GINOP-2.1.2-8-1-4-16-2018-00659 – Alumínium alkatrészek megmunkálási és felületkezelési technológiájának fejlesztése a Török Gépipari Kft-nél. (Kutatási fejlesztési kiadvány II. rész)
3.2. Alumínium felületi kezelési technológiáinak vizsgálata a porozitás homogenitásának és a kopásállóság értékeinek elemzésével.
Az eloxált alumínium kopásállósága fontos tulajdonság, amely gyakran szükséges az anyagtulajdonság és minőségellenőrzés szempontjából.
A MIL-A-8625 – Anódos bevonatok alumíniumhoz és alumíniumötvözetekhez katonai szabvány 1953-as kiadása óta ez az elsődleges eloxálási specifikáció, (főként az Egyesült Államokban használt), melynek 4.5.5. szakasza meghatározza, hogyan kell számszerűsíteni az elektrolitikusan kialakított kemény anódos oxidációs bevonatok kopásállóságát. A „Taber-teszt” néven emlegetett eljárás az elfogadott vizsgálati módszer a tesztelésre, folyamatszabályozásra, összehasonlító rangsorolásra vagy a végfelhasználói teljesítménnyel való összefüggésre.
Ugyanakkor, hazánkban ezek a vizsgálati elvek még nem kidolgozottak és kipróbáltak, magyar nyelvű szakirodalom még nem készült. A kutatásk célja a módszer gyakorlati alkalmazása és vizsgálata.
A kopásálló felületet igénylő alkatrészek esetében a MIL-specifikáció 1,5 mg/1000 ciklus maximális Taber kopási indexértéket ír elő a III. típusú kemény bevonatú alumínium felületeknél vagy 3,5 mg/1000 ciklust a >2% Cu-t tartalmazó ötvözetek esetében. Alkalmazási példák: dugattyúk, hengerek, hidraulikus hajtóművek, szelepek, csúszó alkatrészek, csuklós mechanizmusok, bütykök, fogaskerekek, forgócsuklók, szigetelőlemezek, robbanásvédő pajzsok stb…
A vizsgálati elv az un. Taber csiszoló szerinti, amely gördülés és dörzsölés kombinációjával kopást hoz létre a minta felületén. Egy lapos, körülbelül 100 mm-es négyzet alakú, középső lyukkal ellátott tesztszelvény egy forgótányér platformra van rögzítve, amely függőleges tengelyen fix sebességgel forog. Minden egyes vizsgálat előtt két csiszolókorongot egy tárcsával látnak el. A csiszolókorongokat kerekenként 1000 grammos nyomást kifejtő terheléssel a minta felületére engedik le.
A jellegzetes kopási hatást a próbadarabnak a két csiszolókerék csúszóforgásával szembeni érintkezése hozza létre. Ahogy a forgótányér forog, a kerekeket a tesztszelvény ellentétes irányban mozgatja egy vízszintes tengely körül, amely érintőlegesen elmozdul a próbatest tengelyétől, miközben egy vákuumrendszer eltávolítja a laza törmeléket a vizsgálat során. A keletkező kopásnyomok egy kör alakú sávban keresztezett ívek mintáját alkotják, amelyek körülbelül 30 cm2-es területet fednek le. A kopást halmozott tömegveszteségként vagy ezer kopási ciklusonkénti tömegveszteségként határozzuk meg (Taber kopási index), ahol minél alacsonyabb a kopási index, annál jobb az anyag kopásállósági minősége.
A kemény anódos bevonatok kopással szembeni ellenállását olyan tényezők befolyásolhatják, mint a vizsgálati körülmények, a csiszolóanyag típusa, a próbadarab és a csiszolóanyag közötti nyomás, az ötvözet összetétele, a bevonat vastagsága, valamint az eloxálás vagy tömítés körülményei, vagy mindkettő.
A kutatás során az alábbi fontosabb kérdések merültek fel, ill. bemutatjuk az arra adott válaszokat:
- Kell a mintákat kondicionálni?
A tesztelés során megállapításra került, hogy a mintákat NEM kell kondicionálni, azaz meghatározott időre fix hőmérsékleten tartani.
- Milyen gyakran kell átdolgozni a csiszolókorongokat?
A Taber-teszt végrehajtásakor a csiszolókorongok eltömődhetnek a mintáról lekopott anyag tapadó jellegétől függően. Ez megváltoztathatja a kerekek koptató tulajdonságait, és jelentős hatással lehet a vizsgálati eredményekre. Ennek az eltérésnek a csökkentése érdekében javasolt, hogy a kerekeket minden egyes vizsgálat előtt új felülettel ellátni. Ez biztosítja, hogy a csiszolókorongok szabványosak legyenek, és minden, a korábbi tesztek során a kerék felületére tapadt szennyeződés eltávolításra kerüljön. Ugyanakkor, az előírt új burkolat betartása jelentős költségekkel járt a tesztben, és növeli a minta tömegveszteségét. Ezt a problémát 2019-ben kijavították a szabványban és a következő megjegyzéssel frissítették: „A szervetlen bevonatok nem igénylik a csiszolókorongok burkolatát minden 500 vizsgálati ciklus után”.
- Hogyan befolyásolhatja a minta a vizsgálati eredményeket?
Először is, az egységes kopási mintázat létrehozásához a mintafelületeknek síknak és párhuzamosaknak kell lenniük.
Másodszor, ha a panel vastagsága nem elegendő, az anódos bevonat a panel meghajlását okozhatja. Rossz felfogási helyzetben egyenetlen kopás léphet fel, és a mintát el kell dobni. A szabványban megadott minimális névleges mintavastagság 1,6 mm.
Harmadszor, a középső furat fúrása vagy lyukasztása kis sorja képződését eredményezheti, amelyet a minta felszerelése előtt el kell távolítani.
Negyedszer, a mintáknak mentesnek kell lenniük minden idegen anyagtól, oxidtól és szennyeződéstől, például zsíroktól, olajoktól, festékektől és hegesztőfolyadékoktól. Az eloxálás előtt megfelelő tisztítási eljárással távolítsa el az oxidot és más zavaró filmeket. Minden előkezelés, eloxálás és utókezelés során a mintákat a szélüknél fogva kell kezelni a szennyeződés és a mechanikai sérülés elkerülése érdekében.
- Hogyan befolyásolhatja az eloxálási folyamat a teszteredményeket?
A kemény anódos oxidációs bevonatok tulajdonságait és jellemzőit mind az ötvözet, mind az előállítás módja jelentősen befolyásolhatja. A figyelendő dolgok közé tartozik az előkezelés, az elektrolitfürdő hőmérséklete, a fürdő keverése, az áramsűrűség, a fürdő kémiája, az oldatban eltöltött idő és a feldolgozási különbségek (tartályok, állványok, a minta távolsága a katódoktól stb.).
A kemény eloxálás általában minden felületen a bevonat vastagságának körülbelül 50%-ának megfelelő méretnövekedést eredményez. Az eloxált bevonatok vastagsága gyakran 8 μm és 150 μm között van; kopásos alkalmazásoknál a normál vastagság azonban általában 40 μm és 60 μm között van. Az anódos bevonat külső felülete lehet lágyabb vagy kevésbé sűrű, ami nagyobb tömegveszteséget okozhat az első 1000 kopási ciklus során, mint a többi ciklusban. „Az anódos bevonat jól ismert, finom pórusokból álló mikrocellás szerkezettel rendelkezik, sűrűsége a vastagságban változhat, a felületi réteg porózusabb és puhább, mint a belső réteg.
A kopásállóságot általában nem tömített anódos oxidációs bevonaton mérik. Míg a korrózióállóságot gyakran növeli a bevonat lezárása, megfigyelhető, hogy a tömítés vagy festés több mint 50%-kal csökkentheti a kopásállóságot!
A tesztelés
A 10 000 ciklusos koptatási teszt után azonnal és 1 óra várakozás után tömegveszteséget regisztrált. A következő adatok összegzik az A módszerrel kapott eredményeket (a 6061-es ötvözet esetében dobozdiagram látható):
A B. típusú vizsgálat: Ennek célja annak meghatározása volt, hogy az eloxált minta külső felülete lágyabb vagy kevésbé sűrű-e.
Két különböző ötvözet (2024 és 7075) esetében, a kezdeti 1000 ciklusos kopási tömegveszteség minden esetben magasabb volt, mint a fennmaradó kopási ciklusok átlagos kopási indexe.
3.3. Felület-előkészítési, eloxálási technológia kidolgozása, technológiai ablak meghatározása.
Az eloxálás (anódos oxidáció) egy olyan fémfelületkezelési eljárás, melynek során alumínium felületeket kemény és kopásálló, korrózióálló, ugyanakkor színtartó és esztétikus réteggel látnak el. Az eljárás lényege az, hogy az alumíniumot híg savban (például foszforsav, oxálsav, kénsav vagy krómsav) anódként kapcsolják (pozitív pólus), és ekkor vízbontás játszódik le. Az anódon oxigén fejlődik, míg a katódon hidrogén keletkezik. Az így létrejött oxidréteg előnye, hogy magából a bázisfémből válik ki, szemben például a galvanizálással, ahol egy másik bevonó fém tapad rá a tárgyra. Egyrészt az oxidréteg vastagsága határozza meg a tárgy végleges színét, ezt az elektromos áram erősségével vagy a behatás idejével lehet szabályozni.
Az európai szabványok itt 5-10-15-20-25 µm szabványos rétegvastagságot írnak elő. Az ennél vastagabb 30-35 µm rétegvastagság az úgynevezett kemény-eloxálással (hard-elox) érhető el.
A felületvédelem típusát általában a felhasználás területe, a jelentkező igénybevételek, a munkadarab betöltött funkciója, anyagtulajdonságok, és egyéb feltételek határozzák meg.
A Török Gépipari Kft. 2015-től foglalkozik alumínium felületkezeléssel, eloxálással. Az új szolgáltatás indítását több éves kutató/fejlesztő tevékenység előzte meg, mivel a bevezetésre kerülő technológiák – úgy, mint a teljesen automata üzemű, darupályás gyártósor kifejezetten alumínium kezelésére (natúr, színes- és kemény eloxálások), korábban nem voltak hazánkban elérhetőek, szakirodalmi szinten sem. Ugyan volt néhány üzem, de ezek manuális üzemben működtek. Ugyanakkor, az optimális és reprodukálható minőség eléréséhez elengedhetetlen a gyártási, vegyi paraméterek nagyon szigorú betartása: másodperc alapú ciklusidők, tizedes értékű paraméter-szabályozások (áramerősség, feszültség, ph, vezetőképesség, kádhőmérsékletek, vegyszerek statisztikai folyamatszabályozása stb…).
A cég szigorú minőségközpontú szemlélete, elkötelezett védelme a környezetünkért is kihívások elé állította a tervező/kivitelező szakembereket. A működés során keletkező szennyvíz kezelésére kifejlesztett szennyvízkezelő rendszer is egyedülálló országos szinten.
Az eloxálásnál a fő nehézségét az jelenti, hogy a folyamat rendkívüli módon függ az alapanyagtól és a technológiai paraméterek ingadozásától. Más hasonló felületkezelési eljárásokhoz képest itt a réteg magából az alapanyagból alakul ki, tehát a kialakuló réteget befolyásolja az alapfém minden ötvözője. Ezért az alapfémben található, vagy a gyártás közben az anyagra kerülő szennyeződések jelentős hatással bírnak a végtermék minőségére. A gyártási rendszernek így különösen nagy figyelmet kell fordítani a technológia miatt kulcsfontossággal bíró paraméterek monitorozására és szűk keretek között való tartására.
Kutatásaink során megbizonyosodtak, hogy hasonlóan fontos momentuma az anodizálásnak a megfelelő minőségű felület biztosítása, mivel az oxidréteg az anyag felszínéből alakul ki, ezáltal egyértelműen láthatóvá vált, van összefüggés a nyers és eloxált felületek minősége között. Az elvárt minőség eléréséhez tehát elengedhetetlen a munkadarabok megfelelő, mechanikai vagy kémiai kondicionálása.
Ezekből a folyamtokból két főcsoportot különböztethető meg:
Mechanikai előkészítés:
- csiszolás
- trovalizálás
- üveggyöngy-szórás
- kvarchomok-szórás
Kémiai előkészítés:
- szatinálás
- kémiai fehérítés, pácolás
Keresztpróbákkal teszteket végeztek, hogy az eltérő felületelőkészítő-folyamatok milyen hatással vannak az eloxálás minőségére, különösen az eltérő anyagminőségeknél. A vizsgálat kiterjedt a rétegvastagság változására, illetve a forgácsolási nyomok (szerszámpályák) láthatóságának a változására is.
A mechanikai folyamatok
Minden mechanikai előkészítés erőteljesen módosítja a felület homogenitását, ugyanis a mechanikai előkezelések jobbára drasztikus változásokat idéznek elő a felületen. További tesztek során kiderült az is, hogy a kvarchomok kifejezetten alkalmatlan bármilyen felület előkészítő munkálatra, ugyanis a SiO2 szemcsék képesek a szemcseszórás alatt beépülni a felületbe, ezzel megakadályozva a jó minőségű eloxálást. A felületkezeléshez használt megfelelő szóróanyag az üveggyöngy, kifejezetten homogén szórásképet és megfelelő felületi minőséget lehet a használatával elérni.
Fontos észrevétel, hogy a különböző felületi kiképzések a rétegmérési eredményeket is befolyásolják, jelentősen megváltoztatva az általánosan használt örvényáramú mérőberendezések által mért értékeket.
Konklúzióként levonható, hogy azonos felületminőségű alapanyag legyen a mérőeszköz bázisetalonja mint a mérendő munkadarab, ugyanis csak így lehet konstans és pontos rétegvastagság-értékeket mérni.
Kémia előkezelések
Az eloxálásban általánosan elfogadott a kémiai előkezelés, úgymint a nátrium-hidroxid fürdő, a savas pácolás és a hidrogén-peroxidos fehérítő használat.
A nátrium-hidroxid az alumíniummal (nátrium-[tetrahidroxo-aluminát(III)] komplex ion keletkezik) viszonylag hevesen reagál. Tulajdonságait kiaknázandó használják merítőfürdős eljárásban az alumínium alkatrészek homogenizálására, felületi hibák, karcok, forgácsolási nyomok láthatóságának a csökkentésére. A próbák során bizonyos alapanyagok erős oxidációs reakcióval reagáltak a fürdőre, továbbá a nátrium-hidroxid hajlamos a tűrt méretek (furatok) és menetek elmarására is, így ezen eljárást egyes alapanyagok esetén kellő körültekintéssel szükséges használni.
A tesztek során, kizárólag az oxidációs hajlamot vizsgálva, az alábbi értékeket rögzítették:
Elmondható, hogy bizonyos alapanyagok hevesen reagálnak a kémiai előkezelésre, így az ilyen anyagminőségből készített munkadaraboknál szükséges a művelet szűk értékek között tartása, esetleges elhagyása.
A kémiai fehérítés az anodizálás előtti utolsó műveleti fázis. Alkalmazásával a nyers fémen maradt oxidmaradványok sikeresen oldhatók vissza, amennyiben minden előkezelő lépést az adott nyersanyaghoz adaptáltak. A teljes oxidmentesség a megfelelő anodizálás alapja, a szennyezett felület anodizálás után foltos, inhomogén maradhat. A következő táblázat az oxidmentesítéshez szükséges időket foglalja össze, különböző anyagminőségek esetén.
Az adatok elemzése után észrevett összefüggések egyértelműek: az oxidációra hajlamos fémek teljes oxidmentesítése még csekély felületi oxidáció után is egyértelműen tovább tart. Továbbá, a makacsabb szennyeződés teljes lebontása a hosszabb műveleti idők miatt termelékenység csökkenéshez vezet.
Konklúzió:
A járműipari alkatrészek alapanyagainak többsége a magas ötvözőanyag-tartalom miatt, a felület előkészítő folyamatoknál gondosan megválasztott műveleti fázisokat kíván a megfelelő minőség elérése érdekében. A strukturált felületkiképzés, a forgácsolási nyomok eltüntetése, az anyag homogenizálása, mind-mind feladat elé állítják a gyártó és felületkezelő üzemeket, de az alapanyagnak megfelelő technológia megválasztásával elérhető a kívánt minőség.
SzerzőTörök József Bálint – vezető fejlesztő
További információ: