Ökad friktion med hjälp av laserytbehandling
TEKNISK RAPPORT NUTEK-projekt dnr 5421 - 93 - 03623 1995:04T Ökad friktion med hjälp av laserytbehandling Greger Wiklund Claes Magnusson AVD. FÖR BEARBETNINGSTEKNIK Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T i SAMMANFATTNING Kil och kilspår används oftast för att förbinda axel och nav. Detta har en del nackdelar som t.ex. glapp vilket förvärras vid drift, inga injusteringsmöjligheter vid montering, svårigheter vid demontering och spänningar i kilspårets botten som kan orsaka brott. Friktionsförband, som t.ex. axel/nav bussningar eliminerar kilförbandet med dess nackdelar. Med laser kan hårda karbider och legeringsämnen lokalt smältas in i ytskiktet och på så sätt ge nya möjligheter att öka friktionen i dessa förband. Även för tvärbelastade skruvförband t.ex. flänsförband, kan laserytbehandling vara en möjlighet att öka friktionen och på så sätt minska dimensionerna och därmed kostnaderna vid tillverkning av flänsförband. Denna rapport redovisar en friktionsökning på 250% för laserpåsvetsade spår med sammansättningen WC+Co 88/12 och 300% för TiC påsvetsade spår på stål. Friktionen ökade 40 % för laserytomsmälta spår på stål om spåren var vinkelrätt mot belastningen. Ytomsmälta spår parallella med dragbelastningen och laserhärdade spår gav inte någon friktionsökning. Små WC+Co belagda spår på insidan av ETP bussningar stoppar delvis mikroglidningen och ger 50-75% ökning av det överförbara vridmomentet. Samtidigt ökade frettingen om spåren placerades nära den yttre delen av bussningen. I skruvflänsförband ökade friktionen 200-300 % då WC+Co eller TiC belagda spår placerades runt skruvhålen eller längs rörelseriktningen nära hålen. Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T ii 1 INLEDNING 1 2 ALLMÄNT OM LASERYTBEHANDLING 1 3 PROBLEMSTÄLLNINGAR 2 3.1 Applicering av pulver 3 3.2 Parameteranpassning för att smälta ytan men ej pulvret 4 4 PÅSVETSNING AV PLANA YTOR MED EFTERFÖLJANDE FRIKTIONSMÄTNINGAR 6 4.1 Påsvetsning utförande och resultat 6 4.2 Friktionsmätningar utförande. 8 4.3 Friktionsmätningar resultat. 9 5 PÅSVETSNING AV BUSSNINGAR MED EFTERFÖLJANDE FRIKTIONSMÄTNINGAR 10 5.1 Påsvetsning utförande 10 5.2 Friktionsmätning utförande och resultat 11 6 PÅSVETSTNING AV SKRUVFÖRBAND MED EFTERFÖLJANDE FRIKTIONSMÄTNINGAR 12 6.1 Påsvetsning utförande 12 6.2 Friktionsmätning utförande 13 6.3 Friktionsmätning resultat 14 6.4 Slutsatser 15 7 ERKÄNNANDE 16 8 REFERENSER 16 Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 1 1 INLEDNING Att förbinda axel och nav kan göras på flera sätt. Oftast används kil och kilspår, men metoden har en del nackdelar som t.ex. glapp vilket förvärras vid drift, inga injusteringsmöjligheter vid montering, svårigheter vid demontering och spänningar i kilspårets botten som kan orsaka brott. För att eliminera kilförbandet med dess nackdelar har på senare år utvecklats så kallade friktionsförband. Dessa åstadkommer ett fast förband mellan axel och nav. Friktionsförbanden är uppbyggda enligt två huvudprinciper nämligen mekaniskaoch hydrauliska-förband. Ett exempel på bussning enligt den hydrauliska principen visas i figur 1. Figur 1. Hydraulisk friktionsförband, ETP bussning. Med laser kan hårda karbider och legeringsämnen lokalt smältas in i ytskiktet och på så sätt öka friktionen. Högre friktion hos förband som tex axel/nav bussningar gör det möjligt att överföra mer vridmoment vilket innebär att man kan använda en mindre bussning än normalt vilket minskar kostnaderna Tvärbelastade skruvförband tex flänsförband konstrueras också vanligen som friktionsförband, dvs. skruvhålen borras frigående och muttrarna dras åt hårt. Kraften kan då överföras via friktion. Friktionskoeficienten är för dessa ytor mycket osäker och därför överdimensioneras många flänsförband. Ibland specialtillverkas t.o.m. bultarna för att eventuellt klara stora belastningar. Detta leder till onödigt stora kostnader och dimensioner. Även här kan laserytbehandling vara en möjlighet att minska kostnaderna vid tillverkning av flänsförband. I denna rapport redovisas försök att med laser skapa friktionsytor som är max. 50 µm tjocka. Resultat hur det insmälta materialet ska tillföras, hur olika parameterar som hastighet, effekt, energifördelning påverkar resultatet samt friktionsmätningar på plana ytor, bussningar och flänsförband redovisas . 2 ALLMÄNT OM LASERYTBEHANDLING Laserytbehandling innefattar ythärdning, påsvetsning, upplegering och ytimpregnering. Vid påsvetsning med laser smälter laserstrålen ett tillsatsmaterial och ett tunt skikt av grundmaterialet. En metallisk bindning uppstår med mycket liten uppblandning av grundmaterial och påsvetsmaterial. Vid ytimpregnering smälts grundmaterialet men inte tillsatsmaterialet som oftast är någon typ av karbid med betydligt högre smältpunkt. Principiellt används en utrustning enligt figur 2. Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 2 Genom att välja lasereffekt, hastighet och stråldiameter kan den behandlade bredden bli upp till 5 mm och det behandlade skiktet max. ca 2 mm djupt/tjockt. Behandlingshastigheten ligger oftast mellan 0,5-2 m/min och värmetillförseln är så koncentrerad att deformationerna efter behandlingen blir minimala [1,2]. ZnSe-fönster Laser stråle Gas Pulver tillförsel 2 mm Objekt Figur 2. Principskiss för ytmodifiering med laser. Till höger ett tvärsnitt av ytimpregnerad rostfri plåt med titankarbider (svarta korn) 3 PROBLEMSTÄLLNINGAR Målet med beläggningen var att erhålla ett skikt som så lite som möjligt förändrade ytans eller detaljens dimension. En skikttjocklek på < 50 µm helst ca 10 µm som gav en friktionsökning på 3-4 ggr ansågs vara lämpligt. För att erhålla tunna skikt valdes en pulverkvalitet där kornstorleken var 5-25 µm. Materialet WC+Co 88/12 valdes i första hand eftersom ETP Transmission AB hade bra resultat från den sk. detonationsmetoden där WC+Co "skjutits" fast på en bussningsyta. Det optimala resultatet var att smälta ytan så att de tillsatta pulvret sjönk ned till hälften i den smälta ytan enligt figur 3. Smält skikt Figur 3. Hårda partiklar förankrade i ett smält ytskikt för att öka friktionen. För att erhålla ett resultat enligt figur 3 måste dels appliceringen av pulvret utföras på ett lämpligt sätt och valet av laserparametrar och pulverkvaliteter vara mycket noggrann. De följande kapitlen behandlar några av de resultat som erhölls vid laserpåsvetsningsförsöken. Det som kommenteras är försök med förbelagt pulver och tillförsel av pulver med pulvermatare, olika laserparametrar som pulsad eller kontinuerlig stråle samt olika effekttätheter och skyddsgaser. Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 3 3.1 Applicering av pulver Den vanligaste metoden att tillföra material till en yta vid laserpåsvetsning är med hjälp av pulvermatare som blåser pulvret mot ytan. Vid Luleå Tekniska Högskola används pulvermataren TECFLO 5102 tillverkad av Wear Control Technology och levererad av Castolin. Pulvermataren fungerar bäst med kornstorlek 45-90 µm. Det visade sig att denna pulvermatare hade problem att leverera ett jämt och lågt pulverflöde med det finkorniga pulvret som valts. Det är troligen WC+Co pulvrets höga densitet (15,7 g/cm3) i kombination med den fina kornstorleken och pulvermatarens matningsprincip (fluidiserande bädd) som ger upphov till problemen. Efter diverse försök avbröts dessa och försök med insmältning av pulver som placerats på ytan utfördes istället. Nu gällde det att på något sätt få pulveret att fastna på ytan helst i endast ett lager. Det är möjligt att detta pulver kan blandas med något lösningsmedel och eventuellt ett förtjockningsmedel för att sedan penslas eller sprutas på ytan men endast några misslycka försök utfördes. Istället valdes ”sockerkaksmetoden” dvs. applicering av klister i ett mycket tunt skikt, hälla pulver på ytan och sedan skaka bort överflödet som inte fastnar. Metoden går bara att använda då mycket tunna skikt eftersträvas. Det visade sig att det var viktigt att få samma mängd klister på ytan och att pulvret skakades av på på ett kontrollerat sätt. I annat fall blev pulvrets skikttjocklek olika. Fördelen är att mängden pulver som förbrukas är liten och beror på hur stor yta som förklistras samt att det bör vara möjligt att automatisera appliceringen av klister och även pulver för att erhålla repeterbara resultat. De efterföljande försöken utfördes med denna metodik. Följande komponenter och metodik användes vid appliceringen av pulvret på ytan: Gummiklister av typen Fastik, från AB Thure Bunger i Alvesta, löstes i 95% blyfri bensin. Lösningen penslades på ytan och därefter torkades ytan av med papper. Kvar på ytan blev ett mycket tunt ej synligt skikt av gummiklister. Pulvret hälldes på den förklistrade ytan och sedan skakades provbiten och knackades mot ett fast underlag så att allt överflödigt pulver lossnade. Vid rätt utförd beläggning blev ett tunt lager av pulver kvar på ytan enligt figur 4. 1 mm Figur 4. WC+Co pulver 5-25 µm kornstorlek klistrat på ytan i ett tunt lager. Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 4 Samma metodik användes för andra pulverkvaliteter med gott resultat. Kornstorleken i dessa fall var 45-90 µm. En typisk yta med förklistrat TiC-pulver kan se ut enligt figur 5. 1 mm Figur 5. TiC pulver 45-90 µm stora korn klistrade mot en slipad yta. 3.2 Parameteranpassning för att smälta ytan men ej pulvret Med pulvret förplacerat på ytan hettades materialet upp så att endast grundmaterialet och inte pulvret smälte. Pulverkornen fastnade på så sätt på ytan. Detta är endast möjligt om smälttemperaturen är olika för pulver och grundmaterial. De pulver som provats har smälttemperaturer enligt tabell 1. Tabell 1. Smälttemperatur för olika pulverkvaliteter. [3] Smälttemperatur (oC) TiB2 3225 TiC 3067 TiN 2950 WC 2780 Al2O3 2050 Cr3C2 1810 Grundmaterialet SS1650 respektive SS2172 har smälttemperatur på omkring 1450 oC. Ju högre smälttemperatur på pulvret desto större chans att pulvret förblir osmält då grundmaterialets yta börjar smälta. Pulvrets absorption och tjocklek påverkar de parameterar som behövs för att få ett bra resultat. Exempelvis kan nämnas att Al2O3 absorberar CO2-laserstrålen mycket bra. I dessa försök smälte pulvret innan provytan smälte. Aluminiumoxiden bildade droppar på ytan som lätt gick att peta bort efter laserbehandlingen. Om tjockleken på det pålagda pulvret varierar eller om energin i laserstrålen är ojämt fördelad kan ytan smälta för mycket eller för lite för olika delar av det behandlade spåret. Beläggningens tjocklek måste därför kontrolleras före laserbehandlingen eller så måste ett beläggningsförfarandet användas som ger en tillförlitligt skikttjocklek. Det är också lämpligt att använda någon typ av strålintegrator för att jämna ut energin i strålen [4]. Figur 6 visar en yta där delar av spåret har smält så mycket att karbiderna täckts av smälta. Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 5 1 mm Figur 6. Material SS 2172 belagt med TiC. I mitten av spåret har ytan smält så mycket att karbiderna inte längre skjuter upp ur ytan. Insmältning av partiklar i ytan sker snabbt och det snabba termiska förloppet tillsammans med ytspänningar och stelningseffekter kan ge ytor enligt figur 7. Pulvret har smält och samtidigt dragits samman till en räffelmönstrad yta med en höjd på cirka 50 µm och bredd på 100 µm. 2 mm Figur 7. Insmält WC+Co 88/12 på SS 1650 material. Vid behandlingen är det viktigt att skyddsgas används. Vid dessa försök gav helium det bästa resultaten. Vid invändig behandling av bussningar uppstod problem med att ytorna oxiderade trots tillförsel av skyddsgas. Ett extra gasrör fick monteras för att få tillräckligt bra skydd. Troligen uppkom någon typ av ejektorverkan som drog in syre mot ytan som behandlades. a) b) Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 6 c) Figur 8. Exempel på morfologi och mikrostruktur för några typiska pulver för termisk sprutning. a) Sfärodiserad molybden b)Cr2O3 smält och krossad c) WC/Co agglomererad och sintrad. Pulver för termisk sprutning och därmed även laserytbehandling kan tillverkas på många olika sätt. Pulvrets form får olika utseende beroende på tillverkningssättet. Figur 8 visar smält och krossat, agglomererat och sintrat samt sfärodiserat pulver [5]. Vid försöken användes även Cr3C2 och TiN. Dessa pulver var sintrade och vid laserbehandlingen smälte ett tunt yttre skikt på pulvret varvid kornen fastnade på ytan. Vid belastning krossades det yttre skiktet och innuti fanns mycket små osmälta korn. Sådana pulver går inte att använda vid beläggning av ytor där målet är ökad friktion eftersom de osmälta kornen kommer att verka som kullager på ytan. Pulvret med WC+Co var tätsintrat och efter laserbehandlingen kunde det jämställas med solida partiklar som smälts fast på komponentens yta. Pulver som smälts och krossats bör också vara lämpliga för denna typ av ytbehandling. 4 PÅSVETSNING AV PLANA YTOR MED EFTERFÖLJANDE FRIKTIONSMÄTNINGAR 4.1 Påsvetsning utförande och resultat Laserpåsvetsning av spår på material SS 1650 och SS 2172 har utförts med en 6 kW CO2-laser, RS 6000, med energifördelning TEM02. De pulver som påsvetsats framgår av tabell 2. Tabell 2. Kombinationer av pulver och grundmaterial som laserpåsvetsats. SS 1650 SS2172 WC+Co 88/12 5-25 µm X X* * Dessa prover friktionstestades. TiC Cr3C2 TiN 45-90 µm 45-90 µm 45-90 µm X X X X* Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 7 Provbitarnas ytor som var slipade till en ytfinhet av Ra=1,5 µm rengjordes i 95 oktanig blyfri bensin och sedan applicerades gummiklister på ytan. Klistret torkades av med bensinindränkt papper på så sätt att ett mycket tunt lager klister var kvar på ytan. Pulvret hälldes på ytan och allt överflödigt pulver som inte fastnade skakades av. Skikttjockleken var så tunn att metallglansen från provets yta kunde skönjas under pulverlagret. Laserparametrarna som stråldiameter, hastighet, effekt och skyddsgas anpassades så att pulvret och ett mycket tunt skikt av provet smälte samman. Resultatet blev en yta där pulvret satt fast nedsjunken en bit i provets yta. De parameterar och inställningar på optik som gav lämplig mängd smältning vid påsvetsningen framgår av tabell 3 och figur 9. Tabell 3. Laserparameterar vid påsvetsning av grundmaterial SS 1650 och SS 2172 med olika pulverkvaliteter. WC+Co 88/12 Cr3C2 TiC TiN Effekt Hastighet Strål(W) (mm/s) diameter (mm) 700 21,7 2,0 700 26,7 2,0 1800 26,7 2,5 1800 26,7 2,5 Skyddsgas He He He He Figur 9. Optikuppställning vid laserpåsvetsning enligt tabell 3. De försök som gav det bästa resultatet var insmältning av wolframkarbid/cobolt pulver och titankarbid. Dessa pulver bildade en fast ojämn yta. I figur 10 visas ytan för wolfram/cobolt blandningen. Pulverstorleken var 5-25 µm vilket gav en finare yta än för titankarbiden där pulverstorleken var 45-90 µm. Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 8 Figur 10. Material SS1650 som påsvetsats medWC/Co 88/12 pulver, 5-25 µm. Tre olika förstoringar. Titannitrid och kromkarbidytan såg ut på ungefär samma sätt som titankarbid ytan. Då man skrapade på dessa skikt visade det sig däremot att pulvret inte var homogent utan föll sönder i ett finare pulver. Dessa pulver var sintrade. För att få ett hållfast skikt måste pulvret ha tillverkats på ett sådant sätt att det är homogent tex smält och krossat pulver samt tät sintrade kvaliteter. Se även kommentarer i kapitel 3.2 och figur 8. 4.2 Friktionsmätningar; utförande. Friktionsmätningar utfördes för grundmaterial SS 2172 och pulvren WC+Co 88/12 samt TiC. På provbitar som var 25*4*100 mm (b,t,l) placerades 2 mm respektive 2,5 mm breda spår med ett centrumavstånd av 4 mm. Spåren låg längs långsidan på ena sidan av provbitarna och tvärs långsidan på andra sidan. Små bitar, 20*4*15, kapades från proven för att användas i friktionsförsöken. Proven friktionstestades i en dragprovmaskin enligt figur 11. Figur 11. Hållare för friktionsprover för montering i en dragprovmaskin. 1 och 2 stålaxel, 3 rullar, 4 härdad stålplatta, 5 och 8 skruvtving, 6 mellanlägg, 7 belastnings block, 9 laserbehandlat prov. Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 9 Två prover pressades samman varav den ena alltid var obehandlad. Krafterna växlade först för att utröna om beläggningen var tillräckligt fäst vid ytan. Därefter bestämdes ett slirvärde genom att dra i en rikting. Dragprovningen gav ett diagram enligt figur 12. (kN) 8 7 6 5 4 µ= 8300 =0,276 30000 3 2 1 0,1 0,2 0,3 (mm) Figur 12. Dragprovkurva vid friktionsmätning. F där F=dragspänningen då N slirning uppträder och N=normalkraften som mäts med kraftgivarna. Mellan provbitarnas ytor placerades ett tryckkänsligt papper som visade om belastningen på ytorna var jämnt fördelad och hur stor ytan var. Yttrycket beräknades ur N = A × P där A=arean för det behandlade provet och P=yttrycket. Yttrycket var mellan 80-173 MPa och arean omkring 300 mm2. Friktionskoeficienten beräknades ur formeln µ = 4.3 Friktionsmätningar resultat. Friktionen mellan obehandlade prover uppmättes till 0,17 vilket är ett normalt värde för friktionen mellan två stålytor. Även friktionen för laserhärdade prover mättes. Värdet 0,17 överensstämmer med försök som utförts tidigare [6]. Vid de tidigare försöken undersöktes endast ytomsmälta och laserhärdade ytor och då gav de ytomsmälta proverna med spåren tvärs rörelseriktningen en ökning av friktionskoeficienten på 40%. Några av försöken redovisas i tabell 4. Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 10 Tabell 4. Resultat av friktionsmätningar för WC+Co 88/12 laserpåsvetsade SS 2172 ytor. Prov nr. 1 2a Beräknat friktionsvärde 0,17 0,55 2b 0,67 3a 0,77 3b 0,58 5a 0,52 5b 0,55 6a 0,69 6b 0,68 7 0,43 Yta 1 Påsvetsspårens placering Ingen tvärs rörelseriktning längs rörelseriktning tvärs rörelseriktning längs rörelseriktning längs rörelseriktning tvärs rörelseriktning längs rörelseriktning tvärs rörelseriktning tvärs rörelseriktning Yta 2 Yttryck Behandling (MPa) Ingen Ingen 83 81 Ingen 81 Kontakt Kommentar area (mm2) 280 301 Något ojämn kontaktyta 294 Bra Ingen 75 317 Bra Ingen 113 230 Ingen 173 150 Ingen 100 270 Sned belastning Ojämn belastning Bra Ingen 90 308 Bra Ingen 101 276 Bra 300 Bra Något 90 hårdare stål Sammanfattningsvis blev de beräknade friktionsvärdena för WC+Co behandlade proverna mot ej behandlat kolstål blev enligt följande; Spåren tvärs rörelserikt. 0,55 0,77 0,68 vilket ger ett medelvärde på 0,60 Spåren längs rörelserikt. 0,67 0,58 vilket ger ett medelvärde på 0,62 Resultatet av friktionsmätningar för TiC laserpåsvetsade ytor gav liknande resultat. Friktionsvärdet blev i genomsnitt 0,7 och ingen skillnad på spåren tvärs eller längs rörelseriktningen kunde påvisas. Ingen släppning av pulver eller dålig vidhäftning kunde observeras under försöken. Friktionsvärdena är i samma nivå som försök utförda med beläggning av WC+Co med hjälp av detonationsmetoden. 5 PÅSVETSNING AV BUSSNINGAR MED EFTERFÖLJANDE FRIKTIONSMÄTNINGAR 5.1 Påsvetsning utförande På två stycken ETP bussningar, tillverkade av materialet SS 2172, påsvetsades 20-40 µm tjocka spår av WC+Co 88/12 pulver. Pulvret applicerades enlig beskrivning i kapitel 4.1. Lasereffekt 700 W, hastighet 21,7 mm/s och stråldiameter ca 3 mm Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 11 användes vid behandlingen. Lasern var en RF exiterad CO2-laser från Rofin Sinar med maximal uteffekt på 6000 W och energifördelningen TEM02. Bussningarna var av standard typ, figur 1, med innerdiameter 25 mm och ytterdiameter 34 mm. De laserpåvetsade spåren placerades både på utsidan och insidan av bussningen enligt figur 13. Figur 13. De påsvetsade spårens placering på bussningarna. Vid invändig behandling vinklades strålen 45 grader. För att förbättra gasskyddet vid invändig behandling användes ett extra gasrör, 10 mm i diameter, som riktades mot den yta som behandlades. 5.2 Friktionsmätning utförande och resultat Efter behandling mättes vridmomentet, vid slirning, i en utmattnings-testmaskin enligt figur 14. Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 12 Figur 14. Utmattningstestmaskin för växlande vridmoment på en ETP bussning. Bussningarna monterades i en pendel som belastades med en pneumatisk cylinder. Belastningen växlade 1,7 Hz för att ge ett växlande vridmoment på på bussningen. Det överförbara vridmomentet, mätt som slirmoment, ökade från normalt 330 Nm till 560-600 Nm. Detta är en förbättring på 75%. Vid slirningen skedde denna mot navet. För att bättre kunna jämföra värdena bör fler bussningar behandlas och då med flera spår på ytorna. 6 PÅSVETSTNING AV SKRUVFÖRBAND MED EFTERFÖLJANDE FRIKTIONSMÄTNINGAR En annan tillämpning där hög friktion är önskvärd är för skruvförband. Dessa är vanligen konstruerade som friktionsförband, dvs skruvhålen borras frigående och muttrarna dras åt hårt. Kraften kan då överföras via friktion. Friktionsförbandet har en extra säkerhet i skruvarnas höga skjuvhållfasthet. Om kraften överförs via skjuvning istället för friktion uppstår genom de frigående hålen glapp och höga yttryck. Försöken som redovisas under detta kapitel avsåg att undersöka vilken friktionshöjande effekt som kan erhållas genom att smälta fast hårda karbider på flänsytor. Försöken utfördes på plana provbitar med ett respektive två hål. 6.1 Påsvetsning utförande Pulver av WC+Co 88/12 med kornstorlek 5-25 µm och TiC med kornstorlek 45-90 µm smältes fast på plana provbitar av materialet SS 2172. Vid behandlingen användes en 6kW CO2-laser från Rofin Sinar med energifördelningen TEM02. Övriga parametrar vid försöken framgår av tabell 5. Tabell 5. Laserparametrar som användes vid behandling av flänsprover. WC+Co 88/12 TiC Effekt Hastighet Stråldiameter (W) (m/min) (mm) 700 1,3 2,5 1800 1,6 4,5 Skyddsgas N2 N2 Applicering av pulvret skedde på samma sätt som beskrivits i kapitel 4.1. Provbitarna var 8 och 12 mm tjocka och 40 mm breda med ett eller två hål. De med ett hål var 40 mm höga medan de som hade två hål var 80 mm höga. Tre olika spårplaceringar testades enligt figur 15. Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T a) b) 13 c) Figur 15. a) Spår placerade runt hålen. b) spår placerad i rörelseriktningen längs hela plattan och som tangerar hålen. c) Två spår som båda tangerar hålen och ligger i rörelseriktningen. Efter laserbehandling utfördes friktionsmätningar hos ETP Transmission AB i Linköping. 6.2 Friktionsmätning utförande De behandlade proverna monterades på utsidan av en 20 mm tjock platta med friktionsytorna vända mot mittenplattan. Plattorna monterades med M6 skruvar och momentnyckel. Detta gav den nödvändiga förspänningen, normalkraften FN. Glappet mellan hål och skruv var 1 mm och vid monteringen placerades plattorna så att glappet var så stort som möjligt på ovansidan av hålen. Det tre monterade plattorna placerades i en hydraulisk press max 10 ton och där anbringades kraften F mot mittenplattan enligt figur 16. F=(y) L=(x) Figur 16. Principskiss för monterade plattor avsedda för friktionstester. Den anbringade kraften mättes med kraftgivare och registrerades på X-Y skrivare (Yaxeln). Kraften applicerades med handpump varför varje pumpslag, kraftökning, registrerades som en rörelse på X-Y skrivaren. Läget av mittenplattan mättes och förskjutningen registrerades (X-axeln). Man erhåller alltså ett tidsoberoende kraft/lägesdiagram. Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 14 Vid ökande belastning kommer så småningom ytorna att slira, förskjutas, tills skruven tar emot. Då ökar kraften mycket snabbt. Tillåten slirning ca 1-2 mm. 6.3 Friktionsmätning resultat Några av mätningarna var svårtolkade troligen pga felaktigt monterade plattor. Om glappet mellan skruv och hål hamnar i underkant blir det inte någon glidning mellan ytorna utan skruven tar upp all belastning. I figur 17 visas exempel på diagram som registrerades under mätningarna. Figur 17. Kraft/läges diagram för beräkning av friktionskoeficient för a) prov met ett skruvhål FN=12 kN, B1 ej behandlat, med rena metallytor, B4 WC+Co 88/12 laserpåsvetsat spår placerat runt skruvhålet b) platta med två hål FN=24 kN frånsett D1 som hade FN=32 kN, D1 ej behandlat, med rena metallytor, D5 en och D8 två TiC laser påsvetsade spår som tangerar hålen, D10 TiC laser påsvetsade spår placerade runt skruv hålen För proverna med obehandlade ytor och ett respektive två hål registrerades kontakten mellan ytorna som gränsade mot mittenplattan med hjälp av tryckkänsligt papper. Som väntat visade det att trycket är störst under skruvskallarna. För WC+Co behandlat prov med spår runt skruvhålen är trycket koncentrerat till området som är laserpåsvetsat. Figur 18 visar hur trycket fördelats för de olika proverna. Figur 18. Yttryck mätt med tryckkänslig film för a) obehandlat prov med ett hål (B1). b) obehandlat prov med två hål (D1). c) WC+Co behandlat prov med ett hål där spåret placerats runt skruvhålet (B4). Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 15 De uppmätta friktionskoeficienterna framgår av tabell 6. Tabell 6. Uppmätta friktionskoeficienter för olika påsvetsningar och spårutförande. Påsvetsmaterial WC+Co TiC TiC TiC Friktionskoeficient 0,45 0,47 0,37 0,42 TiC 0,37 Spårtyp Provtyp Cirkel runt skruvhål Cirkel runt skruvhål Cirkel runt skruvhål Ett spår vid sidan av skruvhål Två spår på vardera sidan av skruvhål Ett hål Ett hål Två hål Två hål Två hål Generellt sett ligger mätvärdena 2-3 gånger högre än dom förväntade vid obelagda ytor. De testade plattorna är av ett mjukt stål och undersökningen bör kompletteras med mätningar mot ett hårdare material och test med växlande belastningar innan metoden kan marknadsföras. 6.4 Slutsatser Försöken har visat att det är möjligt att öka friktionen på ytor genom att med laser smälta fast hårda karbider. Friktionsökningar på 250% för laserpåsvetsade spår med sammansättningen WC+Co 88/12 och 300% för TiC påsvetsade spår på stål har erhållits vid försöken. Det är också möjligt att öka friktionen på ytor genom att enbart smälta smala spår med laser. Friktionen ökade 40 % för lasersmälta spår på stål om spåren var vinkelrät mot belastningen. Ytomsmälta spår parallella med dragbelastningen och laserhärdade spår gav inte någon friktionsökning. Metoden kan användas för tex ETP bussningar och tvärbelastade skruvförband tex flänsförband. Vid försök med små WC+Co belagda spår på insidan av ETP bussningar ökade det överförbara vridmomentet 50-75%. I skruvflänsförband ökade friktionen 200-300 % då WC+Co eller TiC belagda spår placerades runt skruvhålen eller längs röreleriktningen nära hålen. Fortsatta försök med växlande belastning och på härdade ytor bör ske innan metoden kan marknadsföras. Tekniska Högskolan i Luleå 1995:04T 16 7 ERKÄNNANDE Detta arbete har utförts med finansiellt stöd från Närings- och teknikutvecklingsverket, NUTEK, och Nordisk Industrifond vilket erkännes med tacksamhet. Ett varmt tack till Lennart Disborg, ETP Transmission AB, som utfört friktionsmätningarna och aktivt varit med vid planering och utförande av projektet. 8 REFERENSER 1. 2. 3. 4. 5. 6 Wiklund, G. Magnusson, C : Ytmodifiering med högeffektlaser i kombination med induktionsvärmning, Teknisk rapport 1993:015 T, Högskolan i Luleå Flinkfeldt, J : Laserimpregnering, Teknisk rapport 1990:04 T, Högskolan i Luleå Informationsskrift från HCST Herman C. Starck Berlin via återförsäljare Bayer Sverige AB. Wiklund, G. : Ythärdning i cylindriska hål med högeffektlaser, Teknisk rapport 1988:08T, Högskolan i Luleå Beczkowiak, J. Schwier, G. Burkard, H : Powders for thermal spraying, HCST Herman C. Starck Berlin Wiklund, G. Disborg, L : Friction Increase by Laser Surface Modification, Proceedings of the 4th NOLAMP Conference, 1993 aug 16-18, s 137-142.
© Copyright 2024