Felületminőség

A felületminőség egy olyan komplex fogalom, amely a megmunkált (forgácsolt, alakított stb.) felület mikrogeometriai jellemzőit (érdesség, hullámosság), valamint a felület alatti, meghatározott vastagságú réteg

  • mikrokeménységének megváltozását (kilágyulás, felkeményedés),

  • szövetszerkezeti módosulásait (pl. köszörülés),

  • maradófeszültség kialakulását (amely lehet húzó vagy nyomó jellegű),

    továbbá

  • elektromos,

  • mágneses, illetve

  • vegyi (korróziós) tulajdonságainak módosulását
    tartalmazza.

A fenti definícióból egyértelműen kiderül az, hogy a felületminőséget csupán egyetlen jellemzővel nem lehet leírni. A felületminőség tágabb, szerteágazóbb fogalom az érdességnél. Sajnos a műszaki életben gyakran keverik, sőt, helytelenül is használják ezeket a fogalmakat, ezért kissé részletesebb ismertetése szükséges. 

A felületminőség mikrogeometriai jellemzői

A forgácsolási folyamatban kialakuló, sajátos rajzolatot mutató felületi egyenetlenségek három elem egymásra hatását jelentik, ezek pedig az előállítás módja (a szükséges műveletek), az elérni kívánt funkciója (kopás, festhetőség stb.) és jellemzése (szóbeli leírás, szemrevételezés, mérés).

A felületi profil egyenetlenségeinek metszettapintós méréssel történő vizsgálatakor háromszoros szűrésre van szükség. Az első (ƛs profilszűrő) a műszer saját hibáját és a külső rezgéseket  korrigálja. Az így kapott elsődleges (teljes) profil P-paraméterekkel jellemezhető (1. ábra), a mikrogeometriát alkotó további két összetevőre bontható: a hullámosságra (W) és az érdességre (R).  A felületi mikrogeometria e két jellemzője sávszűrők alkalmazásával ( ƛc és ƛf  profilszűrővel) választható szét.

1. ábra. A felületi egyenetlenség és összetevői

A felületi hullámosság a megmunkált felület mikrogeometriájának viszonylag nagy térközű egyenetlensége, amelyet az jellemez, hogy annak amplitúdója sokkal kisebb a hullámhosszához képest. A hullámosság az alkatrész működésbeli tulajdonságait befolyásolja és a forgácsolási folyamat azon zavarjelensége, amely megmunkáláskor a munkadarab-szerszám-készülék-gép rendszerben alakul ki, és többek között lehajlás, vibráció vagy rezgés okozhatja. A hullámosság jellemző paramétereit az érdesség leválasztása (szűrése) után kapott hullámossági profilból kell meghatározni.

 A hullámosság jellemzőit négy csoportba sorolhatjuk (JIS B0601-'94, JIS B0031-'94, ANSI B46.1-'85, NF E05-015('84), ISO468-'82, ISO4287:'97, ISO4288:'96, ISO1302_'78, ISO12085:'96, ISO13565's, ISO1302:'02, BS1134 part1-'88, BS1134 part2-'90, DIN4768-'90, DIN4771-'77, DIN4775-'82, DIN4776-'90, DIN4777-'90, ASME B46.1-'95 stb.):

  • amplitúdóparaméterek (hegy-völgyjellemzők: Wp, Wt, Wv, Wc, Wz; átlagos jellemzők: Wa, Wq),

  • hosszirányú paraméterek (Wsm),

  • formai (ún. hibrid) paraméterek (WDeltaq, valamint a hordozóhossz egyes jellemzői: Wmr, Wdeltac),

  • statisztikai paraméterek (ferdeség: Wsk, kurtosis: Wku).


A felületi érdesség a megmunkált felületnek egy olyan jellemzője, amelyet gyakran a termék minőségével azonosítanak, és amelynek előállítása nemcsak időigényes, hanem költséges is.

Definíciószerűen a felületi érdesség a megmunkált felület mikrogeometriájának sajátos mintázatot mutató, az alkalmazott szerszám kinematikai nyomát magánviselő kis térközű egyenetlensége, amelyet még olyan tényezők is befolyásolnak, mint a munkadarab anyagának kristályszerkezete, a szerszám élének pontatlanságai, a munkadarab-szerszám-készülék-gép rendszerben kialakuló rezgések, vibrációk stb.

A felületi érdesség jellemzőit ugyancsak négy csoportba sorolhatjuk a hatályos JIS B0601-'94, JIS B0031-'94, ANSI B46.1-'85, NF E05-015('84), ISO468-'82, ISO4287:'97, ISO4288:'96, ISO1302_'78, ISO12085:'96, ISO13565's, ISO1302:'02, BS1134 part1-'88, BS1134 part2-'90, DIN4768-'90, DIN4771-'77, DIN4775-'82, DIN4776-'90, DIN4777-'90, ASME B46.1-'95 stb. szabványok alapján:

  • amplitúdóparaméterek (hegy-völgyjellemzők: Rp, Rt, Rv, Rc, Rz; átlagos jellemzők: Ra,Rq),

  • hosszirányú paraméterek (Rsm),

  • formai (vagy másként hibrid) paraméterek (RDeltaq, valamint a hordozóhossz egyes jellemzői, mint például Rmr, Rdeltac, ),

  • statisztikai paraméterek (ferdeség: Rsk, kurtosis: Rku).

A felület alatti réteg tulajdonságai

A megmunkált felület alatt - az eljárásra jellemző - általában 0...500 µm vastagságban egy olyan megváltozott szerkezetű réteg található, amelynek az eredeti (korábbi) jellemzői metallográfiai, szilárdsági, fizikai és kémiai szempontból megváltoznak. Ennek pedig az az oka, hogy forgácsleválasztás közben a megmunkált felületre is kiterjedő képlékeny alakváltozással párhuzamosan anyagszerkezeti változások is történnek, ezzel egyidejűleg jelentős hőfejlődés figyelhető meg, amely - többek között - kémiai folyamatokhoz (például oxidáció) vezet.

Felkeményedés

A felületi réteg felkeményedése a szövetszerkezeti változások és a képlékeny alakváltozás következménye. A felülettől befelé haladva az alapszerkezet keménysége megnő. Erről mikrokeménység-vizsgálatok mérési adatai tájékoztatnak. A felkeményedéssel kapcsolatos három mérőszám a következő (2. ábra):


2. ábra. Lágyított állapotú, ötvözetlen szerkezeti acél (C50) felkeményedése esztergálás során

  • a felkeményedés mértéke. Természetesen a kisebb alapkeménységű anyag (pl. alumíniumötvözet, lágyacél) nagyobb mértékben (akár 200%-kal is) keményedhet fel, mint a közepes-nagy keménységű anyagok (pl. nemesíthető acélok). Az ausztenites korrózióálló acélok mutatják a legnagyobb felkeményedést (erről tájékoztat az ún. Mayer-kitevő). Képletszerűen:

        ahol: HVMmax - felkeményedett réteg legnagyobb keménysége,
                HVMalap - az anyag alapkeménysége.

  • a felkeményedés mélysége: az a kritikus rétegmélység (lkrit , µm), ahol még az alapanyagtól nagyobb keménységű réteg kimutatható.

  • a felkeményedés intenzitása. A keménységváltozás és mélységének aránya, azaz

A felkeményedés kedvező is lehet, ha az alkatrész további forgácsolásra már nem kerül: keményebb és kopásállóbb lesz a felülete. Amennyiben a felkeményedett rétegen újabb forgácsolási műveletet hajtanak végre, az előzőekben elért felkeményedés kedvezőtlen: a szerszám kopása (különösen a hátfelületen megfigyelhető szélkopása) megnő.

A felkeményedés mértéke a forgácsolási körülményekkel befolyásolható. A 3. ábra az esztergáláskor alkalmazott forgácsolási adatok és szerszámkialakítás hatását mutatja. Látható például, hogy a felkeményedés nagyságát a szerszám negatív homlokszöge ("vasaló szerszám") és a fokozott előtolása növeli.

Szerkezetváltozások

A felületi réteg szerkezetváltozásai bonyolult kölcsönhatás eredményeként alakulnak ki. A forgácsolóerő okozta háromirányú alakváltozás hatására már viszonylag kis hőmérsékleten fázisátalakulások mennek végbe, és olyan szövetelemek képződnek, amelyek fémfizikai és mechanikai tulajdonságai jelentősen eltérnek az alapszerkezettől. A forgácsolóerő által kifejtett nyomás és a szerszámél lekerekedése miatt a kristályszerkezet erősen torzul, a szemcsék megnyúlnak, keménységük és szilárdságuk megnövekszik.

A szerkezetváltozásra utaló keménységváltozási jelenségeket a 4. ábra mutatja be. Amennyiben a hőmérséklet igen magas (például edzett acél köszörülése), akkor a változás ellenkező irányban is megtörténik: az elegendő hűtés nélkül maradó felület szerszámmal érintkező része kilágyul, vagyis csökken a keménysége (4/a. ábra). A szövetszerkezet bizonyos rétegben tehát a martenzit kevésbé kemény bomlástermékei (trusztit, szorbit) jelennek meg. Előfordul olyan eset is, amikor a kilágyult felület a megmunkáló folyadék (például emulzió) hűtő hatása következtében a kritikus sebességet eléri a felülethez közeli néhány mikronos rétegben: ez a réteg visszaedződik (4/b. ábra).


4/a. ábra. A felületi réteg mikrokeménységének eloszlása köszörüléskor (kilágyulás)


4/b. ábra. A felületi réteg mikrokeménységének eloszlása köszörüléskor (újraedződött felületi réteg)

Maradófeszültség

A maradófeszültségeket az előállítási folyamat (hidegalakítás, hőkezelés, forgácsolás) műveletei hozzák létre úgy, hogy az eljárás közben az anyagban inhomogén képlékeny alakváltozás, inhomogén hőtágulás és anyagszerkezeti változás (fázisátalakulás) történik. A mechanikai okokra visszavezethető maradófeszültség általában nyomó jellegű, az anizotrop hőmérséklet-változások inkább húzó maradófeszültséggel járnak, a metallográfiai változások húzó vagy nyomó feszültséget okoznak. Míg az elsőrendű maradófeszültségek a darab egész térfogatában egyenlítődnek ki, a másodrendűek az alkatrész mikroszerkezetében (szemcséiben).

A maradófeszültség tipikus eloszlását a rétegmélység függvényében az 5. ábra mutatja be:  néhány µm réteg nyomófeszültséggel terhelt, a felületi réteg ezt követően húzófeszültséget mutat. Az ezután következő (harmadik) szakasz attól függően tartalmaz húzó vagy nyomó feszültséget, milyen az alkatrész hőkezeltsége. A nyomó feszültség például edzett szerkezetre utal.

5. ábra. A maradófeszültség elméleti eloszlása

A megmunkálásból eredő húzó jellegű maradófeszültségek döntően kedvezőtlenek, mert - az üzemi terhelésre szuperponálódva - a valóságos igénybevételi szintet növelik, ezáltal az alkatrészek terhelhetősége és tervezett élettartama csökken. Hozzájárulnak továbbá a szerkezetei elemek mechanikai kifáradásához, az edzési repedéshez, vagy például a feszültségkorróziós töréséhez. A szerkezetek nyomó jellegű maradófeszültségei mind a kifáradási szilárdságot, mind pedig a feszültségkorróziós ellenállást növelik és fokozzák például a rideg kerámiák hajlítószilárdságát.

A forgácsoláskor kialakuló maradófeszültség jellege és nagysága befolyásolható: a húzó jelleg fokozódik az előtolás és a forgácsolósebesség növelésével, a nyomó jelleg erősíthető az élszögek kedvező megválasztásával. Köszörüléskor a szemcse anyagminősége meghatározó a feszültség jellegében (6. ábra).

6. ábra. Edzett acél maradófeszültség eloszlása elektrokorund szemcsés (piros görbe) és
köbös bórnitridszemcsés (zöld görbe) köszörűkorong alkalmazásakor


A maradófeszültségek mérésére maratásos vagy (röntgen-, neutron- vagy elektronsugaras) diffrakciós eljárások alkalmazhatók. A maratásos vizsgálat elvégzésekor a szerkezet (vagy a próbatestként használt kisminta) roncsolódik, tehát többé már nem építhető be a szerkezetbe. A diffrakciós vizsgálatok jobban megkímélik a vizsgálandó anyag épségét.

A réteg fizikai/kémiai állapotának változásai

Fizikai jellemzők változásai

A forgácsolással megmunkált darab felületi rétegében lejátszódó fenti jelenségek következtében megváltoznak az anyag fizikai jellemzői, mint például az elektromos vezetőképesség, mágneses tulajdonságok stb. A változások jellegéről, mértékéről, kedvező vagy hátrányos voltáról más irodalmakban lehet adatokat találni.

Kémiai állapotváltozások

A forgácsolással megmunkált darab felületi rétegében lejátszódó fenti jelenségek következtében módosulnak az anyag kémiai jellemzői is. Egy ötvözetlen szerkezeti acél anyagú munkadarab azonos érdessége (pl. Ra=0,4 µm) elérhető például a következő eljárásokkal: külső hengeres palástköszörülés és finomgörgőzés.
Amennyiben köszörüléskor a szokásos anyagú és hígítású emulziót használják, a darabok nem kellő mosása után néhány héten belül kialakul egy vakrozsdaréteg.
A finomgörgőzés repceolaj-emulzióval történő elvégzése után a megmunkált felület még hosszú hónapok után is egyenletesen fényes lesz.