#13c - ALKALMAZOTT KEMÉNY ANYAGOK összetételének és kémiai állapotának vizsgálata igénybevétel (kopás) előtt és után - Témavezető: KÓTIS László, Tel.:392-2222-1700, Épület:25, Szoba:102, E-mail:kotis@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_25)

Mindenki számára ismerős folyamat a kopás. Az anyagok elhasználódásának ezt a formáját a mechanikai súrlódás rovására írhatjuk. A súrlódási erő mindig ellentétes a viszonylagos mozgás irányával. Alapvetően a súrlódást, és így a kopást kenőanyagok segítségével tudjuk csökkenteni. Ugyanakkor léteznek olyan feladatok is, amikor a kenőanyag használata valamilyen speciális okból feltétlenül kerülendő vagy esetleg csak ún. száraz kenés alkalmazható. Utóbbira mutat példát az 1. ábra.

1. ábra. Kerékpár fékpofák koptatás előtt.

Ebben az esetben az optimális kopást a fékpofa gumi test keménységének szabályozásával és a felület speciális kialakításával igyekeznek megoldani.
Egy másik példát a kemény (karc és kopásálló) anyagokra az autó iparban találunk. Ezek a modern szénszálas kompozit anyagok, melyek egyaránt alkalmazhatók az autók belső és külső szerkezeti alkatrészeinél. Egy belső alkalmazásra láthatunk példát a 2. ábrán. A keménységük mellett nagy előnyük a szénszálas kompozitból készült tárgyaknak a kis súly is.

2. ábra. Autó enteriőr: szénszálas kompozit műanyag alkotóelemek (nyilakkal jelölve).

A kopás anyagfogyással jár, ugyanakkor megváltozhat az igénybevett felület kémiai összetétele is. A megváltozott kémiai összetétel eredményezheti a mechanikai tulajdonságok megváltozását, gyengébb vagy erősebb irányba is.

KISÉRLETI MÓDSZEREINK:
A felületi összetétel és a kémiai állapot megváltozását felületfizikai módszerekkel vizsgáljuk. Ilyenek az osztályunkon található Auger elektron spektrométer (AES) és a Röntgen fotoelektron spektrométer (XPS). Mindkét módszer a vizsgált anyag atomjainak egy külső besugárzásra (elektron és röntgen foton) adott válaszán alapul. A "választ" mindkét esetben az adott atomra jellemző karakterisztikus energiával rendelkező elektronhozam formájában kapjuk. A kijövő elektronok rugalmatlan ütközés nélküli úthossza 0,5-3 nm tartományban van, azaz ténylegesen csak a felső.külső atomsorokról kapunk információt. A két módszer fizikai alapjainak szemléltetését láthatjuk a 3. és 4. ábrákon. A 4. ábra folyamatában 1 elektronhéj vesz részt, tehát a módszer közvetlenül érzékeny a kötési energiára, így a felületen (felülethez közel) lévő atom kémiai állapotára is. A kijövő elektronok száma mindkét módszer esetében arányos a felületi atomok számával, azaz a felület összetétele is mérhető.

3. ábra. Auger-effektus.	4. ábra. Fotoeffektus (K.E. a fotoelektron kinetikus energiája).

Vizsgálataink célja, hogy összehasonlítsuk a súrlódás előtti és utáni kémiai felületi összetételt. Az igénybevételnek kitett anyag felületének vizsgálatánál kiindulhatunk abból is, hogy a természetes helyén kopott mintadarabot vizsgálunk. De ennél sokkal időtakarékosabb, ha mesterséges koptatást alkalmazunk egy úgynevezett Tribométer segítségével. Az osztályunkon lévő "Ball-on-disk" (golyó-a-tárcsán) elrendezésű Tribométert az 5. ábrán láthatjuk. Ebben az esetben a vizsgálandó mintadarabot egy forgatható tárcsára erősítjük és meghatározott merőleges erővel egy golyót nyomunk a felületére. Így ismerve a geometriai paramétereket és a merőlegesen ható erő nagyságát kiszámíthatjuk az úgynevezett kopási rátát, azaz az egységnyi erő hatására lekoptatott anyagmennyiséget adott koptatási ciklus után. Ezután a kopásnyomokat tartalmazó mintarészeket megfelelően előkészítve vizsgáljuk a felület kémiai összetételének megváltozását.

5. ábra. CSM gyártmányú tribométer.