Embed Size (px)
Citation preview
MISKOLCI EGYETEM
ANYAGSZERKEZETTANI ÉS ANYAGTECHNOLÓGIAI INTÉZET
Nitridált kéreg vizsgálata műszerezett karcvizsgálat
segítségével
Kutatási jelentés
Kidolgozta:
Marosné Berkes Mária1 – Szilágyiné Biró Andrea
2 –
Felhő Csaba3 – Maros Zsolt
4 – Vass Zoltán
5 – Németh Alexandra
6
1,4egyetemi docens,
2,3egyetemi tanársegéd,
3,4MSc hallgató
Készült:
a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 Járműipari anyagfejlesztések projekt keretében
A projekt szakmai vezetője:
Dr. Tisza Miklós egyetemi tanár, tanszékvezető
Miskolc
2014
MISKOLCI EGYETEM
ANYAGSZERKEZETTANI ÉS ANYAGTECHNOLÓGIAI INTÉZET
Nitridált kéreg vizsgálata műszerezett karcvizsgálat
segítségével
Kutatási jelentés
Kidolgozta:
Marosné Berkes Mária1 – Szilágyiné Biró Andrea
2 –
Felhő Csaba3 – Maros Zsolt
4 – Vass Zoltán
5 – Németh Alexandra
6
1,4egyetemi docens,
2,3egyetemi tanársegéd,
3,4MSc hallgató
Készült:
a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 Járműipari anyagfejlesztések projekt
2.3. K+F téma keretében
K+F témavezető:
Dr. Marosné dr. Berkes Mária
egyetemi docens
Miskolc
2014.
4
Tartalom
1. Bevezetés ............................................................................................................................. 5
1.1. A 2.3. K+F projektelem feladata ............................................................................... 5
1.2. A jelen beszámolási időszakban végzett kutatások témaköre ................................... 6
2. Szakirodalmi áttekintés ....................................................................................................... 7
2.1. A karcvizsgálat elve ................................................................................................... 7
2.2. A karcvizsgáló berendezés ......................................................................................... 9
2.3. A karcvizsgálatból nyerhető információk ................................................................ 11
2.4. Az érdességmérés alapfogalmai............................................................................... 11
3. Elvégzett kísérletek ........................................................................................................... 13
3.1. A kísérleti munka célja ............................................................................................ 13
3.2. Kísérleti paraméterek ............................................................................................... 13
3.2.1. Vizsgált anyag .............................................................................................. 13
3.2.2. Próbatest geometria és alkalmazott technológia .......................................... 15
3.2.3. Próbatest előkészítés és szövetszerkezet ...................................................... 16
3.2.4. Felületi jellemzők ......................................................................................... 18
3.2.5. Profilometriai vizsgálattal meghatározott érdességi jellemzők .................. 18
3.2.6. Karcvizsgálattal meghatározott jellemzők ................................................... 19
3.2.7. Keménység ................................................................................................... 20
3.3. Eredmények ............................................................................................................. 22
3.3.1. Keménységmérés, rétegmélység-meghatározás .......................................... 22
3.3.2. Karcvizsgálat ................................................................................................ 28
3.4. A karcvizsgálat hasznosítása karbonitridált kérgek minősítési folyamatában ......... 35
4. Összefoglalás ..................................................................................................................... 37
5. A témakörhöz kapcsolódó publikációk és együttműködések ........................................... 38
6. Hazai és nemzetközi kutatási együttműködési programok szervezése ............................. 39
7. Köszönetnyilvánítás .......................................................................................................... 39
8. Irodalomjegyzék ................................................................................................................ 40
1. Bevezetés
1.1. A 2.3. K+F projektelem feladata
A versenyképesség fokozása, a hatékonyság, az anyag- és energiatakarékosság
követelményei a járműipari anyagok területén is folyamatos fejlesztést igényelnek, és intenzív
alapkutatásokat indukálnak. Ilyen széleskörű kutatások tárgya például a műanyagipari
szerszámacélok kopásnak kitett felületeinek hő- és felületkezelése a kopási károsodások
csökkentése céljából.
A 2.3. K+F témakör alapvető célkitűzései:
- új, nagyobb teljesítőképességű felületmódosított járműipari alkatrészek, illetve speciális
felhasználási célú, különleges szerszámanyagok előállítására alkalmas új összetételű,
illetve szerkezetű anyagok, anyagkombinációk előállítási technológiáinak kutatása, és
fejlesztése,
- az új típusú anyagszerkezetek és felhasználói tulajdonságaik elemzése, azok
kapcsolatrendszerének vizsgálata azzal a korszerű szemlélettel, amely tudatosan teremt
kapcsolatot az ipari felhasználók szempontjából meghatározó anyagi viselkedés, és azok
jellemzésére, minősítésére szolgáló mérőszámok, valamint az anyagtechnológiai
fejlesztések során a méretskála nano-, mikro- és makro szintjén végbemenő
anyagszerkezeti változások hatásai között.
Ennek során a felületkezeléssel módosított anyagszerkezetek vizsgálata során a projekt
keretében megvalósítandó feladataink :
- Felületmódosítás eredményeként létrejött gradiens anyagszerkezetek vizsgálata,
kiemelten a 2.1 projektelemben megvalósuló, a korszerű termokémiai eljárások
továbbfejlesztését támogató célzott alapkutatás tématerületeihez kapcsolódva:
o Cementálással, gáz- és plazmanitridálással, illetve aktív ernyős
plazmanitridálással kialakított felületek tribológiai vizsgálata, különös
tekintettel a kopásállóságra.
o Adott anyagminőség esetében a technológiai paraméterek optimalizálása a
maximális kopásállóságú felület kialakítása érdekében.
o A különböző módon felületkezelt anyagok kopási kinetikájának elemzése az
anyagleválási sebesség vizsgálatával.
- Bevonatolással létrehozható, heterogén rendszerek vizsgálata:
o Új összetételű és szerkezetű mono- és multirétegek kialakítására alkalmas
szubsztrát-bevonat lehetséges anyagtársítások kutatása,
o Kísérleti prototípus bevonatrendszerek anyagszerkezeti, mechanikai és
tribológiai tulajdonságainak komplex elemzése.
- Duplex felületkezelések lehetőségeinek vizsgálata:
o plazmanitridálást követő bevonatolás révén kialakítható rétegszerkezetek
tribológiai és komplex funkcionális vizsgálata.
1.2. A jelen beszámolási időszakban végzett kutatások témaköre
A projekt első évében szakirodalmi tanulmányokat folytattunk egyrészt a műanyagalakító
szerszámacélok korszerű hő- és felületkezelési eljárásainak áttekintésére, másrészt speciálisan
nitridálással módosított felületű, kopásnak kitett szerszámacélok tribológia vizsgálatainak
mérési tapasztalataira vonatkozó szakirodalmi anyagokat gyűjtöttünk és tekintettünk át ilyen
irányú kísérletek előkészítése, megtervezése és végrehajtása céljából.
A komplex felületvizsgálatok keretében a tribológiai vizsgálatokat profilometriai,
anyagszerkezeti és különféle mechanikai vizsgálatokkal egészítjük ki. A nitridált acélanyagok
hagyományos vizsgálatainak elvégzése mellett kísérleteket végeztünk annak
tanulmányozására, hogy a műszerezett karvizsgálat alkalmas lehet-e a felületkezelt
acélanyagok minősítési folyamatában való kiegészítő vizsgálati módszerként történő
felhasználásra.
Mivel a különféle gáz-és plazmanitridált acélanyagok vonatkozó tribológiai vizsgálatait és
kísérleti eredményeit a 2.1. K+F téma kutatási jelentése ismerteti, ezért jelen beszámolóban
csak a felületkezelt alkatrészek minősítési folyamatában alkalmazásra javasolt újszerű
vizsgálati módszer – a műszerzett karcvizsgálat – első kísérleti tapasztalatait ismertetjük
51CrV4 karbonitridált acélminőségek vizsgálati tapasztalatai alapján..
2. Szakirodalmi áttekintés
2.1. A karcvizsgálat elve
A bevonatok adhéziós kötésségének meghatározására számos hagyományos vizsgálati mód
létezik, viszont ezek többnyire csak a kis kötéssel rendelkező rétegekhez használhatók. Mivel
egyre nagyobb térhódítással használatosak a nagy adhéziós kötéserősséggel rendelkező
felületi rendszerek, szükség volt egy olyan módszerre amellyel, nagy biztonsággal tudjuk
mérni ezeket a sajátosságokat is [1].
Ilyen módszer a karcvizsgálat, amely napjainkban a legelterjedtebb. A karcvizsgáló
berendezés felépítését az 1. ábra illusztrálja.
1. ábra A karcvizsgáló berendezés sematikus ábrája [1]
A karcvizsgálat elve nagyon egyszerű, karcról-karcra lépcsőzetesen növelt, állandó, vagy
egy karcolási folyamaton belül fokozatosan növekedő erővel a vizsgálandó felületbe nyomjuk
a szerszámot, miközben a próbatest és a szerszám lineárisan elmozdul egymáshoz képest.
Szúrószerszámként a Rockwell C keménységmérő gyémántját szokás alkalmazni, mely 120o-s
kúpszöggel és 200 µm lekerekítési sugarú heggyel rendelkezik.
Az így létrehozott karcot a továbbiakban morfológiai módszerekkel vizsgáljuk, úgymint
fénymikroszkóp vagy pásztázó elektronmikroszkóp (SEM). Ily módon információk nyerhetők
a károsodás jellegéről, meghatározható a kritikus károsodáshoz tartozó erő. A kritikus erő
definiálása azonban nem egyszerű feladat, épp ezért a korszerűbb berendezéseket érzékeny
műszerekkel egészítik ki. Ilyen például a súrlódási együttható mérésére alkalmas műszer,
mely a szerszám és felület közötti tangenciális súrlódási erőt méri. A mérés és adatgyűjtés
pedig automatizálható beépített számítógép segítségével [1].
A károsodási folyamatot számos külső és belső tényező befolyásolhatja. Ezek:
- a karcolás és a terhelés növelésének sebessége,
- a szúrószerszám geometriája és kopása,
- a réteg anyagi minősége és mechanikai tulajdonságai,
- a bevonat rétegvastagsága, kristálytani felépítése,
- a maradó feszültségállapot és
- a súrlódási viszonyok.
A vizsgálatok reprodukálhatósága és a vizsgálati eredmények összehasonlítása miatt
fokozottan kell ügyelnünk e tényezőkre. Továbbá előírt szabványok is segítségünkre lehetnek
a gyűjtött adatok pontosságát illetően [2].
2. ábra Tipikus károsodási mechanizmusok megjelenésének formái [1]
A karcvizsgálat kiértékeléséhez ismernünk kell a tipikus károsodási mechanizmusok fajtáit
és megjelenésüknek formáit. Alapvetően öt különböző károsodást különböztetünk meg (2.
ábra):
a) nagy kiterjedésű leválás (spalling)
b) szabályosan ismétlődő felgyűrődések (bucking)
c) szakaszosan ismétlődő, részleges leválás (chipping)
d) egyenletes, konformális repedések (conformal cracking)
e) húzófeszültség okozta egyenletes repedések (tensile cracking).
Nagy kiterjedésű leválásnál a károsodást a szerszám előtti, a felületen kialakult
nyomófeszültség idézi elő, gyenge adhéziós kötés esetén. A réteg a karc két oldalán, nagy
területen válik le, ezért a létrehozott karcunk jól látható.
A szabályosan ismétlődő felgyűrődéseknél szintén a szerszám előtti nyomófeszültség lép
fel, viszont itt erős az adhéziós kötés, ezért a bevonat nem válik le, hanem a felületre
merőleges repedések keletkeznek, és köríves alakban továbbterjednek. A kötések csak a
repedések tövében bomlanak fel, a felgyűrődött anyag a szerszám mögött belesimul a karcba.
Mikor a felgyűrődés vagy repedés a szerszám előtt következik be, akkor a szakaszosan
ismétlődő, részleges leválás lesz a jellemző. Ekkor a felület letöredező darabkái
belenyomódnak a karcba, a repedések pedig a bevonat részleges lepattogzását idézik elő
szabályos távolságokban, melyeket a karc két oldalán figyelhetünk meg.
A egyenletes, vagy más néven konformális repedések esetén az erős adhéziós kötés
mindvégig fennmarad. Megfigyelhető, hogy a repedések nem nyúlnak túl a karc nyomvonalán
és megegyeznek a szerszám elülső kontúrjával. A létrejöttük azzal magyarázható, hogy a
szerszám deformációt okoz, a bevonat igyekszik követni a bemélyedés felületét, ami hajlító
igénybevételt jelent, a húzófeszültség meghaladja a szakítószilárdságot és félköríves
repedések jelennek meg, egyenletes eloszlásban.
Az utolsó esetben a repedések hasonlóan a konformális repedésekhez jönnek létre, csak itt
a szerszám és felület között létrejövő súrlódási húzófeszültség következtében, továbbá a karc
nyomvonalán és a szerszám mögött keletkeznek [1].
2.2. A karcvizsgáló berendezés
A Miskolci Egyetem, Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézetében található
karcvizsgáló berendezés segítségével keménybevonatú alkatrészeket lehet minősíteni,
elsősorban a tapadó szilárdság szempontjából.
A berendezésben egy optikai mikroszkóp és egy keménységmérő van összeépítve. A
gyémánttestet befogó fejrész a karcolás elvégzésére képes, míg a mikroszkóppal rögtön
minősíthetjük is a kialakult karcot. A munkadarab egy motoros szánon mozog a vizsgálat
közben. A berendezés további tartozéka még az elektromos tápegység, mely a mikroszkóphoz
szolgáltatandó fényt táplálja, illetve egy elektromos vezérlő egység, mely a programozást
biztosítja. Adatok tárolására és kiértékelésére a számítógépes adatgyűjtő rendszert
alkalmazzuk.
A próbadarabot egy befogószerkezetben rögzítjük, ami össze van kötve az erőmérővel,
ezek együttesen egy XY tengelyű, mozgatható asztalon vannak, melyet a villanymotor
mozgat. Az asztalt kézi tudjuk pozícionálni a terhelőfej és a mikroszkóp alá. A fejben szintén
villanymotor biztosítja a kívánt erő kifejtését, melynek nagysága az erőmérő cellába szerelt
nyúlásmérő bélyeggel határozható meg [1].
3. ábra A Miskolci Egyetem Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézetének
karcvizsgáló berendezése [3]
A vizsgálat során először a munkadarabot kell befognunk, ezt követően a megfelelő helyre
pozícionálnunk. Ezután a programozás következik. Ki kell választani, a terhelés jellegét
(állandó, változó, stb.), majd az induló és vég nyomóerőt. Utána a nyomóerő gradienst, mely
azt mutatja, hogy egy perc alatt mennyivel növekedjen a terhelési erő. Végül a kialakítandó
karc hosszúságát kell betáplálnunk. Ha ezek megtörténtek, még van lehetőségünk változtatni,
illetve leellenőrizni a bevitt értékek helyességét. Ezt követően indíthatjuk a vizsgálatot. Mikor
a szerszám befejezte a karc húzását, automatikusan visszatér a kiinduló helyzetbe.
Az optikai mikroszkóp segítségével a karcot tudjuk minősíteni, annak morfológiai
jellemzői alapján, melyet az előző pontban részletesen ismertetésre került [1].
A vizsgálat alatt, a kapott adatokból a program egy diagramot is készít nekünk, melynek
alakulását folyamatosan láthatjuk a számítógép kijelzőjén. Az x tengelyen a szerszám által
megtett utat mm-ben ábrázoljuk, míg az y tengelyt két részre osztjuk. Az alsó felében a
súrlódási együttható változását, a felső részben az ehhez tartozó terhelési erőt láthatjuk.
4. ábra Karcvizsgálat adataiból nyerhető diagram [1]
A 4. ábra mutatja, hogy a kapott eredményből meghatározható a kritikus terhelési erő, melyet
akkor ér el a vizsgálat, mikor a kezelt próbatest felületi kérgét meghaladó mélységbe jut a
szerszám[1].
2.3. A karcvizsgálatból nyerhető információk
A karcvizsgálatot bevonatolt rendszerek, elsősorban keramikus rétegek minősítésére
szokás alkalmazni. A módszerrel általában az adhéziós kötés és tapadó szilárdság nagyságát
ellenőrizhetjük, ám az adatokból számos információ nyerhető.
Meghatározható az a kritikus terhelőerő, amelynél már felületi károsodások lépnek fel.
Ellenőrzése leginkább optikai mikroszkóp segítségével történik, ahol szépen látható a karc
mintázata, hol és hogyan sértette meg az anyagunkat, ehhez hozzárendelve a terhelőerőt
tudjuk megoldani a kritikus erő meghatározását. Ez segítségünkre van, hogy milyen
erőhatásnál kezdődnek a felületi károsodások [4].
A karcnyomok morfológiai vizsgálatával, mely szintén optikai mikroszkóppal történik, a
tönkremeneteli mechanizmusok típusára következtethetünk. A különböző típusok különböző
erősségű kötésekre, és azok felbomlására utalnak.
A normál és tangenciális erők ismeretében felrajzolható a µ súrlódási tényező változása. Ez
azt mutatja meg, hogy milyen erőnél mely zónába jutott a szerszámunk, hiszen eltérő
súrlódási tényezőt mutat mind a vegyületi réteg, mind a diffúziós zóna, és a kéreg alatti,
eredeti alapanyagunk.
A kapott adatokból további két, fontos mérőszámot tudunk meghatározni. Az egyik a réteg
és az alapanyag között definiálható adhéziós kötés tapadó szilárdsága, a másik a keményréteg
alapanyagról történő leválasztásához szükséges munka [1].
2.4. Az érdességmérés alapfogalmai
A felületminőség alatt az adott felület mikrogeometriáját és a felületi réteg állapotát értjük.
A mikrogeometria esetén beszélünk érdességről, amelyet az egyenetlenségek magassága
határoz meg.
Az érdesség kifejezésére különböző mérőszámok használatosak, amelyeket az MSZ 4721
magyar szabvány foglalja össze. Leggyakrabban a következő mérőszámokat használják:
- Ra – átlagos felületi érdesség,
- Rz – egyenetlenség magasság.
Az átlagos felületi érdesség alatt a mért magasságok a középvonaltól mért átlagos
távolsága a vizsgált hossz tartományában. Az egyenetlenség magasság alatt pedig a vizsgált
hosszon belül mért öt legnagyobb érdességi csúcs és öt legkisebb érdességi völgy magasság-
különbségének átlaga [5].
A felületi érdesség mérésére különböző módszereket ismerünk. Az egyik, napjainkban
pontatlansága miatt kevéssé használatos az etalonnal való összehasonlítás. Ez kézi tapintáson
alapuló vizsgálat, amely nem ad pontos mérési eredményt [6].
A legkorszerűbb a háromdimenziós érdességmérő módszer, amely x, y, és z tengely
mentén állít fel képet a vizsgált felületről [7]
Legelterjedtebben a kétdimenziós leképzést alkalmazzák, amellyel nagy pontosságú
információk nyerhetők az érdességi jellemzőkről. Az eszközigénye jóval költséghatékonyabb
a háromdimenziós módszerekhez képest, ugyanakkor hordozhatósága és kézi alkalmazása
miatt lehetséges nagy felületek vizsgálata is.
A profilometriás mérők esetében egy kis lekerekítési sugárral rendelkező gyémántcsúcs
egyenes vonalon, egyenletes sebességgel haladva tapogatja le a felületet. A vizsgált hossz
megadása az érvényben lévő szabványoknak megfelelően történik. A tapogatóhoz kapcsolt
mérő berendezés folyamatosan rögzíti a kapott adatokat elmozdulásokként. A
profilometereket gyakran számítógéphez csatlakoztathatjuk, ekkor a kapott jellemzőket
táblázatosan és diagramosan is megkaphatjuk elmozdulásokként. Amennyiben kézi
érdességmérőt alkalmazunk, annak kijelzőjén jelennek meg az mért felületre vonatkozó fő
adatok [5].
Az érdességmérés során a Miskolci Egyetem Gyártástudományi Intézetében található
Taylor Hobson Surtronic 3+ kétdimenziós profilométert használtunk (5. ábra), amely 5 µm
sugarú gyémánt tapintófejjel rendelkezik. Kijelzőjén azonnali adatokat kapunk a felületről,
míg számítógéphez csatlakoztatva diagramban és táblázatosan is megjeleníthetők az
eredmények [8].
5. ábra Taylor Hobson Surtronic 3+ profilometer [9]
3. Elvégzett kísérletek
A kísérleti munka főbb elemeit , az elvégzett kísérletekhez használt berendezéseket és a
vizsgálatok számát a táblázat foglalja össze.
3.1. A kísérleti munka célja
A kísérlet egyik célja az volt, hogy megvizsgáljuk milyen hatással van a karbonitridált
kéreg tulajdonságaira a hőkezelés előtti felületi érdesség. Továbbá szisztematikus mérésekkel
szerettük volna bemutatni a karcvizsgálatban rejlő lehetőségeket, amelynek alkalmazása a
karbonitridált kéreg minősítő vizsgálata céljából sok hasznos lehetőségeket rejt magában.
A kísérlet során az 51CrV4 anyagminőségű acél került karbonitridálásra, mely előtt a
próbatestek három eltérő felületi érdességgel rendelkeztek, köszörült, durva csiszolt és
polírozott minőségűek voltak.
Hőmérséklet 520°C 570°C
Hőntartási idő 8 h 16 h 24 h 8 h 16 h 24 h
1. táblázat Az elvégzett karbonitridálásikísérletek technológiai paraméterei
A 1. táblázatból következően 18 próbatest karbonitridálás előtti érdességi adatait érdesség
méréssel vettük fel, majd karbonitridálás után mikroszkópos vizsgálattal meghatároztuk a
hozzájuk tartozó karbonitridált kéreg vastagságát, keménységméréssel a kialakult diffúziós
réteg mélységét. Az adatok összehasonlításával szeretnénk bizonyítani, hogy a felület
finomsága és a karbonitridált réteg vastagsága között kapcsolat áll fenn.
Ezzel párhuzamosan szeretnénk bemutatni a karcvizsgálat eredményeit Feltevésünk
szerint, annak ellenére, hogy ez a vizsgálat nem szabványosított módszer a karbonitridált
réteg minősítésére, megbízható és használható adatokkal szolgálhat arra.
3.2. Kísérleti paraméterek
3.2.1. Vizsgált anyag
Az 51CrV4 jelű anyag a rugóacélok csoportjába tartozik, tulajdonságai az MSZEN10089-
2003 melegen hengerelt acélok nemesített rugókhoz magyar szabványban található. Az 1.
melléklet alapján látható, hogy magas a króm (Cr) és vanádium (V) tartalma.
A Cr az acélok kémiai tulajdonságaira gyakorolt hatása miatt használatos ötvözőként. A
krómmal ötvözött acélok korrózió- és savállóak. Oxidáló hatású környezetben, vagy marószer
hatására a Cr-mal ötvözött acélok felületén egy vékony (0,1-02 µm) oxidhártya keletkezik,
amely megvédi a további oxidációtól [10]. Ezen hatása azonban csak kis C-tartalmú
acélokban érvényesül. Továbbá az acélok krómmal való ötvözését a kopásállóság javítására és
magszilárdságuk növelésére használják [11].
Az anyagban 0,8% mennyiségig található mangán, amely a gyártás sajátosságaiból
adódóan elkerülhetetlenül az acélba jut. Amennyiben a Mn mennyisége ezt a szintet
meghaladja, a Mn-ról, mint ötvöző elemről beszélünk [10]. A Mn csökkenti az acélok kritikus
lehűlési sebességét, ezzel fokozva az átedzhetőséget és átnemesíthető szelvényméretet.
Hátrányaként említhető, hogy megeresztési ridegségre teszi hajlamossá az acélokat.
14
2. táblázat A 2.3. K+F témakörben elvégzett műszerezett karcvizsgálathoz kapcsolódó mérések legfontosabb jellemzői
Vizsgált anyagok (2 féle) 51CrV4 Referencia minták száma: 3 db
Hőkezelés: karbonitridálás különböző hőmérsékleten és
hőntartási idővel
T= 520°C és 570°C Hőkezelt minták száma: 18 db
t= 8, 16 és 24 óra
Próbatestek felületminősége polírozott , durvacsiszolt és köszörült
Vizsgálati paraméterek Terhelőerő: F=2-100N, lin. növekvő Súrlódási együttható-úthossz diagramok
Normálerő gradiense: 10N/mm Erő úthossz diagramok
Asztal sebessége: v= 5 mm/min Mintaállapotonként 3 karc készítése: 3x( 3+18) vizsgálat
Karchosszúság: 10 mm Szerszám: Rockwell gyémánt tű
Elvégzett vizsgálatok száma Összesen: 63 karcvizsgálat
Mikrogeometriai jellemzők amplitúdó paraméterek (R
a, R
z, S
a,S
z ) Profilometriai jegyzőkönyvek a felsorolt összes mintára
Numerikus adatállomány az összes vizsgált jellemzőről xls formátumban
Elvégzett vizsgálatok száma Összesen: 21 profilometriai vizsgálat
Keménységtraverzek keménységlefutási görbék MicroHV numerikus és grafikus értékei (mintánként 2 traverz)
Mikroszerkezeti vizsgálatok nitridált kéreg Kéregvastagság számszerű értékei és statisztikai jellemzői (5 mérés mintánként)
szövetszerkezet Mikroszkópi felvételek (mintánként 2 nagyítás)
Elvégzett vizsgálatok száma Összesen: 42 keménységtraverz, 105 kéregvastagság, 42 szövetkép
15
Ötvöző tömeg%
C 0,47-0,55
Si ≤ 0,4
Mn 0,7-1,1
P ≤ 0,025
S ≤ 0,025
Cr 0,9-1,2
Mo [≤ 0,15]
Ni [≤ 0,4]
V 0,1-0,25
Al [≤ 0,1]
Cu [≤ 0,6]
W [≤ 0,1]
Ti [≤ 0,05]
Co [≤ 0,1]
Pb [≤ 0,15]
Egyéb vegyi adat Cu+10Sn<=066
3. táblázat 51CrV4 jelű anyagminőség vegyi összetétele
Az 51CrV4 anyag 0,1-0,25%-ban tartalmaz vanádiumot. A nemesacél-kohászatban
csillapító és mikroötvöző hatása miatt alkalmazzák. Nitridképző hatása miatt a nitridálható
acélok ötvöző eleme, szerszámacéloknál tömött, finomszemcsés, szívós acélt állíthatunk elő
vele [10].
3.2.2. Próbatest geometria és alkalmazott technológia
Az anyag 30 mm átmérőjű hengeres acélrúd formájában állt rendelkezésre. Először
lágyításon esett keresztül, ezt követően alakítottuk ki a próbatestek geometriáját. Először
marással a párhuzamos oldalak kerülnek kialakításra, majd eszterga segítségével leszúrással
darabolják, ezt követően köszörülik. Ilyen módon egy lekerekített sarkú négyzet
keresztmetszetű lapot kaptunk, amelynek oldalélei 22 mm hosszúak, magassága pedig 5 mm.
A kísérlet összetettségéből adódik, hogy a létrehozott darabokat megfelelő kódolással
kellett ellátni, amelyek alapján egyértelműen beazonosíthatóak az adott darab kísérleti
paraméterei – hőkezelési és felület-előkészítési jellemzői – karbonitridálás előtt és után is. A
további kódolást a 4. táblázat tartalmazza.
Próbatest kódolás Felületminőség
Hőmérséklet Hőntartás Köszörült (K) Durva csiszolt (D) Polírozott (P)
520 °C
'1'
8 óra '1' K11 D11 P11
16 óra '2' K12 D12 P12
24 óra '3' K13 D13 P13
570 °C
'2'
8 óra '1' K21 D21 P21
16 óra '2' K22 D22 P22
24 óra '3' K23 D23 P23
4. táblázat Próbatest jelölések
3.2.3. Próbatest előkészítés és szövetszerkezet
A finom csiszolati sík létrehozásához Metasinex csiszológépet használtuk. Négy lépcsőben
történt a megfelelő finom felület létrehozása. Először egy durvább, 120-as csiszolópapírt
használtunk, amely ~120 µ méretű szemcséket tartalmaz, ezt követően 360-as (~40 µ méretű
szemcsék) és 600-as (~26 µ méretű szemcsék), majd legvégül 1200-as csiszolópapírral (~15 µ
méretű szemcsék) végeztük a csiszolást.
A polírozás fázisában a mechanikai polírozást alkalmaztunk. A korongon rövid-bolyhos
gyapjúposztót használtunk, melyre alumíniumoxid vizes oldatát csepegtetéssel vittük fel. A
fényesítés próbatestenként körülbelül tíz perc volt, melynek végére tükörfényes felületet
kaptunk.
Próbatestek előkészítése során a vegyi maratás volt az utolsó fázis. Mivel a vizsgálattal az
a célom, hogy kimutassuk a finom szövetszerkezetet és a szemcsehatárokat, ezért szabvány
szerint salétromsav (2 %) és alkohol (98 %) oldatát – vagyis Nitált – használtunk
marószernek. A maratás ideje körülbelül 15 másodperc volt, majd a lemosás után szép,
egybefüggő matt felületet kaptunk.
A szövetszerkezet vizsgálatához Zeiss mikroszkópot használtunk.
6. ábra Zeiss mikroszkóp a Miskolci Egyetem Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai
Intézetén
200-, 500- és 1000-szeres nagyításban a 7. ábra mutatja az anyag szövetszerkezetét, ahol
viszonyítási alapnak tárgymikrométert használtunk. A szövetszerkezet ferrit-perlites képet
mutat. Ez a kis C-tartalmú acélok jellegzetes szövetszerkezete.
7. ábra 51CrV4 anyag szövetszerkezete (200, 500, 1000 nagyításban)
10 µm
5 µm
1 µm
3.2.4. Felületi jellemzők
A kísérletnek megfelelően három eltérő felületi érdességgel dolgoztunk:
köszörült,
durva csiszolt és
polírozott.
A próbatest geometriájának kialakítása során az esztergával leszúrt darabok következő
megmunkálási fázisa a köszörülés volt. Ezen darabok rendelkeznek a legérdesebb felülettel,
melyek nem estek át további felületfinomításon.
A durva csiszolt próbatestek 120-as szemcsenagyságú csiszolópapírral lettek előkészítve.
A fentieknek megfelelően 6-6 darab köszörült, durva csiszolt és polírozott felületű próbatestet
kaptunk.
3.2.5. Profilometriai vizsgálattal meghatározott érdességi jellemzők
A mérések során a mérőműszer tapintófeje 1mm/sec sebességgel haladt, 0,2 µm-ként vette
fel az adatokat. A letapogatás hosszúsága 4 mm volt.
Minden próbatesten háromszor végeztük el a mérést, amelyeket az 5. táblázat foglal össze.
Felületminőség Statisztikai
értékek
51CrV4
Ra
[µm]
Rz
[µm]
Köszörült
Átlag 0,343 2,582
Szórás 0,124 1,059
Variancia 0,362 0,410
Durva csiszolt
Átlag 0,252 1,753
Szórás 0,112 0,696
Variancia 0,444 0,397
Polírozott
Átlag 0,125 0,869
Szórás 0,007 0,253
Variancia 0,056 0,291
5. táblázat Profilometriai vizsgálattal kapott érdességi jellemzők
Az eredményekből jól látható, hogy ahogyan finomodik a felület, úgy csökkennek az
érdességi értékek. Legnagyobb érdességgel a köszörült darabok rendelkeznek, legkisebbel a
polírozott darabok. A kapott adatokkal így számszerűen jellemeztük a kialakított
felületminőséget.
8. ábra Az eltérő felületi előkészítés után profilometriai vizsgálattal mért érdességi értékek a
karbonitridálatlan darabokon
3.2.6. Karcvizsgálattal meghatározott jellemzők
Karbonitridálás előtt mindhárom felületi minőségen karcvizsgálatot végeztünk.
A vizsgálat során lineárisan egyenletesen növekvő volt a terhelő erő, amely 2 és 100 N
közötti intervallumban változott.
A 9. ábra egy jellegzetes regisztrátumot mutat, amely függetlenül a kialakított
felületminőségtől, minden próbatesten hasonló lefutású.
9. ábra Köszörült próbatest súrlódási együttható-elmozdulás diagramja
Jól látható, hogy 3 mm után, azaz ~30 N felett mindhárom felületminőség esetén közel
állandóvá válik a súrlódási együttható értéke, és µ=0,35…0,40 között mozog. A diagramokon
kismértékű különbséget fedeztünk fel a különböző felületminőségek esetén. A köszörült
felületnél a súrlódási együttható állandósult szakaszra jellemző értéke 0,35, míg a durva
csiszoltnál átlagosan 0,38. A polírozott darabon ugyan ez az érték 0,40.
0,343 0,252
0,125
2,582
1,753
0,869
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
Köszörült Durva csiszolt Polírozott
Kö
zép
von
altó
l mér
t tá
vols
ág [
µm
]
Profilometriával kapott átlagos értékek
Ra [µm]
Rz [µm]
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Sú
rló
dá
si e
gyü
tth
ató
,
Megtett út, s [mm]
3.2.7. Keménység
A próbatestek egy 30 mm átmérőjű rúdból lettek kimunkálva, amelyek lágyított állapotúak
voltak. A további megmunkálások (marás, köszörülés, csiszolás, polírozás) során ezek a
tulajdonságok változhattak, ezért minden egyes vizsgálati próbatesten meghatároztuk a
keménység értékeit.
Méréseink során a microVickers keménységmérő módszert alkalmaztuk. A
mikrokeménységet a Miskolci Egyetem Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai
Intézetében található Mitutoyo keménységmérő géppel végeztük, amely F= 0,1-10 N közötti
terhelőerővel használható (10. ábra). A választott terhelőerő F=1 N, a terhelés időtartama t=10
másodperc volt. Minden egyes felületminőségen három mérést végeztünk el majd a kapott
eredmények átlagát vettük alapul.
10. ábra Mitutoyo MicroVickers keménységmérő a Miskolci Egyetem Anyagszerkezettani és
Anyagtechnológiai Intézetén
A mikrokeménységen túlmenően az anyag makrokeménységét is meghatároztuk. Ennél a
mérésnél az Intézet Briviskop makrokeménységmérő berendezést használtuk, Vickers
szúrófejjel (11. ábra).
11. ábra Briviskop MacroVickers keménységmérő a Miskolci Egyetem Anyagszerkezettani és
Anyagtechnológiai Intézetében
A makrokeménységet 100 N terhelő erővel mértük (HV10), a terhelés időtartama
hasonlóan a mikrokeménységnél, 10 másodperc volt. A méréseket szintén háromszor
végeztük el, és az így kapott eredményeket átlagoltuk.
A mért keménységi adatokat az 6. táblázat foglalja össze.
Mikrokeménység
[HV0,1]
Átlag 206
Szórás 3,318
Variancia 0,016
Makrokeménység
[HV10]
Átlag 211
Szórás 3,300
Variancia 0,016
6. táblázat Mikro- és makrokeménységi értékek
A vizsgálatok közel azonos értékeket eredményeztek annak ellenére, hogy a
mikrokeménységi értéket csak kis területre kiterjedő lenyomatból számítjuk, így inkább a
lokális tulajdonságokat jellemzi, míg az 50-szer nagyobb terheléssel kapott makrokeménységi
érték az anyag felületének átlagos keménységét jellemzi. ha a szórásokkal együtt kapott
keménységi tartományokat összehasonlítjuk, akkor megállapítható, hogy azok nagyrészt
átfedésben vannak, azaz keménység szempontjából az anyag közel homogénnek tekinthető.
A 12. ábra mutatja a gyémántgúla keménységmérés során létrehozott lenyomatát az
anyagban.
A kísérletek során a fenti keménységi adatokat vettük figyelembe, mint kiinduló
keménységi értékek.
12. ábra 51CrV4 jelű anyag Vickers gyémánt lenyomata 200-szoros nagyításban
3.3. Eredmények
3.3.1. Keménységmérés, rétegmélység-meghatározás
A keménység-traverzek felvétele során megállapítható magkeménységek és a
karbonitridálatlan darabokon mért alapanyag keménységének összehasonlítása.
Technológiai paraméterek Magkeménység [HVM]
Hőmérséklet Hőntartás Köszörült Durva csiszolt Polírozott
520 °C
8 óra 202 197 209
16 óra 209 200 209
24 óra 227 205 245
570 °C
8 óra 228 222 219
16 óra 215 212 216
24 óra 226 217 230
7. táblázat Magkeménységi értékek
A köszörült daraboknál megállapítható, hogy az 520 °C-os hőkezelés időtartamának
növelésével a magkeménység nőtt, és a kiinduló hőkezeletlen minták keménységéhez képest
is többnyire nagyobb volt. Ennek oka lehet, hogy az ötvözők kiválása a növekvő hőntartási
idővel egyre intenzívebbé vált, a kiválások mennyisége nőtt.
Az 570 °C-os karbonitridálási hőmérsékleten a hőntartási idő hatása nem volt ilyen
kifejezett, de minden esetben nagyobb volt a magkeménység, mint a karbonitridálatlan
állapotban.
A karbonitridált kéreg mélységét (vastagságát) a keménységtraverzek (13-18. ábra)
felvétele után tudjuk megállapítani.
13. ábra Keménység a felülettől mért távolság függvényében, 520°C, köszörült
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
800,00
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Mik
rok
em
énysé
g H
V0
,2
Felülettől mért távolság [mm]
520 C-on nitridált, köszörült felületű darabok keménysége
8 óra 16 óra 24 óra
14. ábra Keménység a felülettől mért távolság függvényében, 570°C, köszörült
15. ábra Keménység a felülettől mért távolság függvényében, 520°C, durvacsiszolt
16. ábra Keménység a felülettől mért távolság függvényében, 570°C, durvacsiszolt
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Mik
rok
em
énysé
g H
V0
,2
Felülettől mért távolság [mm]
570 C-on nitridált, köszörült felületű darabok keménysége
8 óra 16 óra 24 óra
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Mik
rok
em
énysé
g H
V0
,2
Felülettől mért távolság [mm]
520 C-on nitridált, durva csiszolt felületű darabok keménysége
8 óra 16 óra 24 óra
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Mik
rok
em
énysé
g H
V0
,2
Felülettől mért távolság [mm]
570 C-on nitridált, durva csiszolt felületű darabok keménysége
8 óra 16 óra 24 óra
17. ábra Keménység a felülettől mért távolság függvényében, 520°C, polírozott
18. ábra Keménység a felülettől mért távolság függvényében, 570°C, polírozott
A rétegmélység meghatározása során a nitridált réteg mélységét ott jelöltük ki, ahol a
keménység eléri az alapkeménység+50HV0,1 értéket. Az eredményeket a 8. táblázatban
foglaltuk össze.
Technológiai paraméterek Kéregvastagság [mm]
Hőmérséklet Hőntartás Köszörült Durva csiszolt Polírozott
520 °C
8 óra 0,40 0,35 0,40
16 óra 0,40 0,37 0,43
24 óra 0,53 0,57 0,64
570 °C
8 óra 0,47 0,43 0,43
16 óra 0,52 0,53 0,55
24 óra 0,62 0,65 0,65
8. táblázat A karbonitridált kéreg mélysége mm-ben
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
800,00
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Mik
rok
em
énysé
g H
V0
,2
Felülettől mért távolság [mm]
520 C-on nitridált, polírozott felületű darabok keménysége
8 óra 16 óra 24 óra
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Mik
rok
em
énysé
g H
V0
,2
Felülettől mért távolság [mm]
570 C-on nitridált, polírozottt felületű darabok keménysége
8 óra 16 óra 24 óra
A kapott eredmények azt mutatják, hogy mindkét karbonitridálási hőmérséklet esetén,
ahogyan növekszik a hőntartási idő úgy mélyül a karbonitridált kéreg is. Ennek oka, hogy az
idő növekedésével mélyebbre diffundálnak be a N-atomok, így a keménységre gyakorolt
előnyös hatásuk is a felülettől mért nagyobb távolságban érzékelhető.
Az 520 °C-os hőmérsékleten karbonitridált darabok kérge rendre kisebb, mint az 570 °C-
on karbonitridáltaké. A 8 órás hőntartási idő alatt kialakult kéregvastagságok értéke 0,35-0,40
mm között változott (ld. 19. ábra). Továbbá megfigyelhető, hogy míg az 520 °C-on 8 és 16
órán át hőntartott próbatestek kéregvastagsága között csak kis különbség van, addig a 24 órán
keresztül karbonitridált darabok az előzőekhez képest már jelentősebb mélységű kéreggel
rendelkeznek.
19. ábra Az 520 °C-on karbonitridált darabok kéregvastagsága
A karbonitridálás előtti felületminőség, azaz felületi érdesség hatását vizsgálva is érdekes
megfigyelést tehetünk.
Az 520 °C-os karbonitridálás során a rövidebb hőntartási idejű – 8 és 16 órás –
hőkezelések esetén nem állapítható meg szignifikáns különbség a köszörült, durvacsiszolt és
polírozott felületminőségek nitridált kéregvastagsága esetében.
Ugyanakkor a leghosszabb, 24 órás hőntartás esetén egyértelmű kapcsolat mutatkozik a
felületminőség és a kéregvastagság között, a finomabb felületen mélyebb kéreg képződött,
azaz finomabb felület esetén a diffúzió mélysége nagyobb volt. A kapott eredményekből az is
egyértelműen látható, hogy egy adott felületminőség esetén, a hőkezelési idő növelésével a
kéregvastagság növekedése annál erőteljesebb, minél finomabb volt a kiinduló felület.
Az 570 °C-on karbonitridált minták esetében már kis hőntartási idő – 8 óra - esetén is
nagyobb – 0,43-0,47 mm – kéregvastagsági értékeket kaptunk, amelyek az idő 16 és 24 órára
növelésével jelentősen növekedtek, ahogyan ezt a 20. ábra mutatja.
Számszerűen jellemezve 16 óra esetén 0,05, 0,10 és 0,15 mm-rel, 24 óra esetén 0,15, 0,22
és 0,22 mm-rel, vagyis a felületminőség finomodásával, egyre nagyobb mértékben növekedett
a kéregvastagság a hőntartási idő függvényében.
Összességében tehát elmondható, hogy a felületminőség jelentős hatással lehet a
karbonitridált kéreg mélységére, de annak jelentősebb növekedését csak az intenzívebb, azaz
nagyobb hőmérsékletű és hosszabb hőntartási idejű hőkezelések esetén tudtuk kimutatni a
vizsgálat anyagminőségénél.
0,40
0,35
0,400,400,37
0,43
0,530,57
0,64
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
Köszörült Durva csiszolt Polírozott
Kéreg
mély
ség
[m
m]
Felületi érdesség
520⁰C-on nitridált darabok kéregvastagsága
8 h
16 h
24 h
20. ábra Az 570 °C-on karbonitridált darabok kéregvastagsága
Feltételezhető, hogy a megfigyelt hatás a bemutatott befolyásoló tényezőkön –
hőmérséklet, hőntartási idő – mellett nagymértékben függhet a karbonitridált anyag
összetételétől is, ami befolyásolja a nitrogén és/vagy karbon atomok diffúziójának sebességét
és a kialakuló kéreg vastagságát.
A nitridálás során kialakult vékony vegyületi réteg mélységét mikroszkópos vizsgálattal
hét helyen mértük meg a hőkezelt darabokon. A mérések átlagos értékeit és statisztikai
jellemzőit a 9. táblázat foglalja össze.
Nitridálás
paraméterei
A vegyületi réteg vastagsága [µm]
Köszörült Durvacsiszolt Polírozott
Hőmér-
séklet, °C
Idő
h Átlag
Szó-
rás
Var.
eh. % Átlag
Szó-
rás
Var.
eh. % Átlag
Szó-
rás
Var.
eh. %
520
8 8,73 1,8 21 12,06 1,8 21 5,60 1,8 21
16 5,92 1,0 19 7,48 1,0 19 6,71 1,0 19
24 8,74 1,4 14 8,50 1,4 14 7,29 1,4 14
570
8 15,21 1,3 9 15,28 1,6 11 16,56 3,5 22
16 19,68 2,5 13 16,94 2,2 13 17,38 2,7 15
24 22,92 2,1 9 13,87 3,3 31 21,32 1,4 6
9. táblázat A vegyületi réteg vastagsága [µm]
A kialakult vegyületi rétegre vonatkozóan megállapítható, hogy az 570°C-on karbonitridált
darabokon lényegesen vastagabb vegyületi réteg keletkezett.
A kisebb, azaz 520 °C-on hőkezelt daraboknál nem mutatható ki szisztematikus
összefüggés a rétegvastagság és a hőntartási idő között, míg a nagyobb hőmérsékleten
karbonitridált köszörült és polírozott felületminőségű darabok esetén megfigyelhető, hogy a
hőntartási idő növelésével nőtt a kialakult réteg vastagsága is.
A vegyületi réteg és a felületminőség között nem állapítható meg olyan összefüggés, mint
amilyet a karbonitridált kéregmélység és a felületminőség között láttunk.
0,470,43 0,43
0,52 0,530,55
0,620,65 0,65
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
Köszörült Durva csiszolt Polírozott
Kéreg
mély
ség
[m
m]
Felületi érdesség
570⁰C-on nitridált darabok kéregvastagsága
8 h
16 h
24 h
21. ábra 520 °C-on karbonitridált darabok rétegvastagsága µm-ben
Fontos megjegyezni, hogy a mért eredmények rendkívül nagy szórást mutattak, a variancia
együttható 6-31 % között változott (ld. 9. táblázat), és átlagosan 17 % volt. Ennek
magyarázata, hogy a vegyületi zóna igen porózus, a felülettől mért mélységét nehéz volt
meghatározni, hiszen már kis távolságok mentén is jelentős értékbeli különbségeket mértünk.
Ezen túlmenően a próbaest mechanikus befogóban való rögzítésekor még rendkívül
gondos felület előkészítés esetén is előfordulhat, hogy ezt a nagyon vékony vegyületi réteg a
köszörülés folyamatában sérül, vékonyodik, illetve amennyiben nem tökéletesen merőleges a
vizsgálati metszet síkja a karbonitridált felületre, akkor a valóságosnál nagyobb
rétegvastagságokat mérünk.
22. ábra 570 °C-on karbonitridált darabok rétegvastagsága µm-ben
Összességében ezért a vegyületi rétegre vonatkozó eredményekből levonható
következtetéseket elsősorban a nagyobb rétegvastagságot eredményező nagyobb
hőmérsékletű hőkezelés esetén tekinthetjük mérvadónak.
3.3.2. Karcvizsgálat
A karcvizsgálatokat minden próbatesten háromszor ismételtük meg. A terhelési
körülmények a karbonitridálatlan próbákon végzett vizsgálatokkal azonosak voltak.
A megfigyelt viselkedésbeli sajátosságok a különböző felületminőségű darabokon
hasonlóak voltak, ezért itt csak a köszörült próbák eredményein keresztül mutatjuk be a
diagramok sajátosságait és a legfontosabb megfigyeléseimet.
23. ábra 520 °C-on 24 órán át hőntartott (K13) minta karcdiagramja
24. ábra 570 °C-on 24 órán át hőntartott (K23) minta karcdiagramja
Az 23. és 24. ábrákból jól látszik, hogy a karbonitridálás hatására a súrlódási tényező a
karbonitridálás hőmérsékletétől függően, az eltérő kéregvastagságnak megfelelően változott
és a karbonitridálatlan darabokon mért állandósult szakaszon mért 0,4 µ értékhez képest
jelentősen csökkent, értéke az 520 °C-os karbonitridálás után a kezdetei szakaszon 0,1-0,2 µ
között változott. Az 570 °C-os karbonitridálás után értéke közel a teljes vizsgálati szakaszon
alatta maradt a 0,25 µ értéknek, és a 2-100 N között növekvő terhelőerő hatására 0,1-0,25 µ
intervallumban csak lassan növekedett. Ennek oka, hogy a karbonitridáláskor kialakuló új,
kemény fázisok megjelenésével az új fázisok és a karctű között kisebb súrlódási tényező lép
fel.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Sú
rló
dá
si e
gyütt
ható
,
Megtett út, s [mm]
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Sú
rló
dá
si e
gyü
tth
ató
,
Megtett út, s [mm]
Érdekes megfigyelést tehetünk a karbonitridálási hőmérséklet szempontjából is. A
hőkezelés hőmérsékletének növelésével egyre erőteljesebb a diffúzió, és ennek hatására egyre
mélyebb rétegekben érzékelhetővé válik a karbonitridálás hatására bekövetkező
szövetszerkezet változás tulajdonságmódosító hatása.
A kisebb hőmérsékleten kialakuló vékonyabb nitridált kéreg esetén, – amely a köszörült
próbáknál a 0,40-0,53 mm tartományban mozgott – az alkalmazott terhelési tartomány (2-100
N) legnagyobb értékénél már átlépjük ezt az ellenálló kérget (ld. 23. ábra) és a
karbonitridálatlan darabokon kapott diagramokhoz hasonlóan a súrlódási tényező az
alapanyag elérésekor ugrásszerűen megnő. Az 570 °C-os karbonitridáláskor kialakuló
mélyebb, 0,47-0,62 mm-es kéregvastagságok esetén viszont az adott terhelési tartományban
nem lépjük át ezt a határt és a karbonitridálás miatt megnövekedett kopással szembeni
ellenállás, azaz a kisebb súrlódási tényező a karcolás folyamán mindvégig fennáll.
A diagramokból további hasznos megállapítások tehetők a hőkezelés hatékonyságára
vonatkozóan, ha a különböző hőkezelési állapotú, továbbá hőntartási idejű minták súrlódási
együttható diagramjait közös diagramban ábrázoljuk, feltüntetve a terhelőerő változását is.
3.3.2.1. A hőkezeletlen és a hőkezelt mintadarabok karcdiagramjainak összehasonlítása
A különböző felületminőségű mintákon meghatározott súrlódási együttható – elmozdulás
diagramokat a karbonitridálatlan és karbonitridált állapotú mintákra, egy-egy adott hőkezelési
hőmérsékletre vonatkozóan szemléletesen összehasonlíthatjuk a 25. - 30. ábrák segítségével.
Az 520 °C-on karbonitridált darabok esetén egy bizonyos karcmélység után a súrlódási
tényező ugrásszerű növekedése figyelhető meg (ld. 25., 27. és 29. ábrák), amint azt az előző
fejezetben is ismertettük. A súrlódási tényező növekedés azonban jelentősen meghaladja a
hőkezeletlen darabokon mért maximális értéket.
25. ábra 520 °C-on karbonitridált köszörült darabok karcdiagramja
Ennek valószínű oka, hogy a karcolás során a diffúziós rétegből leváló keményebb
anyagrészecskék feltorlódnak a karctű előtt és a karcnyomban rekednek, így az alapanyaghoz
képest egy kevert zóna alakul ki a tű útja előtt, amely a lágyabb alapanyagot és a keményebb
nitridált kéreg anyagát tartalmazza. Emiatt feltételezhetően egy háromtestes abrazív kopás
alakul ki, amely nagyobb súrlódási tényezőt eredményez.
Érdekes összehasonlítani a diagramok kezdeti szakaszát is, amelyen a hőkezelési idő
növelésével egyre szembetűnőbben jelentkező tranziens jelenség figyelhető meg, azaz a
súrlódási együttható értéke a karcolás kezdetén, kissé megemelkedik, majd egy jellemző kis
értékre csökken, amelyről a terhelés növelésével folyamatosan növekszik tovább. Ennek a
kezdeti ugrásnak a feltételezett oka, a vegyületi kéreg roncsolódása, és az abból leváló rideg,
kemény részecskék jelenléte.
Amint azt korábban bemutattuk a vegyületi réteg vastagságának növekedése a nagyobb
hőmérsékletű hőkezelés esetén volt egyértelműen kimutatható, ennek megfelel, hogy az 570
°C-os hőkezelésre vonatkozó 26. ábrán látható diagramban ez a kezdeti ugrás szemmel
láthatóan növekszik a hőkezelési idő növelésével. A kezdeti nagyobb súrlódási együttható
kialakulását az is elősegítheti, hogy a hőmérséklet és hőntartási idő növelésével a vegyületi
kéreg porozitása is egyre nagyobb, emiatt sokkal könnyebbé válik a rideg, kemény réteg
felszakadása és a törmelék képződése. Az elmondott jelenség értelemszerűen kevésbé jól
látható a kisebb hőmérsékletű hőkezelés után mért súrlódási együttható diagramokban, amint
azt a 25. ábra mutatja.
26. ábra 570 °C-on karbonitridált körszörült darabok karcdiagramja
Az 570 °C-on hőkezelt mintáknál a súrlódási együttható diagram minden terhelőerő
értéknél és minden felületminőség esetében jóval alatta haladt a hőkezeletlen darabon kapott
súrlódási együttható diagramok értékének. Ezt illusztrálják a 26. 28. és 30. ábrák.
A súrlódási tényező maximális értéke az alkalmazott legnagyobb terheléskor egy kivétellel
nem haladta meg a µ=0,25 értéket.
A felületminőség hatását vizsgálva a köszörült, durvacsiszolt és polírozott próbatestek
karcdiagramjainak összehasonlításával – ld. 520 °C esetén a 25. 27. és 29. ábrákat, illetve
570 °C-on a 26. 28. és 30. ábrákat – megállapítható, hogy a különböző felület előkészítés nem
okozott kimutathatóan eltérő viselkedés a karcolás szempontjából [12].
27. ábra 520 °C-on karbonitridált durva csiszolt darabok karcdiagramja
28. ábra 570 °C-on karbonitridált durva csiszolt darabok karcdiagramja
29. ábra 520 °C-on karbonitridált polírozott darabok karcdiagramja
30. ábra 570 °C-on karbonitridált polírozott darabok karcdiagramja
Az eredmények kiértékelésének egy további kvantitatív értékelésére ad lehetőséget, ha
megvizsgáljuk, hogy a hőkezeletlen és a hőkezelt próbatesteken mért súrlódási együtthatók
számszerűen hogyan viszonyulnak egymáshoz.
3.3.2.2. A karbonitridálatlan és karbonitridált darabok súrlódási tényezőjének viszonya
A súrlódási tényezők arányából megállapítható, hogy az adott hőmérsékletű hőkezelés
esetén mekkora az a határterhelés, amelynél még a karbonitridálás által hatékonyan
megváltoztatott mikroszerkezetű és tulajdonságú réteg funkcionál, azaz a súrlódási tényező
kisebb, mint a karbonitridálatlan darabokon. Emellett megállapítható az a határterhelés is,
amely esetén a karbonitridált darab kellően kis súrlódási tényezővel rendelkezik és kedvezőbb
kopási viselkedést mutathat, mint karbonitridálatlan esetben.
A súrlódási tényezők arányának meghatározásához úgy választottuk ki a vizsgálati
tartományt, hogy annak kezdete a kezeletlen darab állandósult szakaszának kezdete legyen,
vége pedig a karbonitridált darabon megjelenő ugrásszerű változást már ne tartalmazza. Az
ilyen módon felvett tartományokat a 10. táblázat szemlélteti.
Hőkezelés Felületminőség
Hőmérséklet,
°C
Köszörült (K) Durva csiszolt (D) Polírozott (P)
Erő [N] Karchoss
z [mm] Erő [N]
Karchoss
z [mm] Erő [N]
Karchoss
z [mm]
520 30-70 3,3-7,3 30-70 3,1-6,8 25-75 2,6-7,7
570 30-100 3,3-10,3 30-100 3,0-10,3 25-100 2,8-10,3
10. táblázat Súrlódási tényezők arányának meghatározásához szükséges tartományok
Az összehasonlítás egy adott felületminőségű és adott hőkezelési hőmérsékletű mintákra a
31. - 36. ábrákon alapján végezhető el. Az 520 °C-on hőkezelt minták esetén a súrlódási
tényezők értéke a szakaszok kezdetén a hőkezeletlen darabokon mért értékeknek 30-55 %-a,
tehát jelentősen kisebb volt (ld. 31. 33. és 35. ábrák).
A nitridált kéreg kisebb mélysége miatt az alkalmazott terhelőerő maximumánál minden
esetben átléptük a karbonitridálás által befolyásolt nitridált kéregmélységet. Megállapítható,
hogy az így hőkezelt darabok maximális terhelhetősége 50-85 N között mozgott.
Szisztematikus összefüggés a hőntartási idő és a terhelhetőség között nem állapítható meg,
valószínűleg a kéreg tulajdonságainak inhomogenitása, az emiatt fennálló mérési
bizonytalanságok miatt, továbbá a kisebb nitridálási hőmérsékleten bediffundáló N atomok
kisebb mennyisége és ez által az okozott tulajdonságváltozások nem kellően erőteljes
megjelenése miatt. Ezzel szemben az 570 °C-on hőkezelt minták esetén viszont már sokkal
egységesebb a kép, amint azt a 32., 34. és 36. ábrákon látjuk.
31. ábra 520 °C-on karbonitridált és karbonitridálatlan köszörült darabok súrlódási
együtthatóinak viszonya
32. ábra 570 °C-on karbonitridált és karbonitridálatlan köszörült darabok súrlódási
együtthatóinak viszonya
A nagyobb hőmérsékleten kialakuló mélyebb és feltehetően N-ben dúsabb fázisokat
nagyobb mennyiségben tartalmazó nitridált réteg viselkedése sokkal egységesebb volt. A
vizsgálati tartományok kezdő terhelési értéke 30-35 N értékű volt. A maximális terhelés sem
okozott nagymértékű súrlódási együttható növekedést, sem ugrásszerű változást, tehát nagy
valószínűséggel a nitridált rétegben maradt a karctű, ahogyan azt korábban ismertettük.
33. ábra 520 °C-on karbonitridált és karbonitridálatlan durva csiszolt darabok súrlódási
együtthatóinak viszonya
34. ábra 570 °C-on karbonitridált és karbonitridálatlan durva csiszolt darabok súrlódási
együtthatóinak viszonya
35. ábra 520 °C-on karbonitridált és karbonitridálatlan polírozott darabok súrlódási
együtthatóinak viszonya
36. ábra 570 °C-on karbonitridált és karbonitridálatlan polírozott darabok súrlódási
együtthatóinak viszonya
A súrlódási tényező értéke a kezeletlen alapanyagokon mért értékeknek a 30-35 %-át érte
csak el, tehát közel egyharmadára csökkent a teljes terhelési tartományban, azaz 100 N-ig.
Nagyobb terhelőerő tartományt alkalmazva meghatározható lenne az a határterhelés is, amely
az adott hőkezelési paraméterek esetén biztonsággal nem okozza a nitridált kéregből való
kilépést.
A vizsgálat ugyancsak lehetőséget ad a hőkezelési technológia paramétereinek
optimalizálására, azaz adott előírt terhelés esetén annak gyors becslésére, hogy milyen
hőmérsékletű és időtartamú karbonitridálás szükséges egy adott kritikus terhelést elviselő
nitridált kéreg létrehozására.
A kétféle hőkezelési hőmérsékletű minták karcvizsgálati eredményeit összehasonlítva jól
látható, hogy pl. az alkalmazott 100 N-os maximális terhelés esetén az 520 °C-os
karbonitridálással létrehozott kéregvastagság nem biztosít kellő ellenállást a pontszerűen ható
ilyen nagyságrendű felületi igénybevételekkel szemben, mivel a kapott karc mélysége eléri és
meghaladja a diffúziós zóna mélységét. Míg az 570 °C-os hőntartással kialakított kéreg
vastagsága nagy biztonsággal megfelelő, sőt valószínűleg túlzottan nagy is. Ebben az esetben
az optimális hőntartási hőmérséklet a két vizsgált érték között helyezkedik el [12].
3.4. A karcvizsgálat hasznosítása karbonitridált kérgek minősítési folyamatában
A karcok súrlódási együttható-elmozdulás diagramja számos hasznos információval
szolgálhat. A karcolás kezdeti szakasza nagyobb súrlódási értékeket mutat egészen addig,
amíg tart a vegyületi réteg, amely igen nagy keménységgel rendelkezik. A diagramból
könnyen leolvasható e réteg határához tartozó terhelőerő, illetve karctű elmozdulás. Ha a
karcnyomon kiegészítő optikai vizsgálatot is végzünk a karcnyom (és közvetve a vegyületi
réteg mélysége) is kiszámítható az adott kritikus pontban. Ezt követően a karctű belép a
diffúziós zónába, ahol folyamatosan növekszik a súrlódási együttható értéke, egészen addig,
amíg el nem éri a lágyabb alapanyagot, ekkor ugrásszerűen megnő. Az ehhez tartozó
normálirányú terhelőerő alapján meghatározható az a kritikus terhelés, amelyet a hőkezelt
darab még nagyobb mértékű károsodás nélkül elvisel. Az előzőhöz hasonlóan az adott helyen
a karcnyom mélysége is meghatározható, ami közvetett módon a nitridált kéreg vastagságára
utal.
A bemutatott diagramok segítségével egyszerűen és gyorsan becsülhető, hogy az adott
hőkezelési paraméterek alkalmazásakor mennyivel csökkenthető a súrlódási együttható,
vagyis milyen mértékben várható az anyag kopásállóságának javulása. Amennyiben ismert a
hőkezelendő anyag várható normálirányú terhelése, e diagramok alapján az is könnyen
megítélhető, hogy milyen hőkezelés technológiai paraméterek esetén érhető el a kívánt
kéregvastagság, elkerülve ezzel a felesleges idő- és költség-ráfordítást, amelyet a túlzott
mértékű, a szükségesnél mélyebb nitridált kérget eredményező felületkezelés jelentene.
Ki tudjuk jelölni azt a határterhelést, amely esetén a kialakított felület még megfelelően
működik. Ezen túlmenően következtethetünk a karbonitridált felület teljesítőképességének
változására a kezeletlen felülethez képest, illetve lehetőségünk van ennek számszerű
jellemzésére, pl. a súrlódási tényező várható csökkenésének %-ban való megadására.
4. Összefoglalás
Ebben a kutatási jelentésben A TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 jelű Járműipari
anyagfejlesztések c. projekt 2. „Hő- és felületkezelések” Tudományos Műhelyének 2.3 K&F
alprogramja keretében a program harmadik félévében elvégzett kísérleti munka egyik fő
eleméről adtunk számot.
Mivel a különféle gáz-és plazmanitridált acélanyagok vonatkozó tribológiai vizsgálatait és
kísérleti eredményeit a 2.1. K+F téma kutatási jelentése ismerteti, ezért jelen beszámolóban
csak a felületkezelt alkatrészek minősítési folyamatában alkalmazásra javasolt újszerű
vizsgálati módszer – a műszerzett karcvizsgálat – első kísérleti tapasztalatait ismertettük
51CrV4 karbonitridált acélminőségek vizsgálati tapasztalatai alapján.
Az elvégzett műszerezett karcvizsgálatok eredményei azt igazolták, hogy a módszer
alkalmazása a karbonitridált alkatrészek felületi sajátosságainak minősítésében egy újszerű,
gyors és értékes kiegészítő eljárás lehet, amely hőkezelés eredményességének mind minőségi,
mind mennyiségi jellemzésre is lehetőséget nyújt. Emellett hasznos kiegészítő eszköz lehet a
hőkezelés-technológiai paraméterek optimalizálásában is.
A módszer alkalmazásával, egy jól reprodukálható, gyors és könnyen értékelhető, számos
hasznos információt nyújtó vizsgálati módszerrel bővülhet a felületkezelt rétegek minősítő
eljárásainak sora.
A kísérleti munka a következő beszámolási időszakban a tervezett kísérleti programok
szerint intenzíven folytatódik, részben a 2.1. K+F alprogram keretében végzett technológiai
kísérletekből származó plazmanitridált próbatesteken, részben a 2.3. programhoz csatlakozott
konzorciumi partnerrel a műanyag megmunkáló szerszámacélok kopási viselkedésének
elméleti és kísérleti vizsgálata keretében elvégzendő különféle egyedi és kombinált (duplex)
felületkezelések kopási viselkedésre gyakorolt hatásának elemzése céljából.
5. A témakörhöz kapcsolódó publikációk és együttműködések
1 db 4. sz. indikátor :K+F PEJ jelentés a 2.3 témában
1 db 8. sz. indikátor: III. féléves Kutatási beszámoló a 2.3. Korszerű és komplex
felületvizsgálati módszerek kidolgozása a hő- és felületkezelési technológiák
kutatásfejlesztése c. K+F témában
1 db. 16 sz. indikátor: Lőrincz Angéla: „Nitridált kéreg vizsgálata műszerezett
karcvizsgálat segítségével” c. Szakdolgozat, GEMTT057B, c. tárgyban, ME, ATI,
2014. május, p72+Mellékletek
2 db 24. sz. indikátor:
o Részvétel a XVIII. microCAD, International Scientific Conference,
University of Miskolc, 10-11. April, 2014. Konferencián
o Részvétel az ASIATRIB-2014, Feb.14-20. AGRA, India nemzetközi
konferencián
2 db 25. sz. indikátor
o 1 db konferencia cikk: Vass, Z., Marosné Berkes, M., Felhő, Cs., Maros,
Zs.: Összefüggés karbonitridált 34CrMo4 acélok kopási és mikrogeometriai
jellemzői között, The Publications of the MultiScience - XXVIII.
microCAD International Multidisciplinary Scientific Conference, 2014. 04.
10-11., Miskolc; Innovative Mechanical Design and Technology
Symposium, D1 Section: Innovative Manufacturing Technologies ; ISBN:
978-963-358-051-6; pp1-10
o 1 db poszter előadás: Zs. Maros, Z. Vass, Cs. Felhő, M. Maros Berkes., A.
Szilágyiné Biró: Connection between Tribological and Microgeometrical
Characteristics of Nitrocarburized 34CrMo4 Steel, ASIATRIB-2014,
Feb.14-20. AGRA, India,
Továbbá: 1 db MSc komplex feladat : Vass Zoltán: „Felületkezelések hatásának
vizsgálata szerszámacélok kopásállóságára”, Komplex feladat a GEMTT017M .c
tárgyban, ME, ATI, 2014. május, p30
A kísérleti munkák eredményeinek egyéb dokumentumai:
o gáz- és plazmanitridált próbatestek pin-on-disc kopásvizsgálatára vonatkozó
mérési eredmények
o gáz- és plazmanitridált próbatestek 2d és 3D mikrogeometriai vizsgálatára
vonatkozó kísérletek jegyzőkönyvei
o gáz- és plazmanitridált próbatestek keménység traverzeinek mérési
jegyzőkönyvei, és azok alkalmazása szakdolgozatokban
o nitridált minták szövetszerkezet vizsgálatának felvételei
Egyéb dokumentumok: numerikus mérési adatbázisok, konferencia előadások, konferencia
jelentkezések elfogadott absztraktjai, kutatási beszámolók, megjelenés alatt álló
folyóiratcikkek kéziratai
6. Hazai és nemzetközi kutatási együttműködési programok szervezése
Az ME, MTT és a győri Széchenyi István Egyetem között a „Járműipari
műanyagmegmunkáló szerszámanyagok tribológiai károsodásának elemzése”
témakörben folyó együttműködés folytatására egyeztető megbeszéléseket
folytattunk különböző módon felületkezelt (nitridált, duplex hőkezelésű tömbi és
lézerszinterelt (LSM) szerszámanyagokon végzendő kísérletek előkészítése
érdekében.
A BAY Logi intézettel előkészítettünk egy közös kísérletsorozatot hidrodinamikai
kenésű csapágygyűrű felületek kopási sajátosságainak elméleti és kísérleti
vizsgálata témakörben. Az együttműködés potenciális partnere nemzetközi
együttműködés formájában a Leobeni Egyetem. A későbbiekben az adott
témakörben tervezzük egy Horizont 2020-as pályázat közös beadását is
7. Köszönetnyilvánítás
„A kutatási jelentésben ismertetett kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-
0001 projekt eredményeire alapozva a TÁMOP-4.2.2/A-11/1-KONV-2012-0029 jelű projekt
részeként – az Új Széchenyi Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai
Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.”
8. Irodalomjegyzék
[1] Kocsisné Baán Mária: Bevonatok adhéziós kötés-erősségének vizsgálata –
Karcvizsgálat, Egyetemi jegyzet, Miskolc – Egyetemváros, 2000
[2] Marosné Berkes Mária – Kocsisné Baán Mária: Nemfémes anyagok mechanikai
vizsgálatának tapasztalatai, Anyagok világa, III. évf., 1. szám, 2002, szeptember,
ISSN 1586-0140
[3] Marosné Berkes Mária: Nemfémes anyagok vizsgálata, Elektronikus oktatási segédlet
az Anyagtudomány GEMTT0001M c. tantárgyhoz; Miskolc - Egyetemváros, 2014.
[4] Gy. Czél, M. Baán, P. Makk, Cs. Raffay, J. Fancsali, D. Janovszki: Research Scene
to Examine Mechanical Strength of Coatings on Metallic Substrate, ISMTII'98 - IVth
Intern. Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments, 2-4
Sept. 1998, Miskolc Springer, 1998, p.335-338
[5] Czifra Árpád: Mikrotopográfiai vizsgálatok – Útmutató, Óbudai Egyetem, Budapest,
2011
[6] Kiss Gyula: Finom felületi mérések, Nehézipari Könyv- és Folyóiratkiadó Vállalat,
Budapest, 1953
[7] Bagyinszki Gyula: Anyagismeret – Szilárd anyagok szerkezete és szerkezetvizsgálatai,
Elektronikus oktatási segédlet, Óbudai Egyetem, Budapest, 2011
[8] Taylor Hobson Surtronic 3+ eladói bemutatófüzet, Taylor Hobson Surtronic 3+ Sales
Brochure, Taylor Hobson Ltd., England, Leicester
[9] http://wm.pollub.pl/files/68/gallery/134_Przenosne-przyrzady-do-pomiaru-
chropowatosci/2157-PROFILOMETR.jpg
[10] Tisza Miklós: Metallográfia, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, 2006, ISBN
963 661 338 9
[11] Schön Gyula: Vasötvözetek és hőkezelésük, Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1968
[12] Szilágyiné Bíró Andrea, Tisza Miklós: Karbonitridált 51CRV4 anyagminőség
súrlódási együtthatójának mérése karcvizsgálattal, OGÉT 2012: XX. Nemzetközi
Gépészeti Találkozó, pp. 444-447.
