Erősítőfázis in situ képződése egylépéses lézersugaras technológiával (a reaktív komponenseket hordozó

2. A SZAKIRODALOM ÁTTEKINTÉSE

2.2 A FELÜLETI KOMPOZITRÉTEGEK LÉTREHOZÁSA LÉZERSUGARAS DISZPERGÁLÁSSAL ÉS ÖTVÖZÉSSEL

2.2.4 Erősítőfázis in situ képződése egylépéses lézersugaras technológiával (a reaktív komponenseket hordozó

36 2.2.4 Erősítőfázis in situ képződése egylépéses lézersugaras technológiával (a

37 majd a lézersugaras kezelés során, a megolvasztott tócsába Ni-Al (nikkellel bevont Al részecs- kék) és Ni-Al2O3 (nikkellel bevont Al2O3 részecskék) részecskéket injektáltak inert gáz segítsé- gével. Kísérleteik során tehát kombinálták az egy- és a kétlépéses technológiát. A rétegről készí- tett SEM felvétel látható a 2.21ábrán.

2.21 ábra: In situ reakcióban képződött TiC és WC szemcsékkel erősített alumínium mátrixú kompozitról készített SEM felvétel Man [Man, 2004] nyomán

Az eredmények alapján megállapították, hogy a megjelenő intermetallikus fázisok javították a mátrix anyagának tulajdonságait. Az alapanyag és a lézersugárral kezelt réteg keménysége kö- zött kimagaslóan nagy különbség mutatkozott.

A megnövelt ötvözöttségű mátrixba ágyazott erősítő karbidszemcséknek köszönhetően az alap- anyag 100 HV keménysége a rétegben 800-1100 HV-re növekedett. Legnagyobb keménységi mérőszámokat az Al₂O₃-ot is tartalmazó réteg estén tudtak elérni.

A saját alapozó jellegű kísérleteimmel párhuzamosan különböző (hidegalakító) szerszá- mok élettartam-növelése céljából, felületmódosító technológiát fejlesztettünk ki [Verezub, 2009, Kálazi 2010]. A cél az volt, hogy egy olcsó acélon (100Cr6), a széles körben használt minőségű acélnál nagyobb élettartamú réteget hozzunk létre. A mátrix tulajdonságainak javulását a felületi rétegben in situ folyamat eredményeképpen kialakuló TiC szemcsékkel kívántuk javítani. A kísérletsorozatban 4 l/perc Ar gázárammal, a kezelt felülethez képest 45°-os szögben, 3 mm át- mérőjű fúvókán keresztül különböző intenzitással (1,90; 2,65 és 3,30 g/perc) adagoltunk 1:1 mólarányú WC+Ti porkeveréket. A kísérletek során a lézersugaras kezelés paraméterei változat- lanok voltak: a Nd:YAG lézersugár teljesítménye 2,5 kW, a lézersugár foltátmérője a darab felü- letén 2 mm, haladási sebessége 420 mm/perc volt. A sávok eltolási értéke 0,8 mm volt. A kísér- leti sorozatot ugyanazon paraméterekkel megismételve, az így létrejött próbatesteket hőkezeltük (850°C-on, olajban hűtve) és vizsgáltuk a hőkezelés hatását a kompozitréteg kialakulására, ösz- szehasonlítva a nem hőkezelt mintákkal. Az acél felületén létrehozott kompozitrétegeket a valós felhasználási körülményeket leginkább megközelítő, abráziós koptató módszerrel minősítettük.

A lézersugarasan kezelt minták felülnézete, illetve keresztmetszeti képe jellemzően homogén jellegű, amit a 2.22 ábra szemléltet.

a) b)

2.22 ábra: A 100Cr6 minőségű acélon in situ eljárással létrehozott kompozitréteg a) felüle- téről illetve annak b) metszetéről készült felvételek (adagolt porkeverék: 2,65 g/perc,

hőkezelés nélkül) [Verezub, 2009]

A réteg SEM+EDS vizsgálata azt mutatta, hogy az acél mátrixban Ti és W tartalmú, rendkívül finom eloszlású kiválások találhatóak, ami az a 2.23 ábrán látható.

a) b

2.23ábra: a) A 100Cr6 minőségű acélon in situ eljárással létrehozott WC+Ti réteg mikroszerkezete (adagolt porkeverék 2,65 g/perc, hőkezelés nélkül) b) az 1-es és a 2-es pont

EDS spektruma [Verezub, 2009]

A 2.16a ábrán látható sötétszürke terület képviseli a karbidokat beágyazó mátrixot. Az apró, világos tónusú részecskék (pl.: az 1-el jelölt) a röntgendiffrakciós vizsgálati eredmények szerint MC típusú karbidok, melyek egyenletes eloszlásban találhatóak. Jellemző méretük 1-2 μm körü- li. A rétegben jelenlevő ötvözők közül tipikusan a titán és a volfrám épít ilyen jellegű karbidot.

A mátrixhoz képest világosabb tónusa azonban szokatlan, hiszen a vizsgálati módszer lényegé- ből, ill. fizikai törvények alapján a nagyobb rendszámú elemeket tartalmazó területek világos tónussal jelennek meg a visszaszórt elektronképen, míg a kisrendszámú elemek alkotta területek sötétebb tónusúak (C₆, Ti₂₂, Fe₂₆, W₇₄).

39 Ebből következően a TiC fázisnak sötétebb foltot kellene eredményeznie, mint az acél mátrix- nak. A további vizsgálatok azt igazolták, hogy a WC –ból származó W eredményezi ezt a látszó- lagos ellentmondást, hiszen az képes a TiC rácsába szubsztitúciósan beépülni.

Megfigyelhető azonban az is, hogy pl.: az 1-el jelölt karbidrészecske közepe sötét, sugárirányba kifelé haladva viszont egyre világosabbá válik. A 2.24 ábrán egy ilyen szemcséről készült na- gyobb nagyítású SEM felvétel látható.

2.24 ábra: In situ reakcióban képződött TiC szemcséről készült SEM felvétel [Verezub, 2009]

A fentek alapján, arra következtettünk, hogy csíraképződéskor még tisztán titánkarbid keletke- zett, majd a csíranövekedés folyamán, a csíra környezetének koncentráció változásával a volf- rám fokozatosan, egyre nagyobb mennyiségben épült be a rácsba.

A röntgendiffrakciós vizsgálattal a következő fázisok mutahatóak ki: -Fe, -Fe, WC, TiC, W3Fe3C (azaz M6C) és Fe3C, ami a 2.25 ábrán látható.

2.25 ábra: Az 1,90 (1); 2,65 (2); 3,30 (3) g/perc WC+Ti intenzitással készült minták rönt- gendiffraktrogramjai [Verezub, 2009]

A diffraktogramok jellegüket tekintve nagyon hasonlítanak egymáshoz, különbség csak az egyes fázisokhoz tartozó intenzitás maximumában mutatkozik, ami részben az adagolt részecskék mennyiségének növekedésével, illetve a rétegben lejátszódó reakciók eltérő mértékű lejátszódá- sával van összefüggésben. Az acél felületén lézersugár segítségével létrehozott in-situ

Lin (Counts)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900 4000 4100 4200 4300 4400 4500

2-Theta - Scale

35 40 50 60 70 8 0 90 1 00 11 0 120

alfa-Fe

gamma-Fe gamma-Fe

gamma-Fe

WC WC

WC WC WC WC

WC TiC TiC

TiC TiC

M6C M6C

Fe3C

Fe 3C Fe3C

Fe3C

TiC

1 2 3

Lin (Counts)

2-Theta - Scale

35 40 50 60 70 8 0 90 1 00 11 0 120

alfa-Fe

gamma-Fe gamma-Fe

gamma-Fe

WC WC

WC WC WC WC

WC TiC TiC

TiC TiC

M6C M6C

Fe3C

Fe 3C Fe3C

Fe3C

TiC

1 2 3

40 kompozitréteget abráziós koptató módszerrel minősítetettük. Vizsgáltuk az eredeti szerszámacél (K100) kopási tuljadonságát, melyhez hasonlítottuk a legkevesebb és a legtöbb adagolt porkeve- rékkel kezelt mintákat, illetve mindhárom utólag hőkezelt mintát.

A 2.26 ábrán a koptatási kísérlet mérési eredményei láthatóak. Feltűnő, hogy az eredeti szer- számacélhoz képest a TiC tartalom növekedtével a kopási együttható csökken, ami egyrészt a rétegben helyben, kémia reakcióval képződött kemény TiC szemcséknek köszönhető, illetve a porkeverékkel bevitt W-nak, ami az acél mátrixban oldódott.

2.26 ábra: A minták koptató vizsgálatának eredményei [Verezub, 2009]

A hőkezelés hatására az 1,9 g/perc porinjektlással végzett mintánál, a kopási együttható harma- dára csökkent. Az eredmények azt mutatják, hogy az in-situ eljárással létrehozott kompozitréteg felhasználás szempontjából meghatározó tulajdonsága, pl. a kopási ellenállása az utólagos hőke- zelés során érik el legkedvezőbb értékeit. Ennek nyilánvaló oka az, hogy az in-situ reakció teljes mértékű lejátszódására a lézersugaras felületkezelés időtartama alatt a feltételek nem adottak.

Forrás [O. Verezub, 2009] [J. Xu, 2007] [Man, 2004]

A mátrix anyag acél (100Cr6) alumínium (Al 2024) alumínium (Al6061)

A mátrix sűrűsége 7,00 g/cm³ 2,7 g/cm³ 2,7 g/cm³

A mátrix olvadékának felületi feszültsége

1,9 J/m² 0,87 J/m² 0,87 J/m²

Az erősítő/ötvöző részecskék anyaga és aránya

WC, Ti 1:1 mólarány Ti, Fe, B Ti, C, és W vagy WC, Ni-Al, Ni-Al2O3

Az erősítő/ötvöző részecskék sűrűsége

WC: 15,63 g/cm³ Ti: 4,5 g/cm³

Ti: 4,5 g/cm³ Fe: 7,87 g/cm³

Ti: 4,5 g/cm³, C: 2,15 g/cm³, W: 19,25 g/cm³, WC: 15,63 g/cm³, Ni-Al:-, Ni-Al2O3:- Az erősítő/ötvöző részecskék

olvadáspontja

WC: 2870C, Ti: 1668C Ti: 1668C, Fe: 1538C Ti: 1668C, C:3642C, W: 3422C, WC:

2870C, Ni-Al:-, Ni-Al2O3:- Az erősítő/ötvöző részecskék

mérete

45-70 µm 105 µm 44 µm

Az erősítő/ötvöző részecskék adagolásának sebessége

12 m/s Nincs adat. Nincs adat.

Az erősítő/ötvöző részecskék beesési szöge

45 Nincs adat. 13

Az erősítő/ötvöző részecskék kötéstípusa

WC: fémes - WC: fémes

A kísérlet eredménye Az in situ képződött TiC szemcséknek köszönhetően a réteg mikrokeménysége 1200HV értékre növekedett az alapanyag keménységéhez (200HV) képest.

Az in situ reakcióban képződött erősí- tőfázis hatására a réteg keménysége az alapanyagéhoz képest (100HV) 6,5 szeresére nőtt. A réteg kopásállósága nagyobb terhelés esetén mutatott kedvezőbb értéket.

A mátrixba ágyazott erősítő karbid szem- cséknek köszönhetően az alapanyag 100 HV keménysége a rétegben 800-1100 HV- re növekedett. Legnagyobb keménységi mérőszámokat az Al2O3-ot is tartalmazó réteg estén tudtak elérni.

In document Fém-kerámia nano- és mikrokompozit rétegek in situ előállítása lézersugaras technológiával (Pldal 36-42)