárhoz viszonyított) sebessége 400, 600, 800. E két utóbbi paraméterből származtatható q = P/vr fajlagos hőbevitel (vonalenergia) 126 és 187,5 J/mm között változott. Mivel felületedzéskor a kéreg igen gyorsan hevül fel az ausztenitesítési hőmérsékletre, illetve nagyon gyorsan hűl le arról, gyakorlatilag nincs hagyományos értelemben vett hőntartás. A karbidok mind teljesebb oldódása – ami termikusan aktivált diffúzióval megvalósuló időigényes folyamat – érdekében akár 200–300 °C-kal az A3 fölé kell hevíteni a kérget, hogy a gyors hőciklus (5.2. ábra) A1, illetve A3 hőmérsékletek feletti szakaszának időintervalluma hosszabb legyen. Az alkalmazandó maximális vagy csúcshőmérséklet kisebb lehet, ha az acél nemesített állapotú, azaz a karbidok finom mérettel, diszperz eloszlásban vannak jelen a kiinduló szövetszerkezetben. A felületi réteg felhevítését követő azonnali és rendkívül gyors, saját hővezetésen alapuló „önhűtés” nagy keménységű martenzites szerkezetet eredményez. Felületi edzéskor a kéreg és a mag kémiai összetétele megegyezik, ezért a maradó strukturális feszültségek kisebbek, mint az ötvözőbevitellel járó termokémiai kezelések után. Továbbá a hőbevitel erősen koncentrált, így a termikus feszültségek és az azokból adódható maradó alakváltozások is kisebbek. Plazmanitridáló berendezésben végzett termokémiai kezelés paraméterei a következők: vákuumlétrehozás időtartama 9,9 óra; vákuumtér nyomása 0,62 mbar = 62 Pa; maximális feszültség 900 V; maximális áramerősség 40 A; gázösszetétel (plazmaalkotók) 25% N2 + 75% H2; gáznyomás (plazmaalkotók) 5 mbar = 500 Pa; 228 EME 5. Duplex felületkezelések felhevítés sebessége 500 °C/óra; felhevítés időtartama 1,15 óra; hőntartás hőmérséklete: 520 °C; hőntartás időtartama 20 óra. 5.2. ábra Felületedzés termikus ciklusa 5.3. ábra Fe-N kétalkotós állapotábra 229 EME 5. Duplex felületkezelések A Fe-N kétalkotós (5.3. ábra), illetve a Fe-N-C háromalkotós állapotábra (5.4. ábra) szerinti eutektoidos hőmérséklet (590 °C) alatt, nitrogénleadó közegben (pl. NH3+H2 vagy N2+H2 gázkeverékben) végzett termokémiai kezelés során kialakult kéregben kívülről befelé haladva 11–7% nitrogéntartalmú ε-fázis (Fe2-3N, Fe2-3[N,C]), kb. 5,5% N-tartalmú γ' = Fe4N vegyület, illetve más keményebb ötvözőnitrid (pl. CrN, Cr2N, Cr7[C,N]3, Mo,Cr2[C,N]), majd 0,1%-nál kisebb Nkoncentrációjú (a N-t intersztíciósan oldott formában tartalmazó) α-fázis fordulhat elő. Az ilyen szerkezetű kéregben számottevő átalakulás nem megy végbe, csupán a γ' szegregál a ferritből. 5.4. ábra Fe-N-C háromalkotós állapotábra Az 5.5. ábra diagramsorozata azokat a keménységeloszlási görbéket mutatja, amelyeket a lézeres felületedzés és az azt követő nitridálás eredményezett. Az egyes diagramokon szerepelnek külön a felületedzés, illetve külön a nitridálás utáni keménységeloszlási görbék is. Látható, hogy a megnövelt keménységű kéreg vastagsága az azonos hőbevitelű (q ≈ 187 J/mm) lézeredzéseket követő plazmanitridálás hatására ugyan csökkent, de a keménységmaximum mindkét "szimplex" 230 5. Duplex felületkezelések 5.5. ábra Duplex felületkezelés: lézeres felületedzés és az azt követő nitridálás eredményezte keménységeloszlási görbék 231 EME 5. Duplex felületkezelések eljáráséhoz képest növekedett. A duplexen kezelt növelt keménységű kéreg vastagsága egy keskeny „támasztó” zónával nagyobb, mint a plazmanitridálté. A lézeredzés hőbevitelének kb. 30, illetve 60 J/mm-rel való csökkentése (187 helyett 157, illetve 126 J/mm-re) igen kedvezőtlen keménységprofilt eredményezett, ami után a plazmanitridálás elvégzése lényeges javulást hozott. Mivel az 500 °C-os hőmérsékletű és 10 óra időtartamú plazmanitridálás a lézeres felületedzést követte, a kezelt zónák termikus stabilitása (megeresztésállósága) is minősíthető, ugyanis az elvégzett nitridálás egy hosszú időtartamú megeresztésnek is felfogható. A kialakult keménységprofil kedvező termikus stabilitásról tanúskodik, hiszen a felületedzett állapottal összevetve közvetlenül a felszín alatt keménységnövekedés tapasztalható, és csak mélyebben van megeresztő hatás, ami az edzett kéregben számottevő, míg a nemesített alapanyagban elhanyagolható mértékű. Természetesen az üzemszerűen megengedhető maximális hőmérséklet nem lehet nagyobb, mint a legutolsó – esetünkben a nitridáló – hőkezelés hőmérséklete. Az 5.6. ábrán szereplő diagramok azokra a duplex felületkezelésekre vonatkoznak, amelyeknél a nitridálást nem megelőzi, hanem követi a lézeres felületedzés. Az egyes diagramokon – összehasonlítás céljából – szintén szerepelnek a csak lézeredzett, illetve a csak plazmanitridált felületek keménységgörbéi is. A duplex kezelés szembetűnő eredménye – elsősorban az azonos fajlagos hőbevitelű (q ≈ 187 J/mm) technológiáknál – a magas keménységű zóna megnövekedett mélysége, ami meghaladja mind a lézeredzés, mind a plazmanitridálás utánit. Például edzhetőségi határértéknek tekinthető 550 HV keménységszintnél mérhető zónanövekmény mintegy 0,3–0,5 mm, ami az eredeti (plazmanitridált) 0,15–0,25 mm kéregmélységnek 200%-a. A felületközeli 0,1–0,2 mm-es zónában a keménység ugyan visszaesett, de az adott esetben szükségessé válható (lehetőségében adott) utánmunkálás ezt eltávolítva nagyobb keménységű réteget „hoz” felszínre. Az azonos hőbevitelre vonatkozó görbéket összevetve egyfajta kvázioptimumnak tűnik a P = 1850 W és a vr = 600 mm/min lézerparaméterekkel készített réteg, de a 2500 W, illetve 800 mm/min lézerparaméterű is kedvező képet mutat. A lézeredzés fajlagos hőbevitelének csökkentésével (187 → 157 → 126 J/mm) – elsősorban a kezelés sebességének növelése miatt – a lézeredzett, illetve a duplexen kezelt kéreg nem kívánatos keménység- és vastagságcsökkenése jár együtt. Az eredmények alapján a következő megállapítások tehetők. A duplex felületkezelés egyik kalkulálható előnye a gyorsabb kezelés lehetősége, ugyanis a felhasználás szempontjából szükséges elegendően nagy kéregvastagság elérése pusztán csak nitridálás alkalmazásával igen hosszú diffúziós időtartamot igényelne. A másik várható előny, hogy a csak felületedzett állapothoz képest a nitridálás „hozzáadása” a kéreg kedvezőbb termikus stabilitását eredményez(het)i. 232 5. Duplex felületkezelések 5.6. ábra Duplex felületkezelés: nitridálás, majd az ezt követő lézeres felületedzés eredményezte keménységeloszlási görbék 233 EME 5. Duplex felületkezelések Ha a lézeres edzést a nitridálás előtt alkalmazzuk, akkor a már felületedzett zóna hosszabb időtartamú megeresztés alá kerül, miközben a nitrogén diffúziója zajlik. Ebben az esetben – megfelelő technológiai paraméterek mellett – a kemény kéreg vastagsága némileg csökken, viszont termikus stabilitása a nagyobb keménységmaximum révén javul, illetve a csak nitridált kéregéhez képest egy növelt keménységű támasztó rétegnövekmény is észlelhető. Ez a duplex felületkezelés egy olyan „karbonitridálás”, mely az acél kiválasztásával „meghatározott” karbontartalomra történik. A nitridálás hőmérsékletét jól kell illeszteni az acél alapanyaghoz. Ha a lézeres edzést a nitridálás után alkalmazzuk, akkor egy olyan konstans karbontartalom-átlag melletti „nitrocementálást” végzünk, ami a diffúziós réteg mélységét, azaz a kemény kéreg vastagságát növeli, lehetővé téve egy esetleges utánmunkálást is. A növelt nitrogénkoncentrációnak köszönhetően a diffúziós rétegben nagyobb keménységértékek érhetők el, bár a maradék ausztenit előfordulási valószínűsége is nagyobb lehet. A megnövekedett keménység a karbonnak és a nitrogénnek a martenzitképződésre gyakorolt összetett (eredő) hatásával hozható kapcsolatba, ugyanis mindkét ötvöző intersztíciós helyzetekben fordul elő, így a martenzit tetragonalitását (torzultságát) együttesen nagyobb mértékben növelik. Mivel a nitridált réteg már jelen van a felületben, a felületedzés termikus ciklusát, illetve hőbevitelét (kezelési sebességét) úgy kell beállítani, hogy a hőmérséklet viszonylag alacsony értéken maradjon, csökkentve a nitrogén rekombinációja és diffúziója következtében felléphető rétegfelbomlás esélyét. A nitridálás „hozzáadása” a lézeres felületedzéshez feltehetően a korrózióállóságot és a (nagyciklusú) kifáradással szembeni ellenállást is kedvezően befolyásolja. Ha nincs szükség utólagos felületi (abrazív) megmunkálásra, viszont a lehető legnagyobb felszíni keménységre kell törekedni, akkor a duplex felületkezelésen belül először a lézeredzést, majd azt követően a plazmanitridálást célszerű végezni. Ha a növelt keménységű kéreg nagyobb mélysége mellett utómegmunkálási (vagy egy esetleges „bejáratási") ráhagyás válik indokolttá, akkor előnyösebb a lézeredzést a plazmanitridálás után végezni. Természetesen mindkét esetben ügyelni kell a lézeredzés fajlagos hőbevitelének megfelelőségére, bár úgy tűnik, hogy a lézeredzés + plazmanitridálás kombináció végeredménye kevésbé érzékeny a hőbevitel értékének megválasztására, mint a plazmanitridálás + lézeredzés sorrendű duplex felületkezelésé. 234 EME 6. Egyéb felületi technológiák 6.1. Abrazív felületi megmunkálás Az abrazív megmunkálás szabálytalan szerszámélekkel megvalósuló forgácsolást jelent. A szabálytalan szerszámélek geometriailag határozatlan alakú szemcsék (6.1. ábra), amelyek kemény keramikus anyagúak, és a munkadarabról nagy sebességgel választanak le anyagot. Kemény (pl. hőkezelt), nehezen forgácsolható anyagok is jól megmunkálhatók és az elérhető felületi minőség (érdesség) igen jó, így elsősorban befejező műveletként alkalmazzák. 6.1. ábra Szabálytalan szerszámélek mint geometriailag határozatlan alakú szemcsék A 6.1. ábrán jelölt szögek értelmezése a következő: • a β jelű ékszög az ékszerű szerszám hátlapja és homloklapja által bezárt szög, ami tulajdonképpen a szerszámélet alkotja; • az α jelű hátszög a szerszámék hátlapja és a forgácsolt felület érintősíkja (forgácsolás síkja) által bezárt szög, aminek súrlódáscsökkentő szerepe is van; • a γ jelű homlokszög a szerszámék homloklapja és az alapsík (forgácsoló mozgás irányára merőleges sík) által bezárt szög, ami a forgácskeletkezés és -lefutás körülményeit, illetve jellegét jelentősen befolyásolja. Amennyiben a homlokszöget a szerszámél elfedi, akkor negatív előjelű, és ilyenkor a leválasztott anyagmennyiség kisebb, mert a szerszámél hántolja, kaparja a munkadarabot. Más esetben pozitív előjelű a homlokszög, és a szerszámél vágással, metszéssel választja le a forgácsot. 235 6. Egyéb felületi technológiák Az abrazív (koptató) megmunkálás elnevezés arra utal, hogy a szemcsék karcoló hatással választanak le gyakran csak mikroszkopikus méretű forgácselemeket (6.2. ábra). A karcolást egyidejűleg igen sok szemcse végzi, és a forgácsolási sebesség is elég nagy, ezért kielégítő termelékenység érhető el. Az abrazív megmunkálás – mint szabálytalan sokélű szerszámmal végzett forgácsolás – történhet kötött vagy szabad állapotban lévő szemcsékkel. Ha a szemcsék kötött állapotban vannak – merev alakos szerszámba foglalva –, akkor köszörülésről és dörzscsiszolásról beszélünk. Ha az abrazív szemcsék szabad (kötetlen) állapotban kerülnek kölcsönhatásba a munkadarab felületével, akkor tükrösítésről van szó. 6.2. ábra Forgácselemek leválasztása abrazív megmunkáláskor A köszörülés (6.3. ábra) szerszáma a tárcsa-, henger-, tányér-, fazék stb. alakú köszörűkorong, ami forgásfelület alakú munkafelülettel rendelkezik. A köszörűkorong megmunkálás közben forgó főmozgást végez, és a forgácsolási sebesség megegyezik a korong kerületi sebességével. A megmunkálandó felület jellege és elhelyezkedése, valamint a szerszámgép típusa alapján megkülönböztethető körköszörülés, azaz palást- és furatköszörülés és síkköszörülés. Csúcsok közötti palástköszörülésnél a munkadarabot a gépasztalra szerelt csúcsok közé fogják, majd tengelye körül forgatják, miközben a korongot és a munkadarabot egymáshoz viszonyítva axiális vagy radiális irányban elmozdítják. Csúcs nélküli palástköszörüléskor a munkadarab egy támasztólécen felfeküdve a köszörű- és egy továbbítókorong között helyezkedik el, miközben a fellépő dörzshatás forgását – bizonyos beállításban axiális haladó mozgását is – eredményezi. A furatköszörülésnél a vezetőlécet két görgő helyettesíti, melyek közül az egyik támasztó-, a másik szorítógörgő. Síkköszörülés esetén a munkadarabot általában mágnesasztalon rögzítik, és a korong palástjával vagy homloksíkjával köszörülnek. 236 6. Egyéb felületi technológiák 6.3. ábra Köszörülés 237 6. Egyéb felületi technológiák A dörzscsiszolás (6.4. ábra) két változata a hosszú löketű hónolás belső felületeken (pl. belsőégésű motorok hengereiben) és a rövid löketű szuperfiniselés külső felületeken. A köszörüléshez képest a forgácsolási sebesség 50–100-szor, a felületi nyomás 5–10-szer kisebb, viszont az egyidejűleg forgácsoló szemcsék száma 10–100-szor nagyobb. 6.4. ábra Dörzscsiszolás 238 6. Egyéb felületi technológiák Ezek következtében a hőmérséklet erősen csökken, a termikus és mechanikai deformáció mérséklődik, továbbá jelentősen javul a felületi minőség. A hasáb alakú szerszám(ok) forgó és alternáló axiális mozgást végez(nek) úgy, hogy a szemcsék löketenkénti pályái eltérnek, keresztezik egymást, és egy kuszált felületi karckép alakul ki. Ehhez a fordulat- és a löketszámot úgy kell megválasztani, hogy relatív prímszámok legyenek, így egy-egy szemcse mindig új pályán fog haladni. A tükrösítéskor (6.5. ábra) a szabad szemcséket folyadékkal (olaj, petróleum stb.) összekeverik, majd a munkadarab és az azt közelítő felületű szerszám közé juttatják. A szerszám vagy a munkadarab mozgatása révén a felülettel kölcsönhatásba kerülő mozgó szemcsék a érdességcsúcsokból mikroszkopikus méretű forgácsokat választanak le, illetve azokat képlékeny alakítással „belesimítják” az érdességárkokba. 6.5. ábra Tükrösítés 6.2. Lézeres hónolás Hagyományos hónolással az olaj hengerfelületen való megtapadását segítik, de a keletkezett karcok nem előnyösek a kenés szempontjából, mert a dugattyú mozgása során a gyűrű kiszorítja az olajat a karcokból. 239 6. Egyéb felületi technológiák 6.6. ábra Hagyományos és lézeres hónolás összehasonlítása Ezért a hónolási karcok helyett olajmegtartó olajzsákokat (zsebeket) alakítanak ki a felületen (6.6. ábra), aminek megvalósítására legalkalmasabb módszer a lézersugaras kezelés. Az eljárás egyik lehetősége szabályos geometriai alakzatok, mint pl.: • a felső holtpont közelében elhelyezkedő olajtároló terek; • az egész hengerfalra kiterjedő szabályos alakú olajzsákok kialakítása (6.7. ábra). 6.7. ábra Lézeresen hónolt hengerfelületek 240 EME 6. Egyéb felületi technológiák 6.8. ábra Grafit kiégetésén alapuló kezelés eredménye Másik lehetőség olajterek létrehozása a felületi mikroszerkezet lézeres módosításával, a grafit kiégetésével (6.8. ábra). Ez utóbbihoz tartozó lézeres technológia: • futófelület-besugárzás EXCIMER-lézerrel: ─ hullámhossz 308 nm (UV) ─ frekvencia 300 Hz ─ impulzusidő 25 ns • lézersugár tulajdonságai: ─ szélesség 3,4 mm ─ magasság 6,5 mm ─ intenzitás 25 mJ/mm˛ ─ 4-szeres besugárzás • hengerfelület kezelése: ─ motorblokk forgatása ─ lézerfej tengelyirányú mozgatása ─ besugárzott területek átlapolódása • anyagleválasztás (elgőzölögtetés): ─ grafitlamellák kinyitása ─ grafitkiégés és a mikronyomáskamrák (olajzsákok) kialakulása • fémes felület megolvasztása kb. 1 μm mélyen, aminek hatására: ─ a felület tükrösödik, ─ nanokrisztallitos szövetszerkezet alakul ki a hirtelen megszilárdulástól (szemcsenagyság 2–300 nm). 241 EME 6. Egyéb felületi technológiák Előny, hogy az olajtároló zsákok magából a mikroszerkezetből jönnek létre, és a fémes felület keménysége jelentősen megnő. A lézeres kezelés előnyösen befolyásolja a felületek tribológiai viselkedését. 6.3. Nyomtatott huzalozású elektronikai áramköri lapok gyártása A nyomtatott huzalozású áramköri lapok az elektronikai alkatrészek elektromos összekapcsolására és egyben hordozására valók, de sokszor a szerelés, vizsgálat és szerviz számára is tartalmaznak különféle információkat. A huzalozás kialakítható a különféle szigetelőanyagok egyik vagy mindkét oldalán. Az utóbbi esetben a két oldalt legtöbbször átfémezett furatok kötik össze. A huzalozással ellátott szigetelők összepréselésével elérhető, hogy a vezetékek több rétegben helyezkedjenek el egymás fölött. A nyomtatott huzalozású áramköri lapok lehetnek merevek és hajlékonyak. E két csoporton belül a rétegek száma alapján tovább is bonthatók. A merev nyomtatott huzalozású lapok jellemzője, hogy a szigetelőréteg nem hajlítható. Legegyszerűbbek az egyoldalas lapok, amelyeken a huzalozás a szigetelőanyag egyik oldalán helyezkedik el. Alkalmazási területük pl. az ipari elektronika, háztartási gépek automatikája. A kétoldalas nyomtatott huzalozású lapokon a huzalozást a lapok mindkét oldalán kialakítják. A két oldal elektromos összekötését átfémezett furatokkal oldják meg. A többrétegű nyomtatott huzalozású lapok úgy készülnek, hogy az egyes rétegeket a huzalozás kialakítása után összesajtolják, majd elkészítik a felületi huzalozást és az átmenőfuratokat. Így ez a típus belső vezetékeket, esetenként belső furatokat is tartalmaz. Alkalmazásuk a berendezések méretcsökkentésének egyik lehetősége. A hajlékony nyomtatott huzalozású lapok jellemzője a vékony, hajlítható szigetelőréteg. Készíthetők egy- és kétoldalas, valamint többrétegű kivitelben. Rendszerint ott alkalmazzák, ahol merev lapok elhelyezésére nincs lehetőség. Szalagkábel helyettesítésére is alkalmas.A nyomtatott huzalozású lapok rajzolatfinomság (vezetősáv és szigetelőköz szélességi mérete) alapján is osztályozhatók finom, normál és durva kategóriákba. A nyomtatott huzalozású lapok gyártásában a következő alapeljárásokat alkalmazzák: • szubtraktív, • féladditív, • additív és • fotoadditív. Az egyes eljárások alapanyagai eltérőek, de a szigetelőhordozó szerkezeti anyagai megegyeznek. A hordozó két fő szerkezeti anyaga a vázanyag és a kötőanyag. A merev nyomtatott huzalozású lapok alapanyagaiban leggyakrabban a következő párosításokban fordulnak elő: • rétegelt papír vázanyag és fenolgyanta kötőanyag, 242 EME 6. Egyéb felületi technológiák • rétegelt papír vázanyag és epoxigyanta kötőanyag, • üvegszövet vázanyag és epoxigyanta kötőanyag, • üvegszövet vázanyag és teflon kötőanyag. A hajlékony nyomtatott huzalozású lapok szigetelőanyagai hajlítható, esetenként hőálló műanyag (poliészter-, poliimid-) fóliák. A szigetelőrétegek vastagsága változó. A szubtraktív eljárás szigetelőanyagát elektrolitréz fólia fedi (általában 10; 17,5; 35; 70 μm vastagságban), amelyet ragasztással rögzítenek a hordozó egyik vagy mindkét oldalán. A féladditív és additív eljárások alapanyaga bontatlan szigetelőlemez, amelynek felületén tapadásfokozó réteget alakítanak ki. A fotoadditív eljárás alapanyaga speciális fotoérzékeny szigetelőlemez. 6.9. ábra Szubtraktív eljárás 1. fúrás; 2. aktiválás; 3. panelgalvanizálás; 4. maszkolás; 5. rajzolatgalvanizálás; 6. maszkeltávolítás; 7. maratás 243 EME 6. Egyéb felületi technológiák Szubtraktív eljárás Az átfémezett furatokat nem tartalmazó nyomtatott huzalozású lapok gyártásában a kifúrt alapanyagra pozitív maratómaszkot készítenek, és a fölösleges rezet maratással eltávolítják. A furatfémezett nyomtatott huzalozású lapok gyártásában a kifúrt alapanyagra leggyakrabban kémiai, illetve kémiai és galvanikus úton rezet választanak le. Ezt követően negatív maszkot készítenek, majd a lapok rajzolatát galvanizálják. A negatív maszk eltávolítása után a fölösleges rezet maratással szüntetik meg. Az előállítás folyamatát a 6.9. ábra szemlélteti. 6.10 ábra Féladditív eljárás 1. fúrás; 2. aktiválás; 3. panelgalvanizálás; 4. maszkolás; 5. rajzolatgalvanizálás; 6. maszkeltávolítás; 7. maratás 244 EME 6. Egyéb felületi technológiák Féladditív eljárás A borítatlan szigetelőre a fúrás után kémiai vagy kémiai és galvanikus módon rezet választanak le. Negatív maszk készítése után a rajzolatot galvanizálják. A maratás maratómaszk nélkül is elvégezhető. Ez esetben a furatok és a rajzolat rézzel borítottak. Az eljárás főbb lépései a 6.10. ábrán láthatók. Additív eljárás A borítatlan szigetelőlemezre a fúrás és a negatív maszk elkészítése után a rajzolatot kémiai rezezéssel készítik el. Az eljárást a 6.11. ábra szemlélteti. 6.11. ábra Additív eljárás 1. fúrás; 2. aktiválás; 3. maszkolás; 4. fémleválasztás; 5. maszkeltávolítás Fotoadditív eljárás A fotoérzékeny szigetelőlemez lehetővé teszi, hogy a gyártásban a maszkkészítés és maratás elmaradjon. A rajzolat megvilágításával aktiválják az alapanyagban levő katalizátort. A vezetékeket kémiai rezezéssel alakítják ki. Az eljárás lépései a 6.12. ábrán láthatók. Az ismertetett eljárások egymástól igen eltérő és sok esetben igen nagy számú műveletből álló 245 EME 6. Egyéb felületi technológiák • mechanikai, • kémiai és galván-, • fototechnikai és szitanyomási technológiákból épülnek fel. Az alapeljárások közül a szubtraktív eljárást alkalmazzák legszélesebb körben, annak ellenére, hogy az additív és fotoadditív eljárások látszólag egyszerűbbek. Ennek oka elsősorban az, hogy kémiai úton vastag (25 μm) és egyben kielégítő minőségű rézbevonat leválasztása nem egyértelműen megoldott. A művelet időigényes, az elektrolitok költségesek. 6.12. ábra Fotoadditiv eljárás 1. fúrás; 2. aktiválás; 3. megvilágítás; 4. előhívás; 5. fémleválasztás 6.4. Félvezető alapú elektronikai alkatrészek előállítása A szilícium a szilícium-dioxidban (SiO2) és a szilikátokban fordul elő. A szilíciumdioxid tisztasági fokától és kristályformájától függően lehet homok, kvarc, hegyikristály, kova- vagy tűzkő, féldrága- vagy drágakő (pl. achát, jáspis, opál, ónix). A szilíciumot rendszerint a szilícium-dioxidnak szénnel, magnéziummal vagy alumíniummal végzett redukciójából nyerik. Nagy tisztaságú szilícium állítható elő triklórszilán, azaz sziliko-kloroform (SiHCl3) hidrogén-atmoszférában, 1200 °C-on végzett termikus bontásával, majd zónás olvasztással. 246 6. Egyéb felületi technológiák 6.13/a. ábra Félvezető alapú elektronikai alkatrészek előállítása A félvezető eszközök fő részei a pn-átmenetek, azaz egykristályon belül p és n típusú – egymással közvetlenül érintkező – réteget tartalmaznak. A diódák egy, a tranzisztorok kettő, a tirisztorok három-négy, az integrált áramkörök nagyon sok pn-átmenetet tartalmaznak. Ilyen pn-átmenetek készítésének eljárásai – a planártechnológia alapvető műveletei – a következők lehetnek (6.13/a. ábra): • az ötvözés során három vagy öt vegyértékű elemet („akceptort” vagy „donort”) visznek be pl. ionimplantációval; • a diffúzió során a szilíciumlapkára felviszik a diffúziós anyagot, ami a 700– 1300 °C hőmérséklet-intervallum meghatározott értékén adott idő alatt a kívánt mélységbe diffundál; pl. egy npn tranzisztor elkészítéséhez két diffúzióra van szükség: először bórdiffúzióval p-réteget, majd foszforral n-réteget állítanak elő. • az epitaxiális rétegnövesztés során szilárd Si-egykristály alapra gőzfázisból más szennyezésű réteget növesztenek úgy, hogy a kialakuló réteg szerkezete az alappal azonos legyen; pl. 1000 °C körüli hőmérsékleten szilíciumtetrakloridot (SiCl4) és vele együtt arzén-trikloridot (AsCl3) redukálnak hidrogénnel: SiCl4 + H2 → SiCl2 + 2HCl ⇒ SiCl2 → Si + SiCl4, illetve 2AsCl3 + 3H2 → 2As + 6HCl. Az így keletkezett elemi Si és As tovább építi a Siegykristályt. Ha az alap p-típusú, akkor az arzénnal szennyezett 10–15 μmes réteg pn-átmenetet képez. A Si-alapú integrált áramkörök (IC = Integrated Circuit) gyártásakor (6.13/b. ábra) p típusú Si-szeleteken néhány ezer Å vastag SiO2 réteget hoznak létre. A SiO2 segítségével valósítható meg a maszkolás, mivel az a diffúziót megakadályozza. Fotoreziszt technikával (6.13/c. ábra) a kívánt helyeken az oxidot megvédik, viszont a diffúzióra kijelölt helyeken hidrogén-fluoridos maratással eltávolítják, „ablakot” nyitnak rajta. As-diffúzió után kb. 10 μm vastag epitaxiális n-réteget hoznak létre és ebből szigetelő bórdiffúzióval (p típusú) alakítják ki a kollektorrétegeket. A kollektor alatt általában egy foszfordiffúziós – erősen szennyezett n+ – réteg helyezkedik el. A bázist és az ellenállást egyidejűleg alakítják ki bórdiffúzióval. Az emitter- és a kollektorkontaktus erősen szennyezett n+ réteg. 247 6. Egyéb felületi technológiák 6.13/b. ábra Félvezető alapú elektronikai alkatrészek előállítása 248 6. Egyéb felületi technológiák 6.13/c. ábra Félvezető alapú elektronikai alkatrészek előállítása Az oxidált felületen fut az Al-vezetőhálózat, mely csak az emitter (E), a bázis (B), a kollektor (C) és az ellenállás végpontjain érintkezik a félvezetővel, a többi részen a SiO2-réteg szigetel. A szeleteket elemekre (chipekre) szétválasztják, szerelőszalagra forrasztják, és 25 μm-es aranyhuzallal kötéseket létesítenek az elemek és a kivezető lábak között. Pl. fröccssajtolással műanyag házat készítenek, a lábakat behajtják és ónozzák. 6.5. Bevonatos kompozitok készítése Bevonatos kompozitokat kopásálló, hőálló, korrózióálló, elektromos-, illetve hőszigetelő vagy dekoratív (meghatározott színű, fényű, avagy fényvisszaverő) felületi réteggel ellátott anyagok képezik (6.14. ábra). A bevonatos kompozitoknál (6.1. táblázat) az alapanyag a teherhordozó, a bevonat a mátrixanyag károsodással szembeni ellenállását javítja, hiszen a legtöbb tönkremeneteli folyamat a felületről indul ki. Fémmátrixú kompozitok közül közismertek a teflonnal (PTFE) bevont konyhai edények és a borotvapengék. Az ipar249 6. Egyéb felületi technológiák ban főleg sikló felületek bevonására, nagyobb hőmérsékleten korrózióálló védőrétegként alkalmazzák a teflont. PVC-bevonattal ellátott acélhuzalból légköri korróziónak tovább ellenálló kerítésfonatot, míg hasonló bevonatú alumínium- vagy rézhuzalból szigetelt elektromos kábelt készítenek. Cinkbevonattal korrózió ellen védett lemezeket és csöveket készítenek. Dekoratív és korrózióálló krómozott fémalkatrészekből különféle szerelvényeket gyártanak. Acél és öntöttvas edények felületét zománcozással teszik ellenállóbbá és esztétikusabbá. Polimermátrixú kompozitok közé tartoznak pl. a műanyagfólia bevonatú bútorlap, faforgácslap, illetve azok a bioanyag-mátrixú kompozitok, amelyeket környezeti hatásokkal szemben bevonatolással védenek. A kerámiamátrixú kompozitok jellegzetes példája a szintén kerámiabázisú mázakkal ellátott kerámiacsempe, -padlólap vagy edény, melyek felülete a fellép(het)ő koptató hatásoknak sokkal jobban ellenáll. 6.14. ábra Bevonatos kompozitok összetevőinek funkciói A bevonatos kompozitok egy része az ún. gradiens anyagok közé tartozik. Ez azt jelenti, hogy mikroszerkezetük és/vagy összetételük megtervezett, ennek révén fokozatos változásokat tartalmazó darabok (pl. gázturbinalapátok és azok többrétegű hőálló bevonata) gyártására alkalmasak, a várható üzemelés helyileg változó követelményeinek megfelelően. Korszerű alternatívái a bevonatalkotóknak az ún. kvázikristályos szerkezetű anyagok. A kvázikristály hosszú távú rendezettséget mutat, de aperiodikus szerkezettel rendelkezik, azaz a bázisismétlődési távolság változó. Összetételüket tekintve a kvázikristályos anyagok intermetallikus fázisokból (pl. Al65Cu20Fe15, Al93Mn5Ce2) állnak, melyek plazmaszórt bevonatként nagy keménységűek, kis súrlódási együtthatójúak, mérsékelt hővezetőképességűek, oxidációval és korrózióval szemben jó ellenállást tanúsítanak. 250 EME 6. Egyéb felületi technológiák 6.1. táblázat. Példák bevonatos kompozitokra összetétel Alapmátrix jelleg Polimermátrixú kompozitok Fémmátrixú kompozitok Kerámiamátrixú kompozitok pozdorjalap faforgácslap textil Al, Cu acél, öntöttvas acél TiO2, CaO stb. + bevonatanyag = (vagy burkolóanyag) kompozit összetett anyag (vagy termék) fafurnér lemez műanyag fólia PVC PVC zománc(üveg) TiO2, CaO stb. acél bútorlap bútorlap textilalapú műbőr elektromos kábel zománcozott edény bevonatos hegesztőelektróda porbeles hegesztőelektróda mázas cserépedény és kristályos oxidkerámia üvegkerámia csempe, illetve padlólap kerámialapka gyémánt, TiN (CVD-vel) forgácsolószerszám-lapka A légi közlekedés járműveinek – gazdaságossági és környezetvédelmi szempontok motiválta – hatásfoknövelése legeredményesebben a turbinák belépő hőmérsékletének növelésével érhető el. Tehát a turbinák első fokozataival szemben követelmény a nagy melegszilárdság, oxidáció- és korrózióállóság. Ezen követelmények kielégítéséhez – a lapátok anyagának és hűtéstechnikájának javítása mellett – különleges bevonatokat (gradiensanyagokat) is alkalmaznak. Pl. a Ni-alapú szuperötvözet felületére először Ni-Cr-Al-Y ötvözetből oxidációálló tapadóréteg kerül, ami biztosítja a ZrO2-Y2O3 kerámia fedőbevonat jó kötését. 6.6. Fémszínezés A fémszínező eljárásokkal a fémek és fémbevonatok színét lehet módosítani vagy megváltoztatni. Célja legtöbb esetben a díszítő kikészítés. Az eljárások között kémiai és elektrokémiai módszerek ismeretesek. Fontos az alapfém kifogástalan előkészítése. Azonos színt csak az azonos állapotú alapanyagokon lehet előállítani. Azonos összetétel esetén is más a réteg színe öntvénynél és fémbevonatnál. A fémszínezést általában mártó eljárással végzik, amit alapos folyó vizes, iontalanított meleg vizes öblítés, végül szárítás követ. A díszítőhatás növelésére rongykorongos fényesítést is alkalmazhatnak. A szín védése céljából a munkadarabokat színtelen lakkréteggel vonják be. Vas és ötvözeteinek színezése Gyakori eljárás a futtatási szín kialakítása acélfelületen. Ötvözetlen acéloknál ez a következő hőmérsékleten következik be: • világossárga, 225 °C; 251 EME 6. Egyéb felületi technológiák • sárga, 235 °C; • sárgásbarna, 245 °C; • barnától vörösesbarnáig, 258 °C; • bíborvörös, 270 °C; • barnásvörös, 280 °C; • kék, 295 °C; • sötétkék, 315 °C. A feketítő oldatok a korrózióvédelmet is szolgálják. Saválló acélokon fekete szín állítható elő a következő összetételű oldatban: kénsav 1 l + nátrium-dikromát 13 g/l 18–25 °C-on, a kezelési idő 5–10 perc. Réz és ötvözeteinek színezése A leggyakrabban alkalmazott fém és fémbevonat, amelyet színezni szoktak. 5– 10 g/l kénmájoldat (kálium-poliszulfidok) szobahőmérsékleten vagy 60–70 °C-on néhány perc alatt színez. A szín először vörösesbarna, aztán barna és 4–5 perc után kékesfekete. Szobahőmérsékleten érhető el a barnásfekete szín, ha 1 l vízben 10 g kénmájat és 10 g ammónium-kloridot oldanak, és a munkadarabokat belemártják. A hőmérséklet növelésével a színezés folyamata gyorsítható. Mélyfekete színű lesz a rézfelület, ha 100 °C-ra melegített 50 g/l nátrium-hidroxid oldathoz 10 g porított dikálium-peroxo-diszulfátot adnak, és kb. 5 perc időtartamra a színezni kívánt munkadarabokat belemártják. A sárgaréz színezésére a leggyakrabban használt oldatösszetétel: 1 l 25%-os arnmónium-hidroxid oldat, amelyben 200 g diréz-dikarbonát-dihidroxid (bázisos réz-karbonát) van. Az oldat hőmérséklete 30– 40 °C. A fémfelületen fekete vagy kékesfekete szín képződik. Az egyenletes szín eléréséhez bizonyos cinkmennyiség oldatba jutása előnyös. Alumínium és ötvözeteinek színezése Az anódos oxidréteg színezhetősége, valamint a színes oxidréteg előállításának lehetősége csökkentette az alumínium hagyományos régi színezését. Barnásfekete szín állítható elő olyan oldatban, amely 1 l vízben 10 g káliumpermanganátot, 25 g réz(II)-nitrátot és 4 cm3 tömény salétromsavat tartalmaz. A színezés hőmérséklete 80–100 °C. 5 perc után világosbarna, 30 perc múlva pedig már fekete lesz az alumíniumfelület. Szintén fekete szín előállítására alkalmas a következő oldat 82 °C hőmérsékleten: 15 g/l ammónium-[tetraoxo-molibdenát(VI)] + 30 g/l ammónium-klorid + 8 g/l bórsav + 8 g/l kálium-nitrát. Cink és ötvözeteinek színezése Csak a fekete színű réteg ad megfelelő tapadást a cink felületén. Ilyen összetétel: réz(II)-szulfát – víz (1/5) 45 g/l + kálium-klorid 45 g/l. Az oldat hidegen használható. 30 g/l ammónium-[tetraoxo-molibdenát(VI)] + 47 cm3/l tömény ammónium-hidroxid oldatában szobahőmérsékleten szintén fekete színű felület alakítható ki. 252 EME 6. Egyéb felületi technológiák Egyéb fémek színezése Nikkel feketére színezhető szobahőmérsékleten, ha az oldat összetétele a következő: 1 l vízben 0,5 g kálium-tiocianát + 5 cm3 tömény kénsav + 25 cm3 hidrogénperoxid. A pH = 1,2 kell legyen, a kezelési idő 15 perc. Ónfelületet feketére lehet színezni 5 térfogatszázalékos tömény salétromsavból készült oldatban, amely 3 g/l réz(II)-szulfát – víz (1/5)-et is tartalmaz. Ez az oldat cinkötvözetek antikolására is használható. A kadmium felülete feketére színezhető 60 g/l kálium-klorát és 35– 40 g/l réz(II)-nitrátot tartalmazó oldatban. Ezüstöt 0,3–3%-os ammónium-poliszulfid oldatban, szobahőmérsékleten lehet feketére színezni. 6.7. Átmeneti korrózióvédelem Az átmeneti korrózióvédelem fémfelületek szállítás, tárolás, állásidő alatti, illetve műveletek közötti ideiglenes védelme. Főleg kohászati féltermékek, fémalkatrészek, gépek, készülékek, berendezések és műszerek korrózióvédelmére alkalmazzák. A védelem időtartama a védőanyag fajtájától és a tárolás jellegétől (zárt, fedett, szabadtéri) függően igen széles tartományban mozog (1–2 hónaptól több évig terjedhet). Az átmeneti korrózióvédelem a következő esetekben lehet indokolt: • ha a védendő tárgy félkész termék (pl. rúd, cső, lemez, idomvas), és más telephelyen dolgozzák fel tovább; • ha állandó korrózióvédő bevonat (pl. festék, műanyag) a további feldolgozást zavarná; • ha az egyes munkafázisok között is védeni kell a termékeket; a rövid ideig tartó védelmet a megmunkáláshoz használt hűtő-kenő emulziók biztosítják; • ha berendezések, alkatrészek, műszerek hosszabb ideig tartó szállítása agresszív körülmények között (pl. tengeri szállítás) történik, de különösen, ha a megérkezés után még hosszabb tárolásra is számítani kell; • ha gépek, berendezések időszakos üzemszünetében, pl. a mezőgazdaságban, az árvízvédelemben, a tűzoltóságnál, a honvédelemben és a közlekedésben az időszakosan működtetett gépeket, járműveket a korróziós szempontból legártalmasabb időszakokban részben szabadban vagy fedett téren tárolják. Az átmeneti védőanyagokat két nagy csoportba sorolják: átmeneti védőbevonatot képező anyagok és csomagolóanyagok, illetve csomagban ható védőanyagok. Az átmeneti védőbevonatot képező anyagok lehetnek: • védőolajok, • védőzsírok, • védőviaszok, • bitumenalapú védőanyagok, • védőlakkok, • védőemulziók, • fémpigmenttartalmú védőanyagok, 253 EME 6. Egyéb felületi technológiák • primerek. A csomagolóanyagok és csomagban ható védőanyagok lehetnek: • csomagolópapírok és -fóliák, • inhibitorok és páracsökkentők. Az átmeneti anyag felhordása előtt a felületet elő kell készíteni. Az előkészítés a felületi szennyezettség jellegétől függően zsírtalanításból, oxidmentesítésből és szárításból állhat. A megfelelően zsírtalanított és oxidmentesített felületet szárítani kell, mert még a vízkiszorító adalékot tartalmazó védőanyagok is csak igen enyhén nedves felületre hordhatók fel. A szárítás legegyszerűbb módja a felület lefúvatása nagynyomású levegővel, esetleg meleg levegővel vagy túlhevített gőzzel. De végbemehet a vízmentesítés ún. vízkiszorító folyadékokkal is, amelyeknek fő alkotója egy nagy lobbanáspontú, szénhidrogén-alapú oldószer, legfontosabb adaléka pedig valamilyen vízkiszorító anyag. A vízkiszorító folyadékba mártott felületekről a víz kiszorul, részben vagy egészen cseppek alakjában leválik, és a tartály aljára ülepedik. A tartályból kiemelt darab a levegőn megszárad. Az átmeneti korrózióvédő anyagok felhordásának több módszere ismert, ezek: • ecsetelés, • bemerítés, • szórás. Az ecsettel való felhordás a festéshez hasonló. Előnye, hogy nincs szükség költséges berendezésre, hátránya, hogy gazdaságtalan módszer, és a kialakított bevonat rétegvastagsága nem egyenletes. Alkalmazása főleg a szórással felhordott bevonatok kiegészítő védelmére ajánlható. Javasolható még a nehezen hozzáférhető helyeken, erősen tagolt felületek átmeneti védőanyaggal való ellátására is. A bemerítéssel való védőanyag-felhordás biztonságos és kényelmes módszer, de a felhordott védőanyag jellege erősen befolyásolja a műveletet. Aránylag legegyszerűbb az olajok felhordása, mert a fürdő hőmérsékletével a kialakított réteg vastagsága befolyásolható. Oldószeres készítmények felvitelénél figyelembe kell venni a tűz- és egészségvédelmi előírásokat. A zsírok felvitelénél két dologra kell ügyelni. A bemerítés hőmérséklete kb. 30 °C-kal legyen a zsír cseppenéspontja felett, de mivel nagy hőmérsékleten a zsírok megsötétednek, tanácsos ezt a felhordási módszert csak közepes cseppenéspontú védőanyagokra alkalmazni. A másik fontos szempont, hogy az ún. irreverzibilis zsírokat nem lehet bemerítéssel felhordani, mert ezek melegítéskor irreverzíbilisen szétválnak. Viasz- és bitumenalapú készítményeket általában nem hordanak fel bemerítéssel. A módszer előnye, hogy tagolt felületek is bevonhatók a védőanyaggal; hátránya, hogy nagyobb darabok védelme ezzel a módszerrel nehézkes. A leghatékonyabb és legtermékenyebb felhordási módszer a szórás, amely nagy felületek sorozatos bevonására is alkalmas, de megfelelő nyomólevegő és elektromos csatlakozás szükséges ehhez a technológiához. Természetesen itt is figyelembe kell venni az eljárás korlátait, nevezetesen, hogy az irreverzibilis zsírok ilyen módon nem hordhatók fel, a reverzibilis félszilárd anyagok is csak olvadt állapotban, melegen. 254 EME 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.1. Vizuális vizsgálatok A 7.1. ábra bemutatja a vizuális – azaz szemmel érzékelhető eredményt produkáló – vizsgálatok egy általános folyamatábráját, pontosabban alapvető szempontjainak rendszerét. Mivel szemünk felbontóképessége korlátozott, már a makroszerkezet vizsgálatához is szükségessé válhat valamilyen optikai nagyítóeszköz igénybevétele. A vizsgálati feladat tanulmányozása valamilyen konkrét termék (anyag, konstrukció) gyártásához (technológia) kötődő minőségellenőrzés megtervezésekor jut érvényre, amikor meg kell határozni, hogy a gyártás mely szakaszai után (milyen termékállapotban), a termékek mely rész(let)ein és mekkora hányadán (milyen terjedelemben), a lehetséges módszerek és eszközök melyikével (milyen hozzáférhetőséggel) indokolt, illetve célszerű vizsgálatokat végezni. Az is előfordulhat, hogy nemcsak gyártásban lévő, hanem már használatban (üzemeltetés alatt) álló vagy éppen tönkrement (pl. kárt, illetve balesetet okozó) termék értékelése az ilyen vizsgálatok célja. Mindegyik esetben szükségessé válik – a vizsgálat szakszerű kivitelezését, megbízható kiértékelését szolgáló – elégséges szintű (de csak feltétlenül szükséges mértékű) felületelőkészítés, -tisztítás. Továbbá – vizuális vizsgálatokról lévén szó – különösen fontos a megfigyelési feltételek optimális biztosítása, ami nemcsak megfelelő erősségű és egyenletességű fényforrást, hanem káprázatmentes (a szem hunyorítását és könnyezését nem kiváltó) és kontrasztot (árnyalatkülönbségeket) adó megvilágítást is jelent. A kontraszt adódhat jelentős színeltérésekből (színkontraszt) vagy számottevő fény-árnyék különbségekből (intenzitáskontraszt). Ugyancsak fontos a felhasználandó optikai és mérőeszközök megfelelő előkészítése (épségének és teljességének ellenőrzése), kipróbálása (működőképességének ellenőrzése), valamint etalontesztje (a rá vonatkozó pontosság meglétének ellenőrzése), röviden: minőségképességének biztosítása. Az ilyen szemrevételezéses vizsgálatok első feladata – aminek tulajdonképpen meg kell előznie a makrogeometria vizsgálatát – az anyag, illetve a termék rendelkezésre álló dokumentumok, információk szerinti azonosítása, azaz annak megállapítása, hogy azt vizsgál(hat)juk-e, amit szándékoztunk. Ugyancsak ezen vizsgálatok kezdetekor kell kiszűrni az olyan „durva” (nem korrigálható alak- és mérethelyességi) eltéréseket, amelyek funkcionális alkalmatlanságot jelentenek. Az ilyen korai selejtkiválogatással megtakarítható a már feleslegesen el nem végzett további vizsgálatok idő-, anyag- és munkavonzata. 255 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.1. ábra Vizuális és optikai vizsgálatok folyamata 256 EME 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Az alak és a jellemző méretek vizsgálata szabad szemmel és a méréstechnika (metrológia) eszközeivel (7.2. ábra) történhet: • az alakvizsgálat főbb eszközei: az egyenességet ellenőrző élvonalzó, a profilosságot ellenőrző alaksablonok és alakidomszerek, határidomszerek; • a méretvizsgálat főbb eszközei: mérőszalag, mérőléc, mérővonalzó, tolómérők, mikrométerek, mérőkörzők, mérőlupe, méretidomszerek, hézagmérők, mérőhasábok, idomtestek, etalonok; • az alak- és méretvizsgálat jellegzetes eszközei: mérőórák (mérőállvánnyal), szögmérők, szögidomszerek, projektorok (profilkivetítők), mérőmikroszkópok. (Az idomszerekkel egy adott konkrét geometriai jellemző, illetve annak egy meghatározott tűréshatáron belülisége ellenőrizhető egyszerűen, gyorsan, főként tömeggyártáskor.) A felületvizsgálat – melynek néhány eszköze szintén a 7.2. ábrán látható – célja lehet a felületállapot (elváltozások, hiányosságok, bevonat, esztétika) és a felületi érdesség vizsgálata: • a felületállapot vizsgálata történhet tükrökkel, kézi nagyítóval, lupéval, illetve mikroszkóppal (külső felületeken); endoszkóppal, fiberszkóppal, videoszkóppal (belső felületeken); továbbá a 7.2. alfejezetben szereplő roncsolásmentes vizsgálatokkal: folyadékbehatolásos, mágnesezhető poros és örvényáramos eljárással; • felületi érdességvizsgálat végezhető összehasonlítással és objektív méréssel: ─ az első esetben a felületet etalonokkal (a különböző érdességi osztályoknak megfelelő felületmintákkal) hasonlítják össze szemrevételezés, illetve körömmel való karcolás útján. Ez magában hordozza a szubjektív hibák (tévedések) lehetőségét és ezáltal a vizsgálat kisebb megbízhatóságát; ─ a másik esetben az érdesség tényleges mérését lehetővé tevő, objektív információkat szolgáltató (finommechanikai, optikai, elektronikus, pneumatikus) műszerek alkalmazásával végzik a vizsgálatot. Gyakori megoldás, hogy egy nagy keménységű, precíziósan kialakított, kúpos tapintócsúcs a kijelölt alaphosszon végigtapogatja a felületet, és kirajzolja az érdességprofilt, illetve azt kiértékelve megadja Ra és Rz számértékét (lásd a 2.1.2. alfejezetben). Az anyagok mechanikai terhelhetőségét (különösen húzó, hajlító és csavaró igénybevétel esetén) és károsodásállóságát jelentősen is befolyásol(hat)ó felületi, illetve felületközeli anyaghibák veszélyességének megítéléséhez szükséges: • a hiba helyének pontos behatárolása, • a hiba orientációjának – a várható terhelés irányához képesti helyzetének – tisztázása, • a hiba fajtájának (karcolás, repedés, kötéshiány, üreg, zárvány, pórus stb.) azonosítása, • a hiba jellemző méretének meghatározása, • a hiba térbeli és időbeli gyakoriságának (hely és idő szerinti előfordulása statisztikai jellegének) megállapítása. 257 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.2. ábra (I.) Vizuális és optikai vizsgálatok eszközei 258 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.2. ábra (II.) Vizuális és optikai vizsgálatok eszközei 259 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.2. ábra (III.) Vizuális és optikai vizsgálatok eszközei 260 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.2. ábra (IV.) Vizuális és optikai vizsgálatok eszközei 261 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.2. ábra (V.) Vizuális és optikai vizsgálatok eszközei 262 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.2. ábra (VI.) Vizuális és optikai vizsgálatok eszközei 263 EME 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése A vizsgálati eredmények rögzítése számszerű és szöveges adatok feljegyzése, illetve rajzi vázlatok készítése mellett történhet analóg vagy digitális fényképezőgép (fotó), számítógép (adatbázis), videokamera (mozgókép) igénybevételével. A vizsgálati eredmények értékelése többféle megállapításhoz vezethet. • a termék megfelelő; • a termék nem megfelelő, ebben az esetben javítható vagy nem javítható selejtről beszélhetünk (a selejtjavítás után a szükséges vizsgálatokat újra el kell végezni!); • bizonyos vizsgálat eredménye nem egyértelmű, ezért azt meg kell ismételni; • az elvégzett vizsgálatok eredményei egyértelműek, de mérési korlátaik miatt nem adnak szükséges mélységű információt, ezért további (pl. az anyagtérfogatot is elemző) vizsgálatok (ultrahangos, radiográfiai) szükségesek. Amennyiben valamelyik vizsgálati módszer segédanyag felületre vitelét tette szükségessé, akkor a segédanyag maradékait el kell távolítani. A vizsgálati eredmények dokumentálása a vonatkozó formai és tartalmi követelményeket kielégítő jegyzőkönyvben történik, amit a vizsgálatért felelős személyeknek aláírásukkal hitelesíteniük, majd megfelelő körülmények között archiválniuk kell. 7.2. Roncsolásmentes vizsgálatok Ahogyan arra már utalás történt, ezek alkalmazhatók a vizuális felületvizsgálatokhoz is. Fő alkalmazási céljuk azonban az anyagoknak, illetve anyagfelületeknek makroszerkezeti folytonosságát (kontinuitását) megszakító folytonossági hiányok felderítése, különös tekintettel a hibákra. Általában azok a folytonossági hiányok tekintendők hibának, amelyek jellemző mérete meghaladja a megengedett határértéket. Mivel a hibák megtalálása és veszélyességük megítélése a cél, ezért ezeket a vizsgálatokat hibakereső vagy más szóval defektoszkópiai (hibamegjelenítő) eljárásoknak is nevezik. A vizsgálati feladat tehát kettős: • egyrészt a folytonossági hiány jelenlétének kimutatása, helyzetének (orientációjának), alakjának, gyakoriságának, jellemző méreteinek meghatározása; • másrészt a kimutatott folytonossági hiány értékelése abból a szempontból, hogy jelenléte és várható hatása az anyag felhasználása, illetve a termék rendeltetésszerű használata szempontjából megengedhető-e vagy sem, azaz hibának minősül-e. A fontosabb roncsolásmentes vizsgálati eljárások között kiemelt jelentősége van a 7.1. alfejezetben ismertetett szemrevételezésnek, azaz a vizuális vizsgálatnak, amely kis eszközigénye és viszonylagos gyorsasága révén széles körben alkalmazható, illetve alkalmazandó, de megfelelő szakértelem ennél sem nélkülözhető. A következőkben ismertetendő további vizsgálatok elsősorban a szemmel nem vagy nem jól (nem megbízhatóan) észlelhető folytonossági hiányok kimutatását célozzák. Ezekben a módszerekben közös, hogy a megfigyelt és értékelt 264 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése jel(zés) külső forrásból származik, azaz a felhasznált eszközök állítják elő, általában a vizsgálandó anyag, illetve gyártmány statikus, rendszerint még terheletlen (nem üzembe helyezett) állapotában. Folyadékbehatolásos vizsgálatnál (7.3. ábra) az alaposan megtisztított (1), 50 °C-nál nem melegebb, száraz és nem nedvszívó anyagfelületre felvitt élénk színű vagy UV fényben fluoreszkáló, hígfolyós (penetráló, behatoló) jelzőfolyadék kapilláris hatás révén a felületre nyíló repedésekbe, üregekbe beszívódik (2). Néhány perc várakozási idő elteltével, a felületen feleslegben maradt (folytonossági hiányokba nem beszívódott) jelzőfolyadék eltávolítása (3) után nagy nedvszívóképességű (higroszkópos) és kontrasztot adó „előhívót” visznek egyenletesen vékony rétegben a felületre (4). Ez az előhívó a korábban beszívódott jelzőfolyadékot a felületre nyíló folytonossági hiányokból kiszívja, ezáltal azok megfelelő erősségű és egyenletes megvilágításban, a szélesebb folyadéknyom révén már jól láthatóvá válnak (5). 7.3. ábra Hibakimutatás folyadékbehatolásos vizsgálattal Mágnesezhető-poros vizsgálat (7.4. ábra) során a vizsgálandó ferromágneses (pl. vas-, kobalt- vagy nikkelalapú) anyagot vagy annak egy részét két elektróda (pólus) között telítettségig (túltelítésmentesen) felmágnesezik, miközben finomszemcsés mágnesezhető porral vagy annak hordozófolyadékkal képezett szuszpenziójával a felületet bevonják. A felületi, illetve a felület alatti folytonossági hiányokat kitöltő levegő, gáz vagy szilárd zárvány mágnesezhetősége sokkal (kb. ezerszer) rosszabb a vizsgált anyagéhoz képest, ezért az addig közel párhuzamos mágneses erővonalak ezeken a helyeken (nagy mágneses ellenállásuk miatt) nem tudnak átjutni, hanem megkerülve azokat ún. szórt fluxust hoznak létre. E szórt mágneses mező helyén a mágnesezhető por rendeződése, illetve helyi sűrűsödése jön létre, és ezáltal a folytonossági hiányok (elsősorban a repedések) helye láthatóvá válik. A repedések kimutathatósága akkor a legjobb, ha síkjuk (közel) merőleges az erővonalakra, ezért a vizsgálatot több, de legalább két egymásra merőleges irányban vagy kétféle eljárással – egymáshoz képest merőleges erővonalakat produkáló pólus-, illetve árammágnesezéssel – célszerű elvégezni. Ha a vizsgálat folytán az anyagban keletkezett remanens (visszamaradó) mágnesesség nem engedhető meg, gondoskodni kell a demagnetizálásról. Hamis indikációt (hibajelzést) adhat felületi karc, durva érdesség, sőt diamágneses keményforrasz is a ferromágneses darabok kötésében. A hibajelek regisztrálhatók leírással, vázlattal, fényképfelvétel265 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése lel, átlátszó tapadófóliával vagy lakkal, videofelvétellel stb. Nem mágnesezhető bevonat rétegvastagság-mérése is megoldható mágneses indukciós módszerrel. 7.4. ábra Mágnesezhető-poros vizsgálatok Örvényáramos vizsgálatnál (7.5. ábra) az elektromosan vezető anyag felett egy nagyfrekvenciájú váltóárammal táplált tekercset (szondát) vezetnek végig állandó távolságban. A tekercs a munkadarab felületére merőleges irányú primer mágneses teret (H1) hoz létre, ami az anyagban ún. örvényáramokat (I2) indukál, melyek saját mágneses tere (H2) visszahat a tekercs áramára (I1), mint egy transzformátor szekunder árama a primerre. Minél nagyobb a keletkező örvényáram, illetve annak primerrel ellentétes mágneses tere, annál nagyobb az indukáló tekercs áramfelvétele. Ha a tekercs folytonossági hiány (repedés) fölé ér, nem tud kialakulni nagy örvényáram, így a vizsgáló tekercsben sem folyik erős áram. A tekercshez kapcsolt műszer ezt a változást érzékelve mutatójának kitérésével (továbbá a készülékbe épített hang- és/vagy fényforrás [pl. LED] jelzésével is) mutatja a felületi vagy felület alatti folytonossági hiány helyét. Az örvényáram, illetve az általa létrehozott mágneses tér nemcsak folytonossági hiányokra, hanem összetételi, anyagszerkezeti, hőkezelési, keménységi stb. változásokra is reagál, azaz még festékbevonat alatt is kimutatja az ilyen jellegű különbségeket. Azt, hogy az örvényáramok milyen felülettől mért mélységig képesek folytonossági hiányokat, illetve anyagbeli eltéréseket kimutatni, a vizsgált anyag elektromos és mágneses tulajdonságai (vezetőképesség, permeabilitás), illetve a vizsgálati frekvencia határozzák meg. Lehetőség van továbbá elektromosan szigetelő bevonat vastagságának, illetve egyenletességének mérésére is, ha azt elektromosan vezető anyagon hozták létre. 266 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.5. ábra Örvényáramos vizsgálat elve és eszköze 7.3. Fénymikroszkópi vizsgálatok E vizsgálatok jellemzője, hogy az anyagfelületeket, illetve az adott anyagból készült próbatest maratlan (mikrorepedések, zárványok megfigyeléséhez) vagy maratott (fázisok, szemcsehatárok, réteghatárok megfigyeléséhez) csiszolatát (polírozott, megfelelő kémiai szerrel kezelt síkmetszetét) nagyobb nagyításban, optikai eszköz segítségével vizsgáljuk. Minőségi (kvalitatív) vizsgálatokkal a fázisok, szövetelemek jelenlétének vagy hiányának, jellegének, alakjának, eloszlásának, orientációjának megfigyelése a cél. Mennyiségi (kvantitatív) vizsgálatok során valamilyen mérőszámot határoznak meg az egyes fázisok, illetve szövetelemek kiterjedésére, arányára vonatkozóan. Gyakran alkalmazott módszer a képösszehasonlító eljárás, azaz általában százszoros nagyítású mikroszkópi képet összehasonlítanak előkészítve rendelkezésre álló (pl. szabványos) etalonkép-sorozattal vagy jellegzetes mikroszerkezeti képeket tartalmazó fotósorozattal. Ezek alapján megbecsülhető, hogy a mikroszkópi látvány a képsorozat melyik tagjához hasonlít legjobban, és az ahhoz tartozó kvalitatív és/vagy kvantitatív adatokkal jellemezhető a kérdéses mikroszerkezet. 267 EME 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése A mikroszkópi vizsgálatokhoz tehát a vizsgálandó anyagból mintát kell kimunkálni és azt megfelelően elő kell készíteni, ami pl. üzemelő szerkezetek alkatrészei állapotának nyomon követésekor nem járható út. Az ún. replikavizsgálattal roncsolásmentesen lehet tanulmányozni nem megbontható alkatrészek anyagait. Az anyagfelületről – a helyszínen elvégzett finompolírozás, és maratás után – pl. egy képlékeny műanyag fólia segítségével lenyomatokat vesznek és a továbbiakban ezeket vizsgálják optikai fénymikroszkóppal és/vagy pásztázó elektronmikroszkóppal. A replikaminta – jellegénél fogva – a valós „domborzati viszonyok” fordítottját mutatja, így pl. a szemcsehatár menti üregek a minta síkjából „kifelé állnak”. Legelterjedtebb vizsgálóeszköz a fémek (és más átvilágíthatatlan anyagok) mikroszerkezetének tanulmányozására kifejlesztett fémmikroszkóp, melynek elterjedt változatát az 7.6/a. ábra vázlata mutatja. A pontszerű fényforrás (F) által kibocsátott széttartó fénysugarak a kondenzátorlencsé(ke)n (K) párhuzamosodnak, illetve összetartóvá válnak, majd a látótér-fényrekeszen (L) keresztül egy prizmára (P1) jutnak, amely 90°-os eltérítés után az esetlegesen alkalmazható színszűrőkön (Sz) át újabb 90°-ban eltérítő prizmára (P2) vetíti azokat. Ezután a fénysugarak áthaladnak az apertúra-fényrekeszen (A) és a részben tükröző, részben áteresztő illuminátor (R) közvetítésével (azon eltérülve) az objektíven (Ob) keresztül a próbatest (Pr) csiszolatát megvilágítják. 7.6/a. ábra Fémmikroszkóp felépítése és képalkotása 268 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.6/b. ábra Fémmikroszkóp felépítése és képalkotása A csiszolatról a cserélhető objektívbe (Ob) visszaverődő képalkotó sugaraknak (7.6/b. ábra) az illuminátoron (R) áthaladó része újabb eltérítő (penta)prizmán (P3) át a cserélhető okulárba (Ok1), illetve a vizsgáló személy szemlencséjébe jut. Lehetőség van fényképfelvétel készítésére is a P3 prizma megfelelő helyzetbe való forgatásával. Ilyen módon az illuminátor felől érkező képalkotó fénysugarak a fotóokuláron (Ok2) keresztül a C jelű toldathoz csatlakoztatható fényképezőgépbe jutnak. A látótérfényrekesz (L) szűkítésével elérhető, hogy a csiszolatnak csak a mikroszkóp látóterébe „férő” része kapjon megvilágítást, és így a képminőséget rontó külső reflexiók jelentősen csökkenthetők. Az apertúra-fényrekesz (A) az optikai tengellyel nagyobb szöget bezáró, lencsehibák érvényesülését elősegítő fénysugarakat szűri ki, befolyásolva az objektív felbontóképességét (d) is, ami az alábbi formulával számítható: d= λ a = λ n ⋅sin α , (7.1) ahol: • λ a tárgyat megvilágító fény színét meghatározó – színszűrővel változtatható – hullámhossz; • a az objektív numerikus apertúrája (fénygyűjtő képessége); • n az objektív frontlencséje (a próbatesthez legközelebbi optikai eleme: Obf) és a próbatest közötti közeg törésmutatója (levegő: n = 1; víz: n = 1,333; cédrusolaj: n = 1,515, monobróm-naftalin: 1,658); 269 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése • α a csiszolat optikai tengelyen lévő pontjából az objektív frontlencséjébe (Obf) még belépő (marginális) és a képalkotásban részt vevő fénysugárkúp – apertúra-fényrekesszel befolyásolható – fél nyílásszöge (7.7. ábra). 7.7. ábra Mikroszkópi objektív felbontóképességének értelmezése A felbontóképesség az objektív jellemzője, az okulár az objektív alkotta képet csak nagyítja, újabb részletek feltárása és a felbontóképesség befolyásolása nélkül. A mikroszerkezet vizsgálatára általánosan alkalmazott fénymikroszkópoknál az elvileg elérhető legjobb felbontóképesség a látható fény hullámhossztartománya legkisebb, képalkotásra még felhasználható értékének – a kékesibolya fény hullámhosszának – fele, azaz kb. 220 nm (= 0,22 μm = 2,2·10-4 mm). A mikroszkóp összes nagyítása (Nö) az objektív és az okulár saját nagyításának szorzata: Nö = Nob ⋅ Nok . (7.2) Az okulár nagyítását csak addig érdemes növelni, amíg a kép jól értékelhetővé válik, azaz a további – életlenedéssel járó – üres nagyítást el kell kerülni. A mikroszkóp hasznos (újabb részleteket feltáró) nagyítását (kb. max. 1500–2000) az objektív felbontóképességének javításával célszerű növelni. A hasznos nagyítás ajánlott tartománya az objektív „a” numerikus apertúrájával kifejezve: Nüres > Nhasznos = (500–1000) ⋅ a ≥ Nö . (7.3) Az okulár is, de főként az objektív nem egyetlen lencséből, hanem több, megfelelően összeépített lencsetagból áll, az egyes lencsék hibáinak (szferikus és kromatikus aberráció, képmezőhajlás, képtorzítás) korrigálása céljából. A szferikus 270 EME 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése aberráció esetén a lencse szélén haladó fénysugarak más fókuszban egyesülnek, mint a középvonalához közelebbiek, míg kromatikus aberrációnál a különböző színű fénysugarak egyesülnek más-más fókuszban. A képmezőhajlásnál az optikai tengelyre merőleges felület nem mint sík, hanem mint görbe felület képeződik le, így a teljes kép nem lesz egyszerre éles. 7.4. Elektronmikroszkópi vizsgálatok Az elektronmikroszkóp a látható fénynél lényegesen rövidebb hullámhosszúságú, mágneses vagy elektrosztatikus elven irányítható, formálható, me = 9,11⋅10-31 kg tömegű, e = 1,602 ⋅ 10–19 C töltésű elektronokból álló sugárral alkot képet, melynek hullámhossza: λ= h me ⋅ e ⋅ 1 Ugy = 1,5 [nm] , Ugy (7.4) ha az elektronokat a vizsgálandó felületre gyorsító feszültséget (Ugy) [V]-ban veszszük számításba (h = 6,62 ⋅ 10–34 [Js] a Planck-féle állandó). Ilyen módon a szokásos 40–100 kV közötti gyorsítófeszültségekkel 0,006–0,004 nm hullámhossz adódik, de a mágneses vagy elektrosztatikus „lencséknek” csekély a numerikus apertúrájuk (a ≈ 0,02), ezért a felbontóképesség a vártnál rosszabb (d ≈ 0,2–0,3 nm), de még így is kb. 1000-szer jobb a fénymikroszkópénál. Elterjedt és szilárd fizikai anyagok vizsgálatára széles körűen alkalmazható a pásztázó elektronmikroszkóp (SEM = scanning electron microscope), melynek felépítését a 7.8. ábra szemlélteti. A sugárforrás egy elektronágyú, amelynek vákuumterében a fűtött izzó volfrám (vagy lantán-hexaborid) katódból kilépő elektronok az 5–50 kV gyorsítófeszültség hatására az anód, illetve azon keresztül az anyagminta felé gyorsulnak. Az így előállított elektronsugár-nyalábot a két elektromágneses „lencse” annyira összeszűkíti (fókuszolja), hogy a ferdén (30–60°-os szögben) elhelyezett mintán csak egy kb. 2,5–10 nm kiterjedésű „foltot világít” meg. A stigmátor nevű tekercs korrigálja az elektronoptikai lencsék képhibáit. A pici sugárfolttal – a második lencsében elhelyezett eltérítőtekercsek révén – soronként és pontonként végig lehet pásztázni a minta felületét. A beeső elektronok hatására a minta éppen „megvilágított” pontjáról többek között visszavert és szekunder (a mintából származó) elektronok, valamint röntgensugarak lépnek ki. A kilépő szekunder elektronokat mintegy 10 kV-os feszültség egy érzékelőre, a szcintillátorra vonzza, amelyen minden beeső elektron apró felvillanást okoz. Ezeket a fényjeleket száloptikás fényvezető továbbítja a sokszorozó fotocellára (fotomultiplierre). A felerősített jelek egy monitor katódsugárcsövére kerülnek, amelynek képmegjelenítő elektronsugara az anyagfelületet vizsgáló elektronsugárral szinkronban pásztáz (térül el), s így kialakul a képernyőn a letapogatott minta képe, hiszen a beeső elektronok hatására az anyagminta különböző pontjai külön- 271 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése böző mennyiségű szekunder elektront bocsátanak ki, így a monitoron különböző világosságjelet eredményeznek. Elektromosságot nem vezető mintákat vizsgálat előtt vékony vezető réteggel kell bevonni (pl. katódporlasztásos aranyozással vagy karbongőzöléssel). 7.8. ábra Pásztázó elektronmikroszkóp felépítése és képalkotása A kép kontrasztossága, fényereje, élessége és a kívánt nagyítás elektronikusan szabályozható. Az elérhető mélységélesség nagyon jó, kisebb nagyításoknál akár 272 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 3–4 mm is lehet, vagyis közel térhatású a kép. A nagyítás (a két pásztázás méretaránya) általában 20-tól 200 000-ig változtatható. Anyagfelületek állapota és szemcseszerkezete mellett vizsgálható szilárd anyagok töretképe, az azon előforduló fázisok szerkezete, illetve kiegészítő berendezéssel összetétele is. 7.5. Analitikai vizsgálatok Az összetétel fejezi ki, hogy az anyag a periódusos rendszer (7.9. ábra) mely elemeit tartalmazza, illetve milyen vegyületekből áll, és ezek az elemek, illetve vegyületek milyen koncentrációban vannak jelen. Az előbbi minőségi mutató, ez utóbbi pedig mennyiségi információ. Meghatározásukhoz minőségi (kvalitatív) és mennyiségi (kvantitatív) analízisre van szükség, mely kémiai, illetve fizikai elveken alapuló vizsgálatokat jelent. 7.9. ábra A kémiai elemek periódusos rendszere 273 EME 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése A mennyiségi adatok az anyagösszetevők tömeghányadát jelölik, így rendszerint tömegtörtként vagy tömeg- (vagy súly-) százalékban (1% = 10–2), illetve ezrelékben (1‰ = 10–3), esetenként atomszázalékban határozhatók meg. A nagyon kis mennyiségek, koncentrációk kifejezésére a „part” = rész és a „per” szavak, valamint a szám nevéből származó kifejezést is alkalmazzák: ppm (parts per million = 10–6), azaz milliomodrész, vagyis 100%/106 = 0,0001%. Felületkezelésnél fontos lehet az anyag valamely jellemző irány (pl. felülettől befelé) menti összetételváltozásának ismerete is; az ehhez tartozó vizsgálattechnológiát a számítógépek és mikroszondák, illetve nagy teljesítményű méréskiértékelő módszerek alkalmazása jellemzi. Az összetétel, illetve annak meghatározása szempontjából különbséget lehet tenni a szerves anyagok (bioanyagok, műanyagok) és a szervetlen anyagok (fémek, kerámiák) között, ugyanis az előbbiek zömmel kisebb rendszámú, míg az utóbbiak inkább a nagyobb rendszámú elemekből épülnek fel. Ez az alkalmazható vizsgálattechnika kimutatási képességével, mérési érzékenységével is összefügg, mivel egyes módszerek a kisebb rendszámú elemek tartományában nem vagy csak pontatlanul adnak információt. Ismeretlen anyag esetében a kémiai összetétel elemzése anyagazonosításra, anyagcsoportba sorolásra is szolgál. Szerves szerkezeti anyagok esetében azonosításra elsősorban infravörös fény abszorpcióján (előzetesen molekulák fénygerjesztésén) alapuló spektrometriát alkalmaznak. A molekulafajtákra vonatkozóan a legtöbb információt az alkotó atomok tömegét pontosan meghatározó tömegspektrométerrel lehet szerezni. Polimer molekulák nagysága és molekulatömeg-eloszlása a szétválasztó kromatográfia segítségével határozható meg. A kis mennyiségben jelen lévő alkotórészeket (pl. a műanyagok különböző adalékait) az alapanyagból eltávolítják, majd azokat elválasztják egymástól, és mennyiségüket a fajlagos fluoreszcencia, a törésmutató vagy a fényabszorpció segítségével határozzák meg. A mágneses magrezonancia (NMR) vizsgálatok a kémiai összetétel meghatározása mellett alkalmasak a polimer molekulák finomszerkezetének (pl. elágazások, kopolimerek alkotó egységei, egymáshoz viszonyított elhelyezkedése) minőségi és mennyiségi analízisére. Szervetlen szerkezeti anyagok analízisének klasszikus módszere a nedveskémiai elemzés, melynek során vegyszerekkel (pl. erős savakkal) reagáltatják az anyagmintát, minek során színreakció, csapadékképződés vagy gázfejlődés következik be. A mérni kívánt ötvözőkhöz, illetve szennyezőkhöz igazodva kiválasztott marató anyag az összetevő elemeket sóoldattá alakítja, melyhez más oldott sókat vagy nátronlúgot kevernek. Az egy- vagy kétlépéses átalakulás oldhatatlan csapadékot képez, mely egyértelműen utal a kiindulási anyagokra. A tömeganalízishez a csapadékot leszűrik, megszárítják és mérik. A szilárd anyagok fény-, illetve röntgensugárzással (elektromágneses sugárzással), elektronokkal, illetve ionokkal (részecskesugárzással) való vizsgálata megadja annak lehetőségét, hogy e primer sugárnyalábok segítségével az atomi tartományokban is információkat nyerjünk az anyagokról. Az ehhez szükséges magas színvonalú vizsgálati technika lényegében az elektronika és a vákuumtechnika nagyarányú fejlődésének köszönhető. 274 EME 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése A vizsgálati eljárások általában a gerjesztő sugárzás és a vizsgálandó anyagminta közötti kölcsönhatáson alapulnak, amely lehet rugalmas vagy rugalmatlan. Rugalmas kölcsönhatás esetén elsősorban a beeső sugárzás iránya változik meg (szóródás, elhajlás), ezen alapulnak a mikroszkópi és a diffrakciós vizsgálatok. A rugalmatlan (kvantummechanikai alapon értelmezhető) kölcsönhatások az esetek többségében – megfelelő gerjesztési folyamat révén – a vizsgálati anyagminta atomjainak elektronhéjaiból származó részecske-, illetve elektromágneses sugárzáshoz (emisszióhoz) vezetnek. Az emittált (kibocsátott) sugárzás hullámhossz- és/vagy energiaeloszlásának, valamint a gerjesztő sugárzás által elszenvedett energiaveszteségnek a mérése is szolgáltat információkat. Azt, hogy a röntgensugárzás, illetve az elektronok vagy az ionok segítségével milyen jellegű információkat kaphatunk a vizsgált anyagról, lényegében a primer sugárzás és a besugárzott szilárd anyag közötti kölcsönhatás intenzitása és behatolási mélysége adja meg. Az intenzitás a röntgensugárzástól az elektronsugárzáson keresztül az ionsugárzás felé növekszik, viszont a behatolási mélység ellentétesen változik, azaz röntgensugárzással „térfogati”, az ionokkal „felületi” vizsgálatok végezhetők. A vizsgálatok által érintett anyagtartomány nagyságát a primer sugárnyaláb fókuszolásának lehetősége szabja meg. Az elérhető sugárnyaláb-átmérő elektronok esetén néhány tized nm, ionok esetén 1 μm-es, röntgen esetén 10 μm-es nagyságrendű. A keletkező szekunder sugárzás spektrális, vagyis hullámhossz szerinti szétválasztása az anyagban lévő atom- vagy ionfajtákról tájékoztat, míg az egy elemfajtából emittált, ún. karakterisztikus sugárzás intenzitásának méréséből ennek az elemnek az anyagbeli tömeghányadára következtetünk. A spektroszkópia fényforrások (pl. lánggal vagy szikrakisüléssel elgőzölögtetett anyag) színképének elemzésén (7.10. ábra) alapuló optikai módszer, az anyagalkotó elemek azonosítására, illetve az anyagösszetétel-meghatározására, elektromágneses vagy részecskesugárzással való kölcsönhatás révén. Tehát a fizikai színképelemző módszerek elve az, hogy nagy hőmérsékletű gázoknak, gőzöknek nem folyamatos, hanem összetételükre jellemző, vonalas színképük van, azaz minden gerjesztett elem a rá jellemző hullámhosszakon sugároz, mégpedig jelenlétének arányától függő intenzitással. A színképelemzés gyakorlata szerint a vizsgált szilárd anyagot (pl. szikrakisüléssel, elektromos ívvel gerjesztve) elgőzölögtetik, majd a gőz fényét prizmával színeire bontják, és a színképben megjelenő vonalak hullámhosszai (eloszlása) alapján minőségi, a sugárzás intenzitása alapján mennyiségi információkat határoznak meg. A szilárd anyagok tulajdonságainak átfogóbb jellemzése érdekében kombinált eljárások, illetve ezeknek megfelelő berendezések kialakítása célszerű, amit gyakran gazdasági szempontok is indokolnak. Ilyen készülékre legjellemzőbb példa a pásztázó elektronmikroszkóp és az elektronsugaras mikroanalizátor kombinációja. Vannak esetek, amikor nincs mód (eszközhiány, illetve a vizsgálatok költségés időigényessége miatt) vagy szükség pontos összetétel-meghatározáson alapuló anyagazonosításra. Ilyenkor szóba jöhetnek olyan egyszerű és gyors eljárások, amelyekkel az „ismeretlen” anyag tulajdonságaira, majd azokból az anyag fajtájára 275 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése következtethetünk. Sok esetben a szín (fény, csillogás), metszet- vagy töretfelületi kép (makroszerkezeti zárványosság, pórusosság), karcolhatóság (keménység), hajlíthatóság (képlékenység), mágnesezhetőség (ferromágnesesség) vagy vegyi anyagokkal szembeni viselkedés (vegyszerállóság) „árulkodik” arról, hogy mi a kérdéses anyag. 7.10. ábra A fizikai színképelemzés elve és információtartalma Ezen vizsgálódások kiegészíthetők más egyszerű és kis eszközigényű tájékozódó vizsgálatokkal. Például a műanyagok azonosításánál jó szolgálatot tesz a lángban végzett égetési, illetve a kémcsőben végzett hevítési próba, esetleg az oldószeres próba. A fémek – elsősorban az acélok – esetében megfelelő kerületi sebességű köszörűkoronggal végzett szikrapróba is szolgálhat közelítő anyagazonosító módszerként. A forgó köszörűkoronghoz szorított acél szikraképe (a szikrák alakja, mérete, száma, színe) alapján besorolható az acél egy jellemző összetételkategóriájába. 276 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.6. Keménységmérés Mivel a felületkezelt rétegek relatíve vékonyak, és a hordozó (mátrix-) anyagtól „nem függetlenek”, az előírható és főként az egyszerűen vizsgálható, ellenőrizhető rétegjellemzők köre meglehetősen szűk. A mikro- (és makro-) keménységmérés biztosította adatok megfelelő relációban igen jól jellemzik a réteg és annak közvetlen anyagi környezete használhatóságát, károsodással szembeni ellenállását. Keménységmérésen alapuló rétegminősítési sémát mutat a 7.11. ábra. Látható, hogy amennyiben mélységirányú keménységeloszlást mérünk, a mintadarabon lehet makro- és mikroszerkezeti (így réteggeometriai) vizsgálatokat is végezni. 7.11. ábra Felületkezelés keménységalapú rétegminősítési sémája A gyakorlatban bevált keménységmérő módszerek három jellegzetes csoportba sorolhatók: • szúró (statikus) keménységmérés: a vizsgálandó anyagnál jóval keményebb, ún. szúrószerszámot nyomnak alkalmasan megválasztott terhelőerővel az anyagba, és a létrejövő lenyomat területéből vagy a benyomódás mélységéből származtatják a keménységi értéket; • ejtő (dinamikus) keménységmérés: a vizsgálandó anyagra ejtett mérőtest visszapattanási magasságából határozható meg a rugalmas ütközés elnyelt energiájával összefüggő keménységi mérőszám; 277 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése • rezgő keménységmérés: a vizsgálandó anyagra szorított rezgőfej rezgésben tartásához szükséges energia méréséből fejezhető ki az anyag rezgéscsillapító-képességével (rugalmatlanságának mértékével) összefüggő keménységadat. Legjelentősebbek a szúró módszerek (Brinell, Vickers, Rockwell), melyek anynyira elterjedtek, hogy az újabb típusú, hordozható, elektronikát is alkalmazó (ezért gyakran más alapelvű) mérőberendezéseket is ezekre skálázzák. Brinell-módszer esetén egy edzett, polírozott acélgolyót nyomnak meghatározott ideig a vizsgálandó anyagfelületbe, és a keménységet (Hardness) a terhelés és a létrejött gömbsüveg-lenyomat felületének hányadosa adja: F F 2⋅F , (7.5) HB = = = 2 2 D ⋅π ⋅ h ⎛ 2 2⎞ ⎜D ⎛ D ⎞ ⎛ d ⎞ ⎟ D ⋅ π ⋅ (D − D − d ) D ⋅π⋅⎜ − ⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎟ ⎝ 2⎠ ⎝2⎠ ⎟ ⎜2 ⎠ ⎝ ahol F a terhelőerő, D a golyóátmérő, h a benyomódás mélysége, d a lenyomat átmérője (7.12/a. ábra). A 7.12/b. ábra példaként egy hagyományos keménységmérőgépet szemléltet, melynek beépített mikroszkópja a benyomódási mélység helyett a d lenyomatátmérő mérését teszi lehetővé ezred milliméteres pontossággal. 7.12. ábra Brinell-keménységmérés 278 EME 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Mivel a terhelés és a lenyomat felülete egymással nem arányos, a szúrószerszámot és a terhelés nagyságát szabványosítani kellett. A 850 HV-nél nagyobb keménységű golyó a mérendő anyag vastagságától függően 10 (6 mm vastagság felett); 5 (6 és 3 mm között); 2,5, 2 vagy 1 (3 mm alatt) mm átmérőjű lehet. A vizsgálandó anyag várható keménységéhez igazodva a terhelés értéke 1 ⋅ D2 (pl. ón, ólom esetében), 2,5 ⋅ D2 (pl. ón-antimon, ólom-antimon ötvözetek, azaz csapágyfémek esetében), 5 ⋅ D2 (pl. Al- és Cu-ötvözetek esetében), 10 ⋅ D2 (pl. Cu- és Niötvözetek esetében) vagy 30 ⋅ D2 (pl. vasötvözetek esetében) lehet, amit kg-ban kell érteni, ha a golyóátmérőt mm-ben helyettesítjük. A módszer 450 HB-nél kisebb keménységek mérésére alkalmazható a golyó deformálódása (így a mérés pontatlanná válása) nélkül. A terhelés ideje anyagtól függően: 15 s (vasötvözeteknél), 30 s (Cu- és Ni-ötvözeteknél), 120 s (Al- és Znötvözeteknél) vagy akár 180 s (Pb- és Sn-ötvözeteknél). Speciális igényű (pl. meleg állapotban történő) keménységmeghatározás esetén gyorsacél- (500 °C-ig) vagy keményfémgolyó (850 °C-ig) használható. Szintén keményfém golyó alkalmazásával a mérési tartomány kiterjeszthető 650 HBW-ig. A hagyományos és köztudatba „berögzült” kp/mm2 mértékegységű keménységértékeket a SI bevezetésével nem változtatták meg (nem szorozták meg "g"-vel), hanem azokat mértékegység nélküli számként kell kezelni (pl. HB 350, HBW 550). Vickers-módszernél a szúrószerszám 136°-os csúcsszögű négyzet alapú gyémántgúla, mellyel a létrehozott lenyomat felülete már arányosnak tekinthető a terhelés nagyságával (7.13. ábra), tehát szabadon megválasztható. 7.13. ábra Vickers-keménységmérés szúrószerszám-geometriája Lehetőség van mikroszkópon egyes fázisok ún. mikrokeménységének mérésére grammos terhelésekkel, vékony rétegek, illetve munkadarabok helyi keménységének meghatározására 1 kg-nál kisebb terhelésekkel, az általában szokásos 10 279 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése és 30 kg értékű (illetve ezeknél nagyobb) terheléssel végzett normál keménységmérés mellett. Mivel a gyémánt a legkeményebb ismert anyag, univerzálisan minden anyag keménysége mérhető vele. A keménység definíciója: F F F HV = = = 1,854 ⋅ , (7.6) 2 S d d2 2 ⋅ sin 68 o ahol F a terhelőerő, S a lenyomat felülete, d = (d1 + d2)/2 pl. a 7.12/b. ábrán látható gép mikroszkopjával mért lenyomatátlók számtani közepe. Rockwell-módszernél többféle szúrószerszám, illetve terhelés alkalmazható, és a keménység a maradó benyomódás mélységéből származtatható: • HRB keménység 1/16 coll átmérőjű, 850 HV-nál nagyobb keménységű acélgolyóval mérhető 10 kg elő- és 90 kg főterhelés mellett. A 0,002 mm-es (ún. Rockwell-) egységekben mért – főterhelés hatására létrejött – maradó benyomódás (e) alapján a keménység: HRB = 130 − e ; 0,002 7.14. ábra Rockwell-keménységmérés 280 (7.7) 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése • HRC keménység 120°-os csúcsszögű gyémántkúppal mérhető, 10 kg elő- és 140 kg főterhelés mellett. A keménység az előzőhöz hasonló formulával határozható meg: HRC = 100 − e . 0,002 (7.8) Sem a HRB-, sem a HRC-keménységmérésnél nincs szükség számolásra, a készülékbe épített mérőóraszerű műszer a műveletet „automatikusan” elvégzi (7.14. ábra). A gyors, de kisebb pontosságú HRB-, illetve HRC-módszer a lassúbb (felületelőkészítést, hagyományos gépeken lenyomatmérést is igénylő), de pontosabb HB-, illetve HV-módszer helyettesítésére szolgál, elsősorban gyártásközi (pl. hőkezelést, felületkezelést követő) minősítő vizsgálatoknál. 7.7. Tapadási szilárdság vizsgálata Anyagfelvitellel járó, bevonatokat kialakító felületkezelési eljárások után a kialakított bevonatok alapanyaggal való adhéziós kapcsolatát is lehet értékelni, amelyhez tapadásiszilárdság-méréseket célszerű végezni. A tapadási szilárdság vizsgálatának néhány lehetséges elrendezését mutatja a 7.15. ábra, különböző próbatestkialakításokkal. 7.15. ábra (I.) Felületi bevonatok tapadási szilárdságának vizsgálata 281 EME 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.15. ábra (II.) Felületi bevonatok tapadási szilárdságának vizsgálata 7.8. Kopásállósági vizsgálatok Az anyagfelületek kopásállósága az ún. Archard-féle kopásállandóval (KA = ΔV/[A·s·p]) is jellemezhető, ahol ΔV a térfogatveszteség „A” felületen, „s” csúszási úton, „p” felületi nyomás hatására. Beszélhetünk degresszív (csökkenő) kopásról, ha az idő (út) függvényében a kopadék fajlagos mennyisége csökken (ez jellemző a „bejáratásra”); lineáris (állandó) kopásról; progresszív (növekvő) kopásról, ha a kopadék mennyisége intenzíven növekszik (ami általában „berágódáshoz” vezet), és összetett kopásról (7.16/a. ábra). Normálisnak akkor tekinthető a helyzet, ha kezdetben degresszív vagy lineáris jellegű a kopás, mely tartósan lineárisként folytatódik. A túlzott progresszív kopást el kell kerülni, hiszen azt még továbbfokozhatja a már lekopott anyagrészek roncsoló hatása is. Ha az anyagok kopásállóságát kívánjuk összehasonlítani, akkor ezt megtehetjük az egyszerűen kivitelezhető keménységmérésből származó adatokkal is. Ez elsősorban szerszámok anyagainál szokásos eljárás. Ha a kopási folyamat időbeni lefolyásának ismerete is fontossá válik, akkor a koptatóvizsgálatokból származtatható térfogatveszteségi mérőszám (ΔV [mm3]) vagy ennek reciproka a kopási szám (kopási szilárdság) ezt jól jellemzi. Egyébként ez utóbbi és a keménység függvénykapcsolata lineárisnak tekinthető (7.16/b. ábra). 282 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése a) b) 7.16. ábra Kopási folyamat jellemzői Koptatóvizsgálatokat (7.17. ábra) változatos geometriájú súrlódó elempárokkal, koptatógépen végeznek adott csúszási sebesség (v) és fajlagos felületi terhelés (p) mellett, meghatározott csúszási út (s) viszonylatában. A valós helyzetet modellezve választható meg a közbenső anyag fajtája és mérete. Bizonyos csúszási útszakaszok (pl. s = 3, 6, 10, 15 és 20 ezer méter) után méret-, érdesség-, térfogat-, tömeg-, illetve hőmérsékletmérést lehet beiktatni. Ezen mérések adatai – különböző súrlódó elempárokkal, illetve közbenső anyagokkal elvégzett vizsgálatok után – elsősorban összehasonlításra alkalmasak, melyek alapján kiválasztható a legkisebb kopást eredményező beállítás. 283 EME 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése a) tárcsa–rúd; b) tárcsa–hasáb; c) két körgyűrű; d) négy golyó; e) hasáb–hasáb; f) henger–persely; g) henger–prizma; h) két tárcsa; i) keresztezett hasábok; j) keresztezett hengerek mint súrlódó elemek alkalmazásával 7.17. ábra Koptatóvizsgálatok elvi lehetőségei 7.9. Korrózióállósági vizsgálatok A korrózió intenzitása, illetve sebessége a kopáshoz hasonlóan állandósult, növekvő vagy csökkenő lehet, amit befolyásol a koncentráció, a hőmérséklet, a nyomás, a statikus vagy változó mechanikai és hőfeszültség, az elektromos áram („kóboráram”), tribológiai hatás stb. is. Légköri (atmoszferikus) vizsgálat során az anyaglemezeket és az összehasonlítás céljából különféle védőbevonattal ellátott lemezeket állványra helyezik, déli irányba forgatva, 45°-ban megdöntve. E hosszú idejű vizsgálat során a korrózióállóság megítélésére kezdetben sűrűbb, később ritkuló értékeléseket végeznek, ami kiterjed a lemezek felületének elszíneződésére, rozsdásodásának jellegére, a korróziós termékek fajtájára, az esetleg keletkező bemaródások mélységére, továbbá mikroszerkezeti és mechanikai tulajdonságváltozásokra. Folyadékban végzett vizsgálat (7.18/a. ábra) során – a próbatesteket folyamatosan mozgatva – a folyadék hőmérsékletét, koncentrációját és a relatív mozgás sebességét állandó értéken kell tartani. Mivel a folyadék gáztartalma erősen befolyásolja a korróziót, azt megfelelő módon szabályozni kell. Sópermet-vizsgálat (7.18/b. ábra) során a légmentesen lezárt kamrába beállított próbalemezek a bepermetezett oldat páráinak korróziós hatása alatt állnak. Ezen gyorsított vizsgálatok értékelésére a próbalemezek tömegváltozása (m2-enként és óránként) vagy méretváltozása (évenkénti vastagságcsökkenése) szolgál. Bemártó vizsgálatnál a 284 7. Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése próbatest egy része merül folyadékba, ugyanis a folyadék felszínén a korrózió hatékonyabb, mint a belsejében. Értékelésnél külön minősíthető az állandóan folyadék alatt, felváltva folyadékban és levegőn és az állandóan levegőn lévő próbatestrész. A szemcsehatár menti (interkrisztallin) korrózióra való hajlam vizsgálatához a próbatesteket olyan oldatban (pl. kénsav + réz-szulfát) főzik, ami azok anyagában a korróziót rövid idő alatt (10–72 óra) előidézi. Az értékelés mikroszkópi és szakítóvizsgálatokkal történik. Feszültségkorróziós érzékenység vizsgálatakor különböző mértékig előfeszített próbatesteket (7.18/c. ábra) korrodáltatnak (7.18/d. ábra). Gyorsabb a vizsgálat, ha a próbatesteket erős hatású oldatban (pl. kalcium-nitrát + ammónium-nitrát) főzik is. Az idő függvényében bekövetkező károsodás, repedésmélyülés értékét adják meg, mivel főként a szemcsehatárokon mindenütt megindul a korrózió, és a feszültséggel arányosan halad az anyag belseje felé. 7.18. ábra Korróziós vizsgálatok 285 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Felület optikai mikroszkópos vizsgálata A vizsgálat a felület megbontása nélkül végezhető. Optikai mikroszkóppal elérhető 1000-szeres nagyítás alkalmas lehet a felület minősítésére, bizonyos hibák detektálására. Amennyiben a munkadarab felülete nem sík, a hagyományos mikroszkóppal csak szűk tartományban lehet éles képet kapni. Ezt korrigálja a topológiai felvétel technika, mely több, különböző élességű képből rak össze egyetlen térbeli éles képet (7.45. ábra). 7.45. ábra Felület topológiája (Czinege – Csizmazia 2007) Hengerfelület pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálata Egy pásztázó elektronmikroszkóp felbontása maximum 3 nm, nagyítása eléri a 30.000-szeres értéket. A kép „térhatású”, nagy a mélységélessége, ezért jól mutatja a felületi domborulatokat. A mikroszkóphoz csatlakoztatott elektrondiszperziós elemző (EDS) pedig alkalmas arra, hogy kiválasztott elem pontszerű, vonalmenti és felületi koncentráció-eloszlását bemutassa. A 7.46. ábrán gömbgrafitos öntöttvas motorblokk hónolt és lézerkezelt hengerfelületének felvétele látható. 310 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.46. ábra Gömbgrafitos öntöttvas motorblokk hónolt és lézerkezelt hengerfelülete (Czinege – Csizmazia 2007) A 7.47. ábrán nitridált réteg szerkezete, a 7.48. ábrán felület ion-nitridálás előtti és utáni képe látható pásztázó elektronmikroszkópi vizsgálat révén. 7.47. ábra Nitridált réteg szerkezete (Czinege – Csizmazia 2007) 311 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.48. ábra Felület ion-nitridálás előtti és után (Czinege – Csizmazia 2007) Felületi érdesség mérése Leképezés történhet lézersugárral is, nem klasszikus „látás” funkció révén. A felületi érdességmérők új generációjának felbontása 10 nm Z irányban, az X–Y irányú lépésköz 0,5 μm-től kezdődik. Lehetséges teljes körű 3D megjelenítés, a hagyományos vonal menti analízis kiterjesztése 2D-re, anizotrópia paraméterek megadása. A 7.49. ábrán hónolással megmunkált hengerfelület leképezése látható, melyen a színek a magasság eloszlást mutatják –1,5 – +1,5 μm tartományban. Felület 7.49. ábra Hónolással megmunkált hengerfelület leképezése (Czinege – Csizmazia 2007) 312 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Szövetszerkezet, rétegvastagság mikroszkópos vizsgálata A felületre merőleges csiszolaton a felületi rétegek szerkezete tanulmányozható. Egyes rétegek maratás nélkül is láthatók, de a legtöbb esetben maratással lehet előhívni a mikroszerkezeti képet. A digitális képen alkalmas szoftverrel különféle mérések is elvégezhetők. A mikroszkópi vizsgálatra előkészített csiszolaton elvégezhető a mikrokeménység-mérés is. A 7.50. ábrán cementált kéreg szerkezete és lemezgrafitos öntöttvas vezérműtengely elektronsugaras edzésekor keletkezett kéreg szerkezete látható. 7.50. ábra Cementált és elektronsugárral edzett kéreg szerkezete (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) Keménységmérés felületre merőleges metszeten A mérés mikrokeménységmérővel végezhető, általában HV 0,3 értékek meghatározásával. A gépek képesek automatikus, előre programozott léptetésre, a szúrószerszám benyomására és digitális optikai úton az átlók meghatározására, ebből a keménység kiértékelésére és diagram rajzolására. A 7.51. ábrán nitridált kéreg szerkezete látható keménységmérési nyomokkal, továbbá az eredményül kapott keménységlefutási görbe. 313 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Felülettől mért távolság 7.51. ábra Nitridált kéreg keménységeloszlása (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) Keménységmérés lelapolt felületen Kérgek minősítésére elfogadott eljárás a kéreg várható mélységénél nagyobb lelapoláson végzett mérés. A lelapolás geometriai viszonyaira példa a következő: hengeres rész sugara 12 mm, lelapolás mélysége 1 mm, a lelapolt sík szélessége 9,592 mm. A lelapoláson mért távolság (tL) és a felülettől mért radiális távolság (tR) közötti összefüggés a 7.52. ábra alapján: t R = 12 − ( 4,796 − t L ) 2 + 112 . 7.52. ábra Lelapolás geometriai viszonyai 314 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése A lelapolt felületen végzett HV10 és HV30 mérések eredményei jó egyezést mutatnak. A HV10 mérésből kiértékelt radiális távolság (mélység) és a keménység kapcsolata hasonló, mint a csiszolaton közvetlenül mért keménységlefutás. A réteg mérete az ismert definíció szerint 0,335 mm (7.53. ábra). Az eljárás előnye, hogy viszonylag kevés megmunkálást igényel, és a mérés hagyományos Vickers-gépen is elvégezhető. keménység lefutás HV10 és HV30 600 550 500 500 450 400 400 HV 10 250 HV 30 HV10 HV 350 300 200 HV 10 300 HVA+50 200 150 100 100 50 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Radiális távolság (köszörült felület) távolság, mm 7.53. ábra Lelapolt felületen mért keménységlefutás (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) Nitridált felület Vickers-keménységmérése változó terheléssel A homogén anyagon végzett HV keménységmérés független a terhelőerőtől. Ha a kéreg keménysége a mélység függvényében változó, akkor a különböző erővel mért keménységek is eltérőek lesznek. 700 600 HV 500 400 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 F 7.54. ábra Különböző terhelőerőkkel mért Vickers-keménységek (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) 315 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése A 7.54. ábra 5, 10, 30, 50 és 100 kg terheléssel elvégzett Vickers-keménységmérések eredményeit mutatja. A görbék lefutása igazolja, hogy a nagyobb terhelésnél kisebb „látszólagos” keménység adódik, mert a réteg keménységeloszlása inhomogén. Ebből a mérésből tapasztalati összefüggéseket lehet levezetni pl. arra vonatkozóan, hogy kétféle terheléssel mért keménység és a kéregvastagság között milyen összefüggés van (nitridált, cementált kérgek esetében alkalmazzák). Felületi nano-keménységmérés A normál és mikro tartományú méréseken kívül alkalmazható nanokeménységmérés erőtartománya 100–1000 mN. Ezzel néhány tized mikron távolságra lehet lenyomatokat elhelyezni a rétegben. A 7.55. ábra bal oldali részén lézerrel kezelt hengerfelület pásztázó elektronmikroszkópos felvétele szerepel, melyen látható a kb. 1 μm vastagságú nanokristályos réteg. Ennek keménységeloszlását az ábra jobb oldali része mutatja. A felületi keménység 6– 8000 HM, de a mérés szórása viszonylag nagy a technika finomsága miatt. 7.55. ábra Lézerrel kezelt hengerfelület és annak keménységeloszlása (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) Keménységlenyomat elemzése A keménységlenyomat körül kialakuló repedésháló mutatja a réteg ridegségét. A 7.56. ábrán látható vizsgálat, illetve annak eredménye kvalitatív értékelésre alkalmas. 316 Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.56. ábra Keménységlenyomat körül kialakuló repedésháló (Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik, Braunschweig) 317 Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Karcteszt Ha egy felületet kemény szerszámmal megkarcolunk, a karc jellege jól mutatja a felület tulajdonságait. A képlékeny anyagban maradó alakváltozás (szántás) tapasztalható. A kemény anyag forgácsolódik, a rideg kéreg töredezik. A jelenség azzal válik mérhetővé, hogy regisztrálják az erőkomponenseket. A normál erő (FN) néhány tized N-tól 100 N-ig terjedhet. A 7.57. ábrán látható mérés munkadarabbal együtt kezelt próbatesten történik 7.57. ábra (I.) Karcteszt elve és a karcok alakja (Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik, Braunschweig) 318 Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.57. ábra (II.) Karcteszt elve és a karcok alakja (Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik, Braunschweig) Kopásvizsgálat A vizsgálandó felületet egy keményfém golyó koptatja adott tribológiai feltételek között. A kopási nyom gömbsüveg alakú, rajta láthatók a bevonatrétegek (7.58. ábra). A geometriai viszonyokból a réteg mélységét ki lehet számítani. Ezzel a vizsgálattal különböző anyagok és rétegek kopásállósága is összehasonlítható. 319 Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Felület Átmeneti zóna Kemény réteg Alapréteg Alapanyag 7.58. ábra Kopásvizsgálat és a kopási nyom geometriai viszonyai Nitridált réteg mérése ultrahangvizsgálattal A módszer ultrahang hullámokat kelt a nitridált zónában, a terjedési sebesség regisztrálása érdekében. Mivel a nitridálás felületi kezelés, az eljárás felületi hullámokat használ (7.59. ábra). 7.59. ábra Ultrahangvizsgálat felületi hullámokkal (ULTRA RS) 320 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése A nitridált réteg kémiai összetétele különbözik az alapanyagétól. A hullámok terjedési sebessége erősen függ azon anyag szerkezetétől és összetételétől, amelyben terjednek. Ez a sebesség nagyon eltérő az alapanyagban és a nitridált zónában. A sebességváltozás megjelenése detektálhatóvá teszi a kéregvastagságot. Kéregvastagság mérése örvényárammal Mérési elv lehet magnetoinduktív (7.60. ábra) vagy örvényáramú (Eddy-current 7.61. ábra). Mindkét eljárás felületi repedések és rétegek vizsgálatára, cementált, illetve nitridált kérgek vastagságának kimutatására alkalmas. 7.60. ábra Magnetoinduktív mérési elv (Förstner Group) A magnetoinduktív módszerrel lehetséges a mag és a felület vizsgálata szelektíven, a frekvencia változtatása révén. A gerjesztés történhet egy elkülönülő vagy több frekvenciával (sorosan vagy szimultán) a vizsgálati feladattól függetlenül. A módszerrel szokásosan néhány Hz-től kb. 1000 Hz-ig terjedő sáv fogható át nem korlátozott tekercsekkel. Általában technológiai anyagjellemzők meghatározására szolgál, úgymint szemcseszerkezet, keménység, edződési mélység és rétegvastagság. 321 Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése a) b) 7.61. ábra Örvényáramos mérési elv (Förstner Group) Az örvényáramos módszer szokásos frekvenciatartománya 10 MHz-ig terjed, különböző tekercsekkel, melyek révén általában felületi hibák vizsgálhatók. Félkész gyártmányok, mint huzalok, rudak, csövek vizsgálhatók olyan lokális hibák szempontjából, mint repedések, lyukak a tekercs határkeresztmetszetében. A hibák a félkész gyártmányok és alkatrészek felületének pásztázásával tárhatók fel. 322 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Hengerfelület hónolásának vizsgálata A hónolt felületeket többféle módszerrel vizsgálták annak érdekében, hogy összehasonlíthassák az egyes ellenőrzési módszereket a pontosság, a megbízhatóság és a reprodukálhatóság szempontjából. Az alkalmazott módszerek a következők: • felületek vizsgálata felületi érdesség mérésével; • felületek vizsgálata és minősítése gyártó előírásai szerint; • acetát fóliával készített replikák vizsgálata; • felületre merőleges metszetek mikroszkópos vizsgálata; • felületek vizsgálata „SILFLO” replika alapján; • felületek elektronmikroszkópos vizsgálata. A felületi érdesség komplex vizsgálatát olyan berendezéssel végezték, melynek felbontóképessége z irányban lézeres letapogatással 10 nm. Az x és y irányú lépésköz minimális értéke 0,5 μm, a letapogatható felület nagysága tetszőleges. A berendezés rendelkezik saját kiértékelő rendszerrel, de lehetőség van az x-y-z koordináta méréseredményeinek fájlba való kiíratására és az adatokon végzett értékelésre is. A berendezés néhány jellegzetes felvételét a 7.62. ábra mutatja. a) 7.62. ábra (I.) Érdességmérés: a lézerhónolt felület 3D-ben (a); a lézerhónolt felület makroszkópos felvétele (b); a hagyományosan hónolt henger makroszkópos felülete (c) (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) A bemutatott háromdimenziós mérés sok információt szolgáltat a hónolt felületről, mert általa különböző irányokban kiértékelhetők a hagyományos érdességi paraméterek (Ra, Rz stb.). Emellett meghatározhatók felületi paraméterek (Sa, Sz stb.) és egyéb jellemzők is (pl. a karcok szöge, csúcs sugara 323 Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése és rádiusza stb.). A lézersugárral való letapogatás további előnye a tűs letapogatáshoz képest az, hogy itt a mért felület nem karcolódik, és a letapogatás nem a felület és a tű rádiusz burkológörbéjét mutatja, hanem jobban közelíti a pontos alakot. b) c) 7.62. ábra (II.) Érdességmérés: a lézerhónolt felület 3D-ben (a); a lézerhónolt felület makroszkópos felvétele (b); a hagyományosan hónolt henger makroszkópos felülete (c) (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) A 7.63. ábra néhány jellegzetes profilfelvételt mutat. Profil: P Profil: P 10.0 10.0 [µm] [µm] 0.0 0.0 -10.0 -10.0 0.80 mm/Skt 5.60 mm Lézeresen kezelt alaphónolás 5.60 mm 0.80 mm/Skt Olajzsákok (Mahr) Profil: P 10.0 [µm] 0.0 -10.0 0.80 mm/Skt 5.60 mm Hagyományosan hónolt Olajzsákok (Talysurf) 7.63. ábra Jellegzetes érdességprofil-felvételek (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) 324 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése A karcok orientációjára és egyéb jellemzőire vonatkozó diagramok (7.64. ábra) információt adnak a hónolás szögére (ennek tűrése 45–60o, illetve 65o) és egyéb karcparaméterekre. A felületorientáció két jellegzetes szögértéke 117o, illetve 66o, tehát a hónolási szög 51o, amely az előírt tűrésmező közepe felé helyezkedik el. A karctengelyek arányának leggyakoribb értéke 4 μm, a karcok csúcsszöge 170o-nál a legnagyobb gyakoriságú. Ezek az eredmények lézeresen kezelt hengerekre vonatkoznak. [ °] [μm ] 20 180 0,449 μm 150 120 16 0,449 μm 12 90 8 60 4 30 0 0 5 10 15 [%] 0 0 5 A felület orientációja 10 15[%] A tengelyek aránya [ +150 °] [μm ] 100 30 80 25 20 0,449 μm 60 15 40 10 0,449 μm 5 20 0 0 5 10 A karcok csúcsszöge 15 [%] 0 0 5 10 15 [%] A karcok csúcssugara 7.64. ábra Karcok jellemzőire vonatkozó diagramok (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) Néhány felületi paramétert (a mérőszámokkal és képekkel együtt) a 7.65. ábra mutatja hagyományosan hónolt felületről. 325 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Sa = 0,529 μm Sq = 0,679 μm Sz = 22,603 μm SSk= -0,754 SKu= 13,519 Sdq= 6,545° Sbi= 0,667 7.65. ábra Hagyományosan hónolt felületek paraméterei (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) A felületi paraméterek nem hozhatók közvetlen kapcsolatba a vonal menti mérés eredményeivel, de egy hónolt felületet, ahol két karcrendszer is van, jobban jellemeznek. A gyártó előírásainak megfelelően a hengerfelületeket acetátfilm segítségével, illetve a hónolt felületre merőlegesen készített csiszolatokkal, mikroszkópon vizsgálták. A megtisztított, hónolt felületre acetont vittek fel, majd az acetátfilmet kézzel rászorították. Az aceton feloldja a film felületét, és az a nyomás hatására rögzíti a hónolt felületet. A replikának a vizsgálattal átellenes oldalára tükröt helyezve, fémmikroszkópon végezték a vizsgálatokat. Az acetátfóliáról, valamint a csiszolatról készült felvételeket egymás mellé helyezték. Korszerűbbnek tekinthető eljárás a polimer alapú replikaanyagok (pl. RepliSet) használata. A két polimerkomponenst használat előtt egy speciális keverő-szárban egyesítik, és úgy viszik a felületre. Ott megszilárdul, és kb. 0,1 mikron felbontással adja vissza a felület 3D-s másolatát pl. mikroszkópi tanulmányozás vagy precíz mérések elvégzése céljára. Míg a mintavétel üzemi viszonyok között történik, a vizsgálatok laborkörülmények között végezhetők. A 7.66. ábra mutat példákat ezen roncsolásmentes vizsgálatot (NDT = Non-Destructive Test) lehetővé tevő módszer képalkotására. 326 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Közepes C-tartalmú acél 3%-os Nitállal maratva, 100-szoros nagyításban Replika Vörösréz réz-kloriddal és ammóniával maratva 100-szoros nagyításban Replika Kevlár szál 200-szoros nagyításban Replika (jobb képet ad) Túlhevített acél korróziós réteggel, 3%-os Nitállal maratva, 100-szoros nagyításban Replika 7.66. ábra Eredeti kép és replikakép összehasonlítása (RepliSet, Struers) 327 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése A hagyományosan hónolt darabokról készített felvételeket mutatja a 7.67. ábra. 7.67. ábra Hagyományosan hónolt felületek (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) A lézerhónolt darabról készültek a 7.68. ábra felvételei. 328 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.68. ábra Lézerhónolt felület (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) Az acetátfilm-replika és a csiszolat segítségével mérték a lézerrel kimunkált olajtáskák méretét is (7.69. ábra). A replikán és a mikroszkópon mérhető olajtáskaszélesség kb. 50 µm. 7.69. ábra (I.) Lézerrel kimunkált olajtáskák mérete 100-szoros és 1000-szeres nagyításban (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) 329 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.69. ábra (II.) Lézerrel kimunkált olajtáskák mérete 100-szoros és 1000-szeres nagyításban (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) Egy erre a célra ajánlott replikaanyaggal végzett kísérlet során az olajzsákot és környezetét vizsgálták. A 7.70. ábrán jól látszik az a kiemelkedés, amely az olajzsák negatívjának tekinthető, a jobb oldali diagram pedig a replikáról felvett profilt mutatja. A 15–20 μm mélységű horonyról viszonylag hű képet ad az anyag, és a hónolási barázdák is látszanak. További vizsgálatokkal lehet eldönteni, hogy melyik replikatechnika ad a tényleges felületen mért jellemzőkkel közel azonos értékeket. Az olajtáska mérete kb. 45–50 µm, így a mérés jó egyezést mutat az acetátfólián és a csiszolaton végzett méréssel. 7.70. ábra A lézerrel kimunkált olajtáska, valamint a replikáról készített profil (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) A 7.71. ábrán a scanning elektronmikroszkópos vizsgálatok révén egymás mellett látható a hagyományos és a háromszor hónolt lézeres felületet 500-szoros nagyításban. 330 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.71. ábra Scanning elektronmikroszkópos felvétel a hagyományos és a lézerhónolt felületről (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) A scanning elektronmikroszkóp nagy mélységélessége lehetővé teszi az olajtáska felületének vizsgálatát is. A 7.72. ábra felvételein jól látható, hogy a lézerrel kialakított olajtáskák mélysége különböző. A 7.72/c. ábrán az is megfigyelhető, hogy helyenként nem éri el az átlagos 20–25 µm értéket. A nagy hőmérsékletet előidéző lézersugár elpárologtatja a fémet, ami egyenetlen felületet eredményez. Ez az olaj megtapadása és az olajzsákban maradása szempontjából kedvező. a) Olajtáska 150-szeres nagyításban b) Olajtáska 500-szoros nagyításban 7.72. ábra (I.) Olajtáska vizsgált felülete (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) 331 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése c) Olajtáska 500-szoros nagyításban d) olajtáska felülete 2000-szeres nagyításban 7.72. ábra (II.) Olajtáska vizsgált felülete (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) Felületi feszültség- és alakváltozás-mérés Esetenként szükségessé válhat anyagfelületekben visszamaradó, különböző eredetű (termikus, fázisátalakulás és/vagy kristályrácshibák okozta) feszültségek kimutatása. Ennek néhány módszere a következő: • repedőlakkos módszer: jól tapadó, de rideg lakk felvitele után képződő repedéskép alapján a feszültségcsúcsok helyének kimutatása; • nyúlásmérő bélyeges módszer: felragasztott ellenálláshuzalok elektromos ellenállás-változásának mérése alapján a felületi alakváltozás meghatározása, majd abból a feszültségek számítása; • röntgendiffrakciós módszer: röntgensugarak kristályos szerkezetű anyagrészek kristályrácsáról való visszaverődési képe torzulásának mértéke alapján a maradó feszültségek kimutatása; • árnyékoptikás módszer: tükrösített sík felület torzulásának kimutatása ráeső fénynyaláb eltérítéséből; • Moire-módszer: anyagfelületre felvitt sávrendszer torzulása torzítatlan sávrendszerrel interferáltatva másodlagos sávrendszert eredményez, ami alapján a deformációk kimutathatók; • holografikus interferometria: terheletlen és terhelt munkadarab hologramjának szuszpenziója alapján a deformációk kimutatása. 332 EME 7.10. Esettanulmányok, különleges vizsgálati módszerek Főtengely görgőzött felületeinek vizsgálata A görgőzés a felület kifáradással szembeni ellenállásának növelésére szolgál. A görgő a felület közelében lévő anyagot deformálja. Mint ismeretes, a képlékeny hidegalakítás felkeményedéssel jár, tehát a görgőzés hatására a felületközeli anyagrész keménysége megnő. További előnye a technológiának, hogy a felületközeli anyagrészben nyomófeszültségek maradnak vissza, ami javítja a kifáradással szembeni ellenállást. A görgőzött felület vizsgálatának célja a felkeményített réteg vastagságának és keménységének meghatározása. A felkeményedett réteg jellemzőinek meghatározására a Vickers-keménységmérés alkalmas, melyhez a 7.19. ábrán látható helyről történt a mintavétel, majd beágyazás, csiszolás és polírozás következett. A méréseket kisterhelésű Vickers-keménységmérő gépen végezték. A görgőzés hatására deformálódott réteg vastagsága általában kisebb, mint 1 mm, ezért a keménységmérést kis terheléssel F = 0,1 kg, azaz 0,981 N terheléssel végezték. 7.19. ábra A főtengely görgőzött része A méréseket a csap vonalától mint 0 vonaltól indították, és több sorban végezték. Az első sort a válltól kb. 1 mm-re helyezték el, és a csap felé haladtak. A sorok távolsága kb. 0,5 mm volt. A keménységi értékeket a hely függvényében ábrázolták. A lökőcsap görgőzött felületének keménységértékeit a csap vonalától mért távolság függvényében a 7.20. ábra diagramsora mutatja be. 286 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Keménység HV0,1 1. sor 500 400 300 200 100 0 0 0,5 1 1,5 2 A csap vonalától mért távolság [mm] Keménység HV0,1 2. sor 500 400 300 200 100 0 0 0,5 1 1,5 2 A csap vonalától mért távolság [mm] 4. sor 500 400 300 200 100 0 0 0,5 1 A csap vonalától mért távolság [mm] Keménység HV0,1 Keménység HV0,1 3. sor 500 400 300 200 100 0 0 0,5 1 A csap vonalától mért távolság [mm] 7.20. ábra (I.) Görgőzött felület keménységmérési eredményei 287 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Keménység HV0,1 5. sor 500 400 300 200 100 0 0 0,5 1 1,5 A csap vonalától mért távolság [mm] Keménység HV0,1 6. sor 500 400 300 200 100 0 0 0,5 1 1,5 A csap vonalától mért távolság [mm] 8. sor 500 400 300 200 100 0 0 0,5 1 A csap vonalától mért távolság [mm] Keménység HV0,1 Keménység HV0,1 7. sor 500 400 300 200 100 0 0 0,5 1 A csap vonalától mért távolság [mm] 7.20. ábra (II.) Görgőzött felület keménységmérési eredményei Mint a diagramokon látható, a keménységi értékek erősen szórnak. A felülettől jelentős távolságban is mérhető 300 HV fölötti érték. A deformálódott zóna határának kirajzolása, nagyságának meghatározása tehát nem lehetséges a keménységértékek alapján. Ennek oka az, hogy a főtengely anyaga gömbgrafitos öntöttvas, amelynek mátrixa zömében perlites. A méréseket maratlan csiszolaton 288 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése végezték, a mérési helyek kijelölésénél törekedtek arra, hogy a mátrixba kerüljön a lenyomat. Azt azonban, hogy a lenyomat alatt grafit van, a csiszolaton nem lehet látni. Ebben az esetben jóval kisebb keménység mérhető. Továbbá a perlit keménysége a képződés körülményeitől, a lemezek méretétől, orientációjától függ, és ennek következtében szintén jelentős különbségek adódhatnak az egyes mérések között. A felületközeli réteg keménységét a görgőzött ív menti mérésekkel határozták meg. A mérések helye a 7.21. ábrán látható. 7.21. ábra Görgőzött ív menti keménységmérések helye A mért értékek – a felület közvetlen közelében – minden darab esetében 310– 430 HV0,1 között változtak (7.22. ábra), de az előzőekben leírtak miatt az értékek szórnak, bár a szórás mértéke kisebb, mint az előző esetben volt. A mérések alapján megállapítható, hogy a görgőzés hatására jelentősen nő a keménység. Főcsap Keménység HV 0,1 600 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Távolságx0,10 [mm] 7.22. ábra (I.) Görgőzött ív menti keménységértékek 289 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Keménység HV 0,1 Az 50% -os erővel görgőzött felület az ív mentén 600 500 400 300 200 100 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Távolság [mm] 7.22. ábra (II.) Görgőzött ív menti keménységértékek A görgőzött darabok mikroszkópos vizsgálatánál megfigyelték, hogy az alakítás hatására a grafitgömbök deformálódnak, ellipszisszerű alakot vesznek fel, sőt a felület közvetlen közelében vonalszerű alakot is felvehetnek (7.23. ábra). A jelenség oka, hogy a grafitgömb ellenállása lényegesen kisebb, mint a mátrix perlites anyagának, így a grafittal teli „üreget” a görgő deformálni tudja. Ez a jelenség lehetővé teszi a deformálódott réteg vastagságának meghatározását. 7.23. ábra Deformálódott grafitgömbök a főcsapban A 7.24. ábra a görgőzött ív mentén készített felvételeket mutat. A deformálódott grafit révén végzett vizsgálatok alapján megállapították, hogy a főcsapon az alakított réteg vastagsága 350–400 µm. 290 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.24. ábra Főcsap deformálódott rétegének vastagsága 291 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése A további mérések alapján megállapították, hogy az alakított réteg vastagsága a görgőzött lökőcsap esetében 200–300 µm (7.25. ábra). 7.25. ábra (I.) Főtengely-lökőcsap alakított rétegének vastagsága 292 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.25. ábra (II.) Főtengely-lökőcsap alakított rétegének vastagsága Az elvégzett mérések alapján azt is megállapították, hogy az alakított réteg vastagsága az 50%-os erővel görgőzött lökőcsap esetében 200–250 µm (7.26. ábra). 7.26. ábra (I.) 50%-os erővel görgőzött főtengely-lökőcsap alakított rétegének vastagsága 293 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.26. ábra (II.) 50%-os erővel görgőzött főtengely-lökőcsap alakított rétegének vastagsága A bemutatott vizsgálatok és mérési eredmények alapján a görgőzési technológia ellenőrzésére a következő javaslatot tették: • A görgőzött részből készített maratlan csiszolaton, a felület közvetlen közelében végzett Vickers-keménységméréssel ellenőrizhető a felület felkeményedésének mértéke. • A keménységi lenyomatok elhelyezésénél törekedni kell arra, hogy a lenyomat a mátrixba kerüljön, ezért automatikus mérési program nem használható. • Több azonos feltétel mellett görgőzött darab mérése alapján megállapítható, hogy milyen keménységnövekedés a megfelelő. Megjegyzendő, hogy a mérések szerint a felület közelében a keménység 350–420 HV0,1, de ezt az intervallumot további mérésekkel finomítani kell. • A csiszolaton az alakítás hatására deformálódott grafitgömbök alapján kijelölhetők azok a távolságok, amelyek a deformálódott réteg jellemző 294 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése méretét jelentik. Ebben az esetben is több, azonos feltétel mellett görgőzött darab vizsgálata alapján célszerű pontosítani az értékeket. A görgőzött felület elvégzett vizsgálatai alapján a következő összefoglaló megállapítások tehetők: • A főtengely anyaga gömbgrafitos öntöttvas, a mátrix perlites, kevesebb mint 20% ferrittartalommal. A kezelt területen a felkeményedett rész méretének és alakjának meghatározása érdekében végzett HV0,1 kisterhelésű Vickerskeménységmérés nem bizonyult megfelelőnek. A lenyomatokat a mátrixban készítették, de a mérési eredmények nagy szórást mutattak. A szórás oka: ─ a vizsgált réteg alatti grafit; ─ a perlit képződési körülményei miatt kialakuló különböző lemezvastagság, ami eltérő keménységet jelent; ─ továbbá a mérési helyen esetlegesen elhelyezkedő ferrit. • A maratlan csiszolatokon a felület közvetlen közelében (50 µm-en belül) végzett keménységmérés eredményei alapján keménységnövekedés mérhető, még több azonos feltétellel kezelt darab mérése alapján meghatározható. Ez a módszer alkalmas lehet a darabok ellenőrzésére. • A görgőzés hatására a gömbgrafit úgy viselkedik, mint egy nagyon kis szilárdságú anyaggal kitöltött üreg, amely az alakítás hatására deformálódik. A deformáció különösen a felület közelében nagyon jelentős, a gömbök teljesen ellaposodnak. A grafit alakvizsgálata alapján jól kijelölhető a deformálódott, illetve felkeményedett réteg vastagsága. • A görgőzés hatására kialakuló, a kifáradási tulajdonságok szempontjából kívánatos nyomófeszültségek megállapítására más módszerek is léteznek, ilyen pl. a röntgendiffrakció. Célszerű lehet a vizsgálatokat ezzel a módszerrel is elvégezni és az eredményeket összehasonlítani. Gépjárműkarosszéria korrózió elleni védelme festékbevonat-rendszerrel Festés során kikeményedő szerves bevonat(rendszer) alakítható ki gépjárművek karosszéria-elemeinek felületén. Az egyes rétegek pl. szórással juttathatók a védendő felületre. A 7.27. ábra mutatja a bevonatrendszer felépítését autókarosszéria festésekor. A 7.28. ábra azt érzékelteti, hogyan kombinálható a magas minőség alacsony emisszióval (környezetvédelmi szempontok figyelembevételével) és elérhető árral a gépkocsik festési technológiája során. A 7.29. ábra a festőműhelyek emissziócsökkentésének lehetőségeit szemlélteti a technológiai folyamat során. 295 Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.27. ábra Bevonatrendszer autókarosszéria festésekor (Volkswagen AG; Group Research, Environment and Workplace Safety) 7.28. ábra Magas minőség kombinálása alacsony emisszióval és elérhető árral a gépkocsik festési technológiája során (Volkswagen AG; Group Research, Environment and Workplace Safety) 296 Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.29. ábra Festőműhelyek emissziócsökkentése technológiai folyamat során Galvanikus és tüzi horganyzás A horganyzás (cinkezés) acélalkatrészek, acélöntvények, acélszalagok és huzalok korrózióvédelmére szolgál. Mivel a cink elektronegatívabb, mint a vas, így amíg van bevonat, addig a védelem is fennáll. A díszítőhatással is bíró cink a legolcsóbb galvanizálásra használható fém, melynek felületén szürkésfehér oxid és karbonát (fehérrozsda) képződik, lassítva a bevonat további korrózióját. 10–15% Ni vagy 0,2–0,3% Co bevitelével a korrózióállóság 3–4-szeresére növelhető, elsősorban kötőelemek horganyzásakor. A galvanikus horganyzáson kívül tüzi horganyzással is lehet bevonatot felvinni, így a két bevonattípus miatt mindig jelölni kell, melyik fajtáról van szó. Autóipari lemezek tűzi horganyzásakor 7–10 μm vastag bevonatot (7.30. ábra) készítenek, ami a lemezek mélyhúzásakor is a felületen marad. 7.30. ábra Horganyréteg vastagsága 297 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Gőzfázisú bevonatolások A porlasztás módjától függően több eljárásváltozat alakult ki: • Magnetronos (mágnesteres) porlasztás (7.31/a. ábra), kedvező rétegtulajdonságok elérésére. • DC (egyenáramú, diódás) porlasztás (7.31/b. ábra), gyors, egyenletes rétegnövekedés, tömör réteg megvalósítására. • Rádiófrekvenciás (RF) porlasztás (7.31/c. ábra), mely 50 kHz alatt változó elektródapolaritású DC porlasztásnak tekinthető, és nemvezető anyagok bevonására is alkalmas. a) b) 7.31. ábra Porlasztási módok gőzfázisú bevonatolásnál 298 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése c) 7.31. ábra Porlasztási módok gőzfázisú bevonatolásnál A rétegképzési folyamat lépéseit a 7.32. ábra szemlélteti, melyek a következők: • forrásanyag gőzfázisba vitele; • szabad részecskék transzportja a hordozóig; • részecskék lecsapódása a hordozóra (adszorpció ↔ deszorpció); • szemcsék kialakulása (nukleáció); • felületi diffúzió, ami segíti szigetek és szemcsék kialakulását; • szigetek egybeolvadása, mivel a részecskék a felületi energia minimalizálására törekszenek; • réteg vastagodása (0,5 µm–1 mm). A gázáramlás csak meghatározott irányban történik a munkatérben, ezért a források megfelelő elhelyezésével és a munkadarabok forgatásával érhető el egyenletes bevonat! Titánnitrid bevonat jellemzői: • nitrogéndús környezetben titánt elgőzölögtetnek vagy porlasztanak; • a titán a nitrogénnel titánnitridet alkot; • a TiN az alacsony nyomású (2–10 Pa) térben elhelyezett tárgyak felületén lecsapódik; • aranysárga színű bevonat képződik. Krómnitrid bázisú bevonatok jellemzői (7.33. ábra): • a CrN különböző fémekkel kombinálható, így jönnek létre a CrXN típusú bevonatok (CrWN, CrTiN, stb.); • a bevonatoló kamrában forrásanyagként Cr és egyéb fém (Me) szubsztrátok vannak; • forgó asztalon helyezkednek el a munkadarabok. 299 Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.32. ábra Rétegképzési folyamat gőzfázisú bevonatolásnál 7.33. ábra Krómnitrid bázisú bevonatok előállítása (Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik, Braunschweig) 300 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése A 7.1. táblázat néhány bevonattípus jellemzőit teszi összehasonlíthatóvá. 7.1. táblázat. Bevonatok jellemzői Bevonat anyaga Mikrokeménység* (HV 0,05) TiN AlCrN TiAlN+AlCrN bázisú TiCN CrN+a-C:H:W WC/C (a-C:H:W) CrN CrN Maximális Súrlódási tényező* alkalmazási (acéllal hőmérséklet szárazon) (°C) Bevonat színe 2300 3200 3300 0,4 0,35 0,35–0,40 3000 1000 / 1500 1500 / 1000 1750 1750 0,4 0,1–0,2 0,1–0,2 0,5 0,5 600 1100 >1100 400 300 300 700 700 aranysárga kékesszürke kékesszürke kékesszürke sötétszürke sötétszürke ezüstösszürke ezüstösszürke Kardáncsuklóház folyatását két lépcsőben végző folyatótüske esetében plazmanitridálást követően alakítják ki a Cr + CrVN bevonatot (7.34. ábra), amellyel jelentős élettartam-növekedést értek el egy járműipari cégnél. 7.34. ábra (I.) Krómnitrid bázisú bevonatok előállítása alakító szerszámok felületén (Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik, Braunschweig) 301 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.34. ábra (II.) Krómnitrid bázisú bevonatok előállítása alakítószerszámok felületén (Rába Futómű Kft) A nano(kristályos)-bevonatok tovább javítják a PVD-bevonatok tulajdonságait. Például a Ti-B-N nanorétegek jellemzői: • TiN, TiB rétegek (7.35. ábra), • nagy termikus stabilitás, • kémiai ellenállóképesség, • tapadásgátló tulajdonság, • 4200 HV0,05 keménység. 7.35. ábra Ti-B-N nanoréteg jellemzői 302 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Jellegzetes CVD-alkalmazások: • védőbevonatok: ─ keményfém szerszámok (forgácsoláshoz), ─ hideg- és melegalakító szerszámok, ─ korróziós közegben működő gépelemek, ─ súrlódó párok; • félvezető kristályok előállítása; • integrált áramkörök, optoelektronikai alkatrészek, innovatív szenzorok; • katalizátorok; • finom fém- és kerámiaporok, nanotechnológiai alapanyagok. A 7.36. ábra a rétegképződés folyamatát szemlélteti. 7.36. ábra CVD rétegépülési folyamata Cementált kéreg vizsgálata C15 anyag cementált kérgére vonatkozóan: • a 7.37/a. ábra a keménységlefutást szemlélteti, ami szerint a kéregmélység 550 HV0,5-nél 0,38 mm; • a 7.37/b. ábrán a keménységmérési lenyomatok láthatók; • a 7.37/c. ábra a teljes kéreg szövetszerkezetét mutatja; • a 7.37/a. ábrán a mag szövetszerkezete figyelhető meg. Következtetésként megállapítható, hogy a cementálási hőmérséklet túl magas volt, a kéregben kb. 20% maradék (reszt) ausztenit van, a mag szövete durva. 303 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése a) c) b) d) 7.37. ábra Cementált kéreg vizsgálata (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) Nitridált kéreg vizsgálata A 7.38/a. ábra mutatja a nitridekben dús réteg és a diffúziós zóna szövetszerkezetét. A 7.38/b. ábrán a keménységlefutás látható. HV0,01 méréssel a nitridekben dús réteg keménysége is mérhető (822 HV0,01). Definíció szerint a kéregvastagság az alapanyag-keménység + 50 HV-nél mért távolság (266+50 = 316 HV, t = 0,44 mm). 304 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése a) HV HV 0,01 1000 800 600 400 200 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Felülettől mért távolság, mm b) 7.38. ábra Nitridált kéreg vizsgálata (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) Vezérműtengely duplex felületkezelése Az elektronsugaras (ES) edzésre szánt, előzetesen nemesített vezérműtengelyen (7.39. ábra) kezelés előtt a kérget nitridálták, azaz duplex felületkezelésre került sor. A lézersugárhoz hasonlóan az elektronsugár is jól alkalmazható felületi edzésre, vagyis a két hőforrás, illetve eljárás részben konkurense egymásnak. Az elektronsugaras felületedzés főbb technológiai sajátosságai: • a munkadarabot vákuumkamrába kell helyezni; • a sugárnyaláb intenzitása jól szabályozható, a felület pásztázható; • tiszta, jól meghatározott technológiai körülmények hozhatók létre. 305 Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése 7.39. ábra Kezelendő vezérműtengely (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) A vezérműtengely alapanyaga 50CrV4 jelű nemesíthető szerkezeti acél, melynek összetétele a következő: C=0,50%; Si=0,25%; Mn=0,90%; Cr=1,1%; V= 0,12%. Nemesítéskor a 850 oC-on végzett ausztenitesítést olajban hűtés követte (7.40. ábra), majd a megeresztés igény szerint, a megeresztési diagram alapján történt ~280 HB keménységre. 7.40. ábra 50CrV4 acél átalakulási és megeresztési diagramja 306 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése A gáznitridálást követően a keménység a felületen min. 500 HV0,3, az alapanyag keménység + 50 HV értéknél mért kéreg vastagság 0,2 + 0,2 mm. A szövetszerkezet „fehér réteg”-ének vastagsága min. 8 μm (7.41/a. ábra). a) b) 7.41. ábra Nitridált és elektronsugarasan edzett kéreg vastagsága (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) Az elektronsugaras edzés a vezérlőbütykökön történt, ahol a felületi keménység min. 650 HV10; az adott keménységhez tartozó mélység és maratott csiszolaton meghatározható réteggeometria (7.41/b. ábra) az 550HV-re előírt mélység: t(HV550) ≥ 0,4 mm. A két kezelés együttes hatásának eredményét a 7.42. ábra mutatja. Az alsó görbe a nitridált kéreg keménységeloszlását, a felső görbe a nitridálás + ES edzés utáni keménységlefutást mutatja. 900 800 700 HV 0,3/5 600 500 HV 0.3/5-ES 400 HV 0.3/5-N 300 200 100 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Távolság, mm 7.42. ábra Nitridált és elektronsugarasan edzett kéreg keménység-eloszlása (Széchenyi István Egyetem, Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék) 307 Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése Az ES edzés után a keménység 0,4 mm mélységben biztosan meghaladja az előírt 550 HV-t, a felületen pedig sokkal nagyobb, mint 650 HV. Optikai vizsgálatok és digitális képalkotás A szemünk (7.43. ábra I.) a legfontosabb optikai vizsgáló „eszközünk”, de sajnos felbontóképessége behatárolt, bizonyos idő után elfárad, idősebb korban látásélessége romlik, illetve kortól függetlenül is megbetegedhet vagy fogyatékossá válhat (színtévesztés, farkasvakság, csőlátás stb.). Mindezeken túl a képi információt, illetve annak használhatóságát, megbízhatóságát az egyes ember szubjektuma is befolyásolja. 7.43. ábra (I.) Az emberi szem és a látás (Czinege – Csizmazia 2007) A digitális képalkotás (7.43. ábra II.) objektív, fáradtságtól nem befolyásolt eredményt ad, és része a mesterséges intelligenciának. 7.43. ábra (II.) Digitális képalkotás Digitális felvétel létrehozása és értékelése: • optikai leképezés; 308 EME Felületkezelt rétegek vizsgálata, minősítése • digitalizálás CCD vagy CMOS chippel, ami több millió apró fényérzékeny cella együttese; ezek a cellák kizárólag fényerősséget képesek érzékelni, színeket nem; • színek megjelenítése mikrolencsékkel és színszűrőkkel, mivel mindegyik cella csak az eléje helyezett színszűrőn áthaladó fény erősségét érzékeli, így az alapszínek kombinációja adja a színes képet; • a képek minőségi jellemzőinek megadása: pixelek száma, színmélység (szürkeségi szintek); • képfeldolgozás, mely a vizsgálandó objektumtól független, általánosan alkalmazható technika. A képelemzés folyamata: • a képek érzékelése és rögzítése; • digitális előfeldolgozás, a lényegi információk kiemelése; • a vizsgálni kívánt objektumok megkülönböztetése, kiemelése a háttérből; • a képeken átalakítások, képelemzési műveletek elvégzése; • célra orientált mérések (pl. területarány, alakjellemzők, méretek stb. meghatározása); • az eredmények értelmezése. Sztereomikroszkópos vizsgálat A sztereomikroszkóp egy objektív és két szemlencse segítségével hoz létre térhatású képet, nagyítása 5–200-szoros határok közé esik. Segítségével felületi hibák, megmunkálási nyomok, töretek tanulmányozhatók. A digitális képen mérések is elvégezhetők. A 7.44. ábrán lakkozott felület hibái (műanyag alapon) és fémgőzölt felületen észlelhető szennyeződés (műanyag alapon) láthatók. [Szennyeződés, cérnaszál] 7.44. ábra Sztereomikroszkópos felvételek (Czinege – Csizmazia 2007) 309 EME Irodalom 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. Abboud, J. H. – Rawlings, R. D. – West, D. R. F.: Functionally gradient layers of Ti-Al Based alloys produced by laser alloying and cladding. Materials Science and Technology, 10. k. 5. sz. 1994. 414–419. Aksoy, M. – Esin, A.: Improving the mechanical properties of structural carbon steel by dual-phase heat treatment. Journal of Materials Engineering, Vol. 10. 1988. 281–287. Allan Sanderson: Electron Beam Welding Enters Fourth Decade. Welding Institute Bulletin, 1–2. 1990. 9–13. Artinger István – Kator Lajos – Romvári Pál: Fémek technológiája. (Szerk. Gillemot László.) Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1975. Artinger István – Korach Marcell – Naderi Habib: Felületi réteg tulajdonságainak megváltoztatása elektronsugaras helyi átolvasztással. Gép, XXXVII. évf. 5. sz. 1985. május. 176–179. Artinger István – Korach Marcell – Pahomova, N. A.: Szerkezeti és szerszámanyagok kezelése nagy energiasűrűségű hőforrásokkal. Gépgyártástechnológia, XXVI. évf. 10. sz. 1986. október, 453–460. Artinger István – Korach Marcell: Szerszámacélok helyi ötvözése. Bányászati és Kohászati Lapok – Kohászat, 121. évf. 12. sz. 530–537. Artinger István: A fázisátalakulások és a tulajdonságok változása a nagy energiasűrűségű felületkezeléseknél. Gépgyártástechnológia, XXVIII. évf. 7. sz. 1988. július. 327–332. Artinger István: Az anyagtudomány szerepe a szerszámok élettartamának növelésében. Akadémiai doktori értekezés, BME MTAI, 1990. Artinger István: Szerszámacélok és hőkezelésük. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978. Artinger István: Szerszámanyagok fejlesztésének tendenciái. Gép, XLVII. évf. 1996. 10. sz. 7–8. Artinger, I. – Korach, M. – Tarasowa, T.: Local Alloying of Tool Steels. 2nd International Seminar Surface Engineering With High Energy Beams – Science and Technology, Lisbon, September 25–27, 1989. 13. Ashby, M. F. – Easterling, K. E.: The transformation hardening of steel surfaces by laser beams I. Hypoeutectoid steels. Acta Metall, Vol. 32. 1984. 1935–1948. Ashby, M. F.: Materials Selection in Mechanical Design. Pergamon Press, Oxford, 1993. Ashby, Michael F. – Jones, David R. H.: Engineering Materials 1., An introduction to their Proprietes and Applications. International Series on Materials Science and Technology, Pergamon Press Ltd, Headington Hill Hall, Oxford OX3 0BW, 1993. Bagyinszki Gyula – Artinger István: Felületkezelési rétegek törésmechani333 EME Irodalom 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 334 kai jellemezhetősége. IV. Országos Törésmechanikai Szeminárium, Miskolc–Lillafüred, 1991. április 10–12. 97–108. Bagyinszki Gyula – Bitay Enikő: Felületkezelési eljárások több szempontú rendszerezése. XIII. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka, Műszaki Tudományos Füzetek, EME, Kolozsvár/Cluj, 2008. Bagyinszki Gyula – Bitay Enikő: Anyagtulajdonság- és technológiai paraméter-meghatározó módszerek értékelése. XII. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka, Műszaki Tudományos Füzetek, EME, Kolozsvár/Cluj, 2007. 5–10. Bagyinszki Gyula – Bitay Enikő: Bevezetés az anyagtechnológiák informatikájába. Műszaki Tudományos Füzetek. EME, Kolozsvár/Cluj, 2007. Bagyinszki Gyula – Bitay Enikő – Kovács Tünde: Alakító szerszámacélok károsodásállóságának javítása felületkezeléssel. XI. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka, Műszaki Tudományos Füzetek, EME, Kolozsvár/Cluj, 2006. 9–14. Bagyinszki Gyula – Bitay Enikő: Lézeres anyagtechnológiák energiasűrűségi jellemzői. X. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka, Műszaki Tudományos Füzetek, EME, Kolozsvár/Cluj, 2005. 75–80. Bagyinszki Gyula – Felde Imre – Réti Tamás: Keménységbecslési eljárás acélok lézeres felületedzésének tervezéséhez. Jubilee International Conference, Budapest, 1999. 235–240. Bagyinszki Gyula – Kovács Mihály: Gépipari alapanyagok és félkész gyártmányok – Anyagismeret. Nemzeti Tankönyvkiadó – Tankönyvmester Kiadó, Budapest, 2001. Bagyinszki Gyula – Kovács Mihály: Gépipari alapanyagok és félkész gyártmányok – Gyártásismeret. Nemzeti Tankönyvkiadó – Tankönyvmester Kiadó, Budapest, 2002. Bagyinszki Gyula – Kovács Tünde – Kálazi Zoltán – Tom Bell: Acélok duplex felületedzése. Gép, LII. évf. 9. sz. 2001. 16–22. Bagyinszki Gyula – Réti Tamás – Felde Imre: Edzett acél felületi keménység-eloszlásának becslése. Bányászati és Kohászati lapok, 1999. 2–3. sz. 78–80. 119–123. Bagyinszki Gyula – Réti Tamás – Kálazi Zoltán – Felde Imre – Yue Sun – Tom Bell: Duplex surface treatment of a 40CrMnMo7 steel based on the combination of plasma nitriding and laser hardening. 14th International Conference on Surface Modification Technologies, 11-13 September, Paris, 2000. Bagyinszki Gyula – Réti Tamás: Felületi kéregkeménység becslése acél gyors ausztenitesítését és hűtését követően. microCAD '98 Nemzetközi Számítástechnikai Tudományos Konferencia, C: Anyagtudomány és Technológia, Miskolc-Egyetemváros, 1998. február 25–26. 143–145. Bagyinszki Gyula: Anyagismeret és minősítés. (Főiskolai jegyzet) Bánki Donát Műszaki Főiskola, Budapest, 2004. Bagyinszki Gyula: Elektronsugaras kezelés a szerszámacélok felületötvözésére. (Electron beam treatment for surface alloying of tool steels). XIV. EME Irodalom 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. Kohászati Anyagvizsgáló Napok, Poszterek 7. Balatonaliga, 1991. május 7–9. Bagyinszki Gyula: Felületkezelés a gépészmérnök-képzésben. XV. Hőkezelő Országos Konferencia, Dunaújváros, 1993. október 19–21. 102–105. Bagyinszki Gyula: Forgács nélküli anyagtechnológiák. (Főiskolai jegyzet) Bánki Donát Műszaki Főiskola, Budapest, 1999; 3. átdolgozott kiadás: Gyártásismeret és technológia. Budapesti Műszaki Főiskola, Budapest, 2004. Bagyinszki Gyula: Lézerek alkalmazásának technológiai és biztonságtechnikai szempontjai. XI. Nemzetközi és IV. GTE-MHtE-DVS Hegesztési Konferencia, Budapest, 2004. augusztus 23–26. 14–29. Bagyinszki Gyula: Nagy energiasűrűséggel kezelt felületi rétegek tulajdonságbecslése. (Kandidátusi értekezés) BME Mechanikai Technológia és Anyagszerkezettani Tanszék, 1997. Bagyinszki Gyula: Nagy energiasűrűségű hegesztési eljárással készített kötések hegeszthetőségének kérdései. (Hegesztő szakmérnöki diplomaterv) BME Mechanikai Technológia és Anyagszerkezettani Intézet, 1993. Bagyinszki Gyula: Szerszámanyagok és hőkezelésük. XVI. Hőkezelő Országos Konferencia, Székesfehérvár, 1995. október 10–12. 32–35. Bagyinszki Gyula: Szerszámélettartam-tényezők a nagy energiasűrűségű felületkezelések tükrében. XIV. Hőkezelő Országos Konferencia, Kecskemét, 1991. október 7–9. 235. Bagyinszki, Gyula: Wear Resistance Characterization of Surface Treatment Layers. Eurotrib'93 – 6th International Congress on Tribology, Volume 3. Budapest, August 30 – September 2, 1993. 350–353. Bakondi Károly – Bartos József – Buza Gábor – Győri József – Kiss Gyula – Takács János – Udvardi Tibor: Fémek felületi tulajdonságainak átalakítása koncentrált energiájú eljárásokkal. Gépgyártástechnológia, XXIX. évfolyam, 8. szám, 1989. augusztus, 340–346. Bakondi Károly – Konczos Géza (szerk.): Nagy energiasűrűséggel végzett megmunkálási eljárások. MTA Központi Fizikai Kutató Intézet, Budapest, 1990. Baránszky-Jób Imre (szerk.): Hegesztési kézikönyv. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985. Bárczy Pál: Anyagismeret. Tankönyvkiadó, Budapest, 1990. Barralis, J. – Maeder, G.: Precis de métallurgie: élaboration, structurespropriétés et normalisation. Afnor-Nathan, Paris, 1983. Bauer Ferenc: Hegesztési eljárások. Egyetemi jegyzet. Szerkesztette és kiegészítette Bagyinszki Gyula; Tankönyvkiadó, Budapest, 1991. Becker László – Trampus Péter: Hőfáradás és a melegalakító szerszámok károsodása. Bányászati és Kohászati Lapok – Kohászat 115. évfolyam, 3. szám, 107–112. Bedford, G. M.: Friction surfacing for wear applications. Metals and Materials, 6. k. 11. sz. 1990. 702–705. 335 EME Irodalom 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 336 Bell, T. – Sun, Y.: The principles and mathematical modelling of duplex plasma surface engineering systems of steels. Proceedings of the 10th Congress of the IFHT, Brighton, 1-5 September 1996. IOM Communications Ltd. 1999. 313–335, Bell, T.: Surface engineering – past, present and future. Surface Engineering, 6. 1990. 31–40. Benkovics Ferenc: A robbantásos plattírozás elméleti alapjai. Bányászati és Kohászati Lapok – Kohászat, 124. évfolyam, 9. szám, 1991. szeptember hó 362–367. Benninghof, H.: Anwendungsvisionen neuer Werkstoffe. Werkstoffe für Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Technische Rundschau Transfer, 87. k. 39. sz. 1995. szept. 29. 36–39. Béres Lajos – Komócsin Mihály: Acélok, öntöttvasak javító- és felrakóhegesztése. Monteditio Kft, 1992. Bergmann, H. W. – Damaschek, R.: Laser Surface Heat Treatment of Tools. "Laser Assisted Net Shape Engineering", Proceedings of the 26th International CIRP Seminar on Manufacturing Systems – LANE'94 Erlangen, October 12–14., 1994. Vol. I. 279–294. Bergmann, H. W. – Müller, D. – Endres, T. – Damascheck, R. – Domes, J. – Bransden, A. S.: Industrial applications of surface treatments with high power lasers. Proceedings of Second ASM Heat Treatment and Surface Engineering Conference in Europe, 1–3 June, Dortmund, 1993, Materials Science Forum, Vols. 163–165, Trans Tech Publications, 1994. 377–404. Bertóti Imre – Marosi György – Tóth András (szerk.): Műszaki felülettudomány és orvosbiológiai alkalmazásai. B+V Lap- és Könyvkiadó, Budapest, 2003. Bertóti Imre: Felületvizsgálat röntgen-fotoelektron spektroszkópiával (XPSESCA). Doktori tanfolyami jegyzet, 1997. Bitay Enikő: Lézeres felületkezelés és modellezés. Műszaki Tudományos Füzetek. EME, Kolozsvár/Cluj, 2007. Bitay, Enikő: Ceramic Particle Dispersion Analysis in Laser Surface Alloying. Solidification and Gravity. IV. Materials Science Forum, published by Trans Tech Publications Ltd, CH-8707 Uetikon-Zürich, Switzerland, 2005. 295–300. Bitay Enikő: Tratament superficial cu laser al oţelurilor cu conţinut redus de carbon. Teză de doctorat, IPC-N, Kolozsvár/Cluj, 2002. (Doktori értekezés) Bitay Enikő: Lézeresen kezelt felületek kopásállóvizsgálata. VI. FMTÜ, Műszaki Tudományos Füzetek, EME, Kolozsvár/Cluj, 2001. 111–118. Bitay Enikő: Kerámiaszemcsék diszpergálása lézeres felületötvözésnél. IV. FMTÜ, Műszaki Tudományos Füzetek, EME, Kolozsvár/Cluj, 1999. 169– 172. Bitay, Enikő – Roósz, András – Búza, Gábor: CO2 laser surface-alloying steel by dispersion of carbide-powders. Solidification and Gravity III, Materials Science Forum, Miskolc–Lillafüred, Hungary, 1999. Bitay, Enikő – Roósz, András: Investigation of Phenomenon's Taking Place EME Irodalom in Laser Surface Alloying Steel of WC. Solidification and Gravity IV. Materials Science Forum, published by Trans Tech Publications Ltd, CH8707 Uetikon-Zürich, Switzerland, 2005. 301–306. 63. Bitay Enikő – Roósz András: Acélfelület keménységének növelése lézeres felületátolvasztással. III. FMTÜ, EME, Kolozsvár/Cluj, 1998. 253–256. 64. Bitay Enikő – Roósz András: Lézeres felületátolvasztás folyamatának elemzése. IX. FMTÜ, EME, Kolozsvár/Cluj, 2004. 275–286. 65. Bitay Enikő – Rowshan Reza: Lézeres felületkezelés technológiai paramétereinek folyamatos változtatásának szimulációja. MicroCAD 2005, Nemzetközi Tudományos Konferencia 2005. március 10–11. Miskolci Egyetem, L szekció, 2005. 7–12. 66. Bloyce, A. - Sun. Y. – Li, X. Y.: Duplex thermochemical processing of M50 Ni L for gear applications. Heat treatment of Metals, 1999. 2. 37–41. 67. Boving, H. J. – Hintermann, H. E. – Julia, C.: Characterisation of CVD and PVD Coatings. Materials of the 7th International Congress for Heat Treatment of Materials, Volume VI. Moscow, December 11–14, 1990. 63– 73. 68. Budinski, Kenneth: Engineering materials: Properties and Selection. Reston Publishing Company, Reston, 1979. 69. Burista Ferenc – Nánai László – Vajtai Róbert – Hevesi Imre: A lézeres hőkezelés fizikai alapjai. Gépgyártástechnológia, XXIX. évf. 4. sz. 1989. április, 181–187. 70. Búza Gábor – Kálazi Zoltán: Jövönk anyagai, technológiái. Bányászati és Kohászati Lapok, Budapest, 1995. 128. sz. 361–365. 71. Búza Gábor – Bakondi Károly – Kiss Gyula – Takács János: A plazma porszórás alapjai, lehetőségei. Bányászati és Kohászati Lapok – Kohászat, 124. évf. 10. sz. 1991. október, 419–423; Gép, XLIII. évfolyam, 11–12. szám, 1991. november–december, 413–417. 72. Búza Gábor – Kálazi Zoltán: Új lehetőségek hazánkban a lézeres megmunkálás területén. Bányászati és Kohászati Lapok – Kohászat, 128. évf. 9. sz. 1995. szeptember, 361–365. 73. Búza Gábor – Takács János: A lézertechnológiai kutatások eredményei. I. Bányászati és Kohászati Lapok – Kohászat, 127. évf. 3–4. sz. 1994. március–április, 153–157. 74. Búza Gábor: Lézersugaras felületötvözés. ILAS – 3. Ipari Lézer Alkalmazási Szeminárium, Budapest, 2006. 75. Connor, Leonard P. (ed.): Welding Handbook. Eight Edition – Volume 1, Welding Technology, American Welding Society, Miami, 1987. 76. Costa, A. R. – Domingues, R. P. – Ibanez, R. A. P. – Vilar, R. M.: Laser Surface Melting: a Microstructural Study. Materials of the 7th International Congress for Heat Treatment of Materials, Moscow, December 11–14, 1990, Volume VI., p. 50–55. 77. Csokán Pál: Felületnemesítés fémbevonatokkal. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979. 337 EME Irodalom 78. Czichos, H.: Werkstofftechnik als Basis industrieller Produkte. Stahl und Eisen, 114. k. 12. sz. 1994. dec. 15. 63–70. 79. Czichos, Horst és társai (szerk.): Hütte: A mérnöki tudományok kézikönyve. D fejezet: Szerkezeti anyagok (szerző Horst Czichos), Springer Hungarica Kiadó Kft., Budapest, 1993. 80. Czinege Imre – Csizmazia Ferencné: Digitális optikai mérések az anyagvizsgálatban. V. Roncsolásmentes Anyagvizsgáló Konferencia, Eger, 2007. 81. Davies, D. P.: Duplex hardening: an advanced surface treatment technique combining nitriding and carburising. Heat treatment of Metals, Vol. 18, 1991. 4. 97–104. 82. Dearnaley, G.: Historical perspective of metal implantation. Surface and Coating Technology, 65. k. 1–3. sz. 1994. júl. 1–6. 83. Domokos József: Korszerű felületvédelmi rendszerek. BME Mérnöktovábbképző Intézet, Budapest, 1984. 84. Donţu, O.: Tehnologii de prelucrare cu laser. Ed. Tehnică, Bucureşti, 1985. 85. Dorka Imre – Kreisz István: Koncentrált energiák alkalmazása az anyagmegmunkálásban. Gépgyártástechnológia, XXXVII. évf. 3. sz. 1997. március, 35–41. 86. Dutta Majumdara, J. – Ramesh Chandraa, B. – Galunb, R. – Mordikeb, B.L.– Mannaa, I.: Laser composite surfacing of a magnesium alloy with silicon carbide. Composites Science and Technology 63. 2003. 771–778. 87. Eagar, T. W.: Electron Beam and Laser Beam Materials Processing in Japan. Welding Journal, July 1986. 19–31. 88. Edward, Lyndon – Endean, Mark: Materials in Action Series Manufacturing with Materials. Open University, 1990. 89. Egami, A. – Koikawa, A. – Harada, K.: Trends in cutting tool materials in Japan. Metal Powder Report, 47. k. 4. sz. 1992. 34–38. 90. Elizavetin, M. A. – Szatel, E. A.: Élettartamnövelés technológiai eljárásokkal. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1972. 91. Felde, I. – Kohlheb, R. – Búza, G. – Verő, B. – Réti, T.: Microstructure and Hardness Prediction in Laser Heat-Treated Steels Using Computer Simulation. Surface Modification Technologies XI (Edited by T. S. Sudarsham), The Institute of Materials, London, 1998. 92. Fóti Ernő: Elektrontechnológiák. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1965. 93. Frischherz, Adolf – Skop, Paul: Fémtechnológia. Alapismeretek 1. B + V Lap- és Könyvkiadó, Budapest, 1993. 94. Fritz, D. – Rudolph, L.: Characterization of electron beams, the basis for future advancements. Power Beam Technology, Sept. 1990. 47–59. 95. Gáti József – Horváth László – Kisfaludy Antal – Kovács Mihály – Réger Mihály – Tóth László: Anyagtechnológia. II. (Szerkesztette: Kisfaludy Antal), Bánki Donát Műszaki Főiskola, Budapest, 1994. 96. Gáti József (szerk.): Hegesztési zsebkönyv. COKOM Mérnökiroda Kft., Miskolc, 2003. 338 EME Irodalom 97. 98. 99. 100. 101. 102. 103. 104. 105. 106. 107. 108. 109. 110. 111. 112. Geiger, Manfred – Hoffmann, Peter – Buza Gábor – Takács János: A lézertechnika és a képlékenyalakítás kapcsolata. Bányászati és Kohászati Lapok – Kohászat, 127. évf. 11–12. sz. 1994. november–december hó, 485–487. Germaud, M. et al.: The microstructure of rapidly solidified Al-Fe alloys subjected to laser surface treatment. Acta Metall, 1990. Vol. 38. Nr. 12. 2587. Ginsztler János – Takács János: Új szerkezeti és szerszámanyagok és gyártási eljárásaik. Gépgyártástechnológia, XXVIII. évf. 7. sz. 1988. július, 289–296. Gnanamuthu, D. S.: Laser Surface Treatment. Optical Engineering, 19, 1980. 783–792. Grange, R. A. – Hribal, C. R. – Porter, L. F.: Hardness of Tempered Martensite in Carbon and Low-Alloy Steels. Metallurgical Transactions A, Volume 8A, November 1977. 1775–1785. Grasme, D.: Verschleissfeste Schichten auf Aluminium durch „Thermisches Spritzen”. Schweizer Aluminium Rundschau, 39. k. 1. sz. 1989. 12–15. Greenwald, L. E.: United Technologies Research Center. Report R 77111321-1, 1977. Grum, Janez: Laser surface hardening. Volum 2. Materials Science and Technology Series, University of Ljubljiana, faculty for Mechanical Engineering, Ljubjana, 2002. Gureyev, Dmitry – Mednikov, Sergey – Shuchostanov, Vladimir – Yamtchikov, Sergey: Laser Temperature Effect on Surface Layer Characteristics of Tool Steels. The 5th International Symposium of the Japan Welding Society, Tokyo, April 1990. 281–286. Gyenis László: A felületbevonó plazmaszórási eljárások virágkora napjainkban. Hegesztéstechnika, III. évfolyam 3. szám, 1992/3. 47–51. Gyenis László: Korszerű felületvédelem nagy energiájú termikus szórással. Gépgyártástechnológia, XXXII. évfolyam, 7–8. szám, 1992. július– augusztus, 341–343. Hancock, J. R.: Improving coating performance through steel surface treatment, Materials Performance, 29. k. 8. sz. 1991. 35–41. Hannig, F. C.: Anyag és hegesztéstechnológia a szerszámgyártásban. Hegesztéstechnika, VII. évf. 1996/4. 40–48. Harmath József (szerk.): Mérési gyakorlatok. (Középiskolai tankönyv) – 3. fejezet: Anyagvizsgálati alapmérések (84–140), szerzők: Bagyinszki Gyula – Tóth László; KIT Képzőművészeti Kiadó és Nyomda Kft., Budapest, 1999. Haskó Ferenc (szerk.): Fémes anyagok védelme kopás ellen, Ipari Technológiai Intézet, Budapest, 1988 Heine, B.: Thermisch gespritzte Schichten. Metall, 49. k. 1. sz. 1995. 51– 57. 339 EME Irodalom 113. Hiroshi Maruo: Recent Advances in Laser Material Processing in Japan. The 5th International Symposium of the Japan Welding Society, Tokyo, April 1990. 233–238. 114. Hluchý, Miroslav és kollektívája: Gépgyártástechnológia. Félkészgyártmányok. A megmunkálás alapjai. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1984. 115. Hornbogen, Erhard: Werkstoffe: Aufbau und Eigenschaften von Keramik, Metallen. Polymer- und Verbundwerkstoffen, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, 1991. 116. Ion, J. C. et al.: Laser transformation hardening of low alloy hypoeutectoid steel. Material Science and Tehnic, 1992. Vol. 8. 799. 117. John E. Harry: Ipari lézerek és alkalmazásuk. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979. 118. Joundi, H.: Reliable coatings via plasma arc spraying. Advanced Materials and Processes, 134. k. 6. sz. 1988. dec. 41–44. 119. Katsamas, Anthony I. – Zervaki, Anna D. – Haidemenopoulos, Gregory N.: Laser-beam surface transformation of hypoeutectoid Ck-60 steel. Steel Research 68, No. 3. 1997. 119–124. 120. Kegel. K. (szerk.): Villamos hőtechnikai kézikönyv. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978. 121. Keizoh Honda – Yoshinobu Makino – Yoshitaka Yuasa: Application of High Power Laser Cladding with Powder Feeding System. The 5th International Symposium of the Japan Welding Society, Tokyo, April 1990. 269–275. 122. Kisfaludy Antal – Réti Tamás – Tóth László: Anyagtechnológia. I. (Szerkesztette: Kisfaludy Antal), Bánki Donát Műszaki Főiskola, Budapest, 1994. 123. Kocsisné dr. Baán Mária: Lézertechnológiák alkalmazása a műszaki felülettudomány terén. Oktatási segédlet, Miskolc, 1996. 124. Komócsin Mihály: Gépipari anyagismeret. Cokom Kft., Miskolc, 1995. 125. Korach Marcell: Elektronsugaras helyi olvasztás és hőkezelés hatása néhány szerszámacél tulajdonságaira. Kandidátusi értekezés, BME MTAI, 1986. 126. Koster, William P.: Machining. Advanced Materials & Processes, 1/90, 67– 68, 83–84. 127. Koszmacsev, I. G.: Gépgyártástechnológia. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1975. 128. Kovács Tünde: Szerszámanyagok kopási tulajdonságainak vizsgálati lehetőségei golyó/sík elvű berendezéssel. Gyártóeszközök – Szerszámok, szerszámgépek, Budapest, 2008/1. 52–55. 129. Kovács, T. – Dévényi, L.: The effect of microstructure on the wear phenomena. Material Science Forum, Vols. 537–538. Trans. Tech. Publications Switzerland, 2007. 397–404. 130. Kovács, T.: Wear test method of metal surface. Proceedings of Third Conference on Mechanical Engineering, Vol. I. 2002. 204–208. 131. Kozma Mihály: Tribológia. Tankönyvkiadó, Budapest, 1991. 340 EME Irodalom 132. Kron, Petra Britt – Dahl, Winfried – Bleck, Wolfgang: Characterization of laser-beam surface treated cold and hot working steels. Steel Research 68 No. 4. 1997. 186–190. 133. Kuharev, B. Sz. – Lizák, J. – Mironovics, V. V.: A termokémiai hőkezelésekkel kialakított védőbevonatok előállítása és gyakorlati alkalmazásuk. Gépgyártástechnológia, XXXI. évf. 5. sz. 1991. május, 202–203. 134. Laufer Lídia – Haskó Ferenc: Lézer ipari alkalmazásának lehetőségei. Gépgyártástechnológia, XXIX. évf. 11. sz. 1989. november, 523–526. 135. Li, W.-B. – Easterling, K. E. – Ashby, M. F.: Laser transformation hardening of steel – II. Hypereutectoid steels. Acta Metall. Vol. 34, No. 8, 1986. 1533–1543. 136. Lizák József: A termokémiai kezelések szerepe és helye a gépgyártásban. Gépgyártástechnológia, XXXII. évf. 5–6. sz. 1992. május–június, 261–263. 137. Lugscheider, E. – Bolender, H. – Krappitz, H.: Laser Cladding of Pastebound Hardfacing Alloys. Proceedings of Surface Modification Technologies, V. Int. Conference, 2-4 September, 1991, Birmingham, Ed. by T.S. Sudarshan, J.F. Braza, The Institute of Materials, London, 1992. 371–381. 138. Marton Árpád: Áthúzórendszerű tűzi horganyzással előállított bevonatok vizsgálata. Bányászati és Kohászati Lapok – Kohászat 126. évf. 10–11. sz. 1993. október–november hó, 364–368. 139. Masumoto, I. – Yamazaki, H. – Kimura, S. – Tongu, Y. – Nezaki, K. – Morishige, M. – Kutsina, M.: A lézeres fémmegmunkálás kísérleti tanulmányozása. 2. GTE/DVS Közös Konferencia – 11. GTE Nemzetközi Hegesztési Konferencia, Budapest, 1992. június 15–18. 162–178. 140. Miskolczi Katalin – Laufer Lídia – Seegner Győző: Ipari CO2 lézer alkalmazások az Ipari Technológiai Intézetben. Hegesztéstechnika, III. évf. 1. sz. 1992/1. 16–19. 141. Mordike, B. L.: State of the art of surface engineering with high energy beams. 2nd International Seminar Surface Engineering With High Energy Beams – Science and Technology, Lisbon, September 25-27, 1989. 13– 25. 142. Mordike, B. L.: Surface Hardening of Structural Parts. "Laser Assisted Net Shape Engineering". Proceedings of the 26th International CIRP Seminar on Manufacturing Systems – LANE'94 Erlangen, October 12-14. Vol. I. 1994. 227–242. 143. Nagy Ernő: A laser. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1965. 144. Németh Zoltán – Földváry László – Gaál István – Lefler János – Szőke Béla: A termokémiai kezelések fizikai, kémiai alapjai, berendezései és mérő-, szabályzó rendszerei. Gépgyártástechnológia, XXIV. évf. 5. sz. 1984. május, 203–212. 145. Nestler, M. C. – Spies, H-J. – Hermann K.: Production of duplex coatings through process combination thermal spraying/nitriding. Proceedings of the 10th Congress of the IFHT, Brighton, 1-5 September 1996. IOM Communications Ltd 1999. 356–366. 341 EME Irodalom 146. Nichols, J. R. – Stephenson, D. J.: High temperature coatings for gas turbines. Metals and Materials, 7.k. 3. sz. 1991. 156–162. 147. Niebel, Benjamin W. – Draper, Alan B.– Wysk, Richard A.: Modern Manufacturing Process Engineering. McGraw-Hill Publishing Company, New York, 1989. 148. Oestmann, Carsten – Adam, Volker: Surface Hardening of Hot Working Steel by Electron Beam Processing The 5th International Symposium of the Japan Welding Society, Tokyo, April 1990. 301–308. 149. Oldewurtel, A. – Eversberg, K. R.: CVD-Beschichtung. HärtereiTechnische Mitteilungen, 44. k. 1. sz., 1989. jan/febr, 25–31. 150. Orgován László (főszerk.): Felületvédelmi kézikönyv. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1989. 151. Orlich, J. et al.: Atlas zur Wärmebehandlung von Stähle. Verlag Stahleisen M.B.H., Düsseldorf, 1972. 152. Pálmai Zoltán – Dévényi Miklós – Szőnyi Gábor: Szerszámanyagok. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1991. 153. Parsons, G.H. – Man, H.C.: Laser Surface Engineering – an Overview in Surface Engineering. Past-present-future, Spinger Verlag, 3/1985, 1985. 330–343. 154. Pickard, A. C.: Component lifing. Materials Science and Technology, September 1987. Vol. 3. 743–749. 155. Pobol, I. L.: Improvement of Properties of Metal and Alloy Parts by Electron-Beam Action. Materials of the 7th International Congress for Heat Treatment of Materials, Volume VI. Moscow, December 11–14, 1990. 14– 23. 156. Prohászka János (szerk.): Anyagtechnológia. Tankönyvkiadó, Budapest, 1987. 157. Rábel György (szerk.): Gépipari technológusok zsebkönyve. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979. 158. Réti, T. – Kovács, T.: A Phenomenological Method for the prediction on damage Accumulation Process under Varying External Conditions. Materials Science Forum, Vols. 414–415. Transtech Publication, Switzerland, 2003. 317–322. 159. Réti, Tamás – Bagyinszki, Gyula – Felde, Imre: Modeling of Multiphase Austenite Decomposition during Quenching of Steels. Achievements in the Mechanical and Materials Engineering, AMME '97, Miskolc-Tapolca, 1–3 December, 1997. 160. Réti, Tamás – Bagyinszki, Gyula – Felde, Imre: Prediction of Steel Hardness after Rapid Austenitization and Quenching. Achievements in the Mechanical and Materials Engineering, AMME '97, Miskolc-Tapolca, 1–3 December, 1997. 161. Réti, Tamás – Bagyinszki, Gyula: Application of Generalized TimeTemperature Parameters for the Prediction of Rapid Austenitization Processes. 11th Congress of the International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering; 4th ASM Heat Treatment and Surface 342 EME Irodalom 162. 163. 164. 165. 166. 167. 168. 169. 170. 171. 172. 173. 174. 175. 176. 177. Engineering Conference in Europe, Florence, Italy, 19–21 October 1998. Proceeding – Vol. II. 293–300. Réti, Tamás – Horváth, László – Bagyinszki, Gyula: Prediction of Hardness Decrease Occuring during Non-isothermal Tempering. 1st International Induction Heat Treating Symposium, Indianapolis, 16–18 September, 1997. Réti, Tamás – Bagyinszki, Gyula – Felde, Imre – Verő, Balázs – Bell, Tom: Prediction of as Quenched Hardness after Rapid Austenitization and Cooling of Surface Hardened Steels. Computational Materials Science 15, 1999. 101–112. Roberts, George A. – Cary, Robert A.: Tool Steels. 4th Edition. American Society for Metals, Ohio. Romvári Pál – Béres Lajos: Hegesztőanyag kiválasztása kopásálló felületek felrakóhegesztéséhez. Hegesztéstechnika, II. évf. 1. sz. 1991. 12–13. Roósz, A. – Rozsnoki, L. – Teleszky, I. – Uray, Gy. – Sólyom, J. – Gácsi, Z. – Kovács, Á. – Baán, M.: Modification of hot working steel surface by laser treatment. The 7th International Conf. on Surface Modification Technology, Niigata, Japan, 1993. Rowshan, R. – Kocsisné Baán, M.: Thermal and metallurgical modelling of laser transformation hardened steel parts. Materials Science Forum, Vols. 537–538. Trans Tech Publication Ltd. 2007. 599–606. Rozsnoki László: A lézeres felületkezelés alkalmazásának távlatai. Jövőnk anyagai, technológiái. Bányászati és Kohászati Lapok, Budapest, 1994. június. Russel, J. D. (ed.): Power Beam Technology. Woodhead Publishing Ltd, Abington Hall, 1991. Schneider, Marcel: Laser cladding with powder effect of some machining parameters on clad properties. Ph.D. Thesis University of Twente Enschede, Netherlands, 1998. Scholz, E.: Felületbevonatok készítése porbeles szalagelektródával, fedett ívű felrakóhegesztéssel. Hegesztéstechnika, II. évf. 2. sz. 1991/2. 20–25. Schönwald, B. – Kuhn, J.: Technologie-Management am Beispiel neuer Werkstoffe. Technische Mitteilungen Krupp, 2. sz. nov. 1982. 55–68. Schuöcker, D.: A nagyteljesítményű lézertechnika alapjai és alkalmazási területei az anyagmegmunkálásban. Gép, XLII. évf. 9. sz. 1990. szeptember, 321–324. Schuöcker, Dieter: A lézeres hegesztés technikája. Gép XLII. évf. 11. sz. 1990. november, 401–405. Sebestyén Anita – Nagyné Halász Erzsébet – Bagyinszki Gyula – Bitay Enikő: Felületmódosítási eljárások hatása acélok kopásállóságára. XII. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka, Kolozsvár/Cluj, Műszaki Tudományos Füzetek – Erdélyi Múzeum-Egyesület kiadványa, 2007. 161–168. Sekar, J. A. – Kou, S. – Mehrabian, R.: Metallurgical Transaction 14A. 1983. 1169. Sexton, L.: Laser cladding: Repairing and manufacturing metal parts and 343 EME Irodalom 178. 179. 180. 181. 182. 183. 184. 185. 186. 187. 188. 189. 190. 191. 192. 193. 194. 195. 196. 344 tools. Optics and Photonics Technologies and Applications (T. J. Glynn, ed.), vol. 4876. LaserAge Ltd., 2002. Sinka Vilmos: Az ionbeültetéses felületi kezelés hatása egy titánötvözet kisciklusú fáradására. Gép, XLI. évfolyam, 3. szám, 1990. március, 87–88. Smith, Fred A.: Surface Modification. Advanced Materials & Processes, 1/90. 61–62. Smith, H. M.: Rhodium plating – a bright or dim future? Metal Finishing, 87. 2. sz. 1989. 59–62. Smóling Kálmán: Szerszámacélok kézikönyve. Szabványkiadó, Budapest, 1985. Steen, W. M.: Future Tendencies of Surface Engineering with High Energy Density Beams. 2nd International Seminar Surface Engineering With High Energy Beams – Science and Technology, Lisbon, September 25-27, 1989. 11. Svéda, M. – Roósz, A. – Búza, G.: Formation of Al-Si-Pb Monotectic Layer on Al-Si Alloy Surface by Laser Alloying, Solididfication and Gravity ’04, Miskolc-Lillafüred, 2004. szeptember 6–10. Materials Science Forum Vols. 473–474, 2005. 527–532. Szakács György – Dévényi Miklós: Keményfémek és szuperkemény anyagok alkalmazása. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978. Szigeti Ferenc: Kopásvédelem NiCrBSi ötvözetekből keményforrasztással előállított felületi rétegekkel. Hegesztéstechnika, V. évf. 1994/3. 33–36. Szombatfalvy Árpád (szerk.): A hőkezelés technológiája. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985. Szunyogh László (főszerk.): Hegesztés és rokon technológiák. Kézikönyv. Gépipari Tudományos Egyesület, Budapest, 2007. Takács J. – Bakondi K. – Sklánitz A.: Lézertechnika a korszerű gyártásban. Gépgyártástechnológia, XXXII. évf. 11. sz. 1992. november, 470–471. Takács János – Buza Gábor: A lézertechnológiai kutatások eredményei. II. Bányászati és Kohászati Lapok – Kohászat, 128. évf. 1. sz. 1995. január, 33–35. Tanju Celiker: Gyors eljárások funkcionális prototípusok előállítására. Bányászati és Kohászati Lapok – Kohászat, 127. évf. 9. sz. 1994. szeptember, 388–390. Teleszki Ilona: Lézeres felületkezelés. Tanulmány, MTA Anyagtudományi Kutatócsoport, Miskolci Egyetem, Miskolc, 1996. Thomas, W. M.: Solid phase cladding by friction surfacing. Welding for the Process Industries, April 1988. 101–119. Tisza, M.: Phisical Metallurgy of Engineers, ASM International Materials Park, Ohio and Freund Publishing House Ltd. London–Tel Aviv. Török Tamás: A legújabb felületbevonó módszerekről. Gép, XLV. évf. 6. sz. 1993. június, 9–15. Trafford, D. N. H. – Bell, T. – Megaw, J. H. P. C. – Bransden, A.S.: Heat Treatment using a high-power laser. Heat Treating, 1979. 32–38. Turner Gábor – Gazdag László: Felületi edzés CO2 lézerrel. Korszerű EME Irodalom technológiák, XXIV. évf. 2. (115.) 1991. 25–30. 197. Uchida, Y.: Zinc coating developments in Japan. Materials and Design, 12. 6. sz. 1991. dec. 331–337. 198. Vadász Emil (szerk.): TMK-zsebkönyv. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985. 199. Vadász Emil: Gépalkatrészek gyártása és javítása műanyagbevonattal. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978. 200. Valasek István: Anyagok tribológiai tulajdonságai. Gép, XLI. évf. 2. sz. 1989. február, 54–63. 201. Valasek István: Súrlódás és kopás. Gép, XL. évf. 11. sz. 1988. november, 427–440. 202. Vees, Georg – Spruzina, Walter: Edzés nagyteljesítményű lézerrel. Gép, XLII. évf. 9. sz. 1990. szeptember. 203. Verő József – Káldor Mihály: Vasötvözetek fémtana. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1980. 204. Walker, R. A.: Duplex and high alloy stainless steels – corrosion resistance and weldability. Materials Science and Technology, Vol. 4, 1988. 78–84. 205. Weisheit, A. – Galun, R. – Haude, R.: Laserrandschichtbehandlung von Aluminium- und Magnesium-werkstoffen. Metall, 48. 6. sz. 1994. 455–460. 206. Wong, Y. C. – Doyle E. D. – Dearnley, P. A.: In-situ duplex plasma treatments for hardened and tempered alloy steels and their performance in rolling and sliding wear. Proceedings of the 10th Congress of the IFHT (Brighton, 1-5 September 1996), IOM Communications Ltd 1999. 367–381 207. Yoshiaki Arata (ed.): Plasma. Electron and Laser Beam Technology, American Society for Metals, Ohio, 1986. 208. Zenker, Rolf: Electron Beam Surface Modification – Result and Perspectives. 2nd International Seminar Surface Engineering With High Energy Beams – Science and Technology, Lisbon, September 25–27, 1989. 53–67.; Materials of the 7th International Congress for Heat Treatment of Materials, Vol. VI. Moscow, December 11–14, 1990. 281– 289. 209. Zsolnai László: Elektronsugaras hegesztés. Hegesztéstechnika, VI. évf. 1995/3., 20–23. 210. Lézertechnikai célszám. Korszerű Technológiák XXIV. 1991. 2. 211. *** Surface Engineering. Volume 5. ASM International, The Materials Information Society, Materials Park, USA, 1994. 345 EME Irodalom 346 EME Surface engineering Summary Material and energy- saving more environmental friendly technologies have an increasingly important role in industrial practice. Machining, work load and special requirements have to be related to the product mass at the lowest acceptable volume. This concept is generally met by the surface engineering processes as these enhance the use of cheaper materials with better machinability where the surface damage may be prevented applying wear, corrosion, fatigue resistant surface layers. If no other specific requirements or norms have to be applied, these layers may also improve the surface aspect. Local, tailor-made surface properties may also be covered without a major modification of structure and properties of the substrate material. The book gives an overview of the Surface Technologies, but it is not exhaustive. It focuses on applications in mechanical engineering. It presents not only the heat treatment procedures (surface hardening, thermo-mechanical and thermochemical treatments, PVD, CVD, surface remelting), but also on processes connected to deformation (surface solidification with cold deformation), fusion welding (surface remelting, surface alloying, remelting welding), physical-chemical processes (surface coating) and their combinations, known as Duplex process. The book also presents the various forms of surface damage leading to specific treatments, covering also important characteristics of the material surfaces. Surface preparation methods are described as well as the material testing for assessing the quality of surface layers. The aim of this book is to offer theoretical and practical knowledge for planning, designing and material selection for engineering components and structures, or tools. The book also offers information for production planning, maintenance and repair work, considering the dedicated education in mechanical engineering. 347 EME Contents Introduction 9 1. Selecting surface treatments ............................................................................. 11 1.1. Surface damage on tools and engineering components....................... 11 1.1.1. Wear and relaxation ........................................................................... 11 1.1.2. Corrosion and scaling......................................................................... 15 1.1.3. Mechanical and thermal fatigue ......................................................... 19 1.2. Role and system of surface treatment processes....................................... 23 1.2.1. Development trends in technology .................................................... 23 1.2.2. Local modification of material structure.............................................. 24 1.2.3. Classification of surface treatments ................................................... 25 1.3. High energy heat sources ........................................................................... 29 1.3.1. Laser................................................................................................... 41 1.3.2. Electron beam .................................................................................... 45 1.3.3. Plasma................................................................................................ 47 2. Characteristics of material surfaces................................................................... 50 2.1. Macro- and microstructure of the surface ................................................... 50 2.1.1. Ideal and real surface, surface defects .............................................. 50 2.1.2. Surface waviness and roughness ...................................................... 55 2.1.3. Optical and aesthetical characteristics of material surfaces .............. 57 2.2. Surface preparation..................................................................................... 59 2.2.1. Oxide and scale removal.................................................................... 62 2.2.2. Cleaning and degreasing ................................................................... 69 2.2.3. Other preparing operations ................................................................ 71 3. Surface treatments without material deposition................................................. 72 3.1. Surface hardening ....................................................................................... 72 3.1.1. Shot peening ...................................................................................... 74 3.1.2. Picking ball surface strengthening...................................................... 76 3.1.3. Striker surface strengthening ............................................................. 80 3.1.4. Burnishing surface strengthening....................................................... 81 3.1.5. Roller surface strengthening .............................................................. 85 3.1.6. Explosion surface strengthening ........................................................ 87 3.1.7. Laser pulse surface hardening ........................................................... 88 3.2. Surface hardening ....................................................................................... 88 3.2.1. Flame hardening................................................................................. 95 3.2.2. Induction hardening .......................................................................... 101 3.2.3. Laser hardening................................................................................ 111 3.3. Surface remelting ...................................................................................... 114 3.4. Remelting welding ..................................................................................... 135 348 EME Contents 4. Surface treatments with added material .......................................................... 137 4.1. Protective coating...................................................................................... 137 4.1.1. Bonding ............................................................................................ 137 4.1.2. Plastic coating .................................................................................. 140 4.1.3. Painting, lacquering .......................................................................... 141 4.1.4. Enamelling........................................................................................ 144 4.1.5. Chemical precipitation ...................................................................... 144 4.1.6. Electroplating.................................................................................... 147 4.2. Thermal spraying....................................................................................... 153 4.2.1. Flame spraying ................................................................................. 156 4.2.2. Arc spraying...................................................................................... 157 4.2.3. Plasma spraying ............................................................................... 159 4.2.4. Explosion spraying ........................................................................... 161 4.3. Cladding .................................................................................................... 162 4.3.1. Drawing cladding .............................................................................. 162 4.3.2. Extrusion cladding ............................................................................ 162 4.3.3. Rolling cladding ................................................................................ 163 4.3.4. Friction cladding ............................................................................... 164 4.3.5. Explosive cladding............................................................................ 165 4.4. Vapour depositions.................................................................................... 167 4.4.1. PVD or physical vapour deposition .................................................. 173 4.4.2. CVD or chemical vapour deposition ................................................. 177 4.5. Ion implantation ......................................................................................... 181 4.6. Passivation ................................................................................................ 183 4.7. Thermochemical treatments of steels ....................................................... 186 4.7.1. Carburising ....................................................................................... 186 4.7.2. Nitriding ............................................................................................ 189 4.7.3. Nitrocarburizing and carbonitriding................................................... 195 4.7.4. Boriding and siliconising................................................................... 196 4.7.5. Thermochemical treatments with metallic elements ........................ 197 4.8. Surface melting on .................................................................................... 199 4.8.1. Hot-dip galvanizing ........................................................................... 199 4.8.2. Finishing treatment of thermal sprayed layers ................................. 200 4.8.3. Melting on thick metallic layers........................................................ 201 4.9. Surface alloying......................................................................................... 202 4.10. Surface-layer welding.............................................................................. 204 4.10.1. Surface-layer welding of tools ........................................................ 211 4.10.2. Production of economic tools ......................................................... 214 4.10.3. Wear-resistant surface-layer welding ............................................. 217 5. Duplex surface treatments ............................................................................... 224 5.1. Duplex modifications of material structure ................................................ 224 5.2. Duplex thermo chemical treatments.......................................................... 225 5.3. Duplex surface treatments ........................................................................ 225 5.3.1. Combination of laser surface hardening and nitriding........................... 228 349 EME 6. Other surface technologies .............................................................................. 235 6.1. Abrasive surface machining ...................................................................... 235 6.2. Laser honing.............................................................................................. 239 6.3. Production of printed electronic circuit boards .......................................... 242 6.4. Production of semiconductor based electronic parts ................................ 246 6.5. Production of coated composites .............................................................. 249 6.6. Metal colouring .......................................................................................... 251 6.7. Temporary corrosion protection ................................................................ 253 7. Testing and assessing surface treated layers ................................................ 255 7.1. Visual inspection ....................................................................................... 255 7.2. Non-destructive testing ............................................................................. 264 7.3. Light microscopy ....................................................................................... 267 7.4. Electron microscopy .................................................................................. 271 7.5. Chemical analysis ..................................................................................... 273 7.6. Hardness measurement............................................................................ 277 7.7. Bonding strenght testing ........................................................................... 281 7.8. Wear resistance testing............................................................................. 282 7.9. Corrosion resistance testing...................................................................... 284 7.10. Case studies, special testing methods.................................................... 286 Bibliography ......................................................................................................... 333 Surface engineering (Summary).......................................................................... 347 Contents .......................................................................................................... 348 Oberflächenbehandlung (Zusammenfassung) .................................................... 351 Inhalt ................................................................................................................ 352 Tratamente de suprafaţă (Rezumat).................................................................... 355 Cuprins ............................................................................................................ 356 350 EME Oberflächenbehandlung Zusammenfassung In der industriellen Praxis hat die Anwendung werkstoff- und energiesparende – und damit umweltfreundliche – fertigungsgestütze Technologien eine immer wichtigere Bedeutung. Diese Technologien beziehen sich auf das, nach den Bearbeitungsverfahren, Betriebsbeanspruchungen und speziellen Voraussetzungen nötige minimale Werkstückvolumen. Dieser Konzeption entsprechen im Allgemeinen die Oberflächenbehandlungsverfahren. Ohne andere Anforderungen oder Vorschriften können mit denen auf billige, einfach verarbeitbare, zähe Grundwerkstoffe (Grundkörper), die die Schadensbeständigkeit (Abrieb-, Anlassen-, Korrosion-, Zunder- und Ermüdungsbeständigkeit) verbessern, oft dekorative Oberflächenschichten hergestellt werden, die die Oberflächenbehandlungen können die Werkstücke den lokalen Beanspruchungen, Anforderungen angepasst werden, ohne dass eine größere Konstruktion- oder Eigenschaftsveränderung des Grundwerkstoffes (Grundkörper) nötig ist. Das Buch gibt einen Überblick über die Oberflächentechnologien, ohne Anspruch auf Vollständigkeit. Sie konzentrieren sich auf die Anwendung im Maschinenbau. Es werden nicht nur die Wärmebehandlungsverfahren (Oberflächenhärtung, thermochemischen und thermomechanischen Behandlungen, PVD, CVD, Oberflächenschmelzen) behandelt, sondern auch Verfahren wie Verformung (Oberflächenverfestigungen mit Kaltverformung), Schmelzschweißen (Oberflächendurch und -umschmelzen, Oberflächenlegieren, Auftragschweißen), physikalisch-chemische (Oberflächenbeschichtungs-) Verfahren bzw. deren Kombinationen, die sog. Duplexverfahren. Das Buch beschäftigt sich auch mit den verschiedenen Schadensformen, die zu einer Behandlung führen; mit einigen wichtigen Kennwerten von Werkstoffoberflächen, mit Verfahren der Flächeaufbereitung und mit Materialprüfungen zur Bestimmung der Schichtqualität. Ziel des Buches ist, theoretische und praktische Kenntnisse zur Planung, zum Design und zur Werkstoffauswahl von Ersatzteilen, Konstruktionen und Werkzeugen zu geben. Das Buch bietet auch Informationen zur Technologieplanung von Herstellung und Reparatur, mit besonderer Hinsicht auf die Aufgaben in der Ingenieurausbildung im Maschinenbau. 351 EME Inhalt Vorwort 9 1. Anwendungsmerkmale von Oberflächenbehandlung........................................ 11 1.1.Schadenstypen von Oberflächen der Maschinenelemente und Werkzeuge ........................................................................................................................ 11 1.1.1. Abrieb und Anlassabweihung............................................................. 11 1.1.2. Korrosion und Verzunderung ............................................................. 15 1.1.3. Mechanische und thermische Ermüdung ........................................... 19 1.2. Systeme und Aufgaben der Oberflächenbehandlungen ............................. 23 1.2.1. Trend von technologischen Entwicklung............................................ 23 1.2.2. Lokale Modifizierung der Werkstoffaufbau......................................... 24 1.2.3. Oberflächenbehandlungssysteme...................................................... 25 1.3. Bedeutung der Wärmequelle mit hohen Energiedichten ............................ 29 1.3.1. Laser................................................................................................... 41 1.3.2. Elektronenstrahl.................................................................................. 45 1.3.3. Plasma................................................................................................ 47 2. Kennzeichnung der behandelnden Werkstoffoberfläche................................... 50 2.1. Makro- und mikrostruktur der Oberfläche ................................................... 50 2.1.1. Ideale und reale Oberfläche, Oberflächenfehler ................................... 50 2.1.2. Oberflächenwelligkeit und Raurigkeit.................................................... 55 2.1.3. Optische und ästhetische Werkstoffoberfläche..................................... 57 2.2. Oberflächenvorbereitung zur Behandlung .................................................. 59 2.2.1. Freistellung von Oxid und Zunder ...................................................... 62 2.2.2. Freistellung von Fette und Öle ........................................................... 69 2.2.3. Andere Vorbereitungstätigkeiten ........................................................ 71 3. Oberflächenbehandlungen ohne Werkstoffauftrag............................................ 72 3.1.Oberflächenverfestigung .............................................................................. 72 3.1.1. Oberflächenverfestigung durch Kugelstrahlen………………………….. 72 3.1.2. Oberflächenverfestigung durch Schlagkörper.................................... 77 3.1.3. Oberflächenverfestigung durch Schlagbolzen ................................... 80 3.1.4. Oberflächenverfestigung durch Beschlag .......................................... 81 3.1.5. Oberflächenverfestigung durch Rollieren........................................... 85 3.1.6. Oberflächenverfestigung durch Sprengen ......................................... 87 3.1.7. Oberflächenverfestigung durch Laserimpuls...................................... 88 3.2. Oberflächenhärten....................................................................................... 88 3.2.1. Flammhärten ...................................................................................... 95 3.2.2. Induktionshärten ............................................................................... 101 3.2.3. Laserhärten ...................................................................................... 111 352 EME Inhalt 3.3. Oberflächenumschmelzen ........................................................................ 118 3.4. Aufschmelzschweissen ............................................................................. 135 4. Oberflächenbehandlungen durch Werkstoffauftragung................................... 137 4.1. Schutzbeschichtung .................................................................................. 137 4.1.1. Aufkleben.......................................................................................... 137 4.1.2. Beschichtung mit Kunststoff ............................................................. 140 4.1.3. Farben, Lackieren............................................................................. 141 4.1.4. Emaillieren........................................................................................ 144 4.1.5. Chemische Abscheidung.................................................................. 144 4.1.6. Galvanisieren.................................................................................... 147 4.2. Termisches Spritzen.................................................................................. 153 4.2.1. Flammspritzen .................................................................................. 156 4.2.2. Lichtbogenspritzen ........................................................................... 157 4.2.3. Plasmaspritzen ................................................................................. 159 4.2.4. Sprengspritzen ................................................................................. 161 4.3. Plattieren ................................................................................................... 162 4.3.1. Plattieren durch Ziehen .................................................................... 162 4.3.2. Plattieren durch Fliessen.................................................................. 162 4.3.3. Plattieren durch Walzen ................................................................... 163 4.3.4. Reibplattieren ................................................................................... 164 4.3.5. Sprengplattieren ............................................................................... 165 4.4. Beschichten aus Dampfphase .................................................................. 167 4.4.1. PVD oder Physical Vapour Deposition............................................. 173 4.4.2. CVD oder Chemical Vapour Deposition ........................................... 177 4.5. Ionenimplantieren...................................................................................... 181 4.6. Passivieren................................................................................................ 183 4.7. Termochemische Behandlungen .............................................................. 186 4.7.1. Aufkohlen der Stähle ........................................................................ 186 4.7.2. Nitrieren der Stähle........................................................................... 189 4.7.3. Carbonitrieren und Nitrocarburieren................................................. 195 4.7.4. Borieren und Silizieren der Stähle.................................................... 196 4.7.5. Termochemische Behandlung durch metallischen Elemente .......... 197 4.8. Oberflächenanschmelzen ......................................................................... 199 4.8.1. Feuerschmelztauchen der Metalle ................................................... 199 4.8.2. Nachbehandlung der termischen Spritzschichten............................ 200 4.8.3. Anschmelzen von dichten Metallschichten ...................................... 201 4.9. Oberflächenlegieren .................................................................................. 202 4.10. Auftragschweissen .................................................................................. 204 4.10.1. Auftragschweissen von Werkzeuge ............................................... 211 4.10.2. Herstellung der Sparwerkzeuge ..................................................... 214 4.10.3. Auftragen von Verschleissschichten .............................................. 217 5. Duplex Oberflächenbehandlungen .................................................................. 224 5.1. Duplex Werkstoffbau-Modifizierung .......................................................... 224 353 EME 5.2. Duplex termochemische Behandlungen ................................................... 225 5.3. Duplex Oberflächenbehandlungen............................................................ 225 5.3.1.Kombinieren von Laserhärten und Nitrieren........................................... 228 6. Andere Oberflächentechnologien .................................................................... 235 6.1. Abrasive Oberflächenbearbeitung............................................................. 235 6.2. Laserhonen ............................................................................................... 239 6.3. Fertigung der gedruckten Leitplatten ........................................................ 242 6.4. Herstellung der elektronischen Teile in Basis Halbleiter........................... 246 6.5. Herstellung von beschichteten Verbundwerkstoffe................................... 249 6.6. Metallfarben............................................................................................... 251 6.7. Zeitweilige Korosionsschutz...................................................................... 253 7. Prüfung und Qualifiziereung der behandelteten Oberflächenschichten .......... 255 7.1. Sichtprüfungen .......................................................................................... 255 7.2. Zerstörungsfreie Prüfungen ...................................................................... 264 7.3. Lichtmikroskopische Prüfungen ................................................................ 267 7.4. Elektronmikroskopische Prüfungen........................................................... 271 7.5. Chemische Analyse .................................................................................. 273 7.6. Härtemessungen ....................................................................................... 277 7.7. Haftfestigkeitsprüfungen ........................................................................... 281 7.8. Verschleissprüfungen................................................................................ 282 7.9. Korrosionsprüfungen................................................................................. 284 7.10. Fallstudie, extrem prüfungs-methode ..................................................... 286 Literatur ................................................................................................................ 333 Surface engineering (Summary).......................................................................... 347 Contents .......................................................................................................... 348 Oberflächenbehandlung (Zusammenfassung) .................................................... 351 Inhalt ................................................................................................................ 352 Tratamente de suprafaţă (Rezumat).................................................................... 355 Cuprins ............................................................................................................ 356 354 EME Tratamente de suprafaţă Rezumat Utilizarea în practica de producţie industrială a tehnologiilor care implică un consum redus de materiale şi energie, fiind astfel mai puţin vătămătoare pentru mediu, a căpătat în ultima perioadă o importanţă tot mai mare. Aceste tehnologii au în vedere volumul minim necesar al pieselor, pentru ca, în funcţie de metoda de prelucrare, acestea să corespundă condiţiilor de lucru şi condiţiilor speciale. În acest concept se încadrează în general tehnologiile de tratare a suprafeţelor. Fără alte condiţii, se pot aplica pe materiale de bază ieftine sau uşor de prelucrat, straturi care să confere pieselor rezistenţă crescută (la frecare, coroziune sau oboseală) sau care să dea acestora un aspect decorativ, prin aplicarea tratamentelor de suprafaţă, piesele putând să răspundă solicitărilor locale sau putând fi adaptate acestora, fără modificări importante ale proprietăţilor sau construcţiei materialului de bază. Cartea de faţă oferă o vedere de ansamblu asupra tehnologiilor de tratare a suprafeţelor, fără a avea pretenţia de a le aminti pe toate. Ca aplicaţii, punctul de greutate revine construcţiilor de maşini. Sunt amintite pe lângă procedeele de tratare termică (călirea suprafeţei, tratamente termochimice şi termomecanice, PVD, CVD, topirea suprafeţei) şi alte metode cum sunt deformarea (solidificarea suprafeţelor cu deformare la rece), sudarea prin topire (topirea suprafeţei, alierea suprafeţei, încărcare prin sudare), metode fizico-chimice (acoperirea suprafeţelor) precum şi combinaţii ale acestora, aşa numitele procedee duplex. Cartea tratează şi principalele forme de degradare a suprafeţelor, motivând necesitatea unui tratament, de asemenea câteva caracteristici mai importante ale suprafeţelor materialelor, procedeele de pregătire a lor şi controlul materialelor pentru determinarea calităţii stratului. Scopul acestei cărţi este de a pune la dispoziţia cititorilor cunoştinţe teoretice şi practice legate de planificarea, proiectarea şi de alegerea materialelor pentru piese de schimb, construcţii şi scule. Cartea de faţă mai oferă şi informaţii privind planificarea tehnologiilor de execuţie şi reparaţie, fiind de interes în procesul de formare a inginerilor specialişti în construcţia de maşini. 355 EME Cuprins Prefaţă 9 1. Aspecte legate de utilizarea tratamentelor de suprafaţă .................................. 11 1.1. Tipuri de deteriorare a suprafeţelor organelor de maşini şi a sculelor .... 11 1.1.1. Uzură şi revenire (relaxaţie) ............................................................... 11 1.1.2. Coroziune şi ardere ............................................................................ 15 1.1.3. Oboseală mecanică şi termică .......................................................... 19 1.2. Sisteme şi rolul proceselor de tratare a suprafeţelor ................................. 23 1.2.1. Tendinţe de dezvoltare a tehnologiilor .............................................. 23 1.2.2. Modificări locale ale structurii materialului ......................................... 24 1.2.3. Sisteme de tratare a suprafeţelor ...................................................... 25 1.3. Surse de căldură cu densitate ridicată de energie...................................... 29 1.3.1. Laser................................................................................................... 41 1.3.2. Fascicul de elctroni............................................................................. 45 1.3.3. Plasmă................................................................................................ 47 2. Caracteristici ale suprafeţelor materialelor care pot fi tratate ........................... 50 2.1. Macro şi microstructura suprafeţei ............................................................. 50 2.1.1. Suprafaţa ideală şi reală, defecte de suprafaţă .................................... 50 2.1.2. Ondularea suprafeţei şi rugozitatea ..................................................... 55 2.1.3. Caracteristici optice şi estetice ale suprafeţelor materialelor ............... 57 2.2. Pregătirea suprafeţelor în vederea tratamentului........................................ 59 2.2.1. Îndepărtarea oxizilor şi a arsurilor ...................................................... 62 2.2.2. Îndepărtarea grăsimilor şi a uleiurilor ................................................ 69 2.2.3. Alte operaţii pregătitoare ................................................................... 71 3. Tratamente de suprafaţă fără adaos de material .............................................. 72 3.1. Durificarea suprafeţei .................................................................................. 72 3.1.1. Ecruisarea suprafeţei cu bile ............................................................. 72 3.1.2. Ecruisarea suprafeţei cu alice ........................................................... 77 3.1.3. Ecruisarea suprafeţei prin percuţie .................................................... 80 3.1.4. Durificarea suprafeţei prin brunare..................................................... 81 3.1.5. Ecruisarea suprafeţei prin calandrare ................................................ 85 3.1.6. Ecruisarea suprafeţei prin explozie .................................................... 87 3.1.7. Ecruisarea suprafeţei prin impulsuri laser ......................................... 88 3.2. Călirea suprafeţelor .................................................................................... 88 3.2.1. Călirea cu flacără ............................................................................... 95 3.2.2. Călirea prin inducţie ......................................................................... 101 3.2.3. Călirea cu laser ................................................................................ 111 3.3. Retopirea suprafeţelor .............................................................................. 114 356 EME Cuprins 3.4. Sudarea prin retopire ............................................................................... 135 4. Tratamente de suprafaţă cu adaos de material............................................... 137 4.1. Acoperiri de protecţie ............................................................................... 137 4.1.1. Încleierea .......................................................................................... 137 4.1.2. Acoperiri cu mase plastice .............................................................. 140 4.1.3. Vopsirea ........................................................................................... 141 4.1.4. Emailarea ......................................................................................... 144 4.1.5. Depunere chimică............................................................................. 144 4.1.6. Galvanizare ...................................................................................... 147 4.2. Pulverizare termică ................................................................................... 153 4.2.1. Pulverizare cu flacără ...................................................................... 156 4.2.2. Pulverizare cu arc electric ................................................................ 157 4.2.3. Pulverizare cu plasmă ..................................................................... 159 4.2.4. Pulverizare prin explozie ................................................................. 161 4.3. Placarea .................................................................................................... 162 4.3.1. Placarea prin tragere ........................................................................ 162 4.3.2. Placarea prin extrudare .................................................................... 162 4.3.3. Placarea prin laminare .................................................................... 163 4.3.4. Placarea prin frecare ....................................................................... 164 4.3.5. Placarea prin explozie ...................................................................... 165 4.4. Depunere din vapori ................................................................................. 167 4.4.1. PVD sau depunerea fizică din vapori .............................................. 173 4.4.2. CVD sau depunerea chimică din vapori........................................... 177 4.5. Implantarea de ioni ................................................................................... 181 4.6. Pasivarea .................................................................................................. 183 4.7. Tratamente termochimice ......................................................................... 186 4.7.1. Carburarea oţelurilor ........................................................................ 186 4.7.2. Nitrurarea oţelurilor .......................................................................... 189 4.7.3. Carbonitrurarea şi nitrocarburarea oţelurilor ................................... 195 4.7.4. Borurarea şi silicizarea oteţurilor ..................................................... 196 4.7.5. Tratamente termochimice cu elemente metalice ............................ 197 4.8. Topirea suprafeţelor .................................................................................. 199 4.8.1. Acoperirea prin imersare în baia topită ........................................... 199 4.8.2. Tratamente ulterioare ale straturilor pulverizate termic ................... 200 4.8.3. Topirea în straturi metalice groase .................................................. 201 4.9. Alierea suprafeţelor .................................................................................. 202 4.10. Încărcarea suprafeţelor prin starturi de sudură ...................................... 204 4.10.1. Încărcarea prin starturi de sudură în cazul sculelor ...................... 211 4.10.2. Producţia de scule eficiente .......................................................... 214 4.10.3. Încărcarea cu straturi de sudură rezistente la uzură ..................... 217 5. Tratamente de suprafaţă de tip Duplex .......................................................... 224 5.1. Modificări Duplex ale structurii materialelor ............................................. 224 5.2. Tratamente termochimice Duplex ............................................................ 225 357 EME 5.3. Tratamente de suprafaţă de tip Duplex .................................................... 225 5.3.1. Combinarea călirii superficiale cu laser cu nitrurarea .......................... 228 6. Alte tehnologii de tratare a suprafeţelor .......................................................... 235 6.1. Prelucrarea abrazivă a suprafeţelor ......................................................... 235 6.2. Honuirea cu laser ..................................................................................... 239 6.3. Producţia de panouri cu circuite imprimate .............................................. 242 6.4. Producţia de piese electronice pe bază de semiconductori ..................... 246 6.5. Producţia de materiale compozite pentru acoperiri .................................. 249 6.6. Vopsirea cu oxizi metalici ......................................................................... 251 6.7. Protecţie temporară la coroziune .............................................................. 253 7. Controlul şi calitatea straturilor superficiale tratate ......................................... 255 7.1. Controlul vizual.......................................................................................... 255 7.2. Controlul nedistructiv................................................................................. 264 7.3. Controlul cu ajutorul microscopului .......................................................... 267 7.4. Controlul cu ajutorul microscopului electronic........................................... 271 7.5. Analiza chimică ........................................................................................ 273 7.6. Măsurarea durităţii..................................................................................... 277 7.7. Controlul rezistenţei de aderenţă ............................................................. 281 7.8. Controlul rezistenţei la uzură .................................................................... 282 7.9. Controlul rezistenţei la coroziune .............................................................. 284 7.10. Studii de caz, metode speciale de control .............................................. 286 Bibliografie ........................................................................................................... 333 Surface engineering (Summary).......................................................................... 347 Contents .......................................................................................................... 348 Oberflächenbehandlung (Zusammenfassung) .................................................... 351 Inhalt ................................................................................................................ 352 Tratamente de suprafaţă (Rezumat).................................................................... 355 Cuprins ............................................................................................................ 356 358 EME A sorozat eddig megjelent kötetei: 1. Jodál Endre: Számítástechnika az ezredforduló küszöbén. 1992. 35 oldal 2. Pálfalvi Attila: Porkohászat. 1993. 39 oldal 3. Bagyinszki Gyula – Bitay Enikő: Bevezetés az anyagtechnológiák informatikájába. 2007. 213 oldal 4. Bitay Enikő: Lézeres felületkezelés és modellezés. 2007. 174 oldal Megjelenés előtt álló kötetek: 6. Forgó Zoltán: Bevezetés a mechatronikába. 7. Tolvaly - Roşca Ferenc: A számítógépes tervezés alapjai. AutoLisp és Autodesk Inventor alapismeretek. 359 EME