Lézer hónolt felületek vizsgálata

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

2. Áttekintés • A lézer hónolás előnyei, alkalmazási területek • Lézer hónolási technológiák • Lézer hónolt felületek vizsgálati feladatai • Vizsgálatok • Felület topológiai • Mikroszkópos • Pásztázó elektronmikroszkópos • Összefoglalás, következtetések 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): Lézer hónolt felületek vizsgálata

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

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 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) Lézer hónolt felületek vizsgálata

7. A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: érdesség Lézer hónolt felületek vizsgálata

8. A felső holtpont közelében lévő olajtároló terek vizsgálata: olajzsák méretek 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 Lézer hónolt felületek vizsgálata

10. A mikroszerkezet lézeres kezelése:Lézerezési technológia • Futófelület megvilágítás EXCIMER-Lézerrel • Hullámhossz 308 nm (UV) • Frekvencia300 Hz • Impulzus idő 25 ns • Lézer tulajdonságai • Szélesség 3,4 mm • Magasság6,5 mm • Intenzitás25 mJ/mm² • 4-szeresmegvilágítás • A hengerfelület kezelése • Motorblokk forgatás • Lézer ágyú tengelyirányú mozgatása • A besugárzott területek átlapolódnak Eredmény: Olaj fogyasztás jelentős csökkenése Kopás mértékének csökkenése 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 megolvasztásakb. 1 μm mélyen, ennek hatása: • A felület tükrösödése • A nanokrisztallitos szövetszerkezetkialakulása a hirtelenmegszilárdulástól (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 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 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 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 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 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 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 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 Lézer hónolt felületek vizsgálata