Lézer hónolt felületek vizsgálata Dr. Czinege Imre, Csizmazia Ferencné Dr., Dr. Solecki Levente Széchenyi István Egyetem ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN KONFERENCIA 2008. Június 4-5.

Lézer hónolt felületek vizsgálata Áttekintés A lézer hónolás előnyei, alkalmazási területek Lézer hónolási technológiák Lézer hónolt felületek vizsgálati feladatai Vizsgálatok Felület topológiai Mikroszkópos Pásztázó elektronmikroszkópos Összefoglalás, következtetések 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

A lézer hónolás alkalmazása Hagyományos hónolással az olajnak a felületen való megtapadását segítik A hónoláskor keletkezett karcok nem előnyösek a kenés szempontjából (lásd a következő diát) Ezért a hónolási karcok helyett olajzsákokat (zsebeket) alakítanak ki a felületen, erre legalkalmasabb eszköz a lézer sugaras kezelés Alkalmazási területek (Gehring): 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

A henger-dugattyú kapcsolat tribológiai viszonyai Lokális olajzsákok képzése: Az olaj megmarad az üregekben Hagyományos hónolás: A dugattyúgyűrű mozgása kiszorítja az olajat a karcokból Dugattyúgyűrű Dugattyúgyűrű Dugattyú haladási iránya Érintkezés lehetséges (vegyes súrlódás) Dugattyúgyűrű úszik (hidrodimamikai kenés) Gyűrű Gyűrű

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) A lézerrel kiégetett grafit szemcsék alakja, mélysége A fémes felület szerkezeti változásai a lézeres kezelés hatására 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

Lézer hónolt felületek vizsgálata Vizsgálati technikák Topológia: 3D felületi kép felvétele lézeres vagy tűs letapogatással, 10 nm felbontással, 0,5x0,5 μm lépésközzel (Taylor Hobson Talysurf CLI 2000) Képi és összetétel jellemzők: Sztereo és optikai mikroszkóp (Zeiss) Pásztázó elektronmikroszkóp, EDS (Hitachi, Bruker) 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: érdesség Sa= 0,529 μm Sq= 0,679 μm Sz= 22,603 μm SSk= -0,754 SKu= 13,519 Sdq= 6,545° Sbi= 0,667 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

Lézer hónolt felületek vizsgálata A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: olajzsák méretek 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

Lézer hónolt felületek vizsgálata A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: morfológia Felső képsor: olajzsák részletei; N = 500x A jobb oldali képen hibás kiégés figyelhető meg Alsó kép: olajzsák széle és alja; N = 2000x A lézer sugár megolvasztja és elpárologtatja a fémet 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

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 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

A mikroszerkezet lézeres kezelése: Folyamatok Anyagleválasztás (elgőzölögtetés) Grafit lamellák kinyitása Kiég a grafit és kialakulnak a mikro-nyomáskamrák (olajzsákok) Fémes felület megolvasztása kb. 1 μm mélyen, ennek hatása: A felület tükrösödése A nanokrisztallitos szövetszerkezet kialakulása a hirtelen megszilárdulástól (szemcsenagyság ~100 nm) Előnyök: Az olajtároló zsákok magából a mikroszerkezetből jönnek létre A fémes felület keménysége jelentősen megnő Méréstechnikai nehézségek A grafit lamellákban keletkezett bemélyedés néhány μm, a lamellák melletti fém perem kissé kiemelkedik – emiatt nehéz letapintani A felületi réteg vastagsága 1 μm körüli érték 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

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 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

A mikroszerkezet lézeres kezelése: SEM vizsgálatok (1) A képződmények jellegzetes alakját jól mutatják a BSE felvételek A grafit lemezek széle jellegzetes domborulatot mutat 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

A mikroszerkezet lézeres kezelése: SEM vizsgálatok (2) Hónolt és lézer kezelt felület összehasonlítása A hónolt felület érdessége: Ra < 1 μm 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

A mikroszerkezet lézeres kezelése: Optikai mikroszkópos vizsgálat A görbült felület miatt a felületi képek nem élesek Megoldás: topológiai felvételek készítése különféle élességgel, majd ezek egyesítése térbeli képpé (Zeiss) N= 200x 500x 1000x 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

A mikroszerkezet lézeres kezelése: A felületi réteg vizsgálata (1) A lézer kezelt réteg kimutatása: ~1 μm vastag réteg Optikai mikroszkóp; N=1000x SEM; N=1000x 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

A mikroszerkezet lézeres kezelése: A felületi réteg vizsgálata (2) Hipotézis: a magas hőmérsékleten a réteg a levegőből nitrogént vesz fel, ez is növeli a keménységet. Az EDS vizsgálatok ezt nem mutatják ki, további elemzés szükséges. Keménységvizsgálat extrém alacsony terheléssel (Uni Karlsruhe) A mérés erő-benyomódás diagram felvételével történik A görbékből látható, hogy a felületi réteg nagy keménységű A nagy keménység a gyors hülés során kialakult nano szemcsékkel magyarázható 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata

KÖSZÖNJÜK SZÍVES FIGYELMÜKET Összefoglalás A lézeres kezelés előnyösen befolyásolja a felületek tribológiai viselkedését A lézer hónolással kialakított szabályos mintázat minősítése a kezelés sikerességének megítélésére szolgál (geometria, üregek folytonossága) A felületi mikroszerkezet megváltoztatására irányuló kezelés vizsgálata képet ad a kialakuló olajzsákok méretéről, eloszlásáról és a fémes réteg tulajdonságairól A vizsgálatok érdekessége az, hogy μm nagyságú objektumokat kell minősíteni nanométer felbontású mérésekkel Ezekhez a mérésekhez különleges vizsgálótechnika és csiszolat előkészítés szükséges KÖSZÖNJÜK SZÍVES FIGYELMÜKET 2008. 06. 04. Lézer hónolt felületek vizsgálata