Lézer hónolt felületek vizsgálata

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



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



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



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)



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



A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: olajzsák méretek



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



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



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



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



A mikroszerkezet lézeres kezelése: SEM vizsgálatok (1)

• A képződmények jellegzetes alakját jól mutatják a BSE felvételek

• A grafit lemezek széle jellegzetes domborulatot mutat



A mikroszerkezet lézeres kezelése: SEM vizsgálatok (2)

• Hónolt és lézer kezelt felület összehasonlítása• A hónolt felület érdessége: Ra < 1 μm



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



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



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



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

Documents

Lézer hónolt felületek vizsgálata