Ökad friktion med hjälp av laserytbehandling

TEKNISK RAPPORT 1995:04TNUTEK-projekt dnr 5421 - 93 - 03623

Ökad friktion med hjälpav laserytbehandling

Greger WiklundClaes 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 delnackdelar som t.ex. glapp vilket förvärras vid drift, inga injusteringsmöjligheter vidmontering, svårigheter vid demontering och spänningar i kilspårets botten som kanorsaka brott. Friktionsförband, som t.ex. axel/nav bussningar eliminerar kilförbandetmed dess nackdelar. Med laser kan hårda karbider och legeringsämnen lokaltsmältas in i ytskiktet och på så sätt ge nya möjligheter att öka friktionen i dessaförband. Även för tvärbelastade skruvförband t.ex. flänsförband, kanlaserytbehandling vara en möjlighet att öka friktionen och på så sätt minskadimensionerna och därmed kostnaderna vid tillverkning av flänsförband.

Denna rapport redovisar en friktionsökning på 250% för laserpåsvetsade spår medsammansättningen WC+Co 88/12 och 300% för TiC påsvetsade spår på stål.Friktionen ökade 40 % för laserytomsmälta spår på stål om spåren var vinkelrätt motbelastningen. Ytomsmälta spår parallella med dragbelastningen och laserhärdadespår gav inte någon friktionsökning.

Små WC+Co belagda spår på insidan av ETP bussningar stoppar delvismikroglidningen och ger 50-75% ökning av det överförbara vridmomentet. Samtidigtökade frettingen om spåren placerades nära den yttre delen av bussningen.

I skruvflänsförband ökade friktionen 200-300 % då WC+Co eller TiC belagda spårplacerades 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 EFTERFÖLJANDEFRIKTIONSMÄTNINGAR 6

4.1 Påsvetsning utförande och resultat 6

4.2 Friktionsmätningar utförande. 8

4.3 Friktionsmätningar resultat. 9

5 PÅSVETSNING AV BUSSNINGAR MED EFTERFÖLJANDEFRIKTIONSMÄTNINGAR 10

5.1 Påsvetsning utförande 10

5.2 Friktionsmätning utförande och resultat 11

6 PÅSVETSTNING AV SKRUVFÖRBAND MED EFTERFÖLJANDEFRIKTIONSMÄTNINGAR 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, menmetoden har en del nackdelar som t.ex. glapp vilket förvärras vid drift, ingainjusteringsmöjligheter vid montering, svårigheter vid demontering och spänningar ikilspårets botten som kan orsaka brott. För att eliminera kilförbandet med dessnackdelar har på senare år utvecklats så kallade friktionsförband. Dessaåstadkommer ett fast förband mellan axel och nav.Friktionsförbanden är uppbyggda enligt två huvudprinciper nämligen mekaniska-och hydrauliska-förband. Ett exempel på bussning enligt den hydrauliska principenvisas i figur 1.

Figur 1. Hydraulisk friktionsförband, ETP bussning.

Med laser kan hårda karbider och legeringsämnen lokalt smältas in i ytskiktet ochpå så sätt öka friktionen. Högre friktion hos förband som tex axel/nav bussningargör det möjligt att överföra mer vridmoment vilket innebär att man kan använda enmindre bussning än normalt vilket minskar kostnaderna

Tvärbelastade skruvförband tex flänsförband konstrueras också vanligen somfriktionsförband, dvs. skruvhålen borras frigående och muttrarna dras åt hårt.Kraften kan då överföras via friktion. Friktionskoeficienten är för dessa ytor mycketosäker och därför överdimensioneras många flänsförband. Ibland specialtillverkast.o.m. bultarna för att eventuellt klara stora belastningar. Detta leder till onödigtstora kostnader och dimensioner. Även här kan laserytbehandling vara en möjlighetatt minska kostnaderna vid tillverkning av flänsförband.

I denna rapport redovisas försök att med laser skapa friktionsytor som är max. 50 µmtjocka. Resultat hur det insmälta materialet ska tillföras, hur olika parameterar somhastighet, effekt, energifördelning påverkar resultatet samt friktionsmätningar påplana ytor, bussningar och flänsförband redovisas .

2 ALLMÄNT OM LASERYTBEHANDLING

Laserytbehandling innefattar ythärdning, påsvetsning, upplegering ochytimpregnering. Vid påsvetsning med laser smälter laserstrålen ett tillsatsmaterialoch ett tunt skikt av grundmaterialet. En metallisk bindning uppstår med mycketliten uppblandning av grundmaterial och påsvetsmaterial. Vid ytimpregneringsmälts grundmaterialet men inte tillsatsmaterialet som oftast är någon typ av karbidmed betydligt högre smältpunkt. Principiellt används en utrustning enligt figur 2.


2 mm

Genom att välja lasereffekt, hastighet och stråldiameter kan den behandlade breddenbli 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 såkoncentrerad att deformationerna efter behandlingen blir minimala [1,2].

Objekt

Gas

Laser stråle

Pulvertillförsel

ZnSe-fönster

Figur 2. Principskiss för ytmodifiering med laser. Till höger ett tvärsnitt av ytimpregnerad rostfri plåtmed titankarbider (svarta korn)

3 PROBLEMSTÄLLNINGAR

Målet med beläggningen var att erhålla ett skikt som så lite som möjligt förändradeytans eller detaljens dimension. En skikttjocklek på < 50 µm helst ca 10 µm som gaven friktionsökning på 3-4 ggr ansågs vara lämpligt. För att erhålla tunna skikt valdesen pulverkvalitet där kornstorleken var 5-25 µm. Materialet WC+Co 88/12 valdes iförsta hand eftersom ETP Transmission AB hade bra resultat från den sk.detonationsmetoden där WC+Co "skjutits" fast på en bussningsyta. Det optimalaresultatet var att smälta ytan så att de tillsatta pulvret sjönk ned till hälften i densmälta 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 utföraspå ett lämpligt sätt och valet av laserparametrar och pulverkvaliteter vara mycketnoggrann. De följande kapitlen behandlar några av de resultat som erhölls vidlaserpåsvetsningsförsöken. Det som kommenteras är försök med förbelagt pulveroch tillförsel av pulver med pulvermatare, olika laserparametrar som pulsad ellerkontinuerlig stråle samt olika effekttätheter och skyddsgaser.


3.1 Applicering av pulverDen vanligaste metoden att tillföra material till en yta vid laserpåsvetsning är medhjälp av pulvermatare som blåser pulvret mot ytan. Vid Luleå Tekniska Högskolaanvänds pulvermataren TECFLO 5102 tillverkad av Wear Control Technology ochlevererad av Castolin. Pulvermataren fungerar bäst med kornstorlek 45-90 µm. Detvisade sig att denna pulvermatare hade problem att leverera ett jämt och lågtpulverflöde med det finkorniga pulvret som valts. Det är troligen WC+Co pulvretshöga densitet (15,7 g/cm3) i kombination med den fina kornstorleken ochpulvermatarens matningsprincip (fluidiserande bädd) som ger upphov tillproblemen. Efter diverse försök avbröts dessa och försök med insmältning av pulversom 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 eventuelltett förtjockningsmedel för att sedan penslas eller sprutas på ytan men endast någramisslycka försök utfördes. Istället valdes ”sockerkaksmetoden” dvs. applicering avklister i ett mycket tunt skikt, hälla pulver på ytan och sedan skaka bort överflödetsom 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 pulvretskakades 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 somförklistras samt att det bör vara möjligt att automatisera appliceringen av klister ochäven pulver för att erhålla repeterbara resultat. De efterföljande försöken utfördesmed 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% blyfribensin. 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 påden förklistrade ytan och sedan skakades provbiten och knackades mot ett fastunderlag så att allt överflödigt pulver lossnade. Vid rätt utförd beläggning blev etttunt lager av pulver kvar på ytan enligt figur 4.

Figur 4. WC+Co pulver 5-25 µm kornstorlek klistrat på ytan i ett tunt lager.

1 mm


Samma metodik användes för andra pulverkvaliteter med gott resultat.Kornstorleken i dessa fall var 45-90 µm. En typisk yta med förklistrat TiC-pulver kanse ut enligt figur 5.

Figur 5. TiC pulver 45-90 µm stora korn klistrade mot en slipad yta.

3.2 Parameteranpassning för att smälta ytan men ej pulvretMed pulvret förplacerat på ytan hettades materialet upp så att endastgrundmaterialet 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]

TiB2 TiC TiN WC Al2O3 Cr3C2Smälttemperatur(oC)

3225 3067 2950 2780 2050 1810

Grundmaterialet SS1650 respektive SS2172 har smälttemperatur på omkring 1450 oC.Ju högre smälttemperatur på pulvret desto större chans att pulvret förblir osmält dågrundmaterialets yta börjar smälta.

Pulvrets absorption och tjocklek påverkar de parameterar som behövs för att få ettbra resultat. Exempelvis kan nämnas att Al2O3 absorberar CO2-laserstrålen mycketbra. I dessa försök smälte pulvret innan provytan smälte. Aluminiumoxiden bildadedroppar på ytan som lätt gick att peta bort efter laserbehandlingen.

Om tjockleken på det pålagda pulvret varierar eller om energin i laserstrålen ärojämt fördelad kan ytan smälta för mycket eller för lite för olika delar av detbehandlade spåret. Beläggningens tjocklek måste därför kontrolleras förelaserbehandlingen eller så måste ett beläggningsförfarandet användas som ger entillförlitligt skikttjocklek. Det är också lämpligt att använda någon typ avstrålintegrator för att jämna ut energin i strålen [4]. Figur 6 visar en yta där delar avspåret har smält så mycket att karbiderna täckts av smälta.

1 mm


a) b)

Figur 6. Material SS 2172 belagt med TiC. I mitten av spåret har ytan smält så mycket att karbidernainte längre skjuter upp ur ytan.

Insmältning av partiklar i ytan sker snabbt och det snabba termiska förloppettillsammans med ytspänningar och stelningseffekter kan ge ytor enligt figur 7.Pulvret har smält och samtidigt dragits samman till en räffelmönstrad yta med enhöjd på cirka 50 µm och bredd på 100 µm.

Figur 7. Insmält WC+Co 88/12 på SS 1650 material.

Vid behandlingen är det viktigt att skyddsgas används. Vid dessa försök gav heliumdet bästa resultaten. Vid invändig behandling av bussningar uppstod problem medatt ytorna oxiderade trots tillförsel av skyddsgas. Ett extra gasrör fick monteras föratt få tillräckligt bra skydd. Troligen uppkom någon typ av ejektorverkan som drogin syre mot ytan som behandlades.

1 mm

2 mm


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 påmånga 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 vidlaserbehandlingen smälte ett tunt yttre skikt på pulvret varvid kornen fastnade påytan. Vid belastning krossades det yttre skiktet och innuti fanns mycket små osmältakorn. Sådana pulver går inte att använda vid beläggning av ytor där målet är ökadfriktion eftersom de osmälta kornen kommer att verka som kullager på ytan.

Pulvret med WC+Co var tätsintrat och efter laserbehandlingen kunde det jämställasmed solida partiklar som smälts fast på komponentens yta. Pulver som smälts ochkrossats bör också vara lämpliga för denna typ av ytbehandling.

4 PÅSVETSNING AV PLANA YTOR MED EFTERFÖLJANDE FRIKTIONSMÄTNINGAR

4.1 Påsvetsning utförande och resultatLaserpåsvetsning av spår på material SS 1650 och SS 2172 har utförts med en 6 kWCO2-laser, RS 6000, med energifördelning TEM02. De pulver som påsvetsats framgårav tabell 2.

Tabell 2. Kombinationer av pulver och grundmaterial som laserpåsvetsats.

WC+Co 88/125-25 µm

TiC45-90 µm

Cr3C245-90 µm

TiN45-90 µm

SS 1650 X X X XSS2172 X* X** Dessa prover friktionstestades.


Provbitarnas ytor som var slipade till en ytfinhet av Ra=1,5 µm rengjordes i 95oktanig blyfri bensin och sedan applicerades gummiklister på ytan. Klistret torkadesav med bensinindränkt papper på så sätt att ett mycket tunt lager klister var kvar påytan. Pulvret hälldes på ytan och allt överflödigt pulver som inte fastnade skakadesav. Skikttjockleken var så tunn att metallglansen från provets yta kunde skönjasunder pulverlagret. Laserparametrarna som stråldiameter, hastighet, effekt ochskyddsgas anpassades så att pulvret och ett mycket tunt skikt av provet smältesamman. 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 vidpåsvetsningen framgår av tabell 3 och figur 9.

Tabell 3. Laserparameterar vid påsvetsning av grundmaterial SS 1650 och SS 2172 med olika pulverkvaliteter.

Effekt(W)

Hastighet(mm/s)

Strål-diameter(mm)

Skyddsgas

WC+Co 88/12 700 21,7 2,0 HeCr3C2 700 26,7 2,0 HeTiC 1800 26,7 2,5 HeTiN 1800 26,7 2,5 He

Figur 9. Optikuppställning vid laserpåsvetsning enligt tabell 3.

De försök som gav det bästa resultatet var insmältning av wolframkarbid/coboltpulver och titankarbid. Dessa pulver bildade en fast ojämn yta. I figur 10 visas ytanför wolfram/cobolt blandningen. Pulverstorleken var 5-25 µm vilket gav en finareyta än för titankarbiden där pulverstorleken var 45-90 µm.


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 varhomogent utan föll sönder i ett finare pulver. Dessa pulver var sintrade. För att få etthållfast skikt måste pulvret ha tillverkats på ett sådant sätt att det är homogent texsmält och krossat pulver samt tät sintrade kvaliteter. Se även kommentarer i kapitel3.2 och figur 8.

4.2 Friktionsmätningar; utförande.Friktionsmätningar utfördes för grundmaterial SS 2172 och pulvren WC+Co 88/12samt TiC. På provbitar som var 25*4*100 mm (b,t,l) placerades 2 mm respektive 2,5mm breda spår med ett centrumavstånd av 4 mm. Spåren låg längs långsidan på enasidan av provbitarna och tvärs långsidan på andra sidan. Små bitar, 20*4*15, kapadesfrån proven för att användas i friktionsförsöken. Proven friktionstestades i endragprovmaskin enligt figur 11.

Figur 11. Hållare för friktionsprover för montering i en dragprovmaskin. 1 och 2 stålaxel, 3 rullar, 4härdad stålplatta, 5 och 8 skruvtving, 6 mellanlägg, 7 belastnings block, 9 laserbehandlat prov.


Två prover pressades samman varav den ena alltid var obehandlad. Krafternaväxlade först för att utröna om beläggningen var tillräckligt fäst vid ytan. Därefterbestämdes ett slirvärde genom att dra i en rikting. Dragprovningen gav ett diagramenligt figur 12.

(kN)

8

7

6

5

4

3

2

1

0,1 0,2 (mm)

830030000

=0,276µ=

0,3

Figur 12. Dragprovkurva vid friktionsmätning.

Friktionskoeficienten beräknades ur formeln µ = F

N där F=dragspänningen då

slirning uppträder och N=normalkraften som mäts med kraftgivarna. Mellanprovbitarnas ytor placerades ett tryckkänsligt papper som visade om belastningen påytorna 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 80-173MPa och arean omkring 300 mm2.

4.3 Friktionsmätningar resultat.Friktionen mellan obehandlade prover uppmättes till 0,17 vilket är ett normalt värdeför friktionen mellan två stålytor. Även friktionen för laserhärdade prover mättes.Värdet 0,17 överensstämmer med försök som utförts tidigare [6]. Vid de tidigareförsöken undersöktes endast ytomsmälta och laserhärdade ytor och då gav deytomsmälta proverna med spåren tvärs rörelseriktningen en ökning avfriktionskoeficienten på 40%.

Några av försöken redovisas i tabell 4.


Tabell 4. Resultat av friktionsmätningar för WC+Co 88/12 laserpåsvetsade SS 2172 ytor.

Prov nr. Beräknatfriktions-värde

Yta 1Påsvetsspårensplacering

Yta 2Behandling

Yttryck(MPa)

Kontaktarea(mm2)

Kommentar

1 0,17 Ingen Ingen 83 2802a 0,55 tvärs

rörelseriktningIngen 81 301 Något ojämn

kontaktyta2b 0,67 längs

rörelseriktningIngen 81 294 Bra

3a 0,77 tvärsrörelseriktning

Ingen 75 317 Bra

3b 0,58 längsrörelseriktning

Ingen 113 230 Snedbelastning

5a 0,52 längsrörelseriktning

Ingen 173 150 Ojämnbelastning

5b 0,55 tvärsrörelseriktning

Ingen 100 270 Bra

6a 0,69 längsrörelseriktning

Ingen 90 308 Bra

6b 0,68 tvärsrörelseriktning

Ingen 101 276 Bra

7 0,43 tvärsrörelseriktning

Någothårdare stål

90 300 Bra

Sammanfattningsvis blev de beräknade friktionsvärdena för WC+Co behandladeproverna mot ej behandlat kolstål blev enligt följande;

Spåren tvärs rörelserikt. 0,55 0,77 0,68 vilket ger ett medelvärde på 0,60Spåren 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 längsrörelseriktningen 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+Comed hjälp av detonationsmetoden.

5 PÅSVETSNING AV BUSSNINGAR MED EFTERFÖLJANDE FRIKTIONSMÄTNINGAR

5.1 Påsvetsning utförandePå två stycken ETP bussningar, tillverkade av materialet SS 2172, påsvetsades 20-40µm tjocka spår av WC+Co 88/12 pulver. Pulvret applicerades enlig beskrivning ikapitel 4.1. Lasereffekt 700 W, hastighet 21,7 mm/s och stråldiameter ca 3 mm


användes vid behandlingen. Lasern var en RF exiterad CO2-laser från Rofin Sinarmed maximal uteffekt på 6000 W och energifördelningen TEM02.

Bussningarna var av standard typ, figur 1, med innerdiameter 25 mm ochytterdiameter 34 mm.

De laserpåvetsade spåren placerades både på utsidan och insidan av bussningenenligt figur 13.

Figur 13. De påsvetsade spårens placering på bussningarna.

Vid invändig behandling vinklades strålen 45 grader. För att förbättra gasskyddetvid invändig behandling användes ett extra gasrör, 10 mm i diameter, som riktadesmot den yta som behandlades.

5.2 Friktionsmätning utförande och resultatEfter behandling mättes vridmomentet, vid slirning, i en utmattnings-testmaskinenligt figur 14.


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 Nmtill 560-600 Nm. Detta är en förbättring på 75%. Vid slirningen skedde denna motnavet. För att bättre kunna jämföra värdena bör fler bussningar behandlas och dåmed flera spår på ytorna.

6 PÅSVETSTNING AV SKRUVFÖRBAND MED EFTERFÖLJANDE FRIKTIONSMÄTNINGAR

En annan tillämpning där hög friktion är önskvärd är för skruvförband. Dessa ärvanligen konstruerade som friktionsförband, dvs skruvhålen borras frigående ochmuttrarna dras åt hårt. Kraften kan då överföras via friktion. Friktionsförbandet haren extra säkerhet i skruvarnas höga skjuvhållfasthet. Om kraften överförs viaskjuvning istället för friktion uppstår genom de frigående hålen glapp och högayttryck.

Försöken som redovisas under detta kapitel avsåg att undersöka vilkenfriktionshöjande effekt som kan erhållas genom att smälta fast hårda karbider påflänsytor. 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 45-90µm smältes fast på plana provbitar av materialet SS 2172. Vid behandlingenanvändes en 6kW CO2-laser från Rofin Sinar med energifördelningen TEM02. Övrigaparametrar vid försöken framgår av tabell 5.

Tabell 5. Laserparametrar som användes vid behandling av flänsprover.

Effekt(W)

Hastighet(m/min)

Stråldiameter(mm)

Skyddsgas

WC+Co 88/12 700 1,3 2,5 N2TiC 1800 1,6 4,5 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 medett hål var 40 mm höga medan de som hade två hål var 80 mm höga.

Tre olika spårplaceringar testades enligt figur 15.


a) b) c) Figur 15. a) Spår placerade runt hålen. b) spår placerad i rörelseriktningen längs hela plattan och somtangerar hålen. c) Två spår som båda tangerar hålen och ligger i rörelseriktningen.

Efter laserbehandling utfördes friktionsmätningar hos ETP Transmission AB iLinköping.

6.2 Friktionsmätning utförandeDe behandlade proverna monterades på utsidan av en 20 mm tjock platta medfriktionsytorna vända mot mittenplattan. Plattorna monterades med M6 skruvar ochmomentnyckel. Detta gav den nödvändiga förspänningen, normalkraften FN.Glappet mellan hål och skruv var 1 mm och vid monteringen placerades plattorna såatt glappet var så stort som möjligt på ovansidan av hålen.Det tre monterade plattorna placerades i en hydraulisk press max 10 ton och däranbringades kraften F mot mittenplattan enligt figur 16.

Figur 16. Principskiss för monterade plattor avsedda för friktionstester.

Den anbringade kraften mättes med kraftgivare och registrerades på X-Y skrivare (Y-axeln). 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). Manerhåller alltså ett tidsoberoende kraft/lägesdiagram.

F=(y)

L=(x)


Vid ökande belastning kommer så småningom ytorna att slira, förskjutas, tillsskruven tar emot. Då ökar kraften mycket snabbt. Tillåten slirning ca 1-2 mm.

6.3 Friktionsmätning resultatNågra av mätningarna var svårtolkade troligen pga felaktigt monterade plattor. Omglappet mellan skruv och hål hamnar i underkant blir det inte någon glidning mellanytorna utan skruven tar upp all belastning. I figur 17 visas exempel på diagram somregistrerades 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 skruvhåletb) 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 spårplacerade runt skruv hålen

För proverna med obehandlade ytor och ett respektive två hål registreradeskontakten mellan ytorna som gränsade mot mittenplattan med hjälp av tryckkänsligtpapper. Som väntat visade det att trycket är störst under skruvskallarna. För WC+Cobehandlat prov med spår runt skruvhålen är trycket koncentrerat till området som ärlaserpåsvetsat. 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) obehandlatprov med två hål (D1). c) WC+Co behandlat prov med ett hål där spåret placerats runt skruvhålet (B4).


De uppmätta friktionskoeficienterna framgår av tabell 6.

Tabell 6. Uppmätta friktionskoeficienter för olika påsvetsningar och spårutförande.

Påsvets-material

Friktions-koeficient

Spårtyp Provtyp

WC+Co 0,45 Cirkel runt skruvhål Ett hålTiC 0,47 Cirkel runt skruvhål Ett hålTiC 0,37 Cirkel runt skruvhål Två hålTiC 0,42 Ett spår vid sidan av

skruvhålTvå hål

TiC 0,37 Två spår på varderasidan av skruvhål

Två hål

Generellt sett ligger mätvärdena 2-3 gånger högre än dom förväntade vid obelagdaytor.

De testade plattorna är av ett mjukt stål och undersökningen bör kompletteras medmätningar mot ett hårdare material och test med växlande belastningar innanmetoden kan marknadsföras.

6.4 SlutsatserFörsöken har visat att det är möjligt att öka friktionen på ytor genom att med lasersmälta fast hårda karbider. Friktionsökningar på 250% för laserpåsvetsade spår medsammansättningen WC+Co 88/12 och 300% för TiC påsvetsade spår på stål harerhållits vid försöken.

Det är också möjligt att öka friktionen på ytor genom att enbart smälta smala spårmed laser. Friktionen ökade 40 % för lasersmälta spår på stål om spåren var vinkelrätmot belastningen. Ytomsmälta spår parallella med dragbelastningen ochlaserhärdade spår gav inte någon friktionsökning.Metoden kan användas för tex ETP bussningar och tvärbelastade skruvförband texflänsförband. Vid försök med små WC+Co belagda spår på insidan av ETPbussningar ökade det överförbara vridmomentet 50-75%. I skruvflänsförband ökadefriktionen 200-300 % då WC+Co eller TiC belagda spår placerades runt skruvhåleneller längs röreleriktningen nära hålen.

Fortsatta försök med växlande belastning och på härdade ytor bör ske innanmetoden kan marknadsföras.


7 ERKÄNNANDE

Detta arbete har utförts med finansiellt stöd från Närings- ochteknikutvecklingsverket, NUTEK, och Nordisk Industrifond vilket erkännes medtacksamhet.Ett varmt tack till Lennart Disborg, ETP Transmission AB, som utförtfriktionsmätningarna och aktivt varit med vid planering och utförande av projektet.

8 REFERENSER

1. Wiklund, G. Magnusson, C : Ytmodifiering med högeffektlaser i kombination med induktionsvärmning, Teknisk rapport 1993:015 T, Högskolan i Luleå

2. Flinkfeldt, J : Laserimpregnering, Teknisk rapport 1990:04 T, Högskolan i Luleå

3. Informationsskrift från HCST Herman C. Starck Berlin via återförsäljare Bayer Sverige AB.

4. Wiklund, G. : Ythärdning i cylindriska hål med högeffektlaser, Teknisk rapport 1988:08T, Högskolan i Luleå

5. Beczkowiak, J. Schwier, G. Burkard, H : Powders for thermal spraying, HCST Herman C. Starck Berlin

6 Wiklund, G. Disborg, L : Friction Increase by Laser Surface Modification, Proceedings of the 4th NOLAMP Conference, 1993 aug 16-18, s 137-142.

Documents

Ökad friktion med hjälp av laserytbehandling