lézer hónolt felületek vizsgálata
DESCRIPTION
Lézer hónolt felületek vizsgálata. Dr. Czinege Imre, Csizmazia Ferencné Dr., Dr. Solecki Levente Széchenyi István Egyetem. ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN KONFERENCIA 2008. Június 4-5. Áttekintés. A lézer hónolás előnyei, alkalmazási területek Lézer hónolási technológiák - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0 Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
Lézer hónolt felületek vizsgálata
ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN KONFERENCIA
2008. Június 4-5.
Dr. Czinege Imre, Csizmazia Ferencné Dr., Dr. Solecki Levente
Széchenyi István Egyetem
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 2
Áttekintés
• A lézer hónolás előnyei,
alkalmazási területek
• Lézer hónolási technológiák
• Lézer hónolt felületek vizsgálati
feladatai
• Vizsgálatok
– Felület topológiai
– Mikroszkópos
– Pásztázó elektronmikroszkópos
• Összefoglalás, következtetések
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 3
A lézer hónolás alkalmazása
• Hagyományos hónolással az olajnak a felületen való megtapadását segítik
• A hónoláskor keletkezett karcok nem előnyösek a kenés szempontjából (lásd a következő diát)
• Ezért a hónolási karcok helyett olajzsákokat (zsebeket) alakítanak ki a felületen, erre legalkalmasabb eszköz a lézer sugaras kezelés
• Alkalmazási területek (Gehring):
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0 Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
A henger-dugattyú kapcsolat tribológiai viszonyai
Dugattyúgyűrű Dugattyúgyűrű
Gyűrű Gyűrű
Érintkezéslehetséges (vegyes súrlódás)
Dugattyúgyűrű úszik(hidrodimamikai kenés)
Dugattyú haladásiiránya
Hagyományos hónolás:
A dugattyúgyűrű mozgása kiszorítja az olajat a karcokból
Lokális olajzsákok képzése:
Az olaj megmarad az üregekben
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 5
Lézer hónolási minták és vizsgálati igényeik
• Lézer kezelés szabályos geometriai alakzatok kialakítására
– A felső holtpont közelében elhelyezkedő olajtároló terek (pl. GM)
– Egész hengerfalra kiterjedő szabályos alakú olajzsákok (Forrás: www.gehring.de)
– Vizsgálati igények• Alap hónolás geometriai/érdességi jellemzői • Olajzsák geometria (szélesség, mélység)• Felületi képekből értékelhető jellemzők• Üregek alakja, morfológiája
• Olajterek létrehozása a mikroszerkezet lézeres kezelésével, a grafit kiégetésével (Forrás: Audi)
– Vizsgálati igények• Alap hónolás geometriai/érdességi jellemzői• A lézerrel kiégetett grafit szemcsék alakja, mélysége• A fémes felület szerkezeti változásai a lézeres
kezelés hatására
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 6
Vizsgálati technikák
Topológia:– 3D felületi kép felvétele lézeres vagy tűs
letapogatással, 10 nm felbontással, 0,5x0,5 μm lépésközzel (Taylor Hobson Talysurf CLI 2000)
Képi és összetétel jellemzők: – Sztereo és optikai mikroszkóp (Zeiss)– Pásztázó elektronmikroszkóp, EDS
(Hitachi, Bruker)
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 7
A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: érdesség
Sa= 0,529 μm
Sq= 0,679 μm
Sz= 22,603 μm
SSk= -0,754
SKu= 13,519
Sdq= 6,545°
Sbi= 0,667
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 8
A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: olajzsák méretek
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 9
A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: morfológia
Felső képsor: olajzsák részletei; N = 500x
A jobb oldali képen hibás kiégés figyelhető meg
Alsó kép: olajzsák széle és alja; N = 2000x
A lézer sugár megolvasztja és elpárologtatja a fémet
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 10
A mikroszerkezet lézeres kezelése:Lézerezési technológia
• Futófelület megvilágítás EXCIMER-Lézerrel– Hullámhossz 308 nm (UV)– Frekvencia 300 Hz – Impulzus idő 25 ns
• Lézer tulajdonságai– Szélesség 3,4 mm– Magasság 6,5 mm – Intenzitás 25 mJ/mm² – 4-szeres megvilágítás
• A hengerfelület kezelése– Motorblokk forgatás– Lézer ágyú tengelyirányú
mozgatása– A besugárzott területek
átlapolódnak
Eredmény:
Olaj fogyasztás jelentős csökkenése
Kopás mértékének csökkenése
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 11
A mikroszerkezet lézeres kezelése: Folyamatok
• Anyagleválasztás (elgőzölögtetés)– Grafit lamellák kinyitása
– Kiég a grafit és kialakulnak a mikro-nyomáskamrák (olajzsákok)
• Fémes felület megolvasztása kb. 1 μm mélyen, ennek hatása:– A felület tükrösödése
– A nanokrisztallitos szövetszerkezet kialakulása a hirtelen megszilárdulástól (szemcsenagyság ~100 nm)
• Előnyök:– Az olajtároló zsákok magából a mikroszerkezetből jönnek létre
– A fémes felület keménysége jelentősen megnő
• Méréstechnikai nehézségek– A grafit lamellákban keletkezett bemélyedés néhány μm, a lamellák melletti
fém perem kissé kiemelkedik – emiatt nehéz letapintani
– A felületi réteg vastagsága 1 μm körüli érték
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 12
A mikroszerkezet lézeres kezelése: Felület topológia
• A grafit lamelláknál keletkezett bemélyedések és a felület vizsgálata tűs letapogatással (0,6x0,6 mm2 felület; 0,5 μm lépésköz; 1,440.000 pont)
• Néhány szemléletes mérési eredmény:– Ra=0,1156 Rz=4,209 Rq=0,2245
• A felület alap hónolása rendkívül finom, érdességet az 1-2 mikron mélységű grafit kiégések és perem kiemelkedések jelentenek
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 13
A mikroszerkezet lézeres kezelése: SEM vizsgálatok (1)
• A képződmények jellegzetes alakját jól mutatják a BSE felvételek
• A grafit lemezek széle jellegzetes domborulatot mutat
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 14
A mikroszerkezet lézeres kezelése: SEM vizsgálatok (2)
• Hónolt és lézer kezelt felület összehasonlítása• A hónolt felület érdessége: Ra < 1 μm
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 15
A mikroszerkezet lézeres kezelése: Optikai mikroszkópos vizsgálat
• A görbült felület miatt a felületi képek nem élesek• Megoldás: topológiai felvételek készítése különféle élességgel, majd
ezek egyesítése térbeli képpé (Zeiss)
N= 200x 500x 1000x
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 16
A mikroszerkezet lézeres kezelése:A felületi réteg vizsgálata (1)
• A lézer kezelt réteg kimutatása: ~1 μm vastag réteg– Optikai mikroszkóp; N=1000x
– SEM; N=1000x
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 17
A mikroszerkezet lézeres kezelése:A felületi réteg vizsgálata (2)
• Hipotézis: a magas hőmérsékleten a réteg a levegőből nitrogént vesz fel, ez is növeli a keménységet. Az EDS vizsgálatok ezt nem mutatják ki, további elemzés szükséges.
• Keménységvizsgálat extrém alacsony terheléssel (Uni Karlsruhe)– A mérés erő-benyomódás diagram
felvételével történik
– A görbékből látható, hogy a felületi réteg nagy keménységű
– A nagy keménység a gyors hülés során kialakult nano szemcsékkel magyarázható
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEMKooperációs Kutató KözpontGVOP-3.2.2.-2004-07-0020/3.0Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék
2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata 18
Összefoglalás
• A lézeres kezelés előnyösen befolyásolja a felületek tribológiai viselkedését
• A lézer hónolással kialakított szabályos mintázat minősítése a kezelés sikerességének megítélésére szolgál (geometria, üregek folytonossága)
• A felületi mikroszerkezet megváltoztatására irányuló kezelés vizsgálata képet ad a kialakuló olajzsákok méretéről, eloszlásáról és a fémes réteg tulajdonságairól
• A vizsgálatok érdekessége az, hogy μm nagyságú objektumokat kell minősíteni nanométer felbontású mérésekkel
• Ezekhez a mérésekhez különleges vizsgálótechnika és csiszolat előkészítés szükséges
KÖSZÖNJÜK SZÍVES FIGYELMÜKET